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© 2013 por Dave Goldberg
© A. Brodotskaya, traducción al ruso, 2015
© AST Publishing House LLC, 2015
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Reseñas de libros
"El universo en el espejo retrovisor"
......El Universo en el Espejo Retrovisor es una excelente lectura para cualquiera que busque comprender por qué nuestro universo es tan complejo y tan maravilloso ... Goldberg es un magnífico compañero que lo llevará a su destino: admirar la belleza del universo.
...Las simetrías matemáticas están plagadas de respuestas a muchas preguntas, pero Goldberg a lo largo de su libro ingenioso y fácil establece hitos para el lector, no sobrecargados con cálculos matemáticos. Consejo: ¡No te pierdas las numerosas notas a pie de página llenas de humor para los intelectuales!
...Goldberg tiene un sentido del humor sutil y absurdo, y es excelente para explicar por qué lo que damos por sentado, por ejemplo, la igualdad de masas gravitacionales e inerciales, es en realidad muy extraño y no tan obvio ... Este libro es un un poco como una montaña rusa apresurada construida a través del Moria de Tolkien.
...¡Qué interesante puede ser el tema de la simetría! El físico Dave Goldberg lleva al lector directamente a la vorágine de los conceptos de física a gran escala, pero al mismo tiempo maneja la nave con tanta destreza que el lector no corre el riesgo de ahogarse.
...Un libro significativo, no sobrecargado de matemáticas y excepcionalmente fascinante sobre el concepto de simetría en la física ... El libro de Goldberg está escrito de principio a fin, accesible y con humor ... El autor condimenta generosamente sus explicaciones con referencias a la cultura popular - del Doctor Who y Lewis Carroll para Angry Birds ", y gracias a la encantadora forma de presentación, simplifica incluso los temas más complejos.
...Goldberg habla de las diez cualidades más fundamentales del universo con humor constante y al mismo tiempo de manera sutil, profunda y comprensible.
...Este libro es una exploración divertida y emocionante de conceptos físicos básicos, que, entre otras cosas, incluye una historia sobre una de las heroínas anónimas de la física, sobre un gigante sobre cuyos hombros se encontraban muchos físicos: ¡sobre Emmy Noether!
...Dave Goldberg organiza un verdadero parque de atracciones de curiosidades fascinantes, paradojas desconcertantes y humor sutil ... Explica perfectamente al lector cuál es el papel de la simetría en la física, la astronomía y las matemáticas. ¡Una historia maravillosa sobre un universo maravilloso!
...¡No salgas! Este libro es un verdadero regalo para cualquier lector que tenga curiosidad por conocer todas las maravillas de nuestro maravilloso universo. Si los conceptos y las leyes fundamentales de la física se enseñaran en las escuelas con tanta claridad y alegría como Dave Goldberg habla de ellos en su libro, estaríamos mucho más capacitados para atraer a los jóvenes a la ciencia.
...Este libro tiene una temática casi tan grande como el universo físico sobre el que narra tan maravillosamente. Pero lo principal, quizás, es que Goldberg escribe en detalle sobre los méritos subestimados de Emmy Noether. Su teorema, según el cual hay una cantidad conservada para cada simetría, une una amplia variedad de campos de la física, y Goldberg explica cómo y por qué.
...Dave Goldberg habla de cómo la simetría da forma al universo con tal habilidad que es un placer leer su libro. Sus historias, desde el "koan sobre los kaones" y el reino de las hormigas hasta el ajetreo y el bullicio alrededor del bosón de Higgs, es imposible separarse y, al mismo tiempo, son extremadamente informativas.
¡Leer este libro es como escuchar una conferencia del profesor de física más maravilloso del mundo! Goldberg habla de física todo lo que quería saber, pero dudaba en preguntar, por ejemplo, si se podría construir el Tardis o qué pasaría si la Tierra fuera absorbida por un agujero negro. Una lectura obligada para cualquiera que quiera comprender la naturaleza del universo y reír al mismo tiempo.
Dedicado a Emily, Willa y Lily: eres mi vida, mi amor y mi inspiración
Debe recordarse que lo que observamos no es la naturaleza como tal, sino la naturaleza sujeta a nuestro método de hacer preguntas.
Werner Heisenberg
Introducción
En el que te cuento qué y cómo, así que es mejor no hojearlo
¿Por qué hay algo en el mundo y no nada? ¿Por qué el futuro no es lo mismo que el pasado? ¿Por qué le vienen a la mente tales preguntas a una persona seria?
Cuando se habla de divulgación científica, se cae en una especie de atrevido escepticismo del iniciado. Lees todos estos tweets y blogs, y tienes la impresión de que la teoría de la relatividad no es más que la charla ociosa de un tipo en una fiesta, y no una de las teorías físicas más exitosas en la historia de la humanidad, que ha resistido todos los experimentos experimentales. y pruebas de observación durante cien años ...
Desde el punto de vista de los no iniciados, la física es algo dolorosamente sobrecargado con todo tipo de leyes y fórmulas. ¿No podría ser más sencillo? Y los propios físicos a menudo se deleitan con la complejidad indiferente de sus diseños. Cuando se le preguntó a Sir Arthur Eddington hace cien años si es cierto que solo tres personas en el mundo comprenden la teoría general de la relatividad de Einstein, reflexionó y luego comentó casualmente: "Estoy tratando de averiguar quién es el tercero". Hoy, la teoría de la relatividad está incluida en el arsenal estándar de todo físico; se enseña día tras día a los escolares de ayer e incluso de hoy. Así que es hora de abandonar el pensamiento arrogante de que la comprensión de los secretos del universo solo está disponible para los genios.
La comprensión profunda de la estructura de nuestro mundo casi nunca fue el resultado de la invención de una nueva fórmula, ya sea Eddington o Einstein. Por el contrario, los avances casi siempre ocurren cuando nos damos cuenta de que solíamos pensar que eran cosas diferentes, pero en realidad son lo mismo. Para comprender cómo funciona todo, debe comprender la simetría.
El gran físico del siglo XX, el premio Nobel Richard Feynman comparó el mundo de la física con un juego de ajedrez. El ajedrez es un juego lleno de simetría. Gire la tabla media vuelta; se verá exactamente igual que al principio. Las formas de un lado, con la excepción del color, son imágenes especulares casi perfectas de las formas del otro. Incluso las reglas del juego son simétricas. Así es como lo expresa Feynman:
...De acuerdo con las reglas, el alfil se mueve a lo largo del tablero de ajedrez solo en diagonal. Podemos concluir que no importa cuántos movimientos hayan pasado, cierto alfil siempre permanecerá en el cuadrado blanco ... Será así, y durante bastante tiempo, pero de repente nos encontramos con que el alfil está en el cuadrado negro ( de hecho, esto es lo que sucedió: para esta vez el alfil fue devorado, pero uno de los peones llegó a la última fila y se convirtió en alfil en la casilla negra). Así ocurre con la física. Tenemos una ley que opera universalmente durante mucho, mucho tiempo, incluso cuando no podemos rastrear todos los detalles, y luego llega el momento en que podemos abrir nueva ley.
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¿Por qué cada una de estas estrellas no puede tener el mismo séquito magnífico, como nuestro Sol, un séquito de planetas a los que sirven las lunas?
Y no le pasó nada malo, al menos la iglesia no le hizo nada.
Cuando vayas a algún lado, vendrás a algún lado de todos modos
Copérnico fue uno de los primeros en darse cuenta de la gran verdad: nuestro lugar en el universo no tiene nada de especial. Esta lección debe ser aprendida una y otra vez por la humanidad. Nuestra mediocridad se extiende mucho más allá del sistema solar. Galileo señaló que hay innumerables estrellas en el universo y que todos tienen el mismo derecho a reclamar el título del centro del universo.
Un sistema de cúmulos globulares proyectados sobre el plano galáctico. La longitud galáctica se marca cada treinta grados. El "sistema local" se encuentra enteramente dentro del círculo más pequeño, encerrado por una línea continua, con un radio de mil parsecs. Los círculos sólidos más grandes también son heliocéntricos, pero sus radios aumentan con un intervalo de 10,000 parsecs. La línea de puntos marca el supuesto eje mayor del sistema, los círculos de puntos son concéntricos con respecto a su centro. Los puntos son aproximadamente cuatro veces los diámetros reales de los grupos a esta escala. Nueve cúmulos están a más de 15.000 parsecs del plano de la galaxia y no están incluidos en este diagrama.
En 1918, el astrónomo Harlow Shapley trazó un mapa de 69 cúmulos globulares en la Vía Láctea. Estos son cúmulos muy cercanos de cien mil estrellas, o incluso más, y era razonable suponer que los cúmulos globulares están distribuidos simétricamente en relación con el centro de la galaxia. Shapley descubrió que nuestro lugar no puede considerarse privilegiado, ni siquiera dentro de nuestra propia galaxia. Somos solo uno de los aproximadamente 10 mil millones de sistemas estelares en una provincia remota.
Douglas Adams escribe sobre esto:
En algún lugar de las calles secundarias de una región poco moderna del brazo espiral occidental de la Galaxia, que ni siquiera está en el mapa, hay un sol amarillo pequeño y discreto. A una distancia de aproximadamente noventa y dos 44
Adams no es un astrónomo y, en realidad, un inglés, así que le perdonaremos el error en la traducción de medidas métricas. De hecho, este valor está más cerca de los 93 millones de millas.Millones de millas a su alrededor gira un planeta verde-azul completamente anodino, cuyos habitantes descendientes de los monos son tan primitivos que todavía consideran que el reloj electrónico es algo extraordinario.
