इस पुस्तक में, आधिकारिक वैज्ञानिक ब्रायन कॉक्स और जेफ फोर्शॉ पाठकों को क्वांटम यांत्रिकी - दुनिया के मौलिक मॉडल से परिचित कराते हैं। वे बताते हैं कि किन टिप्पणियों ने भौतिकविदों को क्वांटम सिद्धांत की ओर अग्रसर किया, यह कैसे विकसित हुआ और क्यों वैज्ञानिक, इसकी सभी विचित्रताओं के बावजूद, इसमें इतने आश्वस्त हैं। पुस्तक उन सभी के लिए अभिप्रेत है जो क्वांटम भौतिकी और ब्रह्मांड की संरचना में रुचि रखते हैं।

कुछ अजीब आ रहा है।
क्वांटम। यह शब्द एक साथ इंद्रियों को आकर्षित करता है, भ्रमित करता है और मोहित करता है। किसी के दृष्टिकोण के आधार पर, यह या तो विज्ञान की विशाल प्रगति का प्रमाण है, या मानव अंतर्ज्ञान की सीमाओं का प्रतीक है, जो उप-परमाणु क्षेत्र की अपरिहार्य विचित्रता के साथ संघर्ष करने के लिए मजबूर है। एक भौतिक विज्ञानी के लिए, क्वांटम यांत्रिकी उन तीन महान स्तंभों में से एक है जिन पर प्रकृति की समझ टिकी हुई है (अन्य दो आइंस्टीन के सामान्य और सापेक्षता के विशेष सिद्धांत हैं)। आइंस्टीन के सिद्धांत अंतरिक्ष और समय की प्रकृति और गुरुत्वाकर्षण बल से संबंधित हैं। क्वांटम यांत्रिकी बाकी सब चीजों का ख्याल रखती है, और यह कहा जा सकता है कि भावनात्मक रूप से कितना भी आकर्षक, भ्रामक या आकर्षक क्यों न हो, यह सिर्फ एक भौतिक सिद्धांत है जो वर्णन करता है कि प्रकृति वास्तव में कैसे व्यवहार करती है। लेकिन भले ही इस बहुत ही व्यावहारिक कसौटी से मापा जाए, यह अपनी सटीकता और व्याख्यात्मक शक्ति पर प्रहार कर रहा है। क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स के क्षेत्र से एक प्रयोग है, जो आधुनिक क्वांटम सिद्धांतों का सबसे पुराना और सबसे अच्छा समझा गया है। यह मापता है कि एक इलेक्ट्रॉन चुंबक के पास कैसे व्यवहार करता है। सैद्धांतिक भौतिकविदों ने कलम और कागज के साथ और बाद में कंप्यूटर के साथ यह भविष्यवाणी करने के लिए कड़ी मेहनत की कि इस तरह के अध्ययन से क्या पता चलेगा। चिकित्सकों ने प्रकृति से और अधिक जानकारी प्राप्त करने के लिए आविष्कार किए और प्रयोग किए। दोनों शिविरों ने, एक दूसरे से स्वतंत्र रूप से, कुछ सेंटीमीटर की त्रुटि के साथ मैनचेस्टर और न्यूयॉर्क के बीच की दूरी को मापने के समान सटीकता के साथ परिणाम दिए। यह उल्लेखनीय है कि प्रयोगकर्ताओं द्वारा प्राप्त आंकड़े पूरी तरह से सिद्धांतकारों की गणना के परिणामों के अनुरूप हैं; माप और गणना पूर्ण समझौते में थे।
यह न केवल प्रभावशाली बल्कि आश्चर्यजनक है, और यदि मॉडल निर्माण क्वांटम सिद्धांत की एकमात्र चिंता थी, तो आप सही पूछ सकते हैं कि समस्या क्या है। विज्ञान, निश्चित रूप से उपयोगी नहीं है, लेकिन कई तकनीकी और सामाजिक परिवर्तन जिन्होंने हमारे जीवन में क्रांति ला दी है, आधुनिक वैज्ञानिकों द्वारा किए गए मौलिक शोध से निकले हैं, जो केवल अपने आसपास की दुनिया को बेहतर ढंग से समझने की इच्छा से निर्देशित होते हैं। . विज्ञान की सभी शाखाओं में जिज्ञासा से प्रेरित इन खोजों के लिए धन्यवाद, हमने जीवन काल बढ़ाया है, अंतरराष्ट्रीय हवाई यात्रा, अपने अस्तित्व के लिए खेती करने की आवश्यकता से मुक्ति, और एक अंतहीन में हमारे स्थान की एक व्यापक, प्रेरक और आंख खोलने वाली तस्वीर सितारों का समुद्र। लेकिन यह सब एक अर्थ में उपोत्पाद है। हम जिज्ञासा से अन्वेषण करते हैं, इसलिए नहीं कि हम वास्तविकता की बेहतर समझ हासिल करना चाहते हैं या बेहतर ट्रिंकेट विकसित करना चाहते हैं।

विषय
कुछ अजीब आ रहा है
एक ही समय में दो स्थानों पर
एक कण क्या है?
जो कुछ हो सकता है वह वास्तव में होता है
एक भ्रम के रूप में आंदोलन
परमाणुओं का संगीत
एक पिनहेड पर ब्रह्मांड (और हम जमीन से क्यों नहीं गिरते)
परस्पर निर्भरता
आधुनिक दुनियाँ
परस्पर क्रिया
खाली स्थान इतना खाली नहीं है उपसंहार: सितारों की मौत
आगे पढ़ने के लिए।

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किसी के दृष्टिकोण के आधार पर, क्वांटम सिद्धांत या तो विज्ञान की विशाल प्रगति के लिए एक वसीयतनामा है, या मानव अंतर्ज्ञान की सीमाओं का प्रतीक है, जो उप-परमाणु क्षेत्र की विचित्रता के साथ संघर्ष करने के लिए मजबूर है। एक भौतिक विज्ञानी के लिए, क्वांटम यांत्रिकी उन तीन महान स्तंभों में से एक है जिन पर प्रकृति की समझ आधारित है (आइंस्टीन के सामान्य और सापेक्षता के विशेष सिद्धांतों के साथ)। उन लोगों के लिए जो हमेशा दुनिया की संरचना के मौलिक मॉडल में कम से कम कुछ समझना चाहते हैं, वैज्ञानिक ब्रायन कॉक्स और जेफ फोर्शॉ ने अपनी पुस्तक "द क्वांटम यूनिवर्स" में व्याख्या की है, जिसे MIF द्वारा प्रकाशित किया गया था। टी एंड पी क्वांटम के सार और सिद्धांत की उत्पत्ति के बारे में एक छोटा मार्ग प्रकाशित करता है।

आइंस्टीन के सिद्धांत अंतरिक्ष और समय की प्रकृति और गुरुत्वाकर्षण बल से संबंधित हैं। क्वांटम यांत्रिकी बाकी सब चीजों का ध्यान रखती है, और यह कहा जा सकता है कि भावनात्मक रूप से कितना भी आकर्षक, भ्रामक या आकर्षक क्यों न हो, यह सिर्फ एक भौतिक सिद्धांत है जो वर्णन करता है कि प्रकृति वास्तव में कैसे व्यवहार करती है। लेकिन भले ही इस बहुत ही व्यावहारिक कसौटी से मापा जाए, यह अपनी सटीकता और व्याख्यात्मक शक्ति पर प्रहार कर रहा है। क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स के क्षेत्र से एक प्रयोग है, जो आधुनिक क्वांटम सिद्धांतों का सबसे पुराना और सबसे अच्छा समझा गया है। यह मापता है कि एक इलेक्ट्रॉन चुंबक के पास कैसे व्यवहार करता है। सैद्धांतिक भौतिकविदों ने कलम और कागज के साथ और बाद में कंप्यूटर के साथ यह भविष्यवाणी करने के लिए कड़ी मेहनत की कि इस तरह के अध्ययन से क्या पता चलेगा। चिकित्सकों ने प्रकृति से और अधिक जानकारी प्राप्त करने के लिए आविष्कार किए और प्रयोग किए। दोनों शिविरों ने, एक दूसरे से स्वतंत्र रूप से, कुछ सेंटीमीटर की त्रुटि के साथ मैनचेस्टर और न्यूयॉर्क के बीच की दूरी को मापने के समान सटीकता के साथ परिणाम दिए। यह उल्लेखनीय है कि प्रयोगकर्ताओं द्वारा प्राप्त आंकड़े पूरी तरह से सिद्धांतकारों की गणना के परिणामों के अनुरूप हैं; माप और गणना पूर्ण समझौते में थे।

