У дома цветя Квантова теория за структурата на Вселената. Самоорганизираща се квантова вселена. Напълно ново измерение в пространството

цветя

Квантова теория за структурата на Вселената. Самоорганизираща се квантова вселена. Напълно ново измерение в пространството

В тази книга известните учени Брайън Кокс и Джеф Форшоу запознават читателите с квантовата механика – фундаменталният модел на структурата на света. Те разказват какви наблюдения са довели физиците до квантовата теория, как е разработена и защо учените, въпреки цялата й странност, са толкова уверени в нея. Книгата е предназначена за всички, които се интересуват от квантовата физика и устройството на Вселената.

Нещо странно идва.
квантово. Тази дума едновременно е привлекателна за чувствата, объркваща и хипнотизираща. В зависимост от гледната точка, това е или доказателство за огромен напредък в науката, или символ на ограниченията на човешката интуиция, която е принудена да се бори с неизбежната странност на субатомната сфера. За физика квантовата механика е един от трите големи стълба, на които се основава разбирането за природата (другите два са общата и специалната теория на относителността на Айнщайн). Теориите на Айнщайн се занимават с природата на пространството и времето и силата на гравитацията. Квантовата механика прави всичко останало и можем да кажем, че колкото и да привлича сетивата, да обърква или хипнотизира, тя е просто физическа теория, описваща как всъщност се държи природата. Но дори и да се измерва по този много прагматичен критерий, той е поразителен със своята точност и обяснителна сила. Има един експеримент в областта на квантовата електродинамика, най-старият и най-добре разбран от съвременните квантови теории. Той измерва как се държи електрон близо до магнит. Физиците-теоретици са работили усилено с писалка и хартия, а по-късно и с компютри, в продължение на много години, за да предскажат какво ще разкрият подобни изследвания. Практикуващите измислиха и организираха експерименти, за да открият повече подробности от природата. И двата лагера независимо дали резултати с точност, подобна на измерването на разстоянието между Манчестър и Ню Йорк с грешка от няколко сантиметра. Прави впечатление, че получените от експериментаторите цифри напълно съответстват на резултатите от изчисленията на теоретиците; измерванията и изчисленията бяха напълно последователни.
Това е не само впечатляващо, но и невероятно и ако изграждането на модели беше единствената грижа на квантовата теория, с право бихте могли да попитате какъв е проблемът. Науката, разбира се, не трябва да бъде полезна, но много технологични, логически и социални промени, които революционизираха живота ни, се появиха от фундаментални изследвания, извършени от съвременни учени, които се ръководят единствено от желанието да разберем по-добре света около нас. . Благодарение на тези водени от любопитство открития във всички клонове на науката, ние имаме удължена продължителност на живота, международни въздушни пътувания, свобода от нуждата да селим за собственото си оцеляване и широк, вдъхновяващ и отварящ очите поглед към нашето място в безкрайно море от звезди. Но всичко това в известен смисъл са странични ефекти. Ние изследваме от любопитство, а не защото искаме да разберем по-добре реалността или да проектираме по-ефективни дрънкулки.

Съдържание
Нещо странно идва
На две места едновременно
Какво е частица?
Всичко, което може да се случи, се случва
Движението като илюзия
Музика на атомите
Вселена върху щифтова глава (и защо не потъваме в земята)
Взаимна зависимост
Модерен свят
Взаимодействие
Празното пространство не е толкова празно. Епилог: смъртта на звездите
За по-нататъшно четене.

Чрез бутони отгоре и отдолу "Купете книжка на хартия"и с помощта на връзката „Купете“ можете да закупите тази книга с доставка в цяла Русия и подобни книги на най-добра цена на хартиен носител на уебсайтовете на официалните онлайн магазини Labyrinth, Ozon, Bukvoed, Chitai-gorod, Liters, My-shop, Книга 24, Книги. ru.

В зависимост от гледната точка, квантовата теория е или свидетелство за огромния напредък на науката, или символ на ограниченията на човешката интуиция, която е принудена да се бори със странността на субатомната сфера. За физика квантовата механика е един от трите големи стълба, на които се основава разбирането на природата (заедно с общата и специалната теория на относителността на Айнщайн). За тези, които винаги са искали да разберат поне нещо във фундаменталния модел на структурата на света, учените Брайън Кокс и Джеф Форшоу обясняват в книгата си "Квантовата вселена", която е публикувана от MYTH. T&P публикува кратък откъс за същността на кванта и произхода на теорията.

Теориите на Айнщайн се занимават с природата на пространството и времето и силата на гравитацията. Квантовата механика прави всичко останало и можем да кажем, че без значение как привлича сетивата, обърква масата или омагьосва, това е просто физическа теория, описваща как всъщност се държи природата. Но дори и да се измерва по този много прагматичен критерий, той е поразителен със своята точност и обяснителна сила. Има един експеримент в областта на квантовата електродинамика, най-старият и най-добре разбран от съвременните квантови теории. Той измерва как се държи електрон близо до магнит. Физиците-теоретици са работили усилено с писалка и хартия, а по-късно и с компютри, в продължение на много години, за да предскажат какво ще разкрият подобни изследвания. Практикуващите измислиха и организираха експерименти, за да открият повече подробности от природата. И двата лагера независимо дали резултати с точност, подобна на измерването на разстоянието между Манчестър и Ню Йорк с грешка от няколко сантиметра. Прави впечатление, че получените от експериментаторите цифри напълно съответстват на резултатите от изчисленията на теоретиците; измерванията и изчисленията бяха напълно последователни.