(Per.Yu. Arinovich)
Pero esto está lejos del final. En la década de 1920, Edwin Hubble demostró que nuestra galaxia es solo una de una cantidad colosal de universos insulares que vuelan por el espacio. Como ya hemos visto, el estudio SDSS ha permitido mapear más de cien millones de galaxias, pero según las estimaciones más conservadoras, el número total en el universo observado es de varios billones. En promedio, estos billones de galaxias parecen estar distribuidos en el espacio con una uniformidad notable. En el lenguaje de la simetría, esto significa que el universo homogéneo... Asimismo, el hemisferio norte del universo parece ser más o menos igual que el sur. Nuevamente, científicamente hablando, el universo parece estar isotrópico.
Estas observaciones formaron la base del llamado principio cosmológico. En esencia, dice que el universo es más o menos el mismo en todas partes y en todas direcciones. Las observaciones confirman esto, pero de hecho el principio cosmológico es un axioma. Al igual que la suposición de que la inmutabilidad de las leyes físicas nos permite interpretar el pasado y predecir el futuro, el principio cosmológico nos permite interpretar razonablemente los datos obtenidos de otras partes del universo.
Debemos nuestros primeros atisbos de comprensión de lo que es el universo fuera de nuestra galaxia a Edwin Hubble. Como hemos visto, no solo nos mostró la escala del universo, sino que también descubrió que casi todas las galaxias del universo parecen alejarse de nosotros.
La idea de que el universo se está expandiendo probablemente ha plantado en ti la idea errónea de que el universo tiene un centro. No, el universo no tiene centro. Para entender por qué, es necesario hablar un poco sobre la relatividad. Ya hemos visto que especial la teoría de la relatividad asume una estrecha relación entre tiempo y espacio. Y genio en general la teoría de la relatividad es que, según ella, la gravedad es capaz de doblar tanto el espacio como el tiempo, así como ambos al mismo tiempo.
El universo en expansión como una hoja de goma
Si no tienes un sentido intuitivo de lo que es la curvatura del espacio, no te atormentes. Es muy fácil confundirse con ecuaciones y fórmulas. Afortunadamente, sin embargo, el Gremio Internacional de Defensores de Cosmología tiene una excelente analogía, y si me da su palabra de no tomarla demasiado literalmente, seguiré el ejemplo de mis colegas.
Pegue un puñado de pequeñas galaxias de plástico en una enorme hoja de goma.
Encuentra una compañía de hombres fuertes y junto con ellos agarra la sábana por todos lados.
Tire correctamente.
Una hormiga que vive en una de las galaxias se considerará el ombligo del universo, ya que todas las demás galaxias desde su punto de vista se alejarán. Además, cuanto mayor sea la distancia entre dos galaxias, más rápido, desde el punto de vista de la hormiga, se alejarán una de la otra: este es el efecto que observó Hubble.
Puedo lanzarte a cualquier galaxia, y si tienes suficiente egocentrismo, te considerarás el centro del universo. Sin embargo, y esto es lo más importante, cualquier observador en cualquier galaxia verá lo mismo.
Gire el reloj del universo en la dirección opuesta y las distancias entre todas las galaxias se reducirán a cero. ¿Dónde tuvo lugar el Big Bang? ¡Y en todas partes!
Sin embargo, tomar esta analogía demasiado literalmente es peligroso. Una hormiga particularmente obstinada, solo mire, construirá una hermosa nave estelar e irá, por ejemplo, a buscar el borde de una lámina de goma. Pero en nuestro universo (sin caucho), es básicamente imposible llegar al límite, no hay nada con lo que ni siquiera soñar. El universo no tiene centro, ni bordes tampoco. Así que nos quedamos con solo dos opciones.
El primero, para ser honesto, congela el alma. Puede ser que el universo sea infinito. Es decir, no solo muy, muy grande, sino realmente infinito. Piénselo: ¡es interminable!
Universo toroidal
Volveremos a las diferencias prácticas entre el universo gigante y el infinito, pero personalmente me reconforta mucho más la opción número dos: quizás el universo está cerrado sobre sí mismo. Es como Pac-Man que desaparece en un lado de la pantalla y reaparece inmediatamente en el lado opuesto. Desde el punto de vista de Pak-Man, sigue y sigue y no puede llegar al final.
No se preocupe, la Tierra se comporta de la misma manera. Si ignora las líneas de demarcación establecidas arbitrariamente por nuestros hermanos, como la Línea de Fecha, puede caminar interminablemente hacia el este, y no llegará ni al borde ni al centro. Pasarás constantemente por los mismos lugares, eso es todo.
Desde un punto de vista práctico, no hay mucha diferencia entre un universo infinito y un universo repetitivo. La expansión del universo y la velocidad limitada de la luz conspiraron para impedirnos incluso volar alrededor del universo y regresar a nuestro punto de partida. Pero esto no nos impide hacernos la siguiente pregunta: ¿cuál es el tamaño del universo?
Universo: ¿uno o muchos?
El espacio es grande. Muy.
Pero no podemos decir exactamente qué tamaño tiene, honestamente. No podemos mirar alrededor de todo el universo, ya que existe desde hace solo 14 mil millones de años, y la velocidad de la luz es la que es. En la Tierra, llamamos horizonte a la línea más allá de la cual no podemos mirar, y esto también se aplica al universo en su conjunto.
En principio, podemos acomodar billones de galaxias en este horizonte, pero en ninguna parte se dice que todo esto terminará ahí. Existe una posibilidad muy real de que el universo más allá del horizonte, donde no lo vemos, no sea en absoluto igual que cercano. No solo que no somos capaces de discernir lo que está sucediendo a cientos de miles de millones de años luz de nosotros, porque en general todos se mueve a la velocidad de la luz o más lento: todo lo que está más allá del horizonte no está influenciado de ninguna manera por lo que está sucediendo aquí en la Tierra.
Pero esto no es suficiente: a medida que el universo se expande con aceleración, resulta que con el tiempo, más y más galaxias desaparecerán de nuestro campo de visión. Las galaxias dentro de nuestro horizonte están a solo 60 mil millones de años luz de distancia de nosotros. Y todo lo que suceda a continuación seguirá siendo un misterio para siempre.
Todo lo que está fuera de nuestro horizonte es, desde cualquier punto de vista práctico, otro universo independiente, y por tanto, nos guste o no, vivimos en universo múltiple- en cierto sentido. Si eres un conocedor de la ciencia ficción 45
Por supuesto, un experto, como no podía ser de otra manera.
Están familiarizados, al menos superficialmente, con la idea de un universo múltiple, pero todos entienden la frase "universo múltiple" a su manera. Afortunadamente para nosotros, el físico del MIT Max Tegmark ha desarrollado una clasificación jerárquica detallada de múltiples universos. Honestamente, todo en esta clasificación, excepto el primer nivel, que de todos modos no dudamos, es extremadamente especulativo y, cuanto más, más especulativo. Así que acordamos que por ahora solo estamos ordenando todo en los estantes.
Universo múltiple de primer nivel. El universo es muy grande, pero se puede entender
Desde un punto de vista práctico, es muy posible considerar cualquier parte del universo con un tamaño de 100 mil millones de años luz como una isla. Sin embargo, si las islas no están conectadas entre sí, surge una pregunta razonable por qué sucedió esto y por qué cada sitio por separado debería ser como todos los demás.
Imagínese, esta pregunta es muy posible obtener una respuesta. Sin embargo, primero planteamos un hecho, confirmado por las observaciones: estamos rodeados de radiación que sobró desde el comienzo del universo, y esta radiación es uniforme con una precisión de alrededor de una cien milésima. Este hecho se vuelve aún más extraño cuando recordamos que la luz que entra en nosotros "desde arriba" y "desde abajo" - desde los polos norte y sur - proviene de puntos increíblemente distantes del universo. Es muy probable que los dos fotones de estas corrientes nunca hayan estado en regiones que alguna vez hayan estado en contacto térmico entre sí.
Ésta es una de las cuestiones más profundas y dolorosas de la cosmología. El universo era originalmente muy pequeño, pero no duró mucho. Parece que las regiones del firmamento a una distancia de más de un grado no han tenido la oportunidad de mezclarse entre sí y, sin embargo, el universo en su conjunto parece sorprendentemente homogéneo. Permítanme recordarles que este es uno de los supuestos del principio cosmológico.
En la década de 1980, Alan Guth, entonces en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC, planteó la hipótesis de que la inflación evitaría el problema del horizonte. Y aunque no encaja bien en la cabeza, les advierto de antemano que de momento el modelo inflacionario se ha convertido en un dogma para la mayoría de los cosmólogos. Nos permite explicar una gran cantidad de fenómenos del universo en la forma en que lo observamos.
En los primeros momentos de la existencia del universo múltiple, aquí reinó una actividad hirviente, especialmente en los primeros 10 -35 segundos. En este breve momento, el universo ha experimentado una expansión exponencial colosal, y áreas individuales del espacio - burbujas individuales - han crecido de 10 a 60 veces o más.