क्वांटम सिद्धांत शायद इसका सबसे अच्छा उदाहरण है कि कैसे अधिकांश लोगों के लिए असीम रूप से कठिन समझना अत्यंत उपयोगी हो जाता है। इसे समझना मुश्किल है क्योंकि यह एक ऐसी दुनिया का वर्णन करता है जिसमें एक कण वास्तव में एक ही समय में कई स्थानों पर हो सकता है और एक स्थान से दूसरे स्थान पर जा सकता है, जिससे पूरे ब्रह्मांड की खोज की जा सकती है। यह उपयोगी है क्योंकि ब्रह्मांड के सबसे छोटे बिल्डिंग ब्लॉक्स के व्यवहार को समझने से बाकी सब चीजों की समझ मजबूत होती है। यह हमारे अहंकार को सीमित कर देता है, क्योंकि दुनिया जितनी लगती है उससे कहीं अधिक जटिल और विविध है। इस सारी जटिलता के बावजूद, हमने पाया कि सब कुछ कई छोटे कणों से बना है जो क्वांटम सिद्धांत के नियमों के अनुसार चलते हैं। ये कानून इतने सरल हैं कि इन्हें एक लिफाफे के पीछे लिखा जा सकता है। और तथ्य यह है कि चीजों की गहरी प्रकृति को समझाने के लिए एक संपूर्ण पुस्तकालय की आवश्यकता नहीं है, यह अपने आप में दुनिया के महानतम रहस्यों में से एक है।

हमारे आसपास की दुनिया की कल्पना करो। मान लीजिए कि आप कागज से बनी एक किताब पकड़ रहे हैं - लकड़ी का गूदा। पेड़ ऐसी मशीनें हैं जो परमाणुओं और अणुओं को लेने, उन्हें तोड़ने और उन्हें अरबों अलग-अलग टुकड़ों की कॉलोनियों में पुनर्गठित करने में सक्षम हैं। वे क्लोरोफिल नामक एक अणु के लिए धन्यवाद करते हैं, जो सौ से अधिक कार्बन, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन परमाणुओं से बना होता है जो एक विशेष तरीके से घुमावदार होते हैं और कुछ और मैग्नीशियम और हाइड्रोजन परमाणुओं से बंधे होते हैं। कणों का ऐसा संयोजन प्रकाश को पकड़ने में सक्षम है जो हमारे तारे से 150,000,000 किमी दूर उड़ गया है - एक परमाणु कक्ष जिसमें पृथ्वी की तरह एक लाख ग्रहों की मात्रा है - और इस ऊर्जा को कोशिकाओं में गहराई तक पहुँचाता है, जहाँ यह कार्बन डाइऑक्साइड से नए अणु बनाता है। और पानी और रिलीज हमारे जीवन को ऑक्सीजन दे रही है।

यह आणविक श्रृंखलाएं हैं जो उस अधिरचना का निर्माण करती हैं जो पेड़ों को, इस पुस्तक के कागज को, और सारे जीवन को एक साथ रखती है। आप एक किताब पढ़ सकते हैं और शब्दों को समझ सकते हैं क्योंकि आपके पास आंखें हैं जो पन्नों से बिखरी हुई रोशनी को विद्युत आवेगों में बदल सकती हैं जिसे मस्तिष्क द्वारा व्याख्या की जा सकती है, ब्रह्मांड में सबसे जटिल संरचना जिसे हम जानते हैं। हमने पाया है कि दुनिया में सभी चीजें परमाणुओं के संग्रह से ज्यादा कुछ नहीं हैं, और परमाणुओं की व्यापक विविधता में केवल तीन कण होते हैं - इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन। हम यह भी जानते हैं कि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन स्वयं क्वार्क नामक छोटी संस्थाओं से बने होते हैं, और वे हर चीज का अंत हैं - कम से कम अब हम यही सोचते हैं। यह सब क्वांटम थ्योरी पर आधारित है।

इस प्रकार, आधुनिक भौतिकी ब्रह्मांड की एक तस्वीर खींचती है जिसमें हम असाधारण सादगी के साथ रहते हैं; सुरुचिपूर्ण घटनाएँ कहीं होती हैं जहाँ उन्हें नहीं देखा जा सकता है, जो स्थूल जगत की विविधता को जन्म देती है। शायद यह आधुनिक विज्ञान की सबसे उल्लेखनीय उपलब्धि है - दुनिया की अविश्वसनीय जटिलता को कम करना, जिसमें स्वयं मनुष्य भी शामिल हैं, मुट्ठी भर छोटे उप-परमाणु कणों और उनके बीच काम करने वाली चार शक्तियों के व्यवहार का वर्णन करने के लिए। इन चार बलों में से तीन का सबसे अच्छा विवरण - मजबूत और कमजोर परमाणु बल जो परमाणु नाभिक के अंदर मौजूद हैं, और विद्युत चुम्बकीय बल जो परमाणुओं और अणुओं को एक साथ रखता है - क्वांटम सिद्धांत द्वारा प्रदान किया जाता है। केवल गुरुत्वाकर्षण बल - सबसे कमजोर, लेकिन शायद सभी का सबसे परिचित बल - वर्तमान में एक संतोषजनक क्वांटम विवरण नहीं है।

हमें यह स्वीकार करना होगा कि क्वांटम सिद्धांत की कुछ हद तक अजीब प्रतिष्ठा है, और इसके नाम से बहुत सारी वास्तविक बकवास ढकी हुई है। बिल्लियाँ एक ही समय में जीवित और मृत दोनों हो सकती हैं; कण एक ही समय में दो स्थानों पर होते हैं; हाइजेनबर्ग का कहना है कि सब कुछ अनिश्चित है। यह सब वास्तव में सच है, लेकिन इससे अक्सर जो निष्कर्ष निकलते हैं - एक बार सूक्ष्म जगत में कुछ अजीब होता है, फिर हम धुंध की धुंध में डूबे रहते हैं - निश्चित रूप से गलत हैं। एक्स्ट्रासेंसरी धारणा, रहस्यमय हीलिंग, वाइब्रेटिंग ब्रेसलेट जो विकिरण से बचाते हैं, और कौन जानता है कि "क्वांटम" शब्द की आड़ में नियमित रूप से और क्या संभव है। यह बकवास स्पष्ट रूप से सोचने में असमर्थता, आत्म-धोखे, वास्तविक या बनावटी गलतफहमी, या उपरोक्त सभी के कुछ विशेष रूप से दुर्भाग्यपूर्ण संयोजन के कारण होता है। क्वांटम सिद्धांत सटीक रूप से न्यूटन या गैलीलियो द्वारा उपयोग किए गए गणितीय कानूनों के साथ दुनिया का सटीक वर्णन करता है। यही कारण है कि हम अविश्वसनीय सटीकता के साथ एक इलेक्ट्रॉन के चुंबकीय क्षेत्र की गणना कर सकते हैं। क्वांटम सिद्धांत प्रकृति का वर्णन प्रस्तुत करता है, जैसा कि हम सीखेंगे, जबरदस्त भविष्यवाणी और व्याख्यात्मक शक्ति है और सिलिकॉन चिप्स से सितारों तक सब कुछ फैली हुई है।

जैसा कि अक्सर होता है, क्वांटम सिद्धांत के उद्भव ने प्राकृतिक घटनाओं की खोज को उकसाया जिसे उस समय के वैज्ञानिक प्रतिमानों द्वारा वर्णित नहीं किया जा सकता था। क्वांटम सिद्धांत के लिए, ऐसी कई खोजें थीं, इसके अलावा, एक विविध प्रकृति की। अस्पष्टीकृत परिणामों की एक श्रृंखला ने उत्तेजना और भ्रम उत्पन्न किया, और अंततः प्रायोगिक और सैद्धांतिक नवाचार की अवधि को जन्म दिया जो वास्तव में लोकप्रिय शब्द "स्वर्ण युग" के योग्य है। मुख्य पात्रों के नाम किसी भी भौतिकी के छात्र के दिमाग में हमेशा के लिए निहित हैं और आज तक विश्वविद्यालय के पाठ्यक्रमों में दूसरों की तुलना में अधिक बार उल्लेख किया गया है: रदरफोर्ड, बोह्र, प्लैंक, आइंस्टीन, पाउली, हाइजेनबर्ग, श्रोडिंगर, डिराक। शायद इतिहास में फिर कभी ऐसा दौर नहीं आएगा जब एक ही लक्ष्य की ओर बढ़ते हुए विज्ञान की महानता के साथ इतने सारे नाम जुड़े होंगे - भौतिक दुनिया को नियंत्रित करने वाले परमाणुओं और बलों के एक नए सिद्धांत का निर्माण। 1924 में, क्वांटम सिद्धांत के पूर्ववर्ती दशकों को देखते हुए, न्यूजीलैंड में जन्मे भौतिक विज्ञानी अर्नेस्ट रदरफोर्ड, जिन्होंने परमाणु नाभिक की खोज की थी, ने लिखा: “1896 … ने उस शुरुआत को चिह्नित किया जिसे उपयुक्त रूप से भौतिक विज्ञान का वीर युग कहा जाता है। भौतिकी के इतिहास में इससे पहले कभी भी ज्वरग्रस्त गतिविधि का ऐसा दौर नहीं आया है, जिसके दौरान कुछ मौलिक रूप से महत्वपूर्ण खोजों को अन्य लोगों द्वारा ब्रेकनेक गति से बदल दिया गया था।