Квантовата теория е може би най-добрият пример за това как безкрайно трудното за разбиране за повечето хора става изключително полезно. Трудно е за разбиране, защото описва свят, в който една частица всъщност може да бъде на няколко места едновременно и да се движи от едно място на друго, като по този начин изследва цялата Вселена. Полезно е, защото разбирането на поведението на най-малките градивни елементи на Вселената засилва разбирането за всичко останало. Тя слага край на нашата арогантност, защото светът е много по-сложен и разнообразен, отколкото изглеждаше. Въпреки цялата тази сложност, ние открихме, че всичко е съставено от много малки частици, които се движат в съответствие със законите на квантовата теория. Тези закони са толкова прости, че могат да бъдат написани на гърба на плик. А фактът, че не е необходима цяла библиотека, за да обясни дълбоката природа на нещата, сам по себе си е една от най-големите мистерии на света.

Представете си света около нас. Да приемем, че държите книга, изработена от хартия - смляна дървесна маса. Дърветата са машини, способни да вземат атоми и молекули, да ги разделят и да ги реорганизират в колонии от милиарди отделни части. Те правят това благодарение на молекула, известна като хлорофил, която се състои от повече от 100 въглеродни, водородни и кислородни атома, които са огънати по специален начин и са прикрепени към още няколко магнезиеви и водородни атома. Такава комбинация от частици е способна да улови светлина, която е прелетяла на 150 000 000 км от нашата звезда - ядрено огнище с обем от милион планети като Земята - и да транспортира тази енергия дълбоко в клетките, където създава нови молекули от въглероден диоксид и вода и освобождава животът е кислород за нас.

Именно тези молекулярни вериги образуват надстройката, която обединява дърветата и хартията в тази книга и всички живи същества. Вие сте в състояние да четете книга и да разбирате думи, защото имате очи и те могат да преобразуват разсеяната светлина от страниците в електрически импулси, интерпретирани от мозъка - най-сложната структура на Вселената, за която знаем. Открихме, че всички неща в света не са нищо повече от купове от атоми, а най-голямото разнообразие от атоми се състои само от три частици - електрони, протони и неутрони. Знаем също, че самите протони и неутрони са съставени от по-малки образувания, наречени кварки, и всичко свършва с тях – поне така си мислим сега. Основата на всичко това е квантовата теория.

Така съвременната физика рисува картина на Вселената, в която живеем с изключителна простота; елегантните явления се случват някъде, където не могат да се видят, пораждайки разнообразието на макрокосмоса. Може би най-забележителното постижение на съвременната наука - намаляването на невероятната сложност на света, включително на самите хора, до описване на поведението на шепа малки субатомни частици и четирите сили, действащи между тях. Най-добрите описания на три от тези четири сили - силните и слабите ядрени взаимодействия, които съществуват в атомното ядро, и електромагнитното взаимодействие, което слепва атоми и молекули заедно - се предоставя от квантовата теория. Само гравитацията - най-слабата, но може би най-познатата сила от всички - в момента няма задоволително квантово описание.

Трябва да признаем, че квантовата теория има малко странна репутация и зад нейното име се крият много истински глупости. Котките могат да бъдат мъртви и живи едновременно; частиците са на две места едновременно; Хайзенберг твърди, че всичко е несигурно. Всичко това наистина е вярно, но изводите, които често следват от това – след като в микрокосмоса се случва нещо странно, значи сме обвити в мъгла от мъгла – определено са погрешни. Екстрасензорно възприятие, мистично изцеление, вибриращи гривни, които предпазват от радиация, и дявол знае какво още редовно се промъква в пантеона на възможното под прикритието на думата „квант“. Тази глупост идва от липса на ясно мислене, самозаблуда, истинско или престорено неразбиране или някаква особено злощастна комбинация от всичко по-горе. Квантовата теория точно описва света, използвайки математически закони, толкова специфични, колкото тези, използвани от Нютон или Галилей. Ето защо можем да изчислим магнитното поле на електрона с невероятна точност. Квантовата теория предлага описание на природата, за което научаваме, че има огромна предсказваща и обяснителна сила и се простира до различни явления, от силициеви чипове до звезди.

Както често се случва, появата на квантовата теория провокира открития на природни явления, които не могат да бъдат описани от научните парадигми на времето. За квантовата теория имаше много такива открития, освен това от различно естество. Поредица от необясними резултати предизвикаха вълнение и объркване и в крайна сметка предизвикаха период на експериментални и теоретични иновации, които наистина заслужават популярното определение за „златен век“. Имената на главните герои са завинаги вкоренени в съзнанието на всеки студент по физика и често се споменават в университетските курсове дори по-често от други: Ръдърфорд, Бор, Планк, Айнщайн, Паули, Хайзенберг, Шрьодингер, Дирак. Може би вече няма да има период в историята, когато толкова много имена ще се свързват с величието на науката, докато се движат към една единствена цел – създаването на нова теория за атомите и силите, които управляват физическия свят. През 1924 г., поглеждайки назад към предишните десетилетия на квантовата теория, Ърнест Ръдърфорд, роденият в Нова Зеландия физик, който открива атомното ядро, пише: „1896 г.... бележи началото на това, което доста уместно е наречено героична епоха на физическите наука. Никога преди в историята на физиката не е имало такъв период на трескава активност, през който някои фундаментално значими открития заменят други с главоломна скорост.

До 30 юни читателите на T&P ще получат отстъпка за хартиени и електронни версии на книгата. Отстъпките се активират, когато кликнете върху връзките.

Терминът "квант" се появява във физиката през 1900 г. благодарение на работата на Макс Планк. Той се опита теоретично да опише излъчването, излъчвано от нагрети тела – така наречената „радиация на черното тяло“. Между другото, ученият беше нает за тази цел от компания, която се занимаваше с електрическо осветление: ето как вратите на Вселената понякога се отварят по най-прозаични причини. Планк открива, че свойствата на излъчването на черното тяло могат да бъдат обяснени само ако приемем, че светлината се излъчва в малки порции енергия, която той нарече кванти. Самата дума означава "пакети" или "дискретни". Първоначално той смяташе, че това е просто математически трик, но работата на Алберт Айнщайн от 1905 г. върху фотоелектричния ефект подкрепя квантовата хипотеза. Резултатите бяха убедителни, защото малки парченца енергия можеха да бъдат синоними на частици.