Si la hipótesis de la inflación es correcta y nosotros, repito, estamos prácticamente convencidos de que lo es, entonces todavía queda mucho espacio fuera del espacio visible. Cada burbuja es un universo en sí misma, y es fácil imaginar que si hay suficientes, muchas de ellas podrían ser similares al nuestro, probablemente incluso exactamente como el nuestro. Según la mayoría de los modelos de inflación, las burbujas crean otras burbujas, y así hasta el infinito, y el resultado es un universo infinito que nos asustó tanto al principio.
¿Qué tamaño debería alcanzar el universo múltiple de primer nivel para que cada persona en la Tierra tenga un doble exacto? Simplemente monstruoso. De acuerdo con las estimaciones de Tegmark, de aquí al universo idéntico alrededor de 10 a la potencia de 10 29 metros, no habrá números más grandes que en las páginas de este libro, excepto el infinito mismo. Esto significa que cada átomo del universo duplicado está exactamente en el mismo lugar y se mueve a la misma velocidad, hasta la incertidumbre cuántica, como en nuestro propio universo. Esto significa que si la biografía de tu doble es diferente a la tuya, el cerebro del doble está diseñado para que él piense que tiene esa biografía.
¿Ver? ¡Volvemos con los gemelos sinvergüenzas!
Si el universo es infinito, ¡hay suficiente espacio en él no solo para tu doble, sino para innumerables números de tus dobles!
Es humillante y un poco aterrador. Es como si un número infinito de espías estuvieran merodeando a tu alrededor.
Si el universo no es infinito, puede descansar tranquilo en los laureles de su propia singularidad. Según estimaciones teóricas conservadoras, el tamaño mínimo de nuestro universo múltiple es de unos 10 80 metros, y parece que esto es mucho, si no recuerdas que esto es solo una ínfima fracción del espacio requerido para la aparición de gemelos.
Universo múltiple del segundo nivel. Diferentes universos con diferentes leyes físicas.
Nuestra parte del universo ha crecido a partir de una pequeña parte de un universo múltiple recién emergente, sin embargo, como ya entendimos, nuestra burbuja no es la única. Además, es posible que en algunas de estas burbujas, y quizás en todas, las leyes de la física sean algo diferentes a las nuestras. O la electricidad en ellos es un poco más fuerte o más débil, o la interacción fuerte (que mantiene juntos los neutrones y los protones) no es exactamente la misma que la nuestra, o hay más de tres dimensiones.
Permítanme aclarar algunas de las circunstancias de la existencia de múltiples universos de segundo nivel.
1. No es obvio que este modelo sea correcto. Es posible que las fuerzas fundamentales formen realmente la base misma de todo lo que existe y que todos los universos estén construidos sobre las mismas leyes físicas.
2. Si de hecho hay múltiples universos de segundo nivel, no son necesariamente similares al nuestro. Quizás, en muchas de ellas no hay estrellas ni galaxias, algunas están casi completamente vacías, algunas se han derrumbado bajo la influencia de su propia gravedad. Para crear, por ejemplo, estrellas o elementos pesados, la física debe estar muy, muy finamente ajustada, y nosotros también, y la mayoría de los universos simplemente no pasan la selección.
3. El universo no tiene ningún borde de todos modos. Los universos no están separados entre sí por una pared de ladrillos. Todos los universos dentro de un segundo nivel, múltiples universos, son potenciales múltiples universos de primer nivel.
Sin embargo, la historia tampoco termina en el segundo nivel. Tegmark asume la existencia de múltiples universos tanto del tercer como del cuarto nivel, que son aún más especulativos y no tienen nada que ver con la cuestión de las simetrías y si las leyes de la física son las mismas en todas partes. Pero hablaremos de ellos de todos modos, es muy interesante.
Universo múltiple del tercer nivel. Los múltiples mundos de la mecánica cuántica
Ya he hablado un poco sobre cómo funciona la mecánica cuántica, y la mayoría de los físicos simplemente dan por sentado que debe haber alguna posibilidad (y tal vez la parte del león) en el mundo y la posibilidad de una conexión estrafalaria y astuta entre eventos que están lejos. de cada uno.
Sin embargo, no todo el mundo está tan seguro de ello. En 1957, Hugo Everett, consultor científico del Pentágono, propuso una "interpretación de muchos mundos" de la mecánica cuántica. No es que Everett creara un conjunto completamente nuevo de leyes físicas. Básicamente, esto es lo que quería decir: “¿Conoces todos estos experimentos que muestran el comportamiento cuántico? Entonces, puedes mirarlos desde un punto de vista diferente ".
Según la interpretación de muchos mundos, cada vez que se puede medir un evento cuántico, se crea un nuevo conjunto de universos. En un universo, se puede estimar que el giro de un electrón es hacia arriba. En el otro, como se indica hacia abajo. Curiosamente, de acuerdo con la interpretación de muchos mundos, estos universos pueden interactuar entre sí, lo que provoca un comportamiento extraño: interferencia cuántica.
Como dije, la interpretación matemática de muchos mundos espera lo mismo de los experimentos cuánticos que la interpretación estándar (Copenhague) a la que se adhieren la mayoría de los físicos, incluyéndome a mí. Sin embargo, también nos brinda una perspectiva completamente nueva sobre el universo múltiple y, francamente, esta vista ofrece perspectivas encantadoras si el trabajo de su vida es escribir ciencia ficción. Y, sin embargo, debo advertirle: si se suscribe a la interpretación de los muchos mundos, tenga claro que ni Everett ni nadie más ha propuesto un mecanismo físico para viajar entre universos. Fantasea con la salud, pero desde aquí no irás a ningún lado.
Universo múltiple del cuarto nivel. Si el universo es matemáticamente autosuficiente, entonces existe.
En el cuarto nivel, las cosas se ponen aún más extrañas. Los niveles uno a tres asumen que las leyes de la física recuerdan al menos fugazmente las leyes de nuestro universo. En un universo múltiple de cuarto nivel, Tegmark dice: "Todas las estructuras que existen matemáticamente también existen físicamente", aunque no está del todo claro cuántos universos hay que pueden describirse matemáticamente.
Hasta donde sabemos, es posible que haya algún tipo de universo donde de nuestras interacciones fundamentales solo haya una o ninguna. Dado que en nuestra parte del universo múltiple aún no hemos descubierto la física hasta el final, incluso si hay un universo múltiple de cuarto nivel, no podemos decir cuáles son los universos que lo componen, incluso con un mínimo grado de certeza. .
El problema con el que nos enfrentamos en todo este capítulo, en parte, es que no sabemos si los parámetros que describen nuestro universo son realmente necesarios, si la existencia de un universo consistente es posible sin ellos o si son completamente arbitrarios. El universo múltiple del cuarto nivel, según la clasificación de Tegmark, bien puede suponer la existencia tanto de un conjunto infinito de universo como de uno solo.
Si ya está mareado con la diversidad de múltiples universos, es poco probable que pensar en los posibles conjuntos de parámetros lo ayude.
Sin embargo, de hecho, hablaremos de múltiples universos de primer y segundo nivel. Después de todo, en caso de que lo haya olvidado, el objetivo principal de nuestra conversación es abordar la cuestión de si las leyes de la física son las mismas en todo el universo.
¿Es el universo para nosotros?
Te lo advertí antes, pero una precaución adicional no vendrá mal: aunque las simetrías nos permiten comprender mejor los misterios de la naturaleza y la forma de las leyes de la física, no dicen nada sobre el significado específico de las constantes incluidas en estas leyes. No vamos a "deducir" la masa del electrón (al menos hasta ahora no lo hemos logrado). Quizás haya algo fundamental en el universo, y nos permitirá derivar todas las constantes físicas, pero en este momento estamos vagando en la oscuridad. Esto significa que no sabemos si las constantes físicas se establecieron originalmente en las leyes o si resultaron ser algo relativamente aleatorio, como la temperatura aleatoria fuera de la ventana en un día en particular. La simetría dicta cómo escribir ecuaciones, pero guarda silencio sobre los valores numéricos de las variables.
Hay bastantes parámetros, por ejemplo, la carga de un electrón, que se toman más o menos del techo. Quizás estos parámetros cambian de un extremo a otro de un universo gigantesco, y ciertas regiones, por ejemplo, nuestro universo observable, tienen suerte de ser adecuadas para el surgimiento de la vida compleja.
No hay nada de misterioso en el hecho de que, por pura casualidad, vivamos en un área en la que las leyes de la física son ideales para la existencia humana. ¡No podría ser de otra manera! De lo contrario, tú y yo no estaríamos allí y no habría nadie con quien hablar de ello. Es decir, a la mayoría de los físicos realmente no les gusta la argumentación antrópica. La mayoría de nosotros abrigamos la esperanza de que algún día después seremos capaces de desarrollar una Teoría del Todo, basada únicamente en principios básicos.
Y si no están incrustados en la estructura misma del universo, ¿qué tan fino es necesario para que las leyes de la física nos permitan existir? ¿Cuáles son nuestras posibilidades?
Permítanme anticiparme a una pregunta típica sobre la puesta a punto del universo. ¿Por qué viaja la luz a una velocidad de 299,792,458 metros por segundo? Como hemos visto, la respuesta corta es que es mucho más razonable decir simplemente que la luz viaja a una velocidad de un segundo luz por segundo y dejar de lado la cuestión de definir el metro como una curiosidad histórica.
Es decir, los valores de los parámetros, expresados en algunas unidades, casi nunca son relevantes, ya que, obviamente, dependen de la unidad que elijas. Empecé a hablar de esto, porque hay varias formas de combinar constantes físicas para que todas las unidades se reduzcan. Por ejemplo, aquí está la llamada constante de estructura fina (en resumen, PTS), que es solo un número sin unidades.
¿Qué son estas letras? En esta ecuación mi- carga de electrones, con- por supuesto, la velocidad de la luz, y ћ
- Constante de Dirac, también es la constante de Planck reducida 46
Si la mencionas casualmente en tu próximo cóctel, ¡no pierdas la oportunidad! - llámalo "tachado de cenizas". Los profesionales lo entenderán de inmediato.
Aparece dondequiera que esté involucrada la mecánica cuántica.
El valor de la constante de estructura fina es aproximadamente 1⁄137.035 999 08, y es una de las constantes calculadas con mayor precisión en la historia de la física. Y a pesar de toda esta precisión, no tenemos idea de dónde vino. Este no es el caso de los números en matemáticas puras. Por ejemplo, el número p se puede deducir fácilmente de los principios básicos, incluso si no ha visto un círculo en su vida. Así es como lo expresa Richard Feynman:
Sabemos perfectamente qué bailes se deben realizar en los experimentos para medir este número con una precisión muy alta, pero no entendemos qué bailes se deben realizar en una computadora para obtener este número, ¡a menos que lo ingrese secretamente allí!
PTS es una medida de la fuerza de la fuerza electromagnética y, como habrás notado, es mucho menor que la unidad. Desde un punto de vista objetivo, la fuerza electromagnética es muy débil. Por otro lado, en comparación con otras interacciones, el electromagnetismo es increíblemente fuerte. ¡Solo piense en el hecho de que la repulsión electrostática entre nuestras zapatillas y el piso supera fácilmente la atracción gravitacional de toda la Tierra!
Nuestros modelos estándar de cosmología y física de partículas tienen al menos 25 parámetros adimensionales diferentes y aparentemente independientes. Supongamos que tomamos y cambiamos solo un TCP. ¿Lo que sucederá?
Si el PTS fuera, por ejemplo, mayor que 0,1 (aproximadamente 14 veces el valor medido), entonces el carbono, y por lo tanto todos los elementos más pesados que el carbono, no podrían producirse en las estrellas. Sería un desastre para las formas de vida basadas en el carbono.
O tomemos otro parámetro: la fuerza de la interacción nuclear fuerte, la misma debido a la cual los núcleos de los átomos no se desintegran. Si la constante fuerte aumentara solo en un cuatro por ciento, los protones se unirían rápidamente entre sí y formarían helio-2, un isótopo que no tiene neutrones. Las estrellas se apagarían rápidamente y producirían solo helio inerte, y no habría surgido nada interesante.
La mayoría de las constantes fundamentales parecen ser las mismas. Vivimos en un universo donde la proporción de parámetros es tal que asegura nuestra existencia. Esto nos permite sacar solo tres opciones para las conclusiones, y todas ellas no son demasiado tentadoras.
1. El universo fue creado específicamente para las personas o para la vida compleja en general.
2. Los parámetros del universo se derivan naturalmente de alguna ley de la física aún no abierta, y somos muy afortunados de que esta ley permita nuestra existencia.
3. Los parámetros en el universo múltiple varían, y por necesidad vivimos en una de las áreas (posiblemente muy rara), que es capaz de proporcionar condiciones para la vida (porque en un desarrollo diferente de eventos no existiríamos).
La primera opción simplemente no tiene nada que ver con la física, por eso no me gusta. La segunda opción parece ser cierta, pero los físicos aún tienen que descubrir la Teoría del Todo. Mientras tanto, se puede decir muy poco sobre esto y, por lo tanto, la segunda opción me deja con un sentimiento de profunda insatisfacción. ¿Qué pasa con la tercera opción?
En lugar de preguntarse qué pasaría si el PTS (o cualquier otro parámetro) cambiara, puede hacer la pregunta de que la observación dará la respuesta, la pregunta de si cambia en absoluto, y para esto debe mirar hacia las profundidades del espacio. .
Si queremos ver cómo cambia el universo a distancias cosmológicas de nosotros, tendremos que empezar por observar objetos que se encuentran a miles de millones de años luz de distancia de nosotros. Afortunadamente, la naturaleza nos ha proporcionado los faros ideales: los cuásares. En esencia, los quásares son agujeros negros gigantes que absorben grandes cantidades de materia. Cuando la materia cae en ellos a una velocidad cercana a la de la luz, se calienta y emite radiación en cantidad suficiente para ser vista en los confines del universo.
El espacio entre nosotros y los quásares está lleno de nubes de gas, y este gas absorbe parcialmente la radiación en su camino hacia nosotros. Las nubes absorben la luz solo en un cierto rango de longitudes de onda, y estas longitudes están determinadas por el valor PRT. Si cambia el TCP, este rango también cambiará.
Desde 1999, John Webb de la Universidad de Nueva Gales del Sur y su equipo han estado probando si el PTS cambia con el tiempo y la distancia al observar fotones absorbidos por una variedad de iones de hierro y magnesio en nubes muy distantes. Al estudiar las longitudes de onda relativas de los fotones absorbidos, los científicos pueden comparar el PTS a distancias cosmológicas con lo que se obtiene de las mediciones de laboratorio aquí en la Tierra.
Los resultados fueron extremadamente inesperados. Los datos de observación de galaxias distantes en una región del cielo muestran que el PTS está allí alrededor de una cien milésima. más que en la Tierra, y en otra área - por cien milésimas menor.
Si estos resultados son correctos, su importancia es enorme. Resulta que el PTS, por alguna razón, varía en diferentes regiones del universo, y no debemos olvidar que, en primer lugar, no sabemos de dónde proviene el valor de PTS. Esta es una bofetada al principio cosmológico.
Dos hechos muy importantes. Primero, incluso si este resultado es correcto, la desviación es inusualmente pequeña. Lo que Webb y sus colegas han observado no hace que ninguno de los extremos del universo observable sea apto para la vida humana. Para hacer esto, uno tendría que escalar inconmensurablemente más. En segundo lugar, la mayoría de los físicos aún no están convencidos de que el resultado sea correcto. La señal es relativamente débil y no ha sido confirmada por otros grupos de investigación. Personalmente, todavía no voy a meterme sigilosamente en mis libros de texto con una botella grande de corrector de códigos de barras. Si las leyes de la física cambian dentro del universo, muy, muy poco.
Sin embargo, hay una cucharada de miel en este barril de ungüento. Incluso si esta desviación existe, es tan insignificante que podemos introducir otra simetría.
Simetría traslacional: las leyes de la física son exactamente las mismas en todas partes del universo.
La uniformidad a gran escala - uniformidad general - de la estructura del universo indica, o al menos sugiere, que existe una simetría traslacional en el universo.
¿No te gusta la física? ¡Simplemente no has leído los libros de Dave Goldberg! Este libro le presentará uno de los temas más intrigantes de la física moderna: las simetrías fundamentales. De hecho, en nuestro hermoso Universo, casi todo, desde la antimateria y el bosón de Higgs hasta los cúmulos masivos de galaxias, se forma sobre la base de simetrías ocultas. Es gracias a ellos que los científicos modernos hacen sus descubrimientos más sensacionales.
¿Es posible crear un dispositivo para la transferencia de información instantánea? ¿Qué sucede si la Tierra es succionada por un agujero negro? ¿Qué no se enseña en las lecciones escolares sobre el tiempo y el espacio? Siga leyendo y encontrará las respuestas a estas preguntas. Esto es comprensible, emocionante, puede ser divertido; así es como pensarás ahora sobre la física.
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© 2013 por Dave Goldberg
© A. Brodotskaya, traducción al ruso, 2015
© AST Publishing House LLC, 2015
Reseñas de libros
"El universo en el espejo retrovisor"
El Universo en el Espejo Retrovisor es una excelente lectura para cualquiera que busque comprender por qué nuestro universo es tan complejo y tan maravilloso ... Goldberg es un magnífico compañero que lo llevará a su destino: admirar la belleza del universo.
Física de la naturaleza
Las simetrías matemáticas están plagadas de respuestas a muchas preguntas, pero Goldberg a lo largo de su libro ingenioso y fácil establece hitos para el lector, no sobrecargados con cálculos matemáticos. Consejo: ¡No te pierdas las numerosas notas a pie de página llenas de humor para los intelectuales!
Descubrir
Goldberg tiene un sentido del humor sutil y absurdo, y es excelente para explicar por qué lo que damos por sentado, por ejemplo, la igualdad de masas gravitacionales e inerciales, es en realidad muy extraño y no tan obvio ... Este libro es un un poco como una montaña rusa apresurada construida a través del Moria de Tolkien.
Científico nuevo
¡Qué interesante puede ser el tema de la simetría! El físico Dave Goldberg lleva al lector directamente a la vorágine de los conceptos de física a gran escala, pero al mismo tiempo maneja la nave con tanta destreza que el lector no corre el riesgo de ahogarse.
Naturaleza
Un libro significativo, no sobrecargado de matemáticas y excepcionalmente fascinante sobre el concepto de simetría en la física ... El libro de Goldberg está escrito de principio a fin, accesible y con humor ... El autor condimenta generosamente sus explicaciones con referencias a la cultura popular - del Doctor Who y Lewis Carroll para Angry Birds ", y gracias a la encantadora forma de presentación, simplifica incluso los temas más complejos.
Editores semanales
Goldberg habla de las diez cualidades más fundamentales del universo con humor constante y al mismo tiempo de manera sutil, profunda y comprensible.
Evaluaciones de Kirkus
Este libro es una exploración divertida y emocionante de conceptos físicos básicos, que, entre otras cosas, incluye una historia sobre una de las heroínas anónimas de la física, sobre un gigante sobre cuyos hombros se encontraban muchos físicos: ¡sobre Emmy Noether!
Dave Goldberg organiza un verdadero parque de atracciones de curiosidades fascinantes, paradojas desconcertantes y humor sutil ... Explica perfectamente al lector cuál es el papel de la simetría en la física, la astronomía y las matemáticas. ¡Una historia maravillosa sobre un universo maravilloso!
¡No salgas! Este libro es un verdadero regalo para cualquier lector que sienta curiosidad por todas las maravillas de nuestro maravilloso universo. Si los conceptos y las leyes fundamentales de la física se enseñaran en las escuelas con tanta claridad y alegría como Dave Goldberg habla de ellos en su libro, estaríamos mucho más capacitados para atraer a los jóvenes a la ciencia.
Priyamvada Natarayan, Presidenta de los Departamentos de Física y Astronomía del Foro de Enseñanza de Mujeres de la Universidad de Yale
Este libro tiene una temática casi tan grande como el universo físico sobre el que narra tan maravillosamente. Pero lo principal, quizás, es que Goldberg escribe en detalle sobre los méritos subestimados de Emmy Noether. Su teorema, según el cual hay una cantidad conservada para cada simetría, une una amplia variedad de campos de la física, y Goldberg explica cómo y por qué.
John Allen Paulos, profesor de matemáticas en la Universidad de Temple, autor de "Innumeracy"
Dave Goldberg habla de cómo la simetría da forma al universo con tal habilidad que es un placer leer su libro. A partir de sus historias, desde el "koan sobre los kaones" y el reino de las hormigas hasta el alboroto en torno al bosón de Higgs, es imposible separarse y, al mismo tiempo, son extremadamente informativas.
J. Richard Gott, profesor de astrofísica en la Universidad de Princeton
¡Leer este libro es como escuchar una conferencia del profesor de física más maravilloso del mundo! Goldberg habla de física todo lo que quería saber, pero dudaba en preguntar, por ejemplo, si se podría construir el Tardis o qué pasaría si la Tierra fuera absorbida por un agujero negro. Una lectura obligada para cualquiera que quiera comprender la naturaleza del universo y reír al mismo tiempo.
Dedicado a Emily, Willa y Lily: eres mi vida, mi amor y mi inspiración
Debe recordarse que lo que observamos no es la naturaleza como tal, sino la naturaleza sujeta a nuestro método de hacer preguntas.
Werner Heisenberg
Introducción
En el que te cuento qué y cómo, así que es mejor no hojearlo
¿Por qué hay algo en el mundo y no nada? ¿Por qué el futuro no es lo mismo que el pasado? ¿Por qué le vienen a la mente tales preguntas a una persona seria?
Cuando se habla de divulgación científica, se cae en una especie de atrevido escepticismo del iniciado. Lees todos estos tweets y blogs, y tienes la impresión de que la teoría de la relatividad no es más que la charla ociosa de un tipo en una fiesta, y no una de las teorías físicas más exitosas en la historia de la humanidad, que ha resistido todos los experimentos experimentales. y pruebas de observación durante cien años ...
Desde el punto de vista de los no iniciados, la física es algo dolorosamente sobrecargado con todo tipo de leyes y fórmulas. ¿No podría ser más sencillo? Y los propios físicos a menudo se deleitan con la complejidad indiferente de sus diseños. Cuando se le preguntó a Sir Arthur Eddington hace cien años si es cierto que solo tres personas en el mundo comprenden la teoría general de la relatividad de Einstein, reflexionó y luego comentó casualmente: "Estoy tratando de averiguar quién es el tercero". Hoy, la teoría de la relatividad está incluida en el arsenal estándar de todo físico; se enseña día tras día a los escolares de ayer e incluso de hoy. Así que es hora de abandonar el pensamiento arrogante de que la comprensión de los secretos del universo solo está disponible para los genios.
La comprensión profunda de la estructura de nuestro mundo casi nunca fue el resultado de la invención de una nueva fórmula, ya sea Eddington o Einstein. Por el contrario, los avances casi siempre ocurren cuando nos damos cuenta de que solíamos pensar que eran cosas diferentes, pero en realidad son lo mismo. Para comprender cómo funciona todo, debe comprender la simetría.
El gran físico del siglo XX, el premio Nobel Richard Feynman comparó el mundo de la física con un juego de ajedrez. El ajedrez es un juego lleno de simetría. Gire la tabla media vuelta; se verá exactamente igual que al principio. Las formas de un lado, con la excepción del color, son imágenes especulares casi perfectas de las formas del otro. Incluso las reglas del juego son simétricas. Así es como lo expresa Feynman:
De acuerdo con las reglas, el alfil se mueve a lo largo del tablero de ajedrez solo en diagonal. Podemos concluir que no importa cuántos movimientos hayan pasado, cierto alfil siempre permanecerá en el cuadrado blanco ... Será así, y durante bastante tiempo, pero de repente nos encontramos con que el alfil está en el cuadrado negro ( de hecho, esto es lo que sucedió: para esta vez el alfil fue devorado, pero uno de los peones llegó a la última fila y se convirtió en alfil en la casilla negra). Así ocurre con la física. Tenemos una ley que opera universalmente durante mucho, mucho tiempo, incluso cuando no podemos rastrear todos los detalles, y luego llega el momento en que podemos abrir nueva ley.
Página actual: 1 (el total del libro tiene 20 páginas) [pasaje disponible para lectura: 12 páginas]
Dave Goldberg
El universo en el espejo retrovisor. ¿Fue Dios diestro? O simetría oculta, antimateria y el bosón de Higgs
© 2013 por Dave Goldberg
© A. Brodotskaya, traducción al ruso, 2015
© AST Publishing House LLC, 2015
Reseñas de libros
"El universo en el espejo retrovisor"
El Universo en el Espejo Retrovisor es una excelente lectura para cualquiera que busque comprender por qué nuestro universo es tan complejo y tan maravilloso ... Goldberg es un magnífico compañero que lo llevará a su destino: admirar la belleza del universo.
Las simetrías matemáticas están plagadas de respuestas a muchas preguntas, pero Goldberg a lo largo de su libro ingenioso y fácil establece hitos para el lector, no sobrecargados con cálculos matemáticos. Consejo: ¡No te pierdas las numerosas notas a pie de página llenas de humor para los intelectuales!
Goldberg tiene un sentido del humor sutil y absurdo, y es excelente para explicar por qué lo que damos por sentado, por ejemplo, la igualdad de masas gravitacionales e inerciales, es en realidad muy extraño y no tan obvio ... Este libro es un un poco como una montaña rusa apresurada construida a través del Moria de Tolkien.
¡Qué interesante puede ser el tema de la simetría! El físico Dave Goldberg lleva al lector directamente a la vorágine de los conceptos de física a gran escala, pero al mismo tiempo maneja la nave con tanta destreza que el lector no corre el riesgo de ahogarse.
Un libro significativo, no sobrecargado de matemáticas y excepcionalmente fascinante sobre el concepto de simetría en la física ... El libro de Goldberg está escrito de principio a fin, accesible y con humor ... El autor condimenta generosamente sus explicaciones con referencias a la cultura popular - del Doctor Who y Lewis Carroll para Angry Birds ", y gracias a la encantadora forma de presentación, simplifica incluso los temas más complejos.
Editores semanales
Goldberg habla de las diez cualidades más fundamentales del universo con humor constante y al mismo tiempo de manera sutil, profunda y comprensible.
Este libro es una exploración divertida y emocionante de conceptos físicos básicos, que, entre otras cosas, incluye una historia sobre una de las heroínas anónimas de la física, sobre un gigante sobre cuyos hombros se encontraban muchos físicos: ¡sobre Emmy Noether!
Dave Goldberg organiza un verdadero parque de atracciones de curiosidades fascinantes, paradojas desconcertantes y humor sutil ... Explica perfectamente al lector cuál es el papel de la simetría en la física, la astronomía y las matemáticas. ¡Una historia maravillosa sobre un universo maravilloso!
¡No salgas! Este libro es un verdadero regalo para cualquier lector que sienta curiosidad por todas las maravillas de nuestro maravilloso universo. Si los conceptos y las leyes fundamentales de la física se enseñaran en las escuelas con tanta claridad y alegría como Dave Goldberg habla de ellos en su libro, estaríamos mucho más capacitados para atraer a los jóvenes a la ciencia.
Priyamvada Natarayan, presidenta de los Departamentos de Física y Astronomía del Foro de Enseñanza de Mujeres de la Universidad de Yale
Este libro tiene una temática casi tan grande como el universo físico sobre el que narra tan maravillosamente. Pero lo principal, quizás, es que Goldberg escribe en detalle sobre los méritos subestimados de Emmy Noether. Su teorema, según el cual hay una cantidad conservada para cada simetría, une una amplia variedad de campos de la física, y Goldberg explica cómo y por qué.
John Allen Paulos, profesor de matemáticas en la Universidad de Temple, autor de Innumeracy
Dave Goldberg habla de cómo la simetría da forma al universo con tal habilidad que es un placer leer su libro. A partir de sus historias, desde el "koan sobre los kaones" y el reino de las hormigas hasta el alboroto en torno al bosón de Higgs, es imposible separarse y, al mismo tiempo, son extremadamente informativas.
J. Richard Gott, profesor de astrofísica en la Universidad de Princeton
¡Leer este libro es como escuchar una conferencia del profesor de física más maravilloso del mundo! Goldberg habla de física todo lo que quería saber, pero dudaba en preguntar, por ejemplo, si se podría construir el Tardis o qué pasaría si la Tierra fuera absorbida por un agujero negro. Una lectura obligada para cualquiera que quiera comprender la naturaleza del universo y reír al mismo tiempo.
Annalee Newitz, editora y operadora del campo Time Distortion en http://i09.com
Dedicado a Emily, Willa y Lily: eres mi vida, mi amor y mi inspiración
Debe recordarse que lo que observamos no es la naturaleza como tal, sino la naturaleza sujeta a nuestro método de hacer preguntas.
Werner Heisenberg
Introducción
En el que te cuento qué y cómo, así que es mejor no hojearlo
¿Por qué hay algo en el mundo y no nada? ¿Por qué el futuro no es lo mismo que el pasado? ¿Por qué le vienen a la mente tales preguntas a una persona seria?
Cuando se habla de divulgación científica, se cae en una especie de atrevido escepticismo del iniciado. Lees todos estos tweets y blogs, y tienes la impresión de que la teoría de la relatividad no es más que la charla ociosa de un tipo en una fiesta, y no una de las teorías físicas más exitosas en la historia de la humanidad, que ha resistido todos los experimentos experimentales. y pruebas de observación durante cien años ...
Desde el punto de vista de los no iniciados, la física es algo dolorosamente sobrecargado con todo tipo de leyes y fórmulas. ¿No podría ser más sencillo? Y los propios físicos a menudo se deleitan con la complejidad indiferente de sus diseños. Cuando se le preguntó a Sir Arthur Eddington hace cien años si es cierto que solo tres personas en el mundo comprenden la teoría general de la relatividad de Einstein, reflexionó y luego comentó casualmente: "Estoy tratando de averiguar quién es el tercero". Hoy, la teoría de la relatividad está incluida en el arsenal estándar de todo físico; se enseña día tras día a los escolares de ayer e incluso de hoy. Así que es hora de abandonar el pensamiento arrogante de que la comprensión de los secretos del universo solo está disponible para los genios.
La comprensión profunda de la estructura de nuestro mundo casi nunca fue el resultado de la invención de una nueva fórmula, ya sea Eddington o Einstein. Por el contrario, los avances casi siempre ocurren cuando nos damos cuenta de que solíamos pensar que eran cosas diferentes, pero en realidad son lo mismo. Para comprender cómo funciona todo, debe comprender la simetría.
El gran físico del siglo XX, el premio Nobel Richard Feynman comparó el mundo de la física con un juego de ajedrez. El ajedrez es un juego lleno de simetría. Gire la tabla media vuelta; se verá exactamente igual que al principio. Las formas de un lado, con la excepción del color, son imágenes especulares casi perfectas de las formas del otro. Incluso las reglas del juego son simétricas. Así es como lo expresa Feynman:
De acuerdo con las reglas, el alfil se mueve a lo largo del tablero de ajedrez solo en diagonal. Podemos concluir que no importa cuántos movimientos hayan pasado, cierto alfil siempre permanecerá en el cuadrado blanco ... Será así, y durante bastante tiempo, pero de repente nos encontramos con que el alfil está en el cuadrado negro ( de hecho, esto es lo que sucedió: para esta vez el alfil fue devorado, pero uno de los peones llegó a la última fila y se convirtió en alfil en la casilla negra). Así ocurre con la física. Tenemos 1 Mejor que leer las "Conferencias de Física Feynman", escúchalas. La cita está extraída de una grabación de audio de una conferencia que Feynman dio en el Instituto de Tecnología de California. De hecho, iba a dar una conferencia a estudiantes de primer año, pero al final del semestre, todos los lugares, aparentemente, fueron ocupados por sus colegas.
hay una ley que actúa universalmente durante mucho, mucho tiempo, incluso cuando no podemos rastrear todos los detalles, y luego llega el momento en que podemos descubrir una nueva ley.
Mira el juego unas cuantas veces más, y de repente te das cuenta de que el alfil permanece en las casillas del mismo color precisamente porque se mueve solo en diagonal. La ley de conservación del color generalmente funciona, pero una ley más profunda requiere una explicación más profunda.
La simetría en la naturaleza se manifiesta en casi todas partes, incluso si no es notable o incluso obvia y trivial. Las alas de mariposa son un reflejo perfecto entre sí. Sus funciones son idénticas, pero lamento mucho a la pobre mariposa con dos alas izquierdas o dos derechas: volaría impotente en un círculo. La simetría y la asimetría en la naturaleza tienden a competir entre sí. En última instancia, la simetría es una herramienta con la que no solo formulamos leyes, sino que también entendemos por qué funcionan.
Digamos que el espacio y el tiempo no son tan diferentes como parecen. Son como las alas derecha e izquierda de una mariposa. La similitud entre ellos formó la base de la teoría especial de la relatividad y dio lugar a la fórmula más famosa de toda la física. Aparentemente, las leyes de la física no cambian con el tiempo; esta simetría nos permite concluir que la energía se conserva. Y esto también es bueno: es gracias a la conservación de la energía que nuestra batería gigante, el Sol, logra alimentar a toda la vida en la Tierra.
Para muchos de nosotros (está bien, físicos), las leyes de simetría que se encuentran en el estudio del universo físico son tan hermosas como la simetría de un diamante, un copo de nieve o la estética idealizada de un rostro humano perfectamente simétrico.
El matemático Marcus du Sautoy escribe maravillosamente sobre esto:
Solo las plantas más aptas y saludables tienen una reserva de energía que les permite mantener el equilibrio al crear su forma. Las flores simétricas son superiores a las asimétricas, y esto se refleja en el hecho de que produce más néctar y este néctar contiene más azúcar. La simetría tiene un sabor dulce.
Los problemas que nos plantea la simetría deleitan nuestra mente de manera indescriptible. Los crucigramas estadounidenses, por regla general, son un patrón de cuadrados en blanco y negro que no cambia si gira la imagen completa media vuelta o la mira en el espejo. Muchas obras maestras de la pintura y la arquitectura se basan en la simetría: las pirámides, la Torre Eiffel, el Taj Mahal.
Vale la pena buscar en los patios traseros de la conciencia, y seguramente recordará los cinco sólidos platónicos. Solo hay cinco poliedros regulares con las mismas caras: son un tetraedro (cuatro caras), un cubo (seis), un octaedro (ocho), un dodecaedro (doce) y un icosaedro (veinte). Algún científico aburrido, por ejemplo, yo, recordará con cariño la infancia y entenderá que así es exactamente como se veían los huesos en el set para jugar Dungeons & Dragons.
2 aburridos titulares de cinturones negros señalarán que olvidé mencionar
hueso decaédrico. Entonces, sepa que un decaedro no es un sólido platónico. Pertenece a la clase de antibipirámides y también se le llama trapezoedro pentagonal.
A veces, en la comunicación cotidiana, la palabra "simetría" simplemente se refiere a cómo las cosas "coinciden" o "reflejan" entre sí, pero en realidad el concepto ciertamente tiene una definición precisa. La formulación en la que nos basaremos en las páginas de este libro pertenece al matemático Hermann Weil:
Un objeto se llama simétrico si puedes hacer algo con él, y después de eso se verá igual que antes.
Considere un triángulo equilátero. Puede hacer lo que quiera con este triángulo, pero seguirá siendo exactamente igual que antes. Puede girarlo un tercio de vuelta y se verá igual. Y puedes mirarlo en el espejo, y el reflejo será exactamente el mismo que el original.
Triángulo equilátero
Un círculo es un objeto simétrico perfecto. A diferencia de los triángulos, que se ven iguales solo si los rotas en un cierto ángulo, el círculo se puede rotar como quieras y seguirá siendo el mismo. No me gustaría explicar lo obvio, pero la rueda funciona exactamente de acuerdo con este principio.
Mucho antes de que comprendiéramos cómo se mueven los planetas, Aristóteles sugirió que sus órbitas deberían ser redondas, precisamente debido a la "perfección" del círculo como forma simétrica. Aristóteles estaba equivocado, y no es de extrañar: estaba equivocado en casi todo lo que concierne al mundo físico.
Existe una gran tentación, ridiculizar a los antiguos, de revolcarse en una dulce complacencia, pero Aristóteles tenía razón en una cosa, pero muy importante. Aunque los planetas realmente giran alrededor del Sol en elipses, la fuerza gravitacional que los empuja hacia el Sol es la misma en todas las direcciones. La gravedad es simétrica. A partir de esta suposición, y su ingeniosa suposición sobre cómo la gravedad se debilita con la distancia, Sir Isaac Newton infirió correctamente sobre el movimiento de los planetas. En particular, esta es la razón por la que este nombre le resulta tan familiar, aunque hay muchas razones para ello. Las formas que no parecen tan perfectas como un círculo, las órbitas elípticas de los planetas, son consecuencia de una simetría mucho más profunda.
Las simetrías apuntan a los verdaderos principios de la naturaleza. Nadie pudo averiguar cómo funciona el mecanismo de la herencia hasta que Rosalind Franklin tomó una radiografía de ADN, lo que permitió a James Watson y Francis Crick descubrir la estructura de doble hélice. Y esta estructura, que consta de dos hebras en espiral complementarias, nos permitió comprender el método de copia y herencia.
Doble hélice de ADN
Si se está moviendo en círculos completamente desconectado de la vida de los excéntricos científicos, entonces probablemente haya escuchado a alguien de ellos llamar a esta o aquella teoría "natural" o "hermosa". Esto generalmente significa que el supuesto en el que se basa la teoría es tan simple que simplemente tiene que ser cierto. En otras palabras, comenzando con una regla muy simple, puede describir todo tipo de sistemas complejos, por ejemplo, la gravedad alrededor de los agujeros negros o las leyes fundamentales de la naturaleza.
Este es un libro sobre la simetría, cómo se manifiesta en la naturaleza, cómo guía nuestra intuición y cómo sale donde no lo esperas. El premio Nobel Phil Anderson lo expresó de la manera más sucinta:
Sería una ligera exageración decir que la física es el estudio de la simetría.
A veces, la simetría es tan obvia que parece completamente trivial, pero conduce a resultados increíblemente contrarios a la intuición. Cuando montas en una montaña rusa, tu cuerpo no puede distinguir entre la gravedad y la aceleración del carrito; se siente igual. Cuando Einstein sugirió que "siente lo mismo" significa "y es lo mismo", dedujo las leyes por las que actúa la gravedad, y posteriormente esto llevó a la hipótesis de la existencia de agujeros negros.
O, digamos, el hecho de que sea posible intercambiar dos partículas del mismo tipo conduce inevitablemente a la comprensión de lo que le espera a nuestro Sol, al misterioso principio de exclusión de Pauli y, en última instancia, al funcionamiento de las estrellas de neutrones y de toda la química en el mundo. el mundo.
Pero el paso del tiempo, por otro lado, parece igualmente obviamente asimétrico. El pasado es diferente del futuro, eso es seguro. Sin embargo, por extraño que parezca, las leyes de la física no saben nada sobre el eje del tiempo, se olvidaron de contárselo. A nivel microscópico, prácticamente todos los experimentos imaginables van y vienen.
Es fácil sucumbir al impulso de generalizar y asumir que todo en el mundo es simétrico. Soy un extraño para ti, lector, y por lo tanto estoy dispuesto a hacer las suposiciones más ofensivas. En la escuela secundaria o en el instituto, al menos una vez participó en una conversación de lavado de cerebro sobre el tema "¿Y si, muchachos, nuestro universo es solo un átomo en un enorme, enorme universo?"
¿Has madurado desde entonces? Admítelo, sabes perfectamente de qué trata la película "Men in Black" y recuerdas con cariño cómo en la infancia leíste "El elefante Horton escucha a alguien", pero incluso ahora te preguntas involuntariamente si hay en algún lugar un universo en miniatura que llegue lejos. más allá de nuestra percepción.
No, amigo mío, la respuesta es no, pero aquí tienes que hacer una pregunta algo más profunda: ¿por qué?
Si puede aumentar o disminuir algo sin cambiarlo, entonces tenemos cierto tipo de simetría. Aquellos de ustedes que hayan leído "Gulliver" probablemente recordarán que nos costó conocer a los liliputienses, que son doce veces más pequeños que Gulliver en todas las dimensiones. Multiplicar y dividir por diez es mucho más fácil, así que en aras de la simplicidad, decidí redondear y simplificar todo. No tienes que agradecer.
to Jonathan Swift se embarca en las discusiones más largas y detalladas sobre todo lo que se deriva de la diferencia de altura entre Gulliver y los liliputienses, y luego entre Gulliver y los gigantes-brobdingnags. Aquí Swift claramente exageró: escribe la proporción de los tamaños de todo en el mundo, desde la longitud de la zancada hasta la cantidad de animales locales que Gulliver necesitaba para obtener suficiente.
Sin embargo, ya en los días de Swift, nadie dudaba de que la existencia de tales países y pueblos (generalmente me callo acerca de los caballos parlantes) contradecía las leyes de la física. Un siglo antes, Galileo Galilei escribió "Dos nuevas ciencias", donde investigó la posibilidad de la existencia de gigantes desde un punto de vista científico. Habiendo razonado con todas sus fuerzas, concluyó que la suposición era falsa, privando así a las generaciones futuras de la oportunidad de divertirse. El problema es que el hueso, cuando duplica su longitud, se vuelve ocho veces más pesado y su superficie aumenta sólo cuatro veces. Entonces se romperá, incapaz de soportar su propio peso. Así es como el propio Galileo escribe al respecto:
Un roble, de doscientos codos de altura, no podría sostener sus propias ramas si estuvieran distribuidas de la misma manera que en un árbol de altura ordinaria; y la naturaleza no puede producir un caballo veinte veces el tamaño de un caballo ordinario, o un gigante diez veces el tamaño de un hombre ordinario, a menos que sea por un milagro o alterando grandemente las proporciones de su cuerpo, especialmente los huesos, que deben agrandarse mucho en comparación con los ordinarios.
4 Un uso digno de su tiempo y talentos, por decir lo mínimo.
Es por eso que un perro pequeño a veces puede llevar sobre su lomo dos o tres perros de su tamaño, sin embargo, supongo, un caballo no podrá llevar ni siquiera uno del mismo caballo.
Por eso Spider-Man está tan mal maquillado. No podría haber poseído el poder proporcionalmente aumentado de una araña. De lo contrario, habría sido una adición tan masiva que ni siquiera tendría que ser aplastado. La gravedad lo haría todo. Como escribe el biólogo J. B. S. Haldane en su ensayo On Being the Right Size:
5 Desde hace mucho tiempo se ha demostrado que si hablas con un científico el tiempo suficiente, arruinará cualquier cosa y llegará al fondo del asunto. Es por eso que a menudo tenemos noches solitarias.
Es por eso que un insecto no le teme a la gravedad: puede caer y permanecer ileso, puede aferrarse al techo, gastando sorprendentemente poco esfuerzo ... Sin embargo, hay una fuerza en el mundo que un insecto teme tanto como un mamífero. teme la gravedad. Esta tensión superficial ... Un insecto que ha decidido beber corre el mismo peligro que una persona que cuelga del borde de un abismo sin fondo en busca de comida. Tan pronto como un insecto queda atrapado en la red de tensión superficial del agua, es decir, simplemente se moja, lo más probable es que no pueda salir y ahogarse.
De hecho, el problema va más allá de la resistencia a la tracción de los huesos gigantes y la fuerza proporcional de los insectos. Todos los objetos comparables al tamaño de una persona, al parecer, pueden reducirse y aumentarse proporcionalmente sin mucho daño: un robot asesino de seis metros, aparentemente, con exactamente el mismo dispositivo que su modelo de tres metros, funcionará el doble de bien. pero si cambia a la escala de átomos y moléculas, todas las predicciones dejan de estar justificadas. El mundo de los átomos es también el mundo de la mecánica cuántica, lo que significa que la concreción de nuestra existencia macroscópica es reemplazada repentinamente por la incertidumbre.
En otras palabras, el mismo acto de escalar no tiene nada que ver con la simetría de la naturaleza. El mapa de la red cósmica de galaxias realmente se parece un poco a una imagen de neuronas, pero esta no es una gran simetría universal. Eso es una coincidencia. Podría seguir describiendo diferentes casos de simetría uno tras otro, pero espero, en general, haber explicado qué es qué. Algunos cambios importan, otros no. En este libro, decidí usar el siguiente enfoque: dedicar cada capítulo a una pregunta separada, para la cual, como se verá más adelante, hay una respuesta, aunque indirecta, y sus simetrías fundamentales del universo dan.
Por otro lado, incluso la mano derecha de una persona es diferente de la izquierda. Uno de los principales misterios que la gente reflexiona es que, en cierto sentido, el universo no es simétrico. Tu corazón está en el lado izquierdo de tu pecho, el futuro no es igual que el pasado, estás hecho de materia, no de antimateria. Así que este libro es también un libro sobre simetría rota e imperfecta, quizás incluso más que sobre simetría ideal. La sabiduría popular dice que la alfombra persa es perfecta en su imperfección y perfecta en su imperfección. El patrón de las alfombras tradicionales reales es un poco inexacto, y romper la simetría le da a toda la pieza más personalidad. Lo mismo ocurre con las leyes de la naturaleza, y eso es genial: un universo perfectamente simétrico sería monstruosamente aburrido. Y nuestro universo no es aburrido.
El universo que vemos en el espejo retrovisor está más cerca de lo que parece, y eso lo cambia todo. Pero no miremos atrás, estamos realizando un largo recorrido por el universo. Y nuestra guía será la simetría, pero cuando se rompa, tendremos algo sobre lo que escribir a casa.
Capítulo uno. Antimateria
De donde aprendemos por qué hay algo en el mundo y no nada
Ver películas de ciencia ficción con la esperanza de aprender algo nuevo sobre ciencia generalmente no tiene sentido. Entre otras cosas, obtendrás una idea muy distorsionada, por ejemplo, sobre cómo retumban las explosiones en el espacio (son silenciosas), lo fácil que es desarrollar una velocidad superluminal (pero de ninguna manera), cuántos angloparlantes y no del todo alienígenas humanoides, pero aún diabólicamente atractivos en el espacio (todos están casados). Sin embargo, todo tipo de "Star Wars" y "Star Trek" nos inculcaron una idea muy acertada: con antimateria los chistes son malos.
Un poder tan tremendo se esconde en la antimateria que es simplemente imposible resistir la tentación, y si un escritor de ciencia ficción quiere agregar "física real" a su brebaje, casi siempre busca una pizca de antimateria: agregará peso en el ojos de lectores. El motor de la nave espacial Enterprise fue impulsado por la interacción de materia y antimateria. Isaac Asimov equipó a sus robots con un cerebro positrónico y convirtió el positrón, una partícula de antimateria, en un MacGuffin de ciencia ficción.
Incluso en Ángeles y demonios de Dan Brown, un libro que difícilmente puede considerarse ciencia ficción verdadera, la antimateria sirve como una especie de máquina infernal. Los villanos roban medio gramo de antimateria, y esta cantidad es suficiente para hacer una explosión, en términos de potencia comparable a las primeras bombas nucleares. Aparte del hecho de que Dan Brown cometió un error en los cálculos aritméticos dos veces, no entendió en absoluto lo que realmente estaba sucediendo en un acelerador de partículas y se perdió alrededor de un billón de veces cuando estaba calculando cuánta antimateria se puede almacenar y transportar. con la parte científica de él todo está bien.
Resulta que constantemente nos enfrentamos a la antimateria; sin embargo, no entendemos por completo qué es. Esta sustancia no es de ninguna manera el asesino imparable que te has acostumbrado a tratar con desconfianza a lo largo de los años. Si no se toca, la antimateria se comporta de manera bastante pacífica. La antimateria es como una sustancia ordinaria que conoces y amas, por ejemplo, tiene la misma masa, todo lo contrario: carga opuesta y nombre opuesto. Olerá a frito solo si mezcla antimateria con una sustancia ordinaria.
6 En la escritura de guiones, un McGuffin es el nombre de un objeto alrededor del cual se construye la trama, por ejemplo, el Grial en el ciclo de Arthur o doce sillas en Las doce sillas de Ilf y Petrov. - Aprox. transl.
7 Cuando la antimateria hace "Fuck-bang", la misma cantidad de materia desaparece. Brown aparentemente se olvidó de eso.
La antimateria no solo no es más exótica que la materia ordinaria, sino que también se ve y se comporta exactamente igual en casi todas las situaciones importantes. Si todas las partículas del universo fueran reemplazadas repentinamente por su anti-versión, no notarías nada. En pocas palabras, hay simetría en la forma en que las leyes de la física tratan la materia y la antimateria y, sin embargo, deberían ser ligeramente diferentes: después de todo, tanto usted como todos sus amigos no están hechos de antimateria, sino de materia ordinaria.
Nos gusta pensar que no hay accidentes, que hay algún tipo de razón global por la que no estás sentado en una habitación llena de antihumanos en este momento. Para averiguar cuál es el problema, profundizaremos en el pasado.
Oh, ellos, anti-gente, ¿de dónde vengo?
Explicar de dónde vino algo puede ser complicado. No siempre es posible descartar todo claramente sobre la picadura de una araña radiactiva, la explosión del planeta de origen o incluso el resurgimiento de un cadáver (por el bien de la ciencia, tú mismo lo entiendes). La historia de nuestros propios orígenes es muy intrincada, pero le complacerá saber que nosotros (al igual que Hulk) somos, en última instancia, el resultado de la exposición a la radiación gamma. Es una larga historia.
La física aún no puede ni siquiera responder a la pregunta de dónde vino el propio universo, pero podemos decir mucho sobre lo que sucedió después de eso. A riesgo de provocar una crisis existencial, al menos podemos intentar responder a una de las mayores preguntas de la filosofía, francamente pez gordo de su panteón: "¿Por qué hay algo en el mundo y no nada?"
La pregunta no es tan tonta como parece. Basado en todo lo que observamos en el laboratorio, no debería existir. Nada personal. Yo tampoco debería existir, así como el Sol, la Vía Láctea y la película "Crepúsculo" (por una gran variedad de razones).
Para entender por qué no deberías existir, necesitamos mirar universos reflejados, universos de antimateria y nuestro propio universo en la escala más pequeña. Es sólo en la escala más pequeña que aparece la diferencia entre materia y antimateria, e incluso entonces está lejos de ser obvia.
El universo es completamente diferente en la escala más pequeña. Todo lo que vemos está formado por moléculas, las más pequeñas de las cuales tienen un tamaño de una millonésima de milímetro. Si compara esto con los valores de la escala humana, entonces un cabello humano tiene un grosor de aproximadamente cien mil moléculas. Sí, las moléculas son muy pequeñas, pero no importa lo pequeñas que sean, están formadas por partículas aún más pequeñas. Y esto también es bueno, si estamos interesados en encontrar al menos algún tipo de orden en el mundo. Según la Royal Society of Chemistry, conocemos alrededor de 20 millones de tipos diferentes de moléculas, y se descubren nuevos compuestos con tanta frecuencia que no es necesario ni siquiera intentar dar el número exacto. Si no entendiéramos que las moléculas están hechas de algo aún más pequeño, nos empantanaríamos en enumerarlas.
8 Espero que no se haya perdido la introducción. Hay muchas cosas útiles.
9 Ernest Rutherford, quien, francamente, hizo más que otros para explicar la estructura de la materia, afirmó sin rodeos: “Todas las ciencias se dividen en. Afortunadamente para el orden universal, si tomamos una escala cada vez más pequeña, aparecen nuevas estructuras. A una escala de menos de diez mil millonésimas de metro, comenzamos a distinguir entre átomos individuales. Solo conocemos 118 elementos químicos, y la mayoría de ellos no se encuentran en la naturaleza o se encuentran solo en cantidades insignificantes.
Lo que vemos en una escala macroscópica no ayuda en lo más mínimo a prepararnos para lo que encontramos cuando llegamos al tamaño de los átomos individuales, porque ahí es cuando entra en juego la mecánica cuántica. No hablaré todavía de la naturaleza cuántica de la realidad, solo diré una cosa: allí reina una incertidumbre desagradable. Por ahora, puedes ignorarlo, pero un poco más tarde tendrás que meterte de cabeza en este pantano.
Incluso si no sabe exactamente qué son los átomos, es muy posible sacarles algo de sentido. Esto es lo que descubrió el químico ruso Dmitry Mendeleev en el siglo XIX. Lo más probable es que esté familiarizado con su logro principal si al menos una vez en su vida ha entrado en un aula de física o química de la escuela. Mendeleev inventó la tabla periódica.
Esta no es solo una lista larga. Mendeleev demostró que los elementos de cada columna de la tabla tienen propiedades químicas muy similares. Por ejemplo, cobre, zoofísica y coleccionismo de sellos ". ¡Qué triste debe haber estado al recibir el Premio Nobel de Química en 1908!
10 Mendeleev es el primero de muchos de los personajes de este libro que prácticamente se ha visto privado del Premio Nobel. En su caso, no recibió el premio de química en 1907 debido a intrigas políticas, a pesar de que la tabla periódica es la base de toda la química moderna y la física atómica.
El loto y la plata están en la misma columna y todos son metales muy conductores. Al llenar los espacios vacíos, Mendeleev pudo predecir las propiedades de los elementos antes de que pudieran ser descubiertos en el laboratorio.
La idea misma de que los átomos constituyen la base invisible de la materia ya se formuló hace dos mil quinientos años, aunque en una forma bastante primitiva. Leucipo, Demócrito y los atomistas griegos antiguos expresaron esta idea en el siglo V a. C. e., y se puede suponer fácilmente que hemos pasado los últimos dos mil años para asegurarnos de que finalmente nos llegue. Personalmente, creo que los antiguos tienen mucho honor.
En general, los primeros atomistas hablaron solo sobre el hecho de que es imposible dividir la materia infinitamente. No se imaginaron cuán pequeños son los átomos, cuál es su estructura y que pueden dividirse aún más (a pesar de que la misma palabra "átomo" significa literalmente "indivisible").
Fue solo en los últimos doscientos años que comenzamos a tener alguna idea de lo que eran los átomos, lo que culminó con el brillante análisis de Einstein del movimiento browniano en 1905. 80 años antes, el botánico Robert Brown estudió el polen agitado en un líquido bajo un microscopio. Brown notó que mientras esperaba que la imagen se calmara, las partículas de polen continuaron corriendo.
Einstein asumió absolutamente correctamente que las moléculas individuales empujaban constantemente las partículas de polen en diferentes direcciones de manera aleatoria, y de esto pudo concluir que los átomos existen en la realidad e incluso estimar su tamaño.
La evidencia convincente de que los átomos deben existir solos habría sido más que suficiente para convertir a Einstein en uno de los más grandes científicos del siglo XX, pero se cree que es solo el tercer descubrimiento más importante que hizo en un año. Ha ocurrido un verdadero milagro, tal vez, nunca antes en la historia había sucedido que los descubrimientos brillantes se sucedieran con tanta frecuencia, y no en vano 1905 se llama el "Año Maravilloso" en la biografía de Einstein; fue entonces cuando una serie Se publicó un número de artículos en los que el científico no solo demostró que los átomos existen, sino que también demostró que la luz está hecha de partículas (por lo que recibió el Premio Nobel en 1921), y también ofreció una bagatela llamada "la teoría de la relatividad". a la comunidad científica, gracias a la cual probablemente conozcas su nombre.