केवल 30 जून तक, टीएंडपी पाठकों को किताब के कागज और इलेक्ट्रॉनिक संस्करणों पर छूट है। जब आप लिंक पर क्लिक करते हैं तो छूट सक्रिय हो जाती है।

मैक्स प्लैंक के काम के लिए 1900 में "क्वांटम" शब्द भौतिकी में दिखाई दिया। उन्होंने सैद्धांतिक रूप से गर्म पिंडों द्वारा उत्सर्जित विकिरण का वर्णन करने की कोशिश की - तथाकथित "पूरी तरह से काले शरीर का विकिरण।" वैसे, वैज्ञानिक को इस उद्देश्य के लिए विद्युत प्रकाश व्यवस्था में लगी एक कंपनी द्वारा काम पर रखा गया था: इस तरह से ब्रह्मांड के दरवाजे कभी-कभी सबसे नीरस कारणों से खुलते हैं। प्लैंक ने पाया कि ब्लैक बॉडी रेडिएशन के गुणों को केवल यह मानकर समझाया जा सकता है कि प्रकाश ऊर्जा के छोटे हिस्से में उत्सर्जित होता है, जिसे उन्होंने क्वांटा कहा। शब्द का अर्थ ही "पैकेज", या "असतत" है। प्रारंभ में, उन्होंने सोचा कि यह सिर्फ एक गणितीय चाल है, लेकिन अल्बर्ट आइंस्टीन के 1905 में फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव पर काम ने क्वांटम परिकल्पना का समर्थन किया। परिणाम सम्मोहक थे क्योंकि छोटी मात्रा में ऊर्जा कणों का पर्याय हो सकती है।

यह विचार कि प्रकाश छोटी गोलियों की एक धारा से बना है, का एक लंबा और शानदार इतिहास है, जो इसहाक न्यूटन और आधुनिक भौतिकी के जन्म से जुड़ा है। हालाँकि, 1864 में, स्कॉटिश भौतिक विज्ञानी जेम्स क्लार्क मैक्सवेल ने अंततः सभी मौजूदा संदेहों को दूर करने के लिए कार्यों की एक श्रृंखला में काम किया, जिसे बाद में अल्बर्ट आइंस्टीन ने "न्यूटन के बाद से ज्ञात सबसे गहन और उपयोगी भौतिकी" के रूप में वर्णित किया। मैक्सवेल ने दिखाया कि प्रकाश अंतरिक्ष में फैलने वाली एक विद्युत चुम्बकीय तरंग है, इसलिए तरंग के रूप में प्रकाश का विचार एक अपूरणीय और प्रतीत होता है कि निर्विवाद मूल था। हालांकि, सेंट लुइस में वाशिंगटन विश्वविद्यालय में आर्थर कॉम्पटन और उनके सहयोगियों द्वारा किए गए प्रयोगों की एक श्रृंखला में, वे इलेक्ट्रॉनों से प्रकाश क्वांटा को अलग करने में सफल रहे। उन दोनों ने बिलियर्ड गेंदों की तरह अधिक व्यवहार किया, जिसने स्पष्ट रूप से पुष्टि की कि प्लैंक की सैद्धांतिक मान्यताओं का वास्तविक दुनिया में एक ठोस आधार था। 1926 में प्रकाश क्वांटा को फोटॉन कहा गया। सबूत अकाट्य था: प्रकाश तरंग और कण दोनों के रूप में व्यवहार करता है। इसका मतलब शास्त्रीय भौतिकी का अंत था - और क्वांटम सिद्धांत की प्रारंभिक अवधि का अंत।

पृष्ठ 68 में से 1

वैज्ञानिक संपादक व्याचेस्लाव माराचा और मिखाइल पावलोव

अपोलो चिल्ड्रन लिमिटेड और जेफ फोर्शो और डायने बैंक्स एसोसिएट्स लिमिटेड की अनुमति से प्रकाशित।

पब्लिशिंग हाउस के लिए कानूनी सहायता वेगास लेक्स लॉ फर्म द्वारा प्रदान की जाती है।

© ब्रायन कॉक्स और जेफ फोर्शॉ, 2011

© रूसी में अनुवाद, रूसी में संस्करण, डिजाइन। एलएलसी "मान, इवानोव और फेरबर", 2016

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1. कुछ अजीब आ रहा है

क्वांटम। यह शब्द एक साथ इंद्रियों को आकर्षित करता है, भ्रमित करता है और मोहित करता है। किसी के दृष्टिकोण के आधार पर, यह या तो विज्ञान की विशाल प्रगति का प्रमाण है, या मानव अंतर्ज्ञान की सीमाओं का प्रतीक है, जो उप-परमाणु क्षेत्र की अपरिहार्य विचित्रता के साथ संघर्ष करने के लिए मजबूर है। एक भौतिक विज्ञानी के लिए, क्वांटम यांत्रिकी उन तीन महान स्तंभों में से एक है जिन पर प्रकृति की समझ टिकी हुई है (अन्य दो आइंस्टीन के सापेक्षता के सामान्य और विशेष सिद्धांत हैं)। आइंस्टीन के सिद्धांत अंतरिक्ष और समय की प्रकृति और गुरुत्वाकर्षण बल से संबंधित हैं। क्वांटम यांत्रिकी बाकी सब चीजों का ख्याल रखती है, और यह कहा जा सकता है कि भावनात्मक रूप से कितना भी आकर्षक, भ्रामक या आकर्षक क्यों न हो, यह सिर्फ एक भौतिक सिद्धांत है जो वर्णन करता है कि प्रकृति वास्तव में कैसे व्यवहार करती है। लेकिन भले ही इस बहुत ही व्यावहारिक कसौटी से मापा जाए, यह अपनी सटीकता और व्याख्यात्मक शक्ति पर प्रहार कर रहा है। क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स के क्षेत्र से एक प्रयोग है, जो आधुनिक क्वांटम सिद्धांतों का सबसे पुराना और सबसे अच्छा समझा गया है। यह मापता है कि एक इलेक्ट्रॉन चुंबक के पास कैसे व्यवहार करता है। सैद्धांतिक भौतिकविदों ने कलम और कागज के साथ और बाद में कंप्यूटर के साथ यह भविष्यवाणी करने के लिए कड़ी मेहनत की कि इस तरह के अध्ययन से क्या पता चलेगा। चिकित्सकों ने प्रकृति से और अधिक जानकारी प्राप्त करने के लिए आविष्कार किए और प्रयोग किए। दोनों शिविरों ने, एक दूसरे से स्वतंत्र रूप से, कुछ सेंटीमीटर की त्रुटि के साथ मैनचेस्टर और न्यूयॉर्क के बीच की दूरी को मापने के समान सटीकता के साथ परिणाम दिए। यह उल्लेखनीय है कि प्रयोगकर्ताओं द्वारा प्राप्त आंकड़े पूरी तरह से सिद्धांतकारों की गणना के परिणामों के अनुरूप हैं; माप और गणना पूर्ण समझौते में थे।

यह न केवल प्रभावशाली बल्कि आश्चर्यजनक है, और यदि मॉडल निर्माण क्वांटम सिद्धांत की एकमात्र चिंता थी, तो आप सही पूछ सकते हैं कि समस्या क्या है। बेशक, विज्ञान को उपयोगी होने की ज़रूरत नहीं है, लेकिन कई तकनीकी और सामाजिक परिवर्तन जिन्होंने हमारे जीवन में क्रांति ला दी है, आधुनिक वैज्ञानिकों द्वारा किए गए मौलिक शोध से निकले हैं जो केवल दुनिया को बेहतर ढंग से समझने की इच्छा से प्रेरित हैं। उन्हें। विज्ञान की सभी शाखाओं में जिज्ञासा से प्रेरित इन खोजों के लिए धन्यवाद, हमने जीवन काल बढ़ाया है, अंतरराष्ट्रीय हवाई यात्रा, अपने अस्तित्व के लिए खेती करने की आवश्यकता से मुक्ति, और एक अंतहीन में हमारे स्थान की एक व्यापक, प्रेरक और आंख खोलने वाली तस्वीर सितारों का समुद्र। लेकिन यह सब एक अर्थ में उपोत्पाद है। हम जिज्ञासा से अन्वेषण करते हैं, इसलिए नहीं कि हम वास्तविकता की बेहतर समझ हासिल करना चाहते हैं या बेहतर ट्रिंकेट विकसित करना चाहते हैं।

क्वांटम सिद्धांत शायद इस बात का सबसे अच्छा उदाहरण है कि कैसे अधिकांश लोगों के लिए जो असीम रूप से कठिन है, उसे समझना बेहद उपयोगी हो जाता है। इसे समझना मुश्किल है क्योंकि यह एक ऐसी दुनिया का वर्णन करता है जिसमें एक कण वास्तव में एक ही समय में कई स्थानों पर हो सकता है और एक स्थान से दूसरे स्थान पर जा सकता है, जिससे पूरे ब्रह्मांड की खोज की जा सकती है। यह उपयोगी है क्योंकि ब्रह्मांड के सबसे छोटे बिल्डिंग ब्लॉक्स के व्यवहार को समझने से बाकी सब चीजों की समझ मजबूत होती है। यह हमारे अहंकार को सीमित कर देता है, क्योंकि दुनिया जितनी लगती है उससे कहीं अधिक जटिल और विविध है। इस सारी जटिलता के बावजूद, हमने पाया कि सब कुछ कई छोटे कणों से बना है जो क्वांटम सिद्धांत के नियमों के अनुसार चलते हैं। ये कानून इतने सरल हैं कि इन्हें एक लिफाफे के पीछे लिखा जा सकता है। और तथ्य यह है कि चीजों की गहरी प्रकृति को समझाने के लिए एक संपूर्ण पुस्तकालय की आवश्यकता नहीं है, यह अपने आप में दुनिया के महानतम रहस्यों में से एक है।

इसलिए, जितना अधिक हम ब्रह्मांड की प्राथमिक प्रकृति के बारे में सीखते हैं, यह हमें उतना ही सरल लगता है। धीरे-धीरे, हम सभी कानूनों को समझ पाएंगे और यह भी समझ पाएंगे कि कैसे ये छोटे-छोटे बिल्डिंग ब्लॉक्स दुनिया बनाने के लिए परस्पर क्रिया करते हैं। लेकिन जैसा कि हम उस सादगी से रोमांचित हैं जो ब्रह्मांड को रेखांकित करता है, हमें याद रखना चाहिए कि हालांकि खेल के बुनियादी नियम सरल हैं, लेकिन उनके परिणामों की गणना करना हमेशा आसान नहीं होता है। दुनिया को जानने का हमारा दैनिक अनुभव कई अरब परमाणुओं के संबंधों से निर्धारित होता है, और इन परमाणुओं के व्यवहार की बारीकियों से लोगों, जानवरों और पौधों के व्यवहार के सिद्धांतों को निकालने की कोशिश करना केवल मूर्खता होगी। इसे पहचानने के बाद, हम इसके महत्व को कम नहीं करते हैं: सभी घटनाओं के पीछे, सूक्ष्म कणों की क्वांटम भौतिकी अंत में छिपी हुई है।

हमारे आसपास की दुनिया की कल्पना करो। आप कागज से बनी एक किताब पकड़े हुए हैं - लकड़ी का गूदा। पेड़ ऐसी मशीनें हैं जो परमाणुओं और अणुओं को लेने, उन्हें तोड़ने और उन्हें अरबों अलग-अलग टुकड़ों की कॉलोनियों में पुनर्गठित करने में सक्षम हैं। वे क्लोरोफिल नामक एक अणु के लिए धन्यवाद करते हैं, जो सौ से अधिक कार्बन, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन परमाणुओं से बना होता है जो एक विशेष तरीके से घुमावदार होते हैं और कुछ और मैग्नीशियम और हाइड्रोजन परमाणुओं से बंधे होते हैं। कणों का ऐसा संयोजन प्रकाश को पकड़ने में सक्षम है जो हमारे तारे से 150,000,000 किमी दूर उड़ गया है - पृथ्वी जैसे एक लाख ग्रहों की मात्रा वाला एक परमाणु कक्ष - और इस ऊर्जा को कोशिकाओं में गहराई तक पहुँचाता है, जहाँ यह कार्बन डाइऑक्साइड से नए अणु बनाता है और पानी छोड़ता है और हमारे जीवन को ऑक्सीजन देता है।

यह आणविक श्रृंखलाएं हैं जो उस अधिरचना का निर्माण करती हैं जो पेड़ों को, इस पुस्तक के कागज को, और सारे जीवन को एक साथ रखती है। आप एक किताब पढ़ सकते हैं और शब्दों को समझ सकते हैं क्योंकि आपके पास आंखें हैं जो पन्नों से बिखरी हुई रोशनी को विद्युत आवेगों में बदल सकती हैं जिसे मस्तिष्क द्वारा व्याख्या की जा सकती है, ब्रह्मांड में सबसे जटिल संरचना जिसे हम जानते हैं। हमने पाया है कि दुनिया में सभी चीजें परमाणुओं के संग्रह से ज्यादा कुछ नहीं हैं, और परमाणुओं की व्यापक विविधता में केवल तीन कण होते हैं - इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन। हम यह भी जानते हैं कि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन स्वयं क्वार्क नामक छोटी संस्थाओं से बने होते हैं, और यहीं पर सब कुछ समाप्त हो जाता है - कम से कम अब हम यही सोचते हैं। यह सब क्वांटम थ्योरी पर आधारित है।

इस प्रकार, आधुनिक भौतिकी ब्रह्मांड की एक तस्वीर खींचती है जिसमें हम असाधारण सादगी के साथ रहते हैं; सुरुचिपूर्ण घटनाएँ कहीं होती हैं जहाँ उन्हें नहीं देखा जा सकता है, जो स्थूल जगत की विविधता को जन्म देती है। शायद यह आधुनिक विज्ञान की सबसे उल्लेखनीय उपलब्धि है - दुनिया की अविश्वसनीय जटिलता को कम करना, जिसमें स्वयं मनुष्य भी शामिल हैं, मुट्ठी भर छोटे उप-परमाणु कणों और उनके बीच काम करने वाली चार शक्तियों के व्यवहार का वर्णन करने के लिए। इन चार बलों में से तीन का सबसे अच्छा विवरण - मजबूत और कमजोर परमाणु बल जो परमाणु नाभिक के अंदर मौजूद हैं, और विद्युत चुम्बकीय बल जो परमाणुओं और अणुओं को एक साथ रखता है - क्वांटम सिद्धांत द्वारा प्रदान किया जाता है। केवल गुरुत्वाकर्षण बल - सबसे कमजोर, लेकिन शायद सभी का सबसे परिचित बल - वर्तमान में एक संतोषजनक क्वांटम विवरण नहीं है।

ब्रायन कॉक्स, जेफ फोर्शॉ

क्वांटम ब्रह्मांड। यह कैसे है कि हम नहीं देख सकते हैं

वैज्ञानिक संपादक व्याचेस्लाव माराचा और मिखाइल पावलोव

अपोलो चिल्ड्रन लिमिटेड और जेफ फोर्शो और डायने बैंक्स एसोसिएट्स लिमिटेड की अनुमति से प्रकाशित।

पब्लिशिंग हाउस के लिए कानूनी सहायता वेगास लेक्स लॉ फर्म द्वारा प्रदान की जाती है।

© ब्रायन कॉक्स और जेफ फोर्शॉ, 2011

© रूसी में अनुवाद, रूसी में संस्करण, डिजाइन। एलएलसी "मान, इवानोव और फेरबर", 2016

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1. कुछ अजीब आ रहा है

क्वांटम। यह शब्द एक साथ इंद्रियों को आकर्षित करता है, भ्रमित करता है और मोहित करता है। किसी के दृष्टिकोण के आधार पर, यह या तो विज्ञान की विशाल प्रगति का प्रमाण है, या मानव अंतर्ज्ञान की सीमाओं का प्रतीक है, जो उप-परमाणु क्षेत्र की अपरिहार्य विचित्रता के साथ संघर्ष करने के लिए मजबूर है। एक भौतिक विज्ञानी के लिए, क्वांटम यांत्रिकी उन तीन महान स्तंभों में से एक है जिन पर प्रकृति की समझ टिकी हुई है (अन्य दो आइंस्टीन के सापेक्षता के सामान्य और विशेष सिद्धांत हैं)। आइंस्टीन के सिद्धांत अंतरिक्ष और समय की प्रकृति और गुरुत्वाकर्षण बल से संबंधित हैं। क्वांटम यांत्रिकी बाकी सब चीजों का ख्याल रखती है, और यह कहा जा सकता है कि भावनात्मक रूप से कितना भी आकर्षक, भ्रामक या आकर्षक क्यों न हो, यह सिर्फ एक भौतिक सिद्धांत है जो वर्णन करता है कि प्रकृति वास्तव में कैसे व्यवहार करती है। लेकिन भले ही इस बहुत ही व्यावहारिक कसौटी से मापा जाए, यह अपनी सटीकता और व्याख्यात्मक शक्ति पर प्रहार कर रहा है। क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स के क्षेत्र से एक प्रयोग है, जो आधुनिक क्वांटम सिद्धांतों का सबसे पुराना और सबसे अच्छा समझा गया है। यह मापता है कि एक इलेक्ट्रॉन चुंबक के पास कैसे व्यवहार करता है। सैद्धांतिक भौतिकविदों ने कलम और कागज के साथ और बाद में कंप्यूटर के साथ यह भविष्यवाणी करने के लिए कड़ी मेहनत की कि इस तरह के अध्ययन से क्या पता चलेगा। चिकित्सकों ने प्रकृति से और अधिक जानकारी प्राप्त करने के लिए आविष्कार किए और प्रयोग किए। दोनों शिविरों ने, एक दूसरे से स्वतंत्र रूप से, कुछ सेंटीमीटर की त्रुटि के साथ मैनचेस्टर और न्यूयॉर्क के बीच की दूरी को मापने के समान सटीकता के साथ परिणाम दिए। यह उल्लेखनीय है कि प्रयोगकर्ताओं द्वारा प्राप्त आंकड़े पूरी तरह से सिद्धांतकारों की गणना के परिणामों के अनुरूप हैं; माप और गणना पूर्ण समझौते में थे।

यह न केवल प्रभावशाली बल्कि आश्चर्यजनक है, और यदि मॉडल निर्माण क्वांटम सिद्धांत की एकमात्र चिंता थी, तो आप सही पूछ सकते हैं कि समस्या क्या है। बेशक, विज्ञान को उपयोगी होने की ज़रूरत नहीं है, लेकिन कई तकनीकी और सामाजिक परिवर्तन जिन्होंने हमारे जीवन में क्रांति ला दी है, आधुनिक वैज्ञानिकों द्वारा किए गए मौलिक शोध से निकले हैं जो केवल दुनिया को बेहतर ढंग से समझने की इच्छा से प्रेरित हैं। उन्हें। विज्ञान की सभी शाखाओं में जिज्ञासा से प्रेरित इन खोजों के लिए धन्यवाद, हमने जीवन काल बढ़ाया है, अंतरराष्ट्रीय हवाई यात्रा, अपने अस्तित्व के लिए खेती करने की आवश्यकता से मुक्ति, और एक अंतहीन में हमारे स्थान की एक व्यापक, प्रेरक और आंख खोलने वाली तस्वीर सितारों का समुद्र। लेकिन यह सब एक अर्थ में उपोत्पाद है। हम जिज्ञासा से अन्वेषण करते हैं, इसलिए नहीं कि हम वास्तविकता की बेहतर समझ हासिल करना चाहते हैं या बेहतर ट्रिंकेट विकसित करना चाहते हैं।

क्वांटम सिद्धांत शायद इस बात का सबसे अच्छा उदाहरण है कि कैसे अधिकांश लोगों के लिए जो असीम रूप से कठिन है, उसे समझना बेहद उपयोगी हो जाता है। इसे समझना मुश्किल है क्योंकि यह एक ऐसी दुनिया का वर्णन करता है जिसमें एक कण वास्तव में एक ही समय में कई स्थानों पर हो सकता है और एक स्थान से दूसरे स्थान पर जा सकता है, जिससे पूरे ब्रह्मांड की खोज की जा सकती है। यह उपयोगी है क्योंकि ब्रह्मांड के सबसे छोटे बिल्डिंग ब्लॉक्स के व्यवहार को समझने से बाकी सब चीजों की समझ मजबूत होती है। यह हमारे अहंकार को सीमित कर देता है, क्योंकि दुनिया जितनी लगती है उससे कहीं अधिक जटिल और विविध है। इस सारी जटिलता के बावजूद, हमने पाया कि सब कुछ कई छोटे कणों से बना है जो क्वांटम सिद्धांत के नियमों के अनुसार चलते हैं। ये कानून इतने सरल हैं कि इन्हें एक लिफाफे के पीछे लिखा जा सकता है। और तथ्य यह है कि चीजों की गहरी प्रकृति को समझाने के लिए एक संपूर्ण पुस्तकालय की आवश्यकता नहीं है, यह अपने आप में दुनिया के महानतम रहस्यों में से एक है।

इसलिए, जितना अधिक हम ब्रह्मांड की प्राथमिक प्रकृति के बारे में सीखते हैं, यह हमें उतना ही सरल लगता है। धीरे-धीरे, हम सभी कानूनों को समझ पाएंगे और यह भी समझ पाएंगे कि कैसे ये छोटे-छोटे बिल्डिंग ब्लॉक्स दुनिया बनाने के लिए परस्पर क्रिया करते हैं। लेकिन जैसा कि हम उस सादगी से रोमांचित हैं जो ब्रह्मांड को रेखांकित करता है, हमें याद रखना चाहिए कि हालांकि खेल के बुनियादी नियम सरल हैं, लेकिन उनके परिणामों की गणना करना हमेशा आसान नहीं होता है। दुनिया को जानने का हमारा दैनिक अनुभव कई अरब परमाणुओं के संबंधों से निर्धारित होता है, और इन परमाणुओं के व्यवहार की बारीकियों से लोगों, जानवरों और पौधों के व्यवहार के सिद्धांतों को निकालने की कोशिश करना केवल मूर्खता होगी। इसे पहचानने के बाद, हम इसके महत्व को कम नहीं करते हैं: सभी घटनाओं के पीछे, सूक्ष्म कणों की क्वांटम भौतिकी अंत में छिपी हुई है।

हमारे आसपास की दुनिया की कल्पना करो। आप कागज से बनी एक किताब पकड़े हुए हैं - लकड़ी का गूदा। पेड़ ऐसी मशीनें हैं जो परमाणुओं और अणुओं को लेने, उन्हें तोड़ने और उन्हें अरबों अलग-अलग टुकड़ों की कॉलोनियों में पुनर्गठित करने में सक्षम हैं। वे क्लोरोफिल नामक एक अणु के लिए धन्यवाद करते हैं, जो सौ से अधिक कार्बन, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन परमाणुओं से बना होता है जो एक विशेष तरीके से घुमावदार होते हैं और कुछ और मैग्नीशियम और हाइड्रोजन परमाणुओं से बंधे होते हैं। कणों का ऐसा संयोजन प्रकाश को पकड़ने में सक्षम है जो हमारे तारे से 150,000,000 किमी दूर उड़ गया है - पृथ्वी जैसे एक लाख ग्रहों की मात्रा वाला एक परमाणु कक्ष - और इस ऊर्जा को कोशिकाओं में गहराई तक पहुँचाता है, जहाँ यह कार्बन डाइऑक्साइड से नए अणु बनाता है और पानी छोड़ता है और हमारे जीवन को ऑक्सीजन देता है।

यह आणविक श्रृंखलाएं हैं जो उस अधिरचना का निर्माण करती हैं जो पेड़ों को, इस पुस्तक के कागज को, और सारे जीवन को एक साथ रखती है। आप एक किताब पढ़ सकते हैं और शब्दों को समझ सकते हैं क्योंकि आपके पास आंखें हैं जो पन्नों से बिखरी हुई रोशनी को विद्युत आवेगों में बदल सकती हैं जिसे मस्तिष्क द्वारा व्याख्या की जा सकती है, ब्रह्मांड में सबसे जटिल संरचना जिसे हम जानते हैं। हमने पाया है कि दुनिया में सभी चीजें परमाणुओं के संग्रह से ज्यादा कुछ नहीं हैं, और परमाणुओं की व्यापक विविधता में केवल तीन कण होते हैं - इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन। हम यह भी जानते हैं कि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन स्वयं क्वार्क नामक छोटी संस्थाओं से बने होते हैं, और यहीं पर सब कुछ समाप्त हो जाता है - कम से कम अब हम यही सोचते हैं। यह सब क्वांटम थ्योरी पर आधारित है।

इस प्रकार, आधुनिक भौतिकी ब्रह्मांड की एक तस्वीर खींचती है जिसमें हम असाधारण सादगी के साथ रहते हैं; सुरुचिपूर्ण घटनाएँ कहीं होती हैं जहाँ उन्हें नहीं देखा जा सकता है, जो स्थूल जगत की विविधता को जन्म देती है। शायद यह आधुनिक विज्ञान की सबसे उल्लेखनीय उपलब्धि है - दुनिया की अविश्वसनीय जटिलता को कम करना, जिसमें स्वयं मनुष्य भी शामिल हैं, मुट्ठी भर छोटे उप-परमाणु कणों और उनके बीच काम करने वाली चार शक्तियों के व्यवहार का वर्णन करने के लिए। इन चार बलों में से तीन का सबसे अच्छा विवरण - मजबूत और कमजोर परमाणु बल जो परमाणु नाभिक के अंदर मौजूद हैं, और विद्युत चुम्बकीय बल जो परमाणुओं और अणुओं को एक साथ रखता है - क्वांटम सिद्धांत द्वारा प्रदान किया जाता है। केवल गुरुत्वाकर्षण बल - सबसे कमजोर, लेकिन शायद सभी का सबसे परिचित बल - वर्तमान में एक संतोषजनक क्वांटम विवरण नहीं है।

हमें यह स्वीकार करना होगा कि क्वांटम सिद्धांत की कुछ हद तक अजीब प्रतिष्ठा है, और इसके नाम से बहुत सारी वास्तविक बकवास ढकी हुई है। बिल्लियाँ एक ही समय में जीवित और मृत दोनों हो सकती हैं; कण एक ही समय में दो स्थानों पर होते हैं; हाइजेनबर्ग का कहना है कि सब कुछ अनिश्चित है। यह सब वास्तव में सच है, लेकिन जो निष्कर्ष अक्सर इससे निकलते हैं - चूंकि सूक्ष्म जगत में कुछ अजीब होता है, फिर हम कोहरे की धुंध में डूबे रहते हैं - निश्चित रूप से गलत हैं। एक्स्ट्रासेंसरी धारणा, रहस्यमय हीलिंग, वाइब्रेटिंग ब्रेसलेट जो विकिरण से बचाते हैं, और कौन जानता है कि "क्वांटम" शब्द की आड़ में नियमित रूप से और क्या संभव है। यह बकवास स्पष्ट रूप से सोचने में असमर्थता, आत्म-धोखे, वास्तविक या बनावटी गलतफहमी, या उपरोक्त सभी के कुछ विशेष रूप से दुर्भाग्यपूर्ण संयोजन के कारण होता है। क्वांटम सिद्धांत सटीक रूप से न्यूटन या गैलीलियो द्वारा उपयोग किए गए गणितीय कानूनों के साथ दुनिया का सटीक वर्णन करता है। यही कारण है कि हम अविश्वसनीय सटीकता के साथ एक इलेक्ट्रॉन के चुंबकीय क्षेत्र की गणना कर सकते हैं। क्वांटम सिद्धांत प्रकृति का वर्णन प्रस्तुत करता है, जैसा कि हम सीखेंगे, जबरदस्त भविष्यवाणी और व्याख्यात्मक शक्ति है और सिलिकॉन चिप्स से सितारों तक सब कुछ फैली हुई है।

इस पुस्तक का उद्देश्य क्वांटम सिद्धांत को तोड़ना है, एक सैद्धांतिक निर्माण जिसने उद्योग के अग्रदूतों सहित बहुत से लोगों को भ्रमित किया है। हम सदियों से चली आ रही दृष्टि और सिद्धांत के विकास से सीखे गए पाठों का उपयोग करते हुए एक आधुनिक परिप्रेक्ष्य का उपयोग करने का इरादा रखते हैं। हालाँकि, यात्रा की शुरुआत में, हमें 20 वीं शताब्दी की शुरुआत में पहुँचाया जाएगा और कुछ ऐसी समस्याओं का पता लगाया जाएगा, जो भौतिकविदों को उस चीज़ से मौलिक रूप से विचलित करने के लिए मजबूर करती हैं जिसे पहले विज्ञान की मुख्यधारा माना जाता था।

क्वांटम ग्रेविटी की समस्या के लिए एक नया दृष्टिकोण, जिस पर वैज्ञानिक कई दशकों से संघर्ष कर रहे हैं, मूल बातों पर लौटता है और दिखाता है कि कैसे "ईंटें" जिनसे अंतरिक्ष और समय एक दूसरे के लिए "जोड़ते हैं" बनते हैं।

अंतरिक्ष और समय की उत्पत्ति कैसे हुई? उन्होंने चिकनी 4D शून्य कैसे बनाई जो हमारी भौतिक दुनिया की पृष्ठभूमि के रूप में कार्य करती है? करीब से निरीक्षण करने पर वे क्या दिखते हैं? इस तरह के प्रश्न आधुनिक विज्ञान में सबसे आगे उठते हैं और क्वांटम गुरुत्व की खोज को आगे बढ़ाते हैं, जो क्वांटम सिद्धांत के साथ आइंस्टीन के सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत का अभी भी अधूरा मिलन है। सापेक्षता का सिद्धांत वर्णन करता है कि मैक्रोस्कोपिक पैमाने पर स्थान और समय अनगिनत रूप ले सकते हैं, जिसे हम गुरुत्वाकर्षण या गुरुत्वाकर्षण कहते हैं। क्वांटम सिद्धांत गुरुत्वाकर्षण के प्रभावों की पूरी तरह से अनदेखी करते हुए, परमाणु और उप-परमाणु पैमाने पर भौतिकी के नियमों का वर्णन करता है। क्वांटम गुरुत्व के सिद्धांत को क्वांटम कानूनों में सबसे छोटे पैमाने पर अंतरिक्ष-समय की प्रकृति का वर्णन करना चाहिए - सबसे छोटे ज्ञात प्राथमिक कणों के बीच का स्थान - और, शायद, इसे कुछ मूलभूत घटकों के माध्यम से समझाएं।

इस भूमिका के लिए मुख्य उम्मीदवार को अक्सर सुपरस्ट्रिंग थ्योरी कहा जाता है, लेकिन इसने अभी तक किसी भी ज्वलंत प्रश्न का उत्तर नहीं दिया है। इसके अलावा, अपने स्वयं के आंतरिक तर्क का पालन करते हुए, इसने नए विदेशी घटकों और उनके बीच के संबंधों की और भी गहरी परतों को उजागर किया, जिससे संभावित परिणामों की चौंका देने वाली विविधता सामने आई।

मुख्य प्रावधान

यह सर्वविदित है कि क्वांटम सिद्धांत और आइंस्टीन का सापेक्षता का सामान्य सिद्धांत एक दूसरे के साथ मेल नहीं खाते। भौतिक विज्ञानी लंबे समय से उन्हें क्वांटम गुरुत्व के एकल सिद्धांत से जोड़ने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन उन्हें ज्यादा सफलता नहीं मिली है।

प्रस्तावित नया दृष्टिकोण किसी भी विदेशी प्रावधान को पेश नहीं करता है, लेकिन स्पेस-टाइम के अलग-अलग तत्वों के लिए ज्ञात कानूनों को लागू करने का एक नया तरीका खोलता है। ये तत्व एक क्रिस्टल में अणुओं की तरह एक साथ आते हैं।

हमारा दृष्टिकोण दिखाता है कि हम जिस चार-आयामी स्पेसटाइम को जानते हैं, वह गतिशील रूप से अधिक मौलिक घटकों से कैसे उभर सकता है। इसके अलावा, यह सुझाव देता है कि कैसे सूक्ष्म पैमाने पर यह स्थान-समय धीरे-धीरे चिकनी निरंतरता से विचित्र भंगुरता में परिवर्तित हो जाता है।

हाल के वर्षों में, हमारा काम सैद्धांतिक भौतिकी के सुप्रसिद्ध राजमार्ग का एक आशाजनक विकल्प बन गया है। सबसे सरल नुस्खा का पालन करते हुए - कुछ मूलभूत घटकों को लें, उन्हें प्रसिद्ध क्वांटम सिद्धांतों (बिना किसी एक्सोटिक्स के) के अनुसार इकट्ठा करें, अच्छी तरह मिलाएं और खड़े रहने दें - आपको क्वांटम स्पेस-टाइम मिलता है। लैपटॉप कंप्यूटर पर सिम्युलेटेड होने के लिए प्रक्रिया काफी सरल है।

दूसरे शब्दों में, यदि खाली स्थान-समय (वैक्यूम) को एक प्रकार के गैर-भौतिक पदार्थ के रूप में देखते हुए, जिसमें बहुत बड़ी संख्या में सूक्ष्म संरचना रहित तत्व होते हैं, तो हम उन्हें सरल नियमों के अनुसार एक दूसरे के साथ बातचीत करने की अनुमति देते हैं। गुरुत्वाकर्षण और क्वांटम सिद्धांत का सिद्धांत, तब ये तत्व अनायास ही एक पूरे में व्यवस्थित हो जाएंगे जो कई मायनों में देखने योग्य ब्रह्मांड के समान दिखाई देंगे। प्रक्रिया समान है कि कैसे अणु खुद को एक क्रिस्टलीय या अनाकार ठोस में व्यवस्थित करते हैं।

इस दृष्टिकोण के साथ, स्पेस-टाइम विस्तृत शादी के केक की तुलना में नियमित मिश्रित भुना हुआ लग सकता है। इसके अलावा, क्वांटम गुरुत्व के अन्य दृष्टिकोणों के विपरीत, हमारा दृष्टिकोण बहुत स्थिर है। जब हम अपने मॉडल का विवरण बदलते हैं, तो परिणाम शायद ही बदलता है। यह लचीलापन आशा का कारण देता है कि हम सही रास्ते पर हैं। यदि परिणाम इस बात के प्रति संवेदनशील था कि हमने अपने विशाल पहनावे के प्रत्येक टुकड़े को कहाँ रखा है, तो हम समान रूप से संभावित बारोक रूपों की एक विशाल संख्या के साथ समाप्त हो जाएंगे, जो यह समझाने की संभावना को समाप्त कर देगा कि ब्रह्मांड ऐसा क्यों निकला।

स्व-विधानसभा और स्व-संगठन के समान तंत्र भौतिकी, जीव विज्ञान और विज्ञान के अन्य क्षेत्रों में काम करते हैं। एक सुंदर उदाहरण पक्षियों के बड़े झुंडों का व्यवहार है, जैसे कि भूखे मरना। व्यक्तिगत पक्षी केवल कुछ ही पड़ोसियों के साथ बातचीत करते हैं; कोई नेता नहीं है जो उन्हें समझाए कि क्या करना है। फिर भी, सामूहिक या व्युत्पन्न गुण रखने वाले समूह समग्र रूप से बनते और चलते हैं, जो व्यक्तिगत व्यक्तियों के व्यवहार में प्रकट नहीं होते हैं।

क्वांटम ग्रेविटी का एक संक्षिप्त इतिहास

अंतरिक्ष-समय की क्वांटम संरचना को सहज उद्भव की प्रक्रिया में गठित होने के रूप में समझाने के पिछले प्रयासों को ध्यान देने योग्य सफलता नहीं मिली। वे यूक्लिडियन क्वांटम ग्रेविटी से आए थे। अनुसंधान कार्यक्रम 1970 के दशक के अंत में शुरू किया गया था। और भौतिक विज्ञानी स्टीफन हॉकिंग की सबसे अधिक बिकने वाली पुस्तक ब्रीफ हिस्ट्री ऑफ टाइम के लिए लोकप्रिय हो गया। यह कार्यक्रम सुपरपोज़िशन के सिद्धांत पर आधारित है, जो क्वांटम यांत्रिकी के लिए मूलभूत है। कोई भी वस्तु, शास्त्रीय या क्वांटम, किसी न किसी अवस्था में होती है, उदाहरण के लिए, स्थिति और गति से। लेकिन अगर एक शास्त्रीय वस्तु की स्थिति को केवल उसके लिए विशिष्ट संख्याओं के एक सेट द्वारा वर्णित किया जा सकता है, तो एक क्वांटम वस्तु की स्थिति अधिक समृद्ध होती है: यह सभी संभव शास्त्रीय राज्यों का योग है।

क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के सिद्धांत

स्ट्रिंग सिद्धांत
अधिकांश सैद्धांतिक भौतिकविदों द्वारा समर्थित, यह सिद्धांत न केवल क्वांटम गुरुत्व, बल्कि सभी प्रकार के पदार्थ और बलों से संबंधित है। यह इस धारणा पर आधारित है कि सभी कण (गुरुत्वाकर्षण वाले काल्पनिक सहित) दोलनशील तार हैं

लूप क्वांटम ग्रेविटी
स्ट्रिंग थ्योरी का मुख्य विकल्प। इसमें आइंस्टीन के सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत में क्वांटम यांत्रिकी के नियमों को लागू करने की एक नई विधि शामिल है। अंतरिक्ष को मात्रा के असतत "परमाणुओं" में विभाजित किया गया है

यूक्लिडन क्वांटम ग्रेविटी
भौतिक विज्ञानी स्टीफन हॉकिंग द्वारा प्रसिद्ध एक दृष्टिकोण इस धारणा पर आधारित है कि स्पेसटाइम सभी संभावित आकारों के एक सामान्य क्वांटम औसत से निकलता है। इस सिद्धांत में समय को स्थानिक आयामों के बराबर माना जाता है।

कारण गतिशील त्रिभुज
यह दृष्टिकोण, जो इस लेख का विषय है, यूक्लिडियन दृष्टिकोण का एक आधुनिक संस्करण है। यह अंतरिक्ष और समय के बीच प्रारंभिक अंतर के साथ त्रिभुजों के पच्चीकारी द्वारा अंतरिक्ष-समय के सन्निकटन पर आधारित है। एक छोटे पैमाने पर, अंतरिक्ष-समय एक भग्न संरचना प्राप्त करता है

उदाहरण के लिए, एक क्लासिक बिलियर्ड बॉल एक निश्चित प्रक्षेपवक्र के साथ चलती है, और इसकी स्थिति और गति किसी भी समय सटीक रूप से निर्धारित की जा सकती है। बहुत छोटे इलेक्ट्रॉन के मामले में चीजें अलग होती हैं। इसकी गति क्वांटम नियमों का पालन करती है, जिसके अनुसार एक इलेक्ट्रॉन कई स्थानों पर एक साथ मौजूद हो सकता है और इसकी कई गतियाँ हो सकती हैं। बिंदु A से बिंदु B तक बाहरी प्रभावों की अनुपस्थिति में, इलेक्ट्रॉन एक सीधी रेखा में नहीं, बल्कि एक साथ सभी संभव पथों पर चलता है। इसके आंदोलन के सभी संभावित तरीकों की एक गुणात्मक तस्वीर, एक साथ एकत्रित, क्वांटम सुपरपोजिशन के लिए एक कठोर गणितीय "नुस्खा" में बदल जाती है, जिसे नोबेल पुरस्कार विजेता रिचर्ड फेनमैन द्वारा तैयार किया गया है, और सभी व्यक्तिगत संभावनाओं का भारित औसत देता है।

प्रस्तावित नुस्खा का उपयोग करते हुए, किसी विशेष श्रेणी की स्थिति और वेग में एक इलेक्ट्रॉन को प्रत्यक्ष पथ से दूर खोजने की संभावना की गणना करना संभव है जिसके साथ इसे शास्त्रीय यांत्रिकी के नियमों के अनुसार स्थानांतरित करना होगा। एक कण के क्वांटम यांत्रिक व्यवहार की एक विशिष्ट संपत्ति एक एकल स्पष्ट प्रक्षेपवक्र से विचलन है, जिसे तथाकथित कहा जाता है। क्वांटम उतार-चढ़ाव। मानी गई भौतिक प्रणाली का आकार जितना छोटा होगा, क्वांटम उतार-चढ़ाव की भूमिका उतनी ही अधिक होगी।

यूक्लिडियन क्वांटम ग्रेविटी में, सुपरपोजिशन का सिद्धांत संपूर्ण ब्रह्मांड पर लागू होता है। इस मामले में, सुपरपोजिशन में कण के विभिन्न प्रक्षेपवक्र शामिल नहीं होते हैं, लेकिन समय में ब्रह्मांड के विकास के संभावित पथ, विशेष रूप से, अंतरिक्ष-समय के रूप। समस्या को हल करने के लिए, भौतिकविद आमतौर पर अंतरिक्ष-समय के केवल सामान्य आकार और आकार पर विचार करते हैं, न कि इसके हर बोधगम्य विरूपण पर (देखें: जोनाथन जे। हल्लीवेल। क्वांटम कॉस्मोलॉजी और ब्रह्मांड का निर्माण // वैज्ञानिक अमेरिकी, दिसंबर 1991)।