Идеята, че светлината се състои от поток от малки куршуми, има дълга и славна история, датираща от Исак Нютон и раждането на съвременната физика. Въпреки това, през 1864 г. шотландският физик Джеймс Кларк Максуел изглежда най-накрая разсея всички съмнения в поредица от произведения, които Алберт Айнщайн по-късно описва като „най-задълбочената и плодотворна от всички познати на физиката след Нютон“. Максуел показа, че светлината е електромагнитна вълна, разпространяваща се в пространството, така че идеята за светлината като вълна има безупречен и привидно неоспорим произход. Въпреки това, в поредица от експерименти, които Артър Комптън и неговите колеги проведоха във Вашингтонския университет в Сейнт Луис, те успяха да отделят светлинните кванти от електроните. И двамата се държаха по-скоро като билярдни топки, което ясно потвърждаваше, че теоретичните предположения на Планк имат солидна основа в реалния свят. През 1926 г. светлинните кванти са наречени фотони. Доказателството беше неопровержимо: светлината се държи като вълна и частица едновременно. Това бележи края на класическата физика - и края на периода на формиране на квантовата теория.

П. 1 от 68

Научни редактори Вячеслав Марача и Михаил Павлов

Препечатано с разрешение от Apollo's Children Ltd и Jeff Forshow и Diane Banks Associates Ltd.

Правната подкрепа на издателството се осъществява от адвокатска кантора "Вегас-Лекс".

* * *

1. Нещо странно идва

квантово. Тази дума едновременно е привлекателна за чувствата, объркваща и хипнотизираща. В зависимост от гледната точка, това е или доказателство за огромен напредък в науката, или символ на ограниченията на човешката интуиция, която е принудена да се бори с неизбежната странност на субатомната сфера. За физика квантовата механика е един от трите големи стълба, върху които се основава разбирането за природата (другите два са общата и специалната теория на относителността на Айнщайн). Теориите на Айнщайн се занимават с природата на пространството и времето и силата на гравитацията. Квантовата механика прави всичко останало и можем да кажем, че колкото и да привлича сетивата, да обърква или хипнотизира, тя е просто физическа теория, описваща как всъщност се държи природата. Но дори и да се измерва по този много прагматичен критерий, той е поразителен със своята точност и обяснителна сила. Има един експеримент в областта на квантовата електродинамика, най-старият и най-добре разбран от съвременните квантови теории. Той измерва как се държи електрон близо до магнит. Физиците-теоретици са работили усилено с писалка и хартия, а по-късно и с компютри, в продължение на много години, за да предскажат какво ще разкрият подобни изследвания. Практикуващите измислиха и организираха експерименти, за да открият повече подробности от природата. И двата лагера независимо дали резултати с точност, подобна на измерването на разстоянието между Манчестър и Ню Йорк с грешка от няколко сантиметра. Прави впечатление, че получените от експериментаторите цифри напълно съответстват на резултатите от изчисленията на теоретиците; измерванията и изчисленията бяха напълно последователни.

Това е не само впечатляващо, но и невероятно и ако изграждането на модели беше единствената грижа на квантовата теория, с право бихте могли да попитате какъв е проблемът. Науката, разбира се, не трябва да бъде полезна, но много от технологичните и социални промени, които революционизираха живота ни, произлизат от фундаментални изследвания, извършени от съвременни учени, които се ръководят единствено от желанието да разбират по-добре света около нас. . Благодарение на тези водени от любопитство открития във всички клонове на науката, ние имаме удължена продължителност на живота, международни въздушни пътувания, свобода от нуждата да селим за собственото си оцеляване и широк, вдъхновяващ и отварящ очите поглед към нашето място в безкрайно море от звезди. Но всичко това в известен смисъл са странични ефекти. Ние изследваме от любопитство, а не защото искаме да разберем по-добре реалността или да проектираме по-ефективни дрънкулки.

И така, колкото повече научаваме за елементарната природа на Вселената, толкова по-лесно ни изглежда. Постепенно ще разберем всички закони и как тези малки тухли взаимодействат, за да оформят света. Но колкото и да се увличаме от простотата, която е в основата на Вселената, е наложително да запомним, че макар основните правила на играта да са прости, последствията от тях не винаги са лесни за изчисляване. Нашият ежедневен опит от познаване на света се определя от взаимоотношенията на много милиарди атоми и би било просто глупаво да се опитваме да изведем принципите на поведение на хората, животните и растенията от нюансите на поведението на тези атоми. Признавайки това, ние не омаловажаваме значението му: в резултат на това зад всички явления се крие квантовата физика на микроскопичните частици.

Представете си света около нас. В ръцете си държите книга от хартия - смляна дървесна маса. Дърветата са машини, способни да вземат атоми и молекули, да ги разделят и да ги реорганизират в колонии от милиарди отделни части. Те правят това благодарение на молекула, известна като хлорофил, която се състои от повече от 100 въглеродни, водородни и кислородни атома, които са огънати по специален начин и са прикрепени към още няколко магнезиеви и водородни атома. Такава комбинация от частици е способна да улови светлина, която е прелетяла на 150 000 000 км от нашата звезда - ядрено огнище с обем от милион планети като Земята - и да транспортира тази енергия дълбоко в клетките, където създава нови молекули от въглероден диоксид и вода и освобождава животът е кислород за нас.

Брайън Кокс, Джеф Форшоу

Квантова вселена. Как става това, което не можем да видим

Научни редактори Вячеслав Марача и Михаил Павлов

Препечатано с разрешение от Apollo's Children Ltd и Jeff Forshow и Diane Banks Associates Ltd.

Правната подкрепа на издателството се осъществява от адвокатска кантора "Вегас-Лекс".

* * *

1. Нещо странно идва

Трябва да признаем, че квантовата теория има малко странна репутация и зад нейното име се крият много истински глупости. Котките могат да бъдат мъртви и живи едновременно; частиците са на две места едновременно; Хайзенберг твърди, че всичко е несигурно. Всичко това наистина е вярно, но изводите, които често следват от това – след като в микрокосмоса се случва нещо странно, значи сме обвити в мъгла от мъгла – определено са погрешни. Екстрасензорно възприятие, мистично изцеление, вибриращи гривни, които предпазват от радиация, и дявол знае какво още редовно се промъква в пантеона на възможното под прикритието на думата „квант“. Тази глупост идва от липса на ясно мислене, самозаблуда, истинско или престорено неразбиране или някаква особено злощастна комбинация от всичко по-горе. Квантовата теория точно описва света с математически закони, толкова специфични, колкото тези, използвани от Нютон или Галилей. Ето защо можем да изчислим магнитното поле на електрона с невероятна точност. Квантовата теория предлага описание на природата, за което научаваме, че има огромна предсказваща и обяснителна сила и се простира до различни явления, от силициеви чипове до звезди.

Целта на тази книга е да откъсне воала на мистерията от квантовата теория – теоретична конструкция, която обърква твърде много, включително дори пионерите в индустрията. Възнамеряваме да използваме съвременна перспектива, като се възползваме от уроците, научени през вековете в ретроспективното и теоретичното развитие. Въпреки това, в началото на пътуването, ние ще прескочим напред към началото на 20-ти век и ще проучим някои от проблемите, които са накарали физиците радикално да се отклонят от това, което преди се е считало за основна наука.

Нов подход към проблема с квантовата гравитация, за който учените се борят от много десетилетия, се връща към основите и показва как „тухлите“, които изграждат пространството и времето, се „подреждат“ един с друг.

Как се появиха пространството и времето? Как са образували гладка четириизмерна празнота, която служи като фон за нашия физически свят? Как изглеждат те при по-внимателен преглед? Въпроси като този възникват в челните редици на съвременната наука и настояват за изследване на квантовата гравитация – все още предстои да се създаде обединение на общата теория на относителността на Айнщайн с квантовата теория. Теорията на относителността описва как пространството и времето в макроскопичен мащаб могат да приемат безброй форми, създавайки това, което наричаме гравитация или гравитация. Квантовата теория описва законите на физиката в атомните и субатомните мащаби, като напълно игнорира ефектите на гравитацията. Теорията на квантовата гравитация трябва да опише в квантовите закони природата на пространство-времето в най-малките мащаби - пространствата между най-малките известни елементарни частици - и може би да го обясни чрез някои фундаментални компоненти.

Теорията на суперструните често се цитира като основен кандидат за тази роля, но все още не е отговорила на нито един от горещите въпроси. Освен това, следвайки вътрешната си логика, той разкри още по-дълбоки слоеве от нови екзотични съставки и връзките между тях, което доведе до главозамайващо разнообразие от възможни резултати.

ОСНОВНИ РАЗПОРЕДБИ

Общоизвестно е, че квантовата теория и общата теория на относителността на Айнщайн не си пасват. Физиците отдавна се опитват да ги свържат в единна теория на квантовата гравитация, но не са постигнали голям успех.

Предложеният нов подход не въвежда никакви екзотични разпоредби, а открива нов начин за прилагане на добре познати закони към отделни елементи на пространство-времето. Тези елементи се събират като молекули в кристал.

Нашият подход показва как четириизмерното пространство-време, което познаваме, може динамично да се появи от по-фундаментални компоненти. Освен това, това предполага как това пространство-време в микроскопичен мащаб постепенно преминава от гладка непрекъснатост към причудлива фракталност.

През последните години нашата работа се превърна в обещаваща алтернатива на утъпканата магистрала на теоретичната физика. Следвайки най-простата рецепта - вземете няколко основни съставки, сглобете ги в съответствие с добре познатите квантови принципи (без никаква екзотика), разбъркайте добре и оставете да се утаят - ще получите квантово пространство-време. Процесът е достатъчно прост, за да бъде симулиран на лаптоп.

С други думи, ако разглеждайки празното пространство-време (вакуум) като някакъв вид нематериална субстанция, състояща се от много голям брой микроскопични безструктурни елементи, им позволи да взаимодействат един с друг в съответствие с простите правила на теорията на гравитацията и квантовата теория, тогава тези елементи спонтанно ще се организират в едно цяло, което в много отношения ще изглежда като наблюдаваната вселена. Процесът е подобен на това как молекулите се организират в кристално или аморфно твърдо вещество.

С този подход пространство-времето може да се почувства повече като обикновено смесено печено, отколкото сложна сватбена торта. Освен това, за разлика от други подходи към квантовата гравитация, нашият е много здрав. Когато променим детайлите на нашия модел, резултатът почти не се променя. Тази устойчивост дава основание да се надяваме, че сме на прав път. Ако резултатът беше чувствителен към това къде поставихме всяко парче от нашия огромен ансамбъл, щяхме да получим колосален брой еднакво вероятни барокови форми, което би изключило възможността да се обясни защо Вселената се оказа точно това, което е.

Подобни механизми на самосглобяване и самоорганизация действат във физиката, биологията и други области на науката. Поведението на големи ята птици, като скорци, е красив пример. Отделните птици взаимодействат само с малък брой съседи; няма лидер, който да им каже какво да правят. Въпреки това стадото се формира и се движи като цяло, притежавайки колективни или производни свойства, които не се проявяват в поведението на отделните индивиди.

Кратка история на квантовата гравитация

Предишните опити да се обясни квантовата структура на пространство-времето като формираща се в процеса на спонтанно възникване не донесоха забележим успех. Те идват от евклидовата квантова гравитация. Изследователската програма започва в края на 70-те години. и стана популярен от „Кратката история на времето“ на физика Стивън Хокинг, бестселър. Тази програма се основава на принципа на суперпозицията, който е основен за квантовата механика. Всеки обект, класически или квантов, е в някакво състояние, характеризиращо се например с позиция и скорост. Но ако състоянието на един класически обект може да се опише с набор от числа, присъщи само на него, тогава състоянието на квантовия обект е много по-богато: то е сборът от всички възможни класически състояния.

ТЕОРИЯТА НА КВАНТОВАТА ГРАВИТАЦИЯ

ТЕОРИЯ НА СТРУНИТЕ
Подкрепена от повечето физици-теоретици, тази теория засяга не само квантовата гравитация, но и всички видове материя и сили. Тя се основава на идеята, че всички частици (включително хипотетични, които носят гравитация) са вибриращи струни

КВАНТОВА ГРАВИТАЦИЯ В КРИМКА
Основната алтернатива на теорията на струните. Тя използва нов метод за прилагане на правилата на квантовата механика към общата теория на относителността на Айнщайн. Пространството е разделено на дискретни "атоми" с обем

Евклидова квантова гравитация
Подходът, прочут от физика Стивън Хокинг, се основава на предположението, че пространство-времето произтича от общото квантово средно на всички възможни форми. В тази теория времето се счита за равно на пространствените измерения.

ПРИЧИННА ДИНАМИЧНА ТРИАНГУЛАЦИЯ
Този подход, който е предмет на тази статия, е съвременна версия на евклидовия подход. Тя се основава на апроксимацията на пространство-времето чрез мозайка от триъгълници с първоначално разграничение между пространство и време. В малък мащаб пространство-времето придобива фрактална структура

Например, класическа билярдна топка се движи по определена траектория и нейната позиция и скорост могат да бъдат точно определени по всяко време. В случай на много по-малък електрон нещата са различни. Движението му се подчинява на квантовите закони, според които електрон може да съществува едновременно на много места и да има много скорости. При липса на външни влияния от точка А до точка Б, електронът се движи не по права линия, а по всички възможни пътища едновременно. Качествената картина на всички възможни пътища на неговото движение, събрана заедно, се превръща в строга математическа „рецепта“ за квантова суперпозиция, формулирана от нобеловия лауреат Ричард Файнман и даваща среднопретеглена стойност на всички индивидуални възможности.

Използвайки предложената рецепта, можете да изчислите вероятността да намерите електрон във всеки конкретен диапазон от позиции и скорости далеч от прекия път, по който той би трябвало да се движи според законите на класическата механика. Отличителна черта на квантово-механичното поведение на частица са отклоненията от единна ясна траектория, т.нар. квантови флуктуации. Колкото по-малък е размерът на разглежданата физическа система, толкова по-голяма е ролята на квантовите флуктуации.

В евклидовата квантова гравитация принципът на суперпозицията се прилага към цялата вселена като цяло. В този случай суперпозицията не се състои от различни траектории на частицата, а от възможните пътища на еволюцията на Вселената във времето, в частност формите на пространство-времето. За да сведат проблема до форма, която позволява да се търси решение, физиците обикновено разглеждат само общата форма и размер на пространство-времето, а не всяко от неговите възможни изкривявания (виж: Джонатан Дж. Халиуел. Квантова космология и сътворението на Вселената // Scientific American, декември 1991 г.).

През 1980-1990г. Изследванията в областта на евклидовата квантова гравитация изминаха дълъг технически път, свързан с разработването на мощни инструменти за компютърна симулация. Използваните модели представят геометрията на извито пространство-време с помощта на елементарни „тухли“, които за удобство се считат за триъгълни. Триъгълните мрежи могат ефективно да апроксимират извити повърхности, поради което често се използват в компютърната анимация. В случай на пространствено-времево моделиране тези елементарни „тухли“ са обобщения на триъгълници по отношение на четириизмерното пространство и се наричат 4-симплекси. Точно както залепването на триъгълници с техните ръбове ви позволява да създавате извити двуизмерни повърхности, залепването на „лицата“ на четириизмерни симплекси (които са триизмерни тетраедри) ви позволява да създадете модел на четириизмерно пространство-време.

Самите градивни елементи нямат пряко физическо значение. Ако пространство-времето можеше да се разглежда под свръхмощен микроскоп, нямаше да се виждат триъгълници. Те са само приблизителни стойности. Единствената информация, която има физическо значение, се съдържа в тяхното колективно поведение в представата, че всеки от тях се е свил до нулев размер. В тази граница геометрията на „тухлите“ (било то триъгълни, кубични, петоъгълни или каквато и да е смес от тези форми) няма значение.

Нечувствителността към различни дребномащабни детайли често се нарича гъвкавост. Добре известно явление в статистическата физика, което изучава движението на молекулите в газове и течности: молекулите се държат почти еднакво, независимо от техния състав. Универсалността се свързва със свойствата на системите, състоящи се от голям брой отделни елементи, и се проявява в мащаб, много по-голям от мащаба на един компонент. Подобно твърдение за ято птици е, че цветът, размерът, размахът на крилата и възрастта на отделните птици нямат нищо общо с поведението на ятото като цяло. В макроскопски мащаб се появяват много малко микроскопични детайли.

Свиване

Използвайки компютърни модели, изследователите на квантовата гравитация започнаха да изучават ефектите от суперпозицията на пространствено-времеви форми, които не могат да бъдат изследвани с методи на класическата теория на относителността, по-специално силно извити на много малки разстояния. Този така наречен режим без смущения е от най-голям интерес за физиците, но е почти невъзможен за анализ без използването на компютри.

ОПИСАНИЕ НА ФОРМАТА ЗА ПРОСТРАНСТВО

ТРИЪГЪЛНА МОЗАЙКА
За да определят как пространството се оформя, физиците първо се нуждаят от начин да опишат неговата форма. Те го описват с помощта на триъгълници и техните двойници с голям брой измерения, чиято мозайка позволява да се приближават извити форми. Кривината в определена точка се определя от общия ъгъл, свиван от триъгълниците, които заобикалят тази точка. В случай на плоска повърхност този ъгъл е точно 360 °, но в случай на извити повърхности може да бъде по-малък или повече.

За съжаление, симулациите показват, че евклидовата квантова гравитация не позволява важни компоненти на поведението. Всички невъзмущаващи суперпозиции в четириизмерната вселена се оказаха по принцип нестабилни. Дребномащабните флуктуации на квантовата кривина, които характеризират различните насложени вселени, които допринасят за средната стойност, не се компенсират, а взаимно се подсилват, принуждавайки цялото пространство да се свие в малка топка с безкрайни измерения. В такова пространство разстоянието между всякакви две точки винаги остава много малко, дори ако обемът му е огромен. В някои случаи пространството отива в другата крайност, става изключително тънко и удължено, като полимер с много разклонения. Нито една от тези възможности не е подобна на нашата истинска вселена.

Преди да се върнем отново към предположенията, довели физиците до застой, нека разгледаме една странност на получения резултат. „Тухлите“ са четириизмерни, но в съвкупност те образуват или пространство с безкраен брой измерения (свита вселена), или двуизмерно пространство (вселена-полимер). Веднага след като предположението за големи квантови вакуумни флуктуации освободи джина от бутилката, стана възможно да се променят най-фундаменталните понятия, като измерение. Може би класическата теория на гравитацията, в която броят на измеренията винаги се смята за сигурен, не би могла да предвиди такъв резултат.

Една последица може да бъде донякъде разочароваща за феновете на научната фантастика. Писателите на научна фантастика често използват концепцията за пространствено-времеви тунели, сякаш позволяват да се съберат области, които са далеч една от друга. Те завладяват с обещаващата възможност за пътуване във времето и предаване на сигнали със скорости, надвишаващи скоростта на светлината. Въпреки факта, че никога не е наблюдавано нищо подобно, физиците признават, че подобни тунели могат да бъдат реабилитирани в рамките на все още несъздадената теория на квантовата гравитация. В светлината на отрицателния резултат от компютърните симулации на евклидовата квантова гравитация, възможността за съществуване на такива тунели изглежда изключително малко вероятна. Време-пространствените тунели имат толкова много вариации, че трябва да доминират над суперпозицията, което я прави нестабилна, така че квантовата вселена никога не може да нарасне отвъд малка, но силно взаимосвързана общност.

ПРИЛОЖЕНИЕ НА КВАНТОВИТЕ ПРАВИЛА КЪМ ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЕТО

Осредняване
Време-пространството може да приеме голямо разнообразие от форми. Според квантовата теория, формата, която най-вероятно ще видим, е суперпозиция или средно претеглена стойност на всички възможни форми. Когато съставят фигури от триъгълници, теоретиците придават тежест на всеки от тях, в зависимост от конкретния начин на свързване на тези триъгълници при конструиране на дадена форма. Авторите установиха, че за да може получената средна стойност да бъде в съответствие с наблюдаваната реална Вселена, триъгълниците трябва да се подчиняват на определени правила, по-специално да съдържат вградени "стрелки", указващи посоката на времето

Какъв може да е коренът на проблемите? В нашето търсене на пропуските и свободните краища на евклидовия подход, ние стигнахме до ключова идея – един компонент, абсолютно необходим, за да можем да приготвим нашето смесено печено: кодът на Вселената трябва да включва принципа на причинно-следствената връзка, т.е. структурата на вакуума трябва да осигурява способността за недвусмислено разграничаване между причина и следствие. Причинната връзка е неразделна част от класическите специални и общи теории на относителността.

Причинно-следствената връзка не е включена в евклидовата квантова гравитация. Определението "евклидово" означава, че пространството и времето се считат за еквивалентни. Вселените, включени в евклидовата суперпозиция, имат четири пространствени измерения вместо едно времево и три пространствени. Тъй като евклидовите вселени нямат отделна концепция за времето, те нямат структура, която да подрежда събитията в определен ред. Жителите на такива вселени не могат да имат понятията "причина" и "следствие". Хокинг и други учени, използващи евклидовия подход, казват, че "времето е въображаемо" както в математически, така и в разговорни термини. Те се надяваха, че причинно-следствената връзка ще се появи като макроскопично свойство от микроскопични квантови флуктуации, които поотделно нямат признаци на причинно-следствена структура. Компютърните симулации обаче разбиха надеждите им.

НАПЪЛНО НОВО ИЗМЕРЕНИЕ В ПРОСТРАНСТВОТО

В обикновения живот измерението на пространството е минималният брой измерения, необходими за определяне на позицията на точка, като дължина, ширина и надморска височина. Тази дефиниция се основава на предположението, че пространството е непрекъснато и се подчинява на законите на класическата физика. Ами ако пространството не се държи толкова просто? Ами ако формата му се определя от квантови процеси, които не се проявяват в обикновения живот? В такива случаи физиците и математиците трябва да развият по-сложно разбиране на измерението. Броят на измеренията може дори да не трябва да е цяло число, както в случая с фракталите - структури, които имат еднакъв вид във всички мащаби.

ОБЩИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НА РАЗМЕРИТЕ

Хаусдорфово измерение
Определението, формулирано в началото на XX век. Германският математик Феликс Хаусдорф изхожда от зависимостта на обема V на областта от нейния линеен размер r. В обикновеното триизмерно пространство V е пропорционално на $ r ^ 3 $. Показателят в тази връзка е броят на измеренията. Други мерки за общ размер, като площ, също могат да се считат за "обем". В случая на Sierpiński V, той е пропорционален на $ r ^ (1,5850) $. Това обстоятелство отразява факта, че тази цифра не запълва цялата площ

Спектрално измерение
Тази дефиниция характеризира разпространението на обект или явление в околната среда във времето, независимо дали е капка мастило в съд с вода или заболяване в популация. Всяка водна молекула или индивид в популацията има определен брой най-близки съседи, което определя скоростта на дифузия на мастилото или разпространението на болестта. В триизмерна среда размерът на облак от мастило нараства пропорционално на степента на 3/2. В подложката на Sierpiński мастилото трябва да проникне през извитата форма, поради което се разпространява по-бавно - пропорционално на времето до степен от 0,6826, което съответства на спектралното измерение от 1,3652

Прилагане на дефиниции
Като цяло различните методи за изчисляване на размерите дават различен брой размери, тъй като те произлизат от различни характеристики на геометрията. За някои геометрични фигури броят на измеренията не е постоянен. По-специално, дифузията може да бъде по-сложна функция от времето до известна постоянна степен.
При моделиране на квантовата гравитация, акцентът е върху спектралното измерение. Малко количество от определено вещество се въвежда в една елементарна тухла от квантовия модел пространство-време. От тази тухла тя се разпространява произволно. Общият брой тухли пространство-време, които това вещество достига за определен период от време, и определя спектралното измерение

Вместо да пренебрегнем причинно-следствената връзка, когато свързваме отделни вселени с надеждата, че тя ще възникне от колективната мъдрост на суперпозицията, ние решихме да включим причинно-следствената връзка на много по-ранен етап. Нарекохме нашия метод динамична триангулация. На всеки симплекс сме присвоили стрелка за време, сочеща от миналото към бъдещето. След това въведохме причинно-следственото правило за "залепване": два симплекса трябва да бъдат залепени по такъв начин, че стрелките им да са в една и съща посока. Концепцията за времето в залепените симплекси трябва да бъде същата: времето с постоянна скорост трябва да тече в посоката на тези стрелки, никога да не спира или да се обръща. С течение на времето пространството трябва да поддържа общата си форма, да не се разпада на отделни части и да не създава пространствено-времеви тунели.

След като формулирахме тази стратегия през 1998 г., ние показахме, използвайки изключително опростени модели, че правилата за залепване на симплексите водят до макроскопична форма, различна от евклидовата квантова гравитация. Това беше обнадеждаващо, но не означаваше, че приетите правила за залепване са достатъчни, за да осигурят стабилността на цялата четириизмерна вселена. Така че затаихме дъх, когато през 2004 г. нашият компютър беше почти готов да ни даде първите изчисления на причинно-следствената суперпозиция на четириизмерни симплекси. Ще се държи ли това пространство-време на големи разстояния като разширен четириизмерен обект, а не като набръчкана топка или полимер?

Представете си нашата радост, когато броят на измеренията на изчислената вселена се оказа 4 (по-точно 4,02 ± 0,1). Това беше първият път, когато броят на измеренията, равен на наблюдаваното, беше изведен от основните принципи. Днес въвеждането на концепцията за причинно-следствената връзка в модела на квантовата гравитация е единственият известен начин за справяне с нестабилността на суперпозицията на геометрии пространство-време.

Пространство-време като цяло

Тази симулация беше първата в текущата серия от изчислителни експерименти, в които се опитваме да изведем физическите и геометричните свойства на квантовото пространство-време чрез компютърни симулации. Следващата ни стъпка беше да изследваме формата на пространство-времето на големи разстояния и да проверим съответствието му с реалния свят, т.е. прогнози на общата теория на относителността. В случай на невъзмущаващи модели на квантовата гравитация, които не съдържат априорно предположение за формата на пространство-времето, такава проверка е много трудна - дотолкова, че в повечето подходи към квантовата гравитация, включително теорията на струните, с изключение на в специални случаи, постигнатият напредък е недостатъчен за осъществяването му.

ЗАЛЪБОЧВАНЕ В ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЕТО

Според изчисленията на авторите, спектралното измерение на пространство-времето намалява от четири (в едромащабната граница) до две (в малкия лимит), а непрекъснатото пространство-време се разпада, превръщайки се в разклонен фрактал . Физиците все още не могат да разберат дали това заключение означава, че в крайна сметка пространство-времето се състои от локализирани "атоми", или е изградено от микроскопични структури, които са много слабо свързани с обичайната концепция за геометрията.

Както се оказа, за да работи нашият модел, е необходимо от самото начало да се въведе т. нар. космологична константа – невидима и нематериална субстанция, съдържаща се в пространството дори при липса на каквито и да било други форми на материя и енергия. Тази необходимост е добра новина, тъй като космолозите са намерили експериментално потвърждение за съществуването на тази константа. Нещо повече, получената форма на пространство-време отговаряше на геометрията на де Ситер, т.е. решаване на уравненията на Айнщайн за вселена, която не съдържа нищо освен космологична константа. Наистина е забележително, че събирането на микроскопични „градивни блокове“ по почти случаен начин – без предположения за симетрия или предпочитана геометрична структура – доведе до пространство-времето, имащо в голям мащаб силно симетричната форма на вселената на де Ситер.

Динамичното възникване на четириизмерна вселена с почти правилна геометрична форма от основните принципи се превърна в централно постижение на нашето моделиране. Въпросът дали е възможно да се разбере този изключителен резултат в рамките на концепцията за взаимодействието на някои все още неустановени „атоми“ на пространство-времето е цел на нашите текущи изследвания. Тъй като потвърдихме, че нашият модел на квантовата гравитация е преминал редица класически тестове, време е да се обърнем към експерименти от различен вид – разкриващи отличителната квантова структура на пространство-времето, която класическата теория на Айнщайн не може да разкрие. В един от тези експерименти симулирахме процеса на дифузия: въведохме подходящ аналог на капка мастило в суперпозицията на вселените и наблюдавахме как тя се разпространява и се нарушава от квантовите флуктуации. Намирането на размера на облака от мастило във времето ни позволи да определим броя на измеренията в пространството (виж страничната лента).

Резултатът беше зашеметяващ: броят на измерванията зависи от мащаба. С други думи, ако дифузията е продължила за кратко време, тогава броят на пространствено-времеви измерения се оказва различен от този, когато процесът на дифузия е продължил дълго време. Дори онези от нас, които са се специализирали в квантовата гравитация, трудно могат да си представят как броят на измеренията на пространство-времето може непрекъснато да се променя в зависимост от разделителната способност на нашия „микроскоп“. Очевидно пространство-времето за малки обекти е много различно от това за големи. За малките обекти Вселената е като фрактална структура - необичаен вид пространство, в което понятието за размер просто не съществува. То е самоподобно, т.е. изглежда еднакво на всички скали. Това означава, че няма обекти с характерни размери, които биха могли да служат като нещо като мащабна лента.

Колко малко е това "малко"? До размер от около $ 10 ^ (- 34) $ m, квантовата вселена като цяло е добре описана от класическата четириизмерна геометрия на де Ситер, въпреки че ролята на квантовите флуктуации се увеличава с намаляване на разстоянието. Фактът, че класическото приближение остава валидно до толкова малки разстояния, е изненадващ. От него следват много важни последици както за най-ранните етапи от историята на Вселената, така и за нейното много далечно бъдеще. И в двете граници Вселената е практически празна. В първите дни квантовите флуктуации бяха толкова големи, че материята беше едва откриваема. Тя беше мъничък сал в бурния океан. Милиарди години след нас, поради бързото разширяване на Вселената, материята ще бъде толкова разредена, че ще играе много малка или никаква роля. Нашият подход ни позволява да обясним формата на пространството и в двата ограничаващи случая.

КАКВО Е ПРИЧИНА?

Причинно-следствената връзка е принципът, че събитията се случват в определена последователност във времето, а не в безпорядък, което прави възможно разграничаването между причина и следствие. В подхода към квантовата гравитация, възприет от авторите, разликата между причина и следствие изглежда фундаментална по природа, а не изведено свойство

В още по-малки мащаби квантовите флуктуации на пространство-времето се увеличават толкова много, че класическите интуитивни идеи за геометрията напълно губят смисъла си. Броят на измеренията е намален от класическите четири на около две. Въпреки това, доколкото можем да кажем, пространство-времето остава непрекъснато и не съдържа никакви тунели. Не е толкова екзотично, колкото бълбукащата пространствено-времево пяна, която физикът Джон Уилър и много други го видяха. Геометрията на пространство-времето се подчинява на необичайни и некласически закони, но концепцията за разстояние остава приложима. Сега се опитваме да проникнем в още по-малък мащаб. Една от възможностите е Вселената да стане себеподобна и да изглежда еднакво за всички мащаби под определена граница. Ако е така, тогава Вселената не се състои от струни или атоми на пространство-времето, а е свят на безкрайна скука: структурата, открита точно под прага, когато се задълбочава в регион с все по-малки измерения, просто ще се повтори. безкрайност.

Трудно е да си представим как физиците могат да се справят с по-малко компоненти и технически средства, отколкото сме използвали за изграждането на квантова вселена с реалистични свойства. Все още имаме много тестове и експерименти, които трябва да направим, например, за да разберем поведението на материята във Вселената и нейния ефект върху цялостната й форма. Нашата основна цел, както при всяка теория на квантовата гравитация, е да предвидим видими последици, произтичащи от микроскопична квантова структура. Това ще бъде решаващият критерий за коректността на нашия модел като теория на квантовата гравитация.

Превод: I.E. Сацевич

ДОПЪЛНИТЕЛНА ЛИТЕРАТУРА

Планковско раждане на квантовата вселена на ситър. J. Ambjorn, A. Gorlich, J. Jurkiewicz и R. Loll в Physical Review Letters, Vol. 100, чл. 091304; 7 март 2008 г. Наличен предпечат
Пълното ръководство на идиота по теория на струните. Джордж Мюсер. Алфа, 2008 г.
Появата на пространство-времето, или квантовата гравитация на вашия работен плот. Р. Лол в класическата и квантовата гравитация, том. 25, бр. 11, чл. 114006; 7 юни 2008 г. Има предпечат
Уебсайт на Рената Лол

Ян Амбьорн, Ренат Лоли Йежи Юркевичразработиха своя подход към проблема с квантовата гравитация през 1998 г. Амбьорн е член на Кралската датска академия, професор в Института Нилс Бор в Копенхаген и Университета в Утрехт в Холандия. Той е известен като майстор на тайландската кухня – обстоятелство, което издателите са склонни да изтъкват на първо място. Рената Лол е професор в университета в Утрехт, където ръководи една от най-големите групи за изследване на квантовата гравитация в Европа. Преди това е работила в Института Макс Планк по физика на гравитацията в Холм (Германия). В редки часове на свободното време се свири камерна музика. Йежи Юркевич е ръководител на катедрата по теория на сложните системи във Физическия институт на Ягелонския университет в Краков. Предишните работни места включват института Niels Bohr в Копенхаген, където той е запленен от красотата на ветроходството.