Златната есенна зеленина на дърветата блестеше ярко. Лъчите на вечерното слънце докоснаха изтънелите върхове. Светлина проби през клоните и постави представление с причудливи фигури, които проблясваха на стената на университетското „шкафче“.
Замисленият поглед на сър Хамилтън се плъзна бавно, наблюдавайки играта на светлина и сянка. В главата на ирландския математик имаше истински топящ се съд с мисли, идеи и заключения. Той отлично разбираше, че обясняването на много явления с помощта на нютоновата механика е като игра на сенки по стена, измамно преплитане на фигури и оставяне на много въпроси без отговор. „Може би това е вълна ... или може би поток от частици“, разсъждава ученият, „или светлината е проява на двете явления. Като фигури, изтъкани от сянка и светлина. "
Началото на квантовата физика
Интересно е да се наблюдават велики хора и да се опитаме да разберем как се раждат велики идеи, които променят хода на еволюцията на цялото човечество. Хамилтън е един от тези, които са пионери в раждането на квантовата физика. Петдесет години по -късно, в началото на ХХ век, много учени изучават елементарни частици. Получените знания бяха непоследователни и некомпилирани. Първите нестабилни стъпки обаче бяха предприети.
Разбирането на микросвета в началото на ХХ век
През 1901 г. е представен първият модел на атома и несъответствието му е показано от гледна точка на обикновената електродинамика. През същия период Макс Планк и Нилс Бор публикуват много произведения за природата на атома. Въпреки пълното им разбиране за структурата на атома не съществува.
Няколко години по -късно, през 1905 г., малко известен немски учен Алберт Айнщайн публикува доклад за възможността за съществуване на светлинен квант в две състояния - вълново и корпускуларно (частици). В неговата работа бяха дадени аргументи за обяснение на причината за провала на модела. Визията на Айнщайн обаче беше ограничена от старото разбиране за атомния модел.
След многобройните творби на Нилс Бор и неговите колеги, през 1925 г. се ражда ново направление - един вид квантова механика. Често срещан израз - „квантова механика“ се появява тридесет години по -късно.
Какво знаем за квантите и техните странности?
Днес квантовата физика е стигнала достатъчно далеч. Открити са много различни явления. Но какво наистина знаем? Отговорът е представен от един модерен учен. „Можете или да вярвате в квантовата физика, или да не я разбирате“ - това е определението. Помислете за това сами. Ще бъде достатъчно да споменем такова явление като квантовото заплитане на частици. Това явление хвърли научния свят в състояние на пълно недоумение. Още по -голям шок беше фактът, че полученият парадокс е несъвместим с този на Айнщайн.
За първи път ефектът от квантовото заплитане на фотони се обсъжда през 1927 г. на Петия Конгрес на Солвей. Между Нилс Бор и Айнщайн възникна разгорещен дебат. Парадоксът на квантовото объркване напълно промени разбирането за същността на материалния свят.
Известно е, че всички тела са съставени от елементарни частици. Съответно всички явления на квантовата механика са отразени в обикновения свят. Нилс Бор каза, че ако не гледаме Луната, значи тя не съществува. Айнщайн смята това за неразумно и смята, че обектът съществува независимо от наблюдателя.
Когато изучаваме проблемите на квантовата механика, трябва да разберем, че нейните механизми и закони са взаимосвързани и не се подчиняват на класическата физика. Нека се опитаме да разберем най -противоречивата област - квантовото заплитане на частици.
Теория на квантовото заплитане
Като начало трябва да разберете, че квантовата физика е като бездънен кладенец, в който можете да намерите всичко, което искате. Явлението квантово заплитане в началото на миналия век е изследвано от Айнщайн, Бор, Максуел, Бойл, Бел, Планк и много други физици. През двадесети век хиляди учени по света активно са изучавали и експериментирали с това.
Светът е подчинен на строги закони на физиката
Защо има такъв интерес към парадоксите на квантовата механика? Всичко е много просто: живеем според определени закони на физическия свят. Способността да се "заобиколи" предопределението отваря магическа врата, зад която всичко става възможно. Например концепцията за „котката на Шрьодингер“ води до контрол на материята. Също така ще бъде възможно да се телепортира информация, причинена от квантово заплитане. Предаването на информация ще стане мигновено, независимо от разстоянието.
Този въпрос все още се проучва, но има положителна тенденция.
Аналогия и разбиране
Какво е уникалното в квантовото заплитане, как да го разберем и какво се случва в този случай? Нека се опитаме да го разберем. Това ще изисква някакъв мисловен експеримент. Представете си, че имате две кутии в ръцете си. Всеки от тях съдържа една топка с лента. Сега даваме една кутия на астронавта и той лети до Марс. Веднага щом отворите кутията и видите, че ивицата на топката е хоризонтална, тогава в другата кутия топката автоматично ще има вертикална ивица. Това ще бъде квантово заплитане, изразено с прости думи: един обект предопределя позицията на друг.
Трябва обаче да се разбере, че това е само повърхностно обяснение. За да се получи квантово заплитане, е необходимо частиците да имат същия произход, като близнаци.
Много е важно да разберете, че експериментът ще бъде осуетен, ако преди вас някой е имал възможност да разгледа поне един от обектите.
Къде може да се използва квантово заплитане?
Принципът на квантовото заплитане може да се използва за незабавно предаване на информация на дълги разстояния. Това заключение противоречи на теорията на относителността на Айнщайн. Той казва, че максималната скорост на движение е присъща само на светлината - триста хиляди километра в секунда. Това предаване на информация прави възможно съществуването на физическа телепортация.
Всичко в света е информация, включително материята. До този извод са стигнали квантовите физици. През 2008 г. въз основа на теоретична база данни беше възможно да се види квантово заплитане с просто око.
Това още веднъж подсказва, че сме на прага на големи открития - движение в пространството и времето. Времето във Вселената е дискретно, така че мигновеното движение на огромни разстояния прави възможно навлизането в различни времеви плътности (въз основа на хипотезите на Айнщайн, Бор). Може би в бъдеще това ще бъде реалност, точно както е мобилният телефон днес.
Етеродинамика и квантово заплитане
Според някои водещи учени квантовото объркване се обяснява с факта, че пространството е изпълнено с определен етер - черна материя. Всяка елементарна частица, както знаем, е под формата на вълна и корпускула (частица). Някои учени смятат, че всички частици са върху „платното“ на тъмната енергия. Това не е лесно за разбиране. Нека се опитаме да го разберем по друг начин - метода на асоцииране.
Представете си себе си на морския бряг. Лек и лек бриз. Виждате ли вълните? И някъде в далечината, в отраженията на слънчевите лъчи, се вижда платноходка.
Корабът ще бъде нашата елементарна частица, а морето ще бъде етер (тъмна енергия).
Морето може да бъде в движение под формата на видими вълни и водни капчици. По същия начин всички елементарни частици могат да бъдат само морето (неговата неразделна част) или отделна частица - капка.
Това е опростен пример, всичко е малко по -сложно. Частиците без присъствието на наблюдател са под формата на вълна и нямат конкретно местоположение.
Бялата платноходка е подчертан обект, тя се различава от повърхността и структурата на морската вода. По същия начин в океана от енергия има „върхове“, които можем да възприемем като проява на познатите ни сили, които са формирали материалната част на света.
Микрокосмосът живее по собствените си закони
Принципът на квантовото заплитане може да бъде разбран, ако вземем предвид факта, че елементарните частици са под формата на вълни. Без конкретно местоположение и характеристики и двете частици се намират в океан от енергия. В момента, в който се появи наблюдателят, вълната се "превръща" в обект, достъпен за чувството на допир. Втората частица, наблюдавайки равновесната система, придобива противоположни свойства.
Описаната статия не е насочена към обемисти научни описания на квантовия свят. Способността да се разбира обикновен човек се основава на наличието на разбиране на представения материал.
Физиката на частиците изучава заплитането на квантовите състояния въз основа на спина (въртенето) на елементарна частица.
На научен език (опростен) - квантовото заплитане се определя по различни начини. В процеса на наблюдение на обекти учените видяха, че може да има само две завъртания - по протежение на и през. Колкото и да е странно, в други позиции частиците не "позират" за наблюдателя.
Нова хипотеза - нов поглед към света
Изследването на микрокосмоса - пространството на елементарни частици - е породило много хипотези и предположения. Ефектът от квантовото заплитане подтикна учените да се замислят за съществуването на определена квантова микрорешетка. Според тях във всеки възел има квант - точката на пресичане. Цялата енергия е интегрална решетка, а проявлението и движението на частици е възможно само през възлите на решетката.
Размерът на "прозореца" на такава решетка е доста малък и измерването с модерно оборудване е невъзможно. Въпреки това, за да потвърдят или отрекат тази хипотеза, учените решиха да проучат движението на фотоните в пространствена квантова решетка. Изводът е, че фотонът може да се движи или прав, или на зигзаг - по диагонала на решетката. Във втория случай, след като е изминал по -голямо разстояние, той ще изразходва повече енергия. Съответно, той ще бъде различен от фотон, движещ се по права линия.
Може би с течение на времето ще научим, че живеем в пространствена квантова мрежа. Или може да не е правилно. Принципът на квантовото заплитане обаче показва възможността за съществуване на решетка.
С прости думи, в хипотетичен пространствен "куб" дефиницията на едната страна носи ясно противоположно значение на другата. Това е принципът за запазване на структурата на пространството - времето.
Епилог
За да разберете магическия и мистериозен свят на квантовата физика, си струва да разгледате внимателно развитието на науката през последните петстотин години. Някога Земята беше плоска, а не сферична. Причината е очевидна: ако вземете кръглата й форма, тогава водата и хората няма да могат да устоят.
Както виждаме, проблемът е съществувал при липса на цялостна визия на всички действащи сили. Възможно е съвременната наука да няма визия за всички действащи сили, за да разбере квантовата физика. Пропуските в зрението пораждат система от противоречия и парадокси. Може би магическият свят на квантовата механика съдържа отговорите на тези въпроси.
Как съвременните теоретични физици развиват нови теории, които описват света? Какво добавят към квантовата механика и общата теория на относителността, за да изградят „теория за всичко“? Какви ограничения се обсъждат в статиите, говорещи за липсата на „нова физика“? На всички тези въпроси може да се отговори, ако разберете какво е действие- обектът, лежащ в основата на всички съществуващи физически теории. В тази статия ще обясня какво разбират физиците под действие, а също така ще покажа как може да се използва за изграждане на реална физическа теория, като се използват само няколко прости предположения за свойствата на въпросната система.
Предупреждавам ви веднага: статията ще съдържа формули и дори прости изчисления. Въпреки това е напълно възможно да ги пропуснете без много вреда за разбирането. Най -общо казано, представям тук формули само за тези заинтересовани читатели, които със сигурност искат да го разберат сами.
Уравнения
Физиката описва нашия свят с помощта на уравнения, които свързват различни физически величини - скорост, сила, сила на магнитното поле и т.н. Почти всички такива уравнения са диференциални, тоест съдържат не само функции, които зависят от количествата, но и техните производни. Например, едно от най -простите уравнения, описващи движението на точково тяло, съдържа втората производна на нейната координата:
Тук маркирах втората производна по време с две точки (съответно една точка ще означава първата производна). Разбира се, това е вторият закон на Нютон, открит от него в края на 17 век. Нютон беше един от първите, които осъзнаха необходимостта да напишат уравненията на движение в тази форма, а също така разработиха диференциалното и интегралното смятане, необходимо за тяхното решаване. Разбира се, повечето от законите на физиката са много по -сложни от втория закон на Нютон. Например, системата от уравнения на хидродинамиката е толкова сложна, че учените все още не знаят дали като цяло е разрешима или не. Проблемът за съществуването и гладкостта на решенията на тази система дори е включен в списъка на „Проблемите на хилядолетието“, а Математическият институт на Клей присъжда награда от един милион долара за неговото решаване.
Как обаче физиците намират тези диференциални уравнения? Дълго време единственият източник на нови теории беше експериментът. С други думи, на първо място, ученият измерва няколко физически величини и едва след това се опитва да определи как са свързани. Например, така Кеплер открива три известни закона на небесната механика, които по -късно водят Нютон до неговата класическа теория на гравитацията. Оказа се, че експериментът сякаш „изтича пред теорията“.
В съвременната физика нещата са подредени малко по -различно. Разбира се, експериментът все още играе много важна роля във физиката. Без експериментално потвърждение всяка теория е само математически модел - играчка за ума, която не е свързана с реалния свят. Сега обаче физиците получават уравнения, които описват нашия свят, не чрез емпирично обобщение на експериментални факти, а ги извеждат „от първи принципи“, тоест въз основа на прости предположения за свойствата на описаната система (например пространството-време или електромагнитно поле). В крайна сметка само параметрите на теорията се определят от експеримента - произволни коефициенти, които са включени в уравнението, получено от теоретика. В този случай ключова роля в теоретичната физика играе принцип на най -малко действие, формулиран за първи път от Пиер Мопертюис в средата на 18 век и накрая обобщен от Уилям Хамилтън в началото на 19 век.
Действие
Какво е действие? В най -общата формулировка действие е функционал, който свързва траекторията на системата (тоест функция от координати и време) с определен брой. И принципът на най -малко действие гласи, че на вярнотраекторията ще бъде минимална. За да разберете значението на тези модни думи, разгледайте следния илюстративен пример, взет от лекциите по физика на Фейнман.
Да речем, че искаме да знаем траекторията на тяло, поставено в гравитационно поле. За простота ще приемем, че движението е напълно описано от височината х(T), тоест тялото се движи по вертикална права линия. Да предположим, че знаем за движението само, че тялото започва от точката х 1 наведнъж T 1 и се стига до въпроса х 2 в момента T 2, а общото време за пътуване е T = T 2 − T 1. Помислете за функцията Lравна на разликата в кинетичната енергия ДА СЕи потенциална енергия NS: L = ДА СЕ − NS... Ще приемем, че потенциалната енергия зависи само от координатата на частицата х(T), и кинетична - само при нейната скорост ẋ
(T). Определяме и ние действие- функционален Сравна на средната стойност Lза цялото време на движение: С = ∫ L(х, ẋ
, T) д T.
Очевидно стойността Сще зависи значително от формата на траекторията х(T) - всъщност, затова го наричаме функционал, а не функция. Ако тялото се издигне твърде високо (траектория 2), средната потенциална енергия ще се увеличи, а ако започне да се върти твърде често (траектория 3), кинетичната енергия ще се увеличи - в края на краищата предположихме, че общото време на движение е точно равна на T, което означава, че тялото трябва да увеличи скоростта си, за да има време да премине през всички завои. Всъщност функционалната Сдостига минимум по някаква оптимална траектория, която е участък от парабола, преминаващ през точките х 1 и х 2 (траектория 1). По щастливо съвпадение тази траектория съвпада с траекторията, предвидена от втория закон на Нютон.
Примери за пътища, свързващи точки х 1 и х 2. Траекторията, получена чрез промяната на истинската траектория, е маркирана в сиво. Вертикалната посока съответства на оста х, хоризонтални - оси T
Случайност ли е това съвпадение? Разбира се, не случайно. За да покажем това, да предположим, че знаем истинската траектория и да я разгледаме вариации... Вариация δ х(T) е такова допълнение към траекторията х(T), която променя формата си, но оставя началната и крайната точка на местата си (виж фигурата). Нека видим каква стойност има действието върху траектории, които се различават от истинската траектория с безкрайно малка вариация. Разширяваща се функция Lи изчислявайки интеграла по части, получаваме, че промяната Спропорционално на вариацията δ х:
Тук фактът, че промяната в точките х 1 и х 2 е равно на нула - това направи възможно изхвърлянето на термините, които се появяват след интегрирането по части. Полученият израз е много подобен на формулата за производната, написана като диференциали. Всъщност изразът δ С/δ хпонякога наричана вариационна производна. Продължавайки тази аналогия, заключаваме, че добавянето на малко допълнение δ хкъм истинската траектория, действието не трябва да се променя, тоест δ С= 0. Тъй като добавянето може да бъде почти произволно (фиксирали сме само краищата му), това означава, че интегрирането също изчезва. По този начин, познавайки действието, може да се получи диференциално уравнение, което описва движението на системата - уравнението на Ойлер -Лагранж.
Нека се върнем към нашия проблем с тяло, движещо се в гравитационно поле. Нека ви напомня, че определихме функцията Lкато разликата между кинетичната и потенциалната енергия на тялото. Замествайки този израз в уравнението на Ойлер-Лагранж, наистина получаваме втория закон на Нютон. Наистина, нашето предположение за формата на функцията Lсе оказа много успешен:
Оказва се, че с помощта на действие може да се запишат уравненията на движение в много кратка форма, сякаш "опаковат" всички характеристики на системата вътре във функцията L... Това само по себе си е доста интересно. Действието обаче не е просто математическа абстракция, то има дълбок физически смисъл. Като цяло съвременен теоретичен физик първо изписва действие и едва след това извежда уравненията на движение и ги изследва. В много случаи действие за система може да бъде конструирано, като се правят само най -простите предположения за нейните свойства. Нека да видим как това може да стане с няколко примера.
Свободна релативистична частица
Когато Айнщайн изгражда специалната теория на относителността (STR), той постулира няколко прости твърдения за свойствата на нашето пространство-време. Първо, той е хомогенен и изотропен, тоест не се променя с крайни премествания и завъртания. С други думи, няма значение къде се намирате - на Земята, на Юпитер или в галактиката на Малкия Магеланов облак - във всички тези точки законите на физиката работят по същия начин. Освен това няма да забележите никаква разлика, ако се движите равномерно по права линия - това е принципът на относителността на Айнщайн. Второ, никое тяло не може да превиши скоростта на светлината. Това води до факта, че обичайните правила за преизчисляване на скоростите и времето по време на прехода между различните референтни рамки - трансформациите на Галилей - трябва да бъдат заменени с по -правилни трансформации на Лоренц. В резултат на това една наистина релативистична величина, която е еднаква във всички референтни рамки, не е разстояние, а интервалът - подходящото време на частицата. Интервал с 1 − с 2 между две дадени точки може да се намери по следната формула, където ° С- скоростта на светлината:
Както видяхме в предишната част, за нас е достатъчно да изпишем действието за свободна частица, за да намерим нейното уравнение на движение. Разумно е да се предположи, че действието е релативистичен инвариант, тоест изглежда еднакво в различни референтни рамки, тъй като физическите закони в тях са еднакви. Освен това бихме искали да запазим действието възможно най -просто (ще оставим сложни изрази за по -късно). Най -простият релативистки инвариант, който може да бъде свързан с точкова частица, е дължината на нейната световна линия. Избирайки този инвариант като действие (така че измерението на израза да е правилно, го умножаваме по коефициента - mc) и променяйки го, получаваме следното уравнение:
Просто казано, 4-ускорението на свободна релативистична частица трябва да бъде нула. 4-ускорението, подобно на 4-степенното, е обобщение на концепциите за ускорение и скорост до четириизмерно пространство-време. В резултат на това свободна частица може да се движи само по дадена права линия с постоянна 4-степенна скорост. В границите на ниските скорости промяната в интервала практически съвпада с промяната във времето и затова полученото от нас уравнение се трансформира във вече обсъждания по -горе втори закон на Нютон: mẍ= 0. От друга страна, условието за равенство на нула на 4-ускорението е изпълнено за свободна частица и в общата теория на относителността, само в нея пространството-времето вече започва да се огъва и частицата няма да се движи непременно по права линия дори при липса на външни сили.
Електромагнитно поле
Както знаете, електромагнитното поле се проявява при взаимодействие със заредени тела. Обикновено това взаимодействие се описва с помощта на векторите на електрическото и магнитното поле, които са свързани чрез система от четири уравнения на Максуел. Почти симетричната форма на уравненията на Максуел предполага, че тези полета не са независими единици - това, което ни се струва електрическо поле в една референтна система, може да се превърне в магнитно поле, ако преминем към друга рамка.
Наистина, помислете за проводник, по който електроните се движат със същата и постоянна скорост. В референтната система, свързана с електроните, има само постоянно електрическо поле, което може да бъде намерено с помощта на закона на Кулон. Въпреки това, в оригиналната референтна система движението на електроните създава постоянен електрически ток, който от своя страна индуцира постоянно магнитно поле (законът на Био-Савард). В същото време, според принципа на относителността, в референтните рамки, които сме избрали, законите на физиката трябва да съвпадат. Това означава, че и електрическото, и магнитното поле са части от една, по -обща същност.
Тензори
Преди да преминем към ковариантната формулировка на електродинамиката, си струва да кажем няколко думи за математиката на специалната и общата теория на относителността. Най -важната роля в тези теории играе концепцията за тензор (и в други съвременни теории, честно казано). Ако е приблизително, тогава тензорът на ранга ( н, м) може да се мисли като ( н+м) -измерна матрица, чиито компоненти зависят от координатите и времето. В допълнение към това, тензорът трябва да се промени по определен труден начин при преминаване от една референтна рамка към друга или при промяна на координатната мрежа. Точно как определя броя на контравариантните и ковариантните индекси ( ни мсъответно). В този случай самият тензор като физическа единица не се променя при такива трансформации, както и 4-векторът, който е частен случай на тензор от ранг 1, не се променя при тях.
Тензорните компоненти са номерирани с помощта на индекси. За удобство, горните и долните индекси се разграничават, за да се види веднага как тензорът се трансформира при промяна на координатите или референтната рамка. Например тензорният компонент Tранг (3, 0) се записва като Tαβγ и тензорът Uранг (2, 1) - като Uα β γ. Според установената традиция компонентите на четириизмерните тензори са номерирани с гръцки букви, а триизмерните-на латински. Някои физици обаче предпочитат да направят обратното (например Ландау).
Освен това, за краткост, Айнщайн предложи да не се пише знака за сумата "Σ" при сгъване на тензорни изрази. Конволюцията е сумиране на тензор над два дадени индекса, единият от които трябва да е „отгоре“ (контравариант), а другият „отдолу“ (ковариант). Например, за да се изчисли следата на матрица - тензор на ранг (1, 1) - трябва да се свие с два налични индекса: Tr [ А μ ν ] = Σ А μ μ = Аμ μ. Можете да повишавате и понижавате индексите, като използвате метричния тензор: T αβ γ = T αβμ g μγ .
И накрая, удобно е да се въведе абсолютно антисиметричен псевдотензор ε μνρσ, тензор, който променя знака за всяка пермутация на индексите (например ε μνρσ = −ε νμρσ) и за който компонентът ε 1234 = +1. Нарича се още тензор Леви-Чивита. Когато координатната система се завърти, ε μνρσ се държи като обикновен тензор, но при инверсии (заместване като х → −х) се преобразува по различен начин.
Всъщност векторите на електрическото и магнитното поле са комбинирани в структура, която е инвариантна при преобразуванията на Лоренц - тоест не се променя при преминаване между различни (инерционни) референтни рамки. Това е така нареченият тензор на електромагнитното поле Fμν. Най -ясно ще бъде написано под формата на следната матрица:
Тук компонентите на електрическото поле се означават с буквата E, а компонентите на магнитното поле - с буквата З... Лесно е да се види, че тензорът на електромагнитното поле е антисиметричен, тоест неговите компоненти от противоположните страни на диагонала са равни по големина и имат противоположни знаци. Ако искаме да получим уравненията на Максуел "от първите принципи", трябва да изпишем действието на електродинамиката. За да направим това, трябва да конструираме най-простата скаларна комбинация от тензорни обекти, които имаме, по един или друг начин, свързани с полето или със свойствата на пространството-време.
Ако се замислите, имаме малък избор - само тензорът на полето може да действа като „градивни елементи“ Fμν, метричен тензор gμν и абсолютно антисиметричния тензор ε μνρσ. Само две скаларни комбинации могат да бъдат събрани от тях и едната от тях е пълна производна, тоест може да бъде пренебрегната при извличане на уравненията на Ойлер -Лагранж - след интегрирането тази част просто ще изчезне. Избирайки останалата комбинация като действие и я променяйки, получаваме двойка уравнения на Максуел - половината от системата (първи ред). Изглежда, че сме пропуснали две уравнения. Всъщност обаче не е нужно да изписваме действието, за да извлечем останалите уравнения - те следват директно от антисиметрията на тензора Fμν (втори ред):
И отново получихме правилните уравнения на движение, като избрахме възможно най -простата комбинация като действие. Вярно, тъй като не взехме предвид съществуването на заряди в нашето пространство, получихме уравнения за свободно поле, тоест за електромагнитна вълна. Когато се добавят такси към теорията, трябва да се вземе предвид и тяхното влияние. Това става чрез въвеждане на 4-токовия вектор в действие.
Земно притегляне
Истинският триумф на принципа на най -малко действие по едно време беше изграждането на общата теория на относителността (GR). Благодарение на него за първи път бяха изведени законите на движението, които учените не можаха да получат чрез анализ на експериментални данни. Или можеха, но нямаха време. Вместо това, Айнщайн (и Хилберт, ако искате) извежда уравненията в метрика, изхождайки от предположения за свойствата на пространството -време. От този момент нататък теоретичната физика започва да „изпреварва“ експерименталната физика.
В общата теория на относителността метриката престава да бъде постоянна (както в специалната относителност) и започва да зависи от плътността на енергията, поставена в нея. Забележете, че е по -правилно да се говори за енергия, а не за маса, въпреки че тези две величини са свързани чрез връзката E = mc 2 в собствената си референтна рамка. Нека ви напомня, че метриката определя правилата за изчисляване на разстоянието между две точки (строго погледнато, безкрайно близки точки). Важно е метриката да не зависи от избора на координатната система. Например, плоско триизмерно пространство може да бъде описано с помощта на декартова или сферична координатна система, но и в двата случая метриката на пространството ще бъде една и съща.
За да изпишем действието за гравитацията, трябва да конструираме някакъв инвариант от метриката, който няма да се промени при промяна на координатната решетка. Най -простият такъв инвариант е метричната детерминанта. Ако обаче само го включим в действието, няма да получим диференциалуравнение, тъй като този израз не съдържа производни на метриката. И ако уравнението не е диференциално, то не може да опише ситуации, в които метриката се променя с течение на времето. Следователно трябва да добавим към действието най -простия инвариант, който съдържа производни gμν. Такъв инвариант е така нареченият скал на Ричи R, което се получава чрез конволюцията на тензора на Риман Rμνρσ, описващ кривината на пространството-време:
Робърт Кууз-Бейкър / flickr.com
Теория за всичко
И накрая, време е да поговорим за „теорията на всичко“. Това е името на няколко теории, които се опитват да комбинират общата теория на относителността и Стандартния модел - двете основни физически теории, известни в момента. Учените правят такива опити не само по естетически причини (колкото по -малко теории са необходими за разбирането на света, толкова по -добре), но и по по -убедителни причини.
Както GR, така и Стандартният модел имат граници на приложимост, след което те спират да работят. Например, общата теория на относителността предсказва съществуването на особености - точки, в които плътността на енергията, а оттам и кривината на пространството -време, се стреми към безкрайност. Не само безкрайностите сами по себе си са неприятни - в допълнение към този проблем, Стандартният модел твърди, че енергията не може да бъде локализирана в дадена точка, тя трябва да бъде размазана върху някакъв, макар и малък обем. Следователно, близо до сингулярността, ефектите както на общата теория на относителността, така и на стандартния модел трябва да бъдат големи. В същото време GRT все още не е квантован и стандартният модел се изгражда въз основа на предположението за плоско пространство-време. Ако искаме да разберем какво се случва около особеностите, трябва да разработим теория, която да включва и двете теории.
Имайки предвид успеха на принципа на най -малко действие в миналото, учените основават всичките си опити да изградят нова теория върху него. Не забравяйте, че ние разглеждахме само най -простите комбинации, когато изграждахме действието за различни теории? Тогава нашите действия бяха увенчани с успех, но това изобщо не означава, че най -простото действие е най -правилното. Най -общо казано, природата не е длъжна да коригира своите закони, за да опрости живота ни.
Следователно е разумно да включим в действието следните, по -сложни инвариантни величини и да видим докъде води това. Това донякъде напомня за последователното приближаване на функция от полиноми с все по -високи степени. Единственият проблем тук е, че всички подобни изменения влизат в сила с някои неизвестни коефициенти, които не могат да бъдат изчислени теоретично. Освен това, тъй като стандартният модел и общата теория на относителността работят добре, тези коефициенти трябва да са много малки - следователно е трудно да се определят от експеримента. Многобройни трудове, отчитащи "ограничения на новата физика", са точно насочени към определяне на коефициентите при по -високите порядки на теорията. Досега те успяха да намерят само горните граници.
Освен това има подходи, които въвеждат нови, нетривиални понятия. Например, теорията на струните предполага, че свойствата на нашия свят могат да бъдат описани с помощта на вибрации не на точковидни, а на разширени обекти - струни. За съжаление все още не е намерено експериментално потвърждение на теорията на струните. Например, тя прогнозира някои възбуждания на ускорителя, но те така и не се появиха.
Като цяло все още не изглежда, че учените се доближават до откриването на „теория за всичко“. Вероятно теоретиците ще трябва да измислят нещо по същество ново. Няма съмнение обаче, че първото нещо, което ще напишат за новата теория, е действието.
***
Ако всички тези разсъждения ви се сториха сложни и сте прелиствали статията, без да я прочетете, ето кратко резюме на фактите, които бяха обсъдени в нея. Първо, всички съвременни физически теории по един или друг начин разчитат на концепцията действия- количество, което описва колко "харесва" системата тази или онази траектория на движение. Второ, уравненията за движение на системата могат да бъдат получени чрез търсене на траекторията, по която се извършва действието понесмисъл. Трето, действието може да бъде конструирано, като се използват само няколко елементарни допускания за свойствата на системата. Например, че законите на физиката съвпадат в референтни системи, които се движат с различни скорости. Четвърто, някои от кандидатите за „теория на всичко“ се получават чрез просто добавяне на термини към Стандартния модел и GRT, които нарушават някои от допусканията на тези теории. Например инвариантността на Лоренц. Ако след като прочетете статията, си спомните изброените твърдения, това вече е добре. И ако също разбирате откъде идват - просто страхотно.
Дмитрий Трунин
Английският физик Исак Нютон публикува книга, в която обяснява движението на обектите и принципа на гравитацията. „Математическите принципи на естествената философия“ дадоха на света утвърдени места. Историята разказва, че на 23 години Нютон отишъл в овощна градина и видял ябълка да пада от дърво. По това време физиците знаеха, че Земята по някакъв начин привлича обекти, използвайки гравитацията. Нютон разви тази идея.
Според Джон Кондуит, помощник на Нютон, когато видял ябълка, падаща на земята, Нютон получил идеята, че гравитационната сила „не се ограничава до определено разстояние от земята, а се простира много по -далеч, отколкото обикновено се смята“. Според Conduitt, Нютон задава въпроса: защо не на Луната?
Вдъхновен от предположенията си, Нютон разработи закона за вселенската гравитация, който работи еднакво добре с ябълки на Земята и планети, обикалящи около Слънцето. Всички тези обекти, въпреки различията си, се подчиняват на едни и същи закони.
„Хората мислеха, че той обяснява всичко, което се нуждае от обяснение“, казва Бароу. "Неговото постижение беше страхотно."
Проблемът е, че Нютон знаеше, че в работата му има дупки.
Например, гравитацията не обяснява как малки обекти се държат заедно, тъй като тази сила не е толкова голяма. Също така, докато Нютон можеше да обясни какво се случва, той не можеше да обясни как работи. Теорията беше непълна.
Имаше по -голям проблем. Въпреки че законите на Нютон обясняват най -често срещаните явления във Вселената, в някои случаи обектите нарушават неговите закони. Тези ситуации бяха редки и обикновено включваха високи скорости или повишена гравитация, но бяха.
Една от тези ситуации беше орбитата на Меркурий, планетата, която е най -близо до Слънцето. Както всяка друга планета, Меркурий се върти около Слънцето. Законите на Нютон могат да бъдат приложени за изчисляване на планетарните движения, но Меркурий не искаше да играе по правилата. Колкото и да е странно, орбитата й нямаше център. Стана ясно, че универсалният закон на всеобщото привличане не е толкова универсален и изобщо не е закон.
Повече от два века по -късно Алберт Айнщайн дойде на помощ със своята теория на относителността. Идеята на Айнщайн, която през 2015 г. осигури по -задълбочено разбиране на гравитацията.
Теория на относителността
Ключовата идея е, че пространството и времето, които изглеждат като различни неща, всъщност са преплетени. Пространството има три измерения: дължина, ширина и височина. Времето е четвъртото измерение. И четирите са свързани под формата на гигантска космическа клетка. Ако някога сте чували фразата "пространствено-времеви континуум", за това говорим.
Голямата идея на Айнщайн беше, че тежки обекти като планети или бързо движещи се обекти могат да изкривят пространството -времето. Малко като опънат батут: ако поставите нещо тежко върху тъканта, това създава дупка. Всички други обекти ще се плъзгат по склона към обекта в депресията. Следователно, според Айнщайн, гравитацията привлича обекти.
Идеята е странна по природа. Но физиците са убедени, че е така. Тя обяснява и странната орбита на Меркурий. Според общата теория на относителността гигантската маса на слънцето огъва пространството и времето. Като най -близката планета до Слънцето, Меркурий изпитва много по -големи кривини от другите планети. Уравненията на общата теория на относителността описват как това извито пространство -време влияе върху орбитата на Меркурий и прогнозира положението на планетата.
Въпреки успеха си, теорията на относителността не е теория на всичко, като теорията на Нютон. Точно както теорията на Нютон не работи за наистина масивни обекти, теорията на Айнщайн не работи на микромащаби. Веднага щом започнете да разглеждате атоми и всичко по -малко, материята започва да се държи много странно.
До края на 19 век атомът се е считал за най -малката единица материя. Роден от гръцката дума „atomos“, която означава „неделим“, атомът по дефиниция не е трябвало да се разпада на по -малки частици. Но през 1870 -те години учените са открили частици, които са 2000 пъти по -леки от атомите. Като претеглят светлинни лъчи във вакуумна тръба, те откриват изключително леки частици с отрицателен заряд. Така е открита първата субатомна частица: електронът. През следващия половин век учените откриха, че атомът има сложно ядро, около което се движат електрони. Това ядро се състои от два вида субатомни частици: неутрони, които имат неутрален заряд, и протони, които са положително заредени.
Но това не е всичко. Оттогава учените са намерили начини да разделят материята на все по -малки парчета, като продължават да усъвършенстват разбирането ни за фундаменталните частици. До 60-те години на миналия век учените са открили десетки елементарни частици, съставяйки дълъг списък от така наречените зоологически градини с частици.
Доколкото знаем, от трите компонента на атома единствената фундаментална частица е електронът. Неутроните и протоните се разделят на малки кварки. Тези елементарни частици се подчиняват на съвсем различен набор от закони, различни от тези, на които се подчиняват дървета или планети. И тези нови закони - които бяха много по -малко предсказуеми - разваляха настроението на физиците.
В квантовата физика частиците нямат определено място: местоположението им е малко замъглено. Сякаш всяка частица има определена вероятност да бъде на определено място. Това означава, че светът по своята същност е фундаментално несигурно място. Квантовата механика е трудна дори за разбиране. Както Ричард Фейнман, експерт по квантова механика, веднъж каза: „Мисля, че мога с увереност да кажа, че никой не разбира квантовата механика“.
Айнщайн също е загрижен за замъгляването на квантовата механика. Въпреки факта, че той всъщност го е измислил частично, самият Айнщайн никога не е вярвал в квантовата теория. Но в техните дворци - големи и малки - и квантовата механика, и квантовата механика са доказали правото си на неразделена мощност, като са изключително точни.
Квантовата механика обяснява структурата и поведението на атомите, включително защо някои от тях са радиоактивни. Той също е в основата на съвременната електроника. Не можете да прочетете тази статия без нея.
Общата теория на относителността предсказва съществуването на черни дупки. Тези масивни звезди, които се сринаха в себе си. Гравитационното им привличане е толкова силно, че дори светлината не може да го напусне.
Проблемът е, че тези две теории са несъвместими, така че не могат да бъдат верни едновременно. Общата теория на относителността казва, че поведението на обектите може да бъде точно предсказано, докато квантовата механика казва, че можете да знаете само вероятността какво ще направят обектите. От това следва, че остават някои неща, които физиците все още не са описали. Черни дупки, например. Те са достатъчно масивни, за да бъдат приложими към теорията на относителността, но достатъчно малки, за да приложат квантовата механика. Освен ако не се окажете близо до черна дупка, тази несъвместимост няма да повлияе на ежедневието ви. Но това озадачава физиците през по -голямата част от миналия век. Този вид несъвместимост ни кара да търсим теория за всичко.
Айнщайн прекарва по -голямата част от живота си в опити да намери такава теория. Не е фен на случайността на квантовата механика, той иска да създаде теория, която да комбинира гравитацията и останалата част от физиката, така че квантовите странности да останат вторични последици.
Основната му цел беше да накара гравитацията да работи с електромагнетизъм. През 1800 -те години физиците разбраха, че електрически заредените частици могат да привличат или отблъскват. Следователно някои метали се привличат от магнит. Очевидно, ако два вида сили, които обектите могат да упражняват един върху друг, те могат да бъдат привлечени от гравитацията и привлечени или отблъснати от електромагнетизма.
Айнщайн искал да обедини тези две сили в „единна теория на полето“. За да направи това, той разтегна пространството-време в пет измерения. Наред с три пространствени и едно времево измерение, той добави и пето измерение, което трябва да е толкова малко и срутено, че да не можем да го видим.
Не се получи и Айнщайн пропиля 30 години в търсене. Той умира през 1955 г. и неговата единна теория на полето никога не е разкрита. Но през следващото десетилетие се появи сериозен претендент за тази теория: струнна теория.
Теория на струните
Идеята зад струнната теория е доста проста. Основните съставки на нашия свят, подобно на електроните, не са частици. Това са малки примки или "струни". Просто защото струните са толкова малки, те изглеждат като точки.
Подобно на струните на китара, тези контури се зареждат с енергия. Това означава, че те вибрират на различни честоти в зависимост от размера. Тези вибрации определят какъв вид „частица“ ще представлява всяка струна. Вибрирането на струната по един начин ще ви даде електрон. Други - нещо друго. Всички частици, открити през 20 -ти век, са едни и същи струни, просто вибриращи по различни начини.
Доста е трудно веднага да разберете защо това е добра идея. Но е подходящ за всички сили, действащи в природата: гравитацията и електромагнетизма, плюс още две, открити през 20 -ти век. Силните и слабите ядрени сили действат само в малките ядра на атомите, така че те не могат да бъдат открити за дълго време. Силната сила държи ядрото заедно. Слабата сила обикновено не прави нищо, но ако набере достатъчно сила, тя разбива ядрото на парчета: следователно някои атоми са радиоактивни.
Всяка теория за всичко ще трябва да обяснява и четирите. За щастие двете ядрени сили и електромагнетизмът са напълно описани от квантовата механика. Всяка сила се носи от специализирана частица. Но няма нито една частица, която да носи гравитация.
Някои физици смятат, че има. И го наричат "гравитон". Гравитоните нямат маса, имат специално въртене и се движат със скоростта на светлината. За съжаление те все още не са намерени. И тук идва теорията на струните. Той описва струна, която прилича точно на гравитон: има правилното завъртане, няма маса и се движи със скоростта на светлината. За първи път в историята теорията на относителността и квантовата механика намериха общ език.
В средата на 80-те години физиците бяха очаровани от струнната теория. „През 1985 г. осъзнахме, че струнната теория решава куп проблеми, които тормозят хората през последните 50 години“, казва Бароу. Но тя също имаше проблеми.
Първо, „ние не разбираме какво теория на струните е в правилните детайли“, казва Филип Канделас от Оксфордския университет. - Нямаме добър начин да я опишем.
Освен това някои от прогнозите изглеждат странни. Докато унифицираната теория на полето на Айнщайн разчита на допълнително скрито измерение, най -простите форми на струнна теория изискват 26 измерения. Те са необходими, за да се свърже математическата теория с това, което вече знаем за Вселената.
По -напредналите версии, известни като „теории за суперструни“, се справят с десет измерения. Но дори и това не отговаря на трите измерения, които наблюдаваме на Земята.
„Това може да се реши, ако приемем, че само три измерения са се разширили в нашия свят и са станали по -големи“, казва Бароу. "Други присъстват, но остават фантастично малки."
Поради тези и други проблеми много физици не харесват теорията на струните. И те предлагат друга теория: циклична квантова гравитация.
Квантова квантова гравитация
Тази теория не си поставя задачата да обедини и включи всичко, което е във физиката на частиците. Вместо това, квантовата гравитация на веригата просто се опитва да изведе квантова теория на гравитацията. Тя е по -ограничена от теорията на струните, но не е толкова тромава. Квантовата гравитация на контура предполага, че пространството -времето е разделено на малки парчета. От разстояние изглежда като гладък лист, но при по -внимателно разглеждане можете да видите куп точки, свързани с линии или бримки. Тези малки влакна, които са изтъкани заедно, предлагат обяснение за гравитацията. Тази идея е толкова неразбираема като теорията на струните и има подобни проблеми: няма експериментални доказателства.
Защо тези теории все още се обсъждат? Може би просто не знаем достатъчно. Ако има големи явления, които никога не сме виждали, можем да се опитаме да разберем цялостната картина и по -късно ще получим липсващите части от пъзела.
„Изкушаващо е да мислим, че сме открили всичко“, казва Бароу. „Но би било много странно, ако до 2015 г. направим всички необходими наблюдения, за да получим теория за всичко. Защо трябва да е така? "
Има и друг проблем. Тези теории са трудни за тестване, до голяма степен защото имат изключително брутална математика. Канделас от години се опитва да намери начин да провери теорията на струните, но не успя.
„Основната пречка за напредването на теорията на струните остава недоразвитието на математиката, което трябва да съпътства физическите изследвания“, казва Бароу. "Това е на ранен етап, има още много за проучване."
Въпреки това теорията на струните остава обещаваща. „През годините хората се опитват да интегрират гравитацията с останалата част от физиката“, казва Канделас. „Имахме теории, които обясняваха добре електромагнетизма и други сили, но не и гравитацията. Опитваме се да ги комбинираме с теорията на струните. "
Истинският проблем е, че теорията за всичко може просто да бъде невъзможна за идентифициране.
Когато теорията на струните стана популярна през 80 -те години, всъщност имаше пет нейни версии. „Хората започнаха да се притесняват“, казва Бароу. "Ако това е теория на всичко, защо има пет?" През следващото десетилетие физиците откриха, че тези теории могат да се трансформират една в друга. Те са просто различни начини да виждат едно и също. Резултатът е М-теорията, представена през 1995 г. Това е дълбока версия на теорията на струните, която включва всички по -ранни версии. Е, поне се връщаме към единна теория. М-теорията изисква само 11 измерения, което е много по-добро от 26. Въпреки това, М-теорията не предлага единна теория за всичко. Тя предлага милиарди от тях. Като цяло М-теорията ни предлага 10 ^ 500 теории, всички от които ще бъдат логически последователни и способни да опишат Вселената.
Изглежда по -лошо от безполезно, но много физици смятат, че сочи към по -дълбока истина. Може би нашата вселена е една от многото, всяка от които е описана от една от трилионите версии на М-теорията. И тази гигантска колекция от вселени се нарича "".
В първите дни мултивселената беше като „голяма пяна от мехурчета с всякаква форма и размер“, казва Бароу. След това всеки балон се разшири и стана вселена.
„Ние сме в един от тези балони“, казва Бароу. С разширяването на мехурчетата вътре в тях биха могли да се образуват други мехурчета, нови вселени. "В процеса географията на такава вселена се усложни сериозно."
Във всяка балонска вселена действат същите физически закони. Следователно в нашата вселена всичко се държи по същия начин. Но в други вселени може да има и други закони. От това се ражда странен извод. Ако струнната теория наистина е най -добрият начин за комбиниране на относителността и квантовата механика, тогава и двете ще и няма да бъдат теорията на всичко.
От една страна, струнната теория може да ни даде перфектно описание на нашата вселена. Но това също неизбежно ще доведе до факта, че всеки от трилиони от друга вселена ще бъде уникален. Голяма промяна в мисленето ще бъде, че вече няма да чакаме единна теория за всичко. За всичко може да има много теории, всяка от които ще бъде вярна по свой начин.
Сред двете фундаментални теории, които обясняват реалността около нас, квантовата теория апелира към взаимодействието между най-малкиятчастици материя, а общата теория на относителността се отнася до гравитацията и най-голяматаструктури в цялата Вселена. От времето на Айнщайн физиците се опитват да преодолеят разликата между тези учения, но с различен успех.
Един от начините да се съгласува гравитацията с квантовата механика е да се покаже, че гравитацията се основава на неделими частици материя, кванти. Този принцип може да се сравни с това как самите кванти на светлината, фотоните, представляват електромагнитна вълна. Досега учените не са разполагали с достатъчно данни в подкрепа на това предположение, но Антоан Тилой(Антоан Тилой) от Института по квантова оптика. Макс Планк в Гархинг, Германия, се опита да опише гравитацията с принципите на квантовата механика. Но как го направи?
Квантовият свят
В квантовата теория състоянието на частица се описва чрез нейното вълнова функция... Той например ви позволява да изчислите вероятността да намерите частица в определена точка в пространството. Преди самото измерване е неясно не само къде е частицата, но и дали тя съществува. Самият факт на измерване буквално създава реалност, като "унищожава" вълновата функция. Но квантовата механика рядко се занимава с измерването, поради което е една от най -противоречивите области на физиката. Помня Парадоксът на Шрьодингер: няма да можете да го разрешите, докато не направите измерване, като отворите кутията и разберете дали котката е жива или не.
Едно от решенията на подобни парадокси е т.нар модел GRWкоято е разработена в края на 80 -те години. Тази теория включва такова явление като „ огнища»- спонтанни сривове на вълновата функция на квантовите системи. Резултатът от прилагането му е абсолютно същият, сякаш измерванията са извършени без наблюдатели като такива. Тилой го модифицира, за да покаже как може да се използва за достигане до теория на гравитацията. В своята версия, светкавица, която разрушава вълновата функция и принуждава частицата да бъде на едно място, също създава гравитационно поле в този момент в пространството-време. Колкото по -голяма е квантовата система, толкова повече частици съдържа и по -често се появяват изблици, като по този начин се създава колебателно гравитационно поле.
Най -интересното е, че средната стойност на тези колебания е точното гравитационно поле, което описва теорията на гравитацията на Нютон. Този подход за комбиниране на гравитацията с квантовата механика се нарича квазикласически: гравитацията възниква от квантовите процеси, но остава класическа сила. „Няма реална причина да се игнорира квазикласическият подход, при който гравитацията е фундаментална на фундаментално ниво“, казва Тилой.
Феноменът на гравитацията
Клаус Хорнбергер от университета в Дуйсбург-Есен в Германия, който не е участвал в разработването на теорията, се отнася към нея с голямо съчувствие. Ученият обаче изтъква, че преди това понятие да е в основата на единна теория, която обединява и обяснява естеството на всички фундаментални аспекти на света около нас, ще е необходимо да се решат редица проблеми. Например, моделът на Тилой определено може да се използва за получаване на нютоновата гравитация, но съответствието му с гравитационната теория все още трябва да бъде проверено с помощта на математика.
Самият учен обаче е съгласен, че неговата теория се нуждае от доказателствена база. Например, той прогнозира, че гравитацията ще се държи различно в зависимост от мащаба на въпросните обекти: за атомите и за свръхмасивните черни дупки правилата могат да бъдат много различни. Както и да е, ако тестовете разкрият, че моделът на Тилрой наистина отразява реалността, а гравитацията наистина е следствие от квантовите колебания, това ще позволи на физиците да разберат реалността около нас на качествено различно ниво.
Има много места за започване на тази дискусия и това е също толкова добро, колкото и другите: всичко в нашата вселена има както природата на частиците, така и на вълните. Ако може да се каже за магия по този начин: „Всичко това са вълни и само вълни“, това би било чудесно поетично описание на квантовата физика. Всъщност всичко в тази вселена има вълнообразна природа.
Разбира се, всичко във Вселената също има частичен характер. Звучи странно, но е така.
Описването на реални обекти като частици и вълни едновременно би било донякъде неточно. Строго погледнато, обектите, описани от квантовата физика, не са частици и вълни, а по -скоро принадлежат към третата категория, която наследява свойствата на вълните (честота и дължина на вълната, заедно с разпространението в пространството) и някои свойства на частиците (те могат да бъдат преизчислени и локализиран до известна степен). Това води до оживен дебат във физическата общност дали като цяло е правилно да се говори за светлината като частица; не защото има противоречие в това дали светлината има характер на частици, а защото наричат фотоните „частици“, а не „възбуждане на квантово поле“ означава да подведем учениците. Това обаче важи и за това дали електроните могат да бъдат наречени частици, но подобни спорове ще останат в чисто академичните среди.
Тази „трета“ природа на квантовите обекти се отразява в понякога объркващия език на физиците, които обсъждат квантовите явления. Бозонът на Хигс е открит като частица в Големия адронен колайдер, но вероятно сте чували фразата „поле на Хигс“, такова делокализирано нещо, което запълва цялото пространство. Това е така, защото при определени условия, като например експерименти за сблъсък на частици, е по -подходящо да се обсъди възбуждането на полето на Хигс, отколкото да се характеризира частицата, докато при други условия, като общи дискусии защо някои частици имат маса, е по -скоро подходящо за обсъждане на физиката от гледна точка на взаимодействия с квантово поле с универсални пропорции. Те са просто различни езици, описващи едни и същи математически обекти.
Квантовата физика е дискретна
Всичко в името на физиката - думата „квант“ идва от латинското „колко“ и отразява факта, че квантовите модели винаги включват нещо, идващо в дискретни количества. Енергията, съдържаща се в квантово поле, идва кратна на някаква фундаментална енергия. За светлината това е свързано с честотата и дължината на вълната на светлината - високочестотната светлина с къса дължина на вълната има огромна характерна енергия, докато нискочестотната светлина с дълги вълни има малко характерна енергия.
Междувременно и в двата случая общата енергия, съдържаща се в отделно светлинно поле, е цяло число, кратно на тази енергия - 1, 2, 14, 137 пъти - и няма да попаднете на странни дроби като един и половина, „пи“ или квадратен корен от две. Това свойство се наблюдава и при дискретни енергийни нива на атомите, а енергийните зони са специфични - някои енергии са разрешени, други не. Атомният часовник работи благодарение на дискретността на квантовата физика, използвайки честотата на светлината, свързана с прехода между две разрешени състояния в цезий, което ви позволява да поддържате времето на нивото, необходимо за осъществяването на "втория скок".
Свръхпрецизната спектроскопия може да се използва и за намиране на неща като тъмната материя и остава част от мотивацията за Института за фундаментална физика с ниска енергия.
Това не винаги е очевидно - дори някои неща, които по принцип са квантови, като излъчването на черно тяло, са свързани с непрекъснато разпределение. Но при по -внимателно разглеждане и с дълбок математически апарат, квантовата теория става още по -странна.
Квантовата физика е вероятностна
Един от най -изненадващите и (поне исторически) противоречиви аспекти на квантовата физика е, че е невъзможно да се предскаже със сигурност резултата от единичен експеримент с квантова система. Когато физиците предвиждат резултата от конкретен експеримент, тяхното прогнозиране е под формата на вероятността да се намерят всеки от конкретните възможни резултати, а сравненията между теорията и експеримента винаги включват извличане на вероятностно разпределение от много повторени експерименти.
Математическото описание на квантова система обикновено е под формата на "вълнова функция", представена в уравненията на гръцкия буков пси: Ψ. Има много дискусии за това какво точно представлява вълновата функция и те разделиха физиците на два лагера: тези, които виждат истинско физическо нещо във вълновата функция (онтични теоретици), и тези, които вярват, че вълновата функция е изключително израз на нашите знания. (или неговото отсъствие) независимо от основното състояние на отделен квантов обект (епистемични теоретици).
Във всеки клас на фундаменталния модел вероятността да се намери резултат не се определя директно от вълновата функция, а от квадрата на вълновата функция (грубо казано, тя е една и съща; вълновата функция е сложен математически обект (който означава, че включва въображаеми числа като квадратния корен или неговата отрицателна версия), а операцията за получаване на вероятността е малко по -сложна, но "квадратът на вълновата функция" е достатъчен, за да се разбере основната същност на идеята). Това е известно като правилото на Борн в чест на немския физик Макс Борн, който първо го изчисли (в бележка под линия към вестника от 1926 г.) и изненада много хора с грозното му въплъщение. В ход е активна работа за извеждане на правилото на Борн от по -фундаментален принцип; но досега нито един от тях не е успешен, въпреки че е генерирал много интересни неща за науката.
Този аспект на теорията ни води и до частици, които са в множество състояния едновременно. Всичко, което можем да предвидим, е вероятността и преди да се измери с конкретен резултат, измерваната система е в междинно състояние - състояние на суперпозиция, което включва всички възможни вероятности. Но дали системата наистина е в множество състояния или е в едно неизвестно, зависи от това дали предпочитате онтичния или епистемичния модел. И двамата ни водят до следващата точка.
Квантовата физика е нелокална
Последното не беше широко прието като такова, главно защото беше погрешно. В документ от 1935 г., заедно с младите си колеги Борис Подолски и Нейтън Росен (работа по EPR), Айнщайн направи ясно математическо изявление за нещо, което го притесняваше известно време, това, което наричаме „заплитане“.
Работата на EPR твърди, че квантовата физика е признала съществуването на системи, в които измерванията, направени на много отдалечени места, могат да бъдат свързани, така че резултатът от едното определя другото. Те твърдят, че това означава, че резултатите от измерванията трябва да бъдат предварително определени с някакъв общ фактор, тъй като в противен случай би било необходимо резултатът от едно измерване да се прехвърли на мястото на друго със скорост, превишаваща скоростта на светлината. Следователно квантовата физика трябва да бъде непълна, приближение към по -дълбока теория (теорията за „скритата локална променлива“, при която резултатите от отделните измервания не зависят от нещо, което е по -далеч от мястото на измерване, отколкото може да бъде обхванато от сигнал, движещ се със скоростта на светлината (локално), а по -скоро се определя от някакъв общ фактор за двете системи в заплетена двойка (скрита променлива).
Всичко това се смяташе за неразбираема бележка под линия в продължение на повече от 30 години, тъй като изглеждаше, че няма начин да се тества, но в средата на 60-те години ирландският физик Джон Бел работи по-подробно върху последиците от работата по EPR. Бел показа, че можете да намерите обстоятелства, при които квантовата механика предсказва корелации между далечни измерения, които са по -силни от всяка възможна теория, като тези, предложени от E, P и R. Това е експериментално тествано през 70 -те години от Джон Клоузър и Ален Аспект в началото на 80 -те години на миналия век. x - те показаха, че тези сложни системи не могат да бъдат обяснени с някаква локална скрита променлива теория.
Най -често срещаният подход за разбиране на този резултат е да се приеме, че квантовата механика е нелокална: че резултатите от измерванията, направени на определено място, могат да зависят от свойствата на отдалечен обект по начин, който не може да бъде обяснен с помощта на сигнали, движещи се със скоростта на светлина. Това обаче не позволява предаването на информация със свръхпросветна скорост, въпреки че са правени много опити да се заобиколи това ограничение с помощта на квантова нелокалност.
Квантовата физика (почти винаги) е свързана с много малка
Квантовата физика се слави като странна, защото нейните прогнози са коренно различни от ежедневието ни. Това е така, защото неговите ефекти са по -слабо изразени, колкото по -голям е обектът - трудно можете да видите вълновото поведение на частиците и как дължината на вълната намалява с увеличаване на инерцията. Дължината на вълната на макроскопичен обект като ходещо куче е толкова смешно малка, че ако увеличите всеки атом в една стая до размера на Слънчевата система, дължината на вълната на кучето би била с размерите на един атом в такава Слънчева система.
Това означава, че квантовите явления са най -вече ограничени до мащаба на атомите и фундаменталните частици, чиито маси и ускорения са достатъчно малки, за да поддържат дължината на вълната толкова малка, че не може да се наблюдава директно. Полагат се много усилия за увеличаване на размера на системата, показваща квантови ефекти.
Квантовата физика не е магия
Предишната точка съвсем естествено ни довежда до това: колкото и странна да изглежда квантовата физика, тя очевидно не е магия. Това, което тя постулира, е странно според стандартите на ежедневната физика, но тя е строго ограничена от добре разбрани математически правила и принципи.
Следователно, ако някой дойде при вас с „квантова“ идея, която изглежда невъзможна - безкрайна енергия, магическа лечебна сила, невъзможни космически двигатели - това почти сигурно е невъзможно. Това не означава, че не можем да използваме квантовата физика, за да правим невероятни неща: ние постоянно пишем за невероятни пробиви, използвайки квантови явления, и те вече са изненадали човечеството по ред, това просто означава, че няма да излезем извън законите на термодинамиката и общите смисъл ....
Ако горните точки не са ви достатъчни, считайте ги само за полезна отправна точка за по -нататъшно обсъждане.