1980-1990 के दशक में यूक्लिडियन क्वांटम ग्रेविटी के क्षेत्र में अनुसंधान एक लंबा सफर तय कर चुका है, जो शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन टूल के विकास से जुड़ा है। उपयोग किए गए मॉडल प्रारंभिक "ईंटों" का उपयोग करके घुमावदार अंतरिक्ष-समय की ज्यामिति का प्रतिनिधित्व करते थे, जिन्हें सुविधा के लिए त्रिकोणीय माना जाता था। त्रिकोणीय जाल प्रभावी रूप से घुमावदार सतहों का अनुमान लगा सकते हैं, यही कारण है कि वे अक्सर कंप्यूटर एनीमेशन में उपयोग किए जाते हैं। स्पेस-टाइम मॉडलिंग के मामले में, ये प्राथमिक "बिल्डिंग ब्लॉक्स" चार-आयामी अंतरिक्ष के संबंध में त्रिभुजों के सामान्यीकरण हैं और इन्हें 4-सरलीकरण कहा जाता है। जिस तरह त्रिकोणों को उनके किनारों के साथ जोड़कर घुमावदार 2D सतहें बनाई जाती हैं, उसी तरह 4D सरलताओं (जो 3D टेट्राहेड्रा हैं) के "चेहरे" को चिपकाने से 4D स्पेस-टाइम मॉडल बनता है।

"ईंटों" का कोई प्रत्यक्ष भौतिक अर्थ नहीं है। यदि अंतरिक्ष-समय को एक अति-शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे देखा जा सकता है, तो कोई त्रिभुज दिखाई नहीं देगा। वे केवल सन्निकटन हैं। एकमात्र जानकारी जो भौतिक समझ में आती है, उनके सामूहिक व्यवहार में इस धारणा में निहित है कि उनमें से प्रत्येक का आकार शून्य हो गया है। इस सीमा में, "ईंटों" की ज्यामिति (चाहे वे त्रिकोणीय, घन, पंचकोणीय, या इन आकृतियों का कोई मिश्रण हो) मायने नहीं रखती।

विभिन्न प्रकार के छोटे पैमाने के विवरणों के प्रति असंवेदनशीलता को अक्सर बहुमुखी प्रतिभा के रूप में संदर्भित किया जाता है। सांख्यिकीय भौतिकी में एक प्रसिद्ध घटना, जो गैसों और तरल पदार्थों में अणुओं की गति का अध्ययन करती है: अणु लगभग उसी तरह से व्यवहार करते हैं, चाहे उनकी रचना कुछ भी हो। सार्वभौमिकता बड़ी संख्या में व्यक्तिगत तत्वों से युक्त प्रणालियों के गुणों से जुड़ी है, और एक घटक के पैमाने की तुलना में बहुत बड़े पैमाने पर खुद को प्रकट करती है। पक्षियों के झुंड के लिए एक समान कथन यह है कि अलग-अलग पक्षियों के रंग, आकार, पंख फैलाव और उम्र का पूरे झुंड के व्यवहार से कोई लेना-देना नहीं है। मैक्रोस्कोपिक पैमाने पर, बहुत कम सूक्ष्म विवरण दिखाई देते हैं।

झेंप जाना

कंप्यूटर मॉडल की मदद से, क्वांटम ग्रेविटी के शोधकर्ताओं ने अंतरिक्ष-समय के रूपों के सुपरपोजिशन के प्रभावों का अध्ययन करना शुरू किया, जो शास्त्रीय सापेक्षता के तरीकों से अध्ययन करने के लिए उपयुक्त नहीं हैं, विशेष रूप से, बहुत कम दूरी पर दृढ़ता से घुमावदार। यह तथाकथित गैर-परेशान शासन भौतिकविदों के लिए सबसे अधिक रुचि रखता है, लेकिन कंप्यूटर के उपयोग के बिना विश्लेषण करना लगभग असंभव है।

अंतरिक्ष के रूप का विवरण

त्रिकोण से मोज़ेक
यह निर्धारित करने के लिए कि अंतरिक्ष खुद को कैसे आकार देता है, भौतिकविदों को पहले इसके आकार का वर्णन करने के तरीके की आवश्यकता होती है। वे इसका वर्णन त्रिकोण और उनके उच्च-आयामी समकक्षों के संदर्भ में करते हैं, जिसकी पच्चीकारी से घुमावदार आकृतियों का अनुमान लगाना संभव हो जाता है। किसी विशेष बिंदु पर वक्रता उस बिंदु को घेरने वाले त्रिभुजों द्वारा घटाए गए कुल कोण द्वारा निर्धारित की जाती है। समतल सतह के मामले में, यह कोण ठीक 360° होता है, लेकिन घुमावदार सतहों के मामले में, यह छोटा या बड़ा हो सकता है।

दुर्भाग्य से, सिमुलेशन ने दिखाया है कि यूक्लिडियन क्वांटम गुरुत्व व्यवहार के महत्वपूर्ण घटकों को ध्यान में नहीं रखता है। चार आयामी ब्रह्मांड में सभी गैर-विक्षुब्ध सुपरपोजिशन सिद्धांत रूप में अस्थिर हो गए। वक्रता में छोटे पैमाने पर क्वांटम में उतार-चढ़ाव जो विभिन्न आरोपित ब्रह्मांडों की विशेषता है जो माध्य में योगदान करते हैं, रद्द नहीं करते हैं, लेकिन परस्पर एक दूसरे को सुदृढ़ करते हैं, जिससे सभी स्थान एक छोटी सी गेंद में अनंत आयामों के साथ सिकुड़ जाते हैं। ऐसे स्थान में किन्हीं दो बिन्दुओं के बीच की दूरी हमेशा बहुत कम रहती है, भले ही उसका आयतन बहुत बड़ा हो। कुछ मामलों में, कई शाखाओं के साथ एक बहुलक की तरह, अंतरिक्ष दूसरे चरम पर जाता है, बेहद पतला और विस्तारित होता है। इनमें से कोई भी संभावना हमारे वास्तविक ब्रह्मांड के समान नहीं है।

इससे पहले कि हम एक बार फिर उन धारणाओं पर लौटें जो भौतिकविदों को एक मृत अंत तक ले गईं, आइए परिणाम की एक विषमता पर विचार करें। "ईंटें" चार-आयामी हैं, लेकिन साथ में वे या तो एक अंतरिक्ष बनाते हैं जिसमें असीमित संख्या में आयाम (एक सिकुड़ते ब्रह्मांड) या दो-आयामी अंतरिक्ष (एक बहुलक ब्रह्मांड) होते हैं। एक बार निर्वात में बड़ी मात्रा में उतार-चढ़ाव की धारणा ने जिन्न को बोतल से बाहर कर दिया, तो आयाम जैसी सबसे मौलिक अवधारणाओं को बदलना संभव हो गया। शायद गुरुत्वाकर्षण का शास्त्रीय सिद्धांत, जिसमें आयामों की संख्या को हमेशा निश्चित माना जाता है, इस तरह के परिणाम की कल्पना नहीं कर सकता था।

विज्ञान कथाओं के प्रशंसकों के लिए एक परिणाम कुछ हद तक निराशाजनक हो सकता है। विज्ञान कथा लेखक अक्सर अंतरिक्ष-समय सुरंगों की अवधारणा का उपयोग करते हैं, जैसे कि वे उन क्षेत्रों को अनुमति देते हैं जो दूर हैं, उन्हें एक-दूसरे के करीब लाया जा सकता है। वे प्रकाश की गति से अधिक गति से समय यात्रा और संकेतों के संचरण की आशाजनक संभावना के साथ मोहित हो जाते हैं। इस तथ्य के बावजूद कि ऐसा कुछ भी कभी नहीं देखा गया है, भौतिक विज्ञानी स्वीकार करते हैं कि ऐसी सुरंगों को क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के अभी तक अनुपचारित सिद्धांत के ढांचे में पुनर्वासित किया जा सकता है। यूक्लिडियन क्वांटम ग्रेविटी के कंप्यूटर सिमुलेशन के नकारात्मक परिणाम के आलोक में, ऐसी सुरंगों के अस्तित्व की संभावना बेहद कम लगती है। अंतरिक्ष-समय की सुरंगों में इतनी विविधताएँ हैं कि उन्हें सुपरपोजिशन पर हावी होना चाहिए, जिससे यह अस्थिर हो जाए, ताकि क्वांटम ब्रह्मांड कभी भी एक छोटी लेकिन अत्यधिक परस्पर समग्रता से आगे न बढ़ सके।

स्पेस-टाइम में क्वांटम नियमों का अनुप्रयोग

औसत
स्पेस-टाइम कई अलग-अलग रूप ले सकता है। क्वांटम सिद्धांत के अनुसार, जिस आकृति को हम देखने की सबसे अधिक संभावना रखते हैं वह एक सुपरपोज़िशन है, या सभी संभावित आकृतियों का भारित औसत है। त्रिभुजों से आकृतियों की रचना करते समय, सिद्धांतकार उनमें से प्रत्येक को एक भार प्रदान करते हैं, यह इस बात पर निर्भर करता है कि किसी दिए गए आकार का निर्माण करते समय ये त्रिभुज किस प्रकार जुड़े हुए हैं। लेखकों ने पाया कि परिणामी औसत के लिए देखे गए वास्तविक ब्रह्मांड के अनुरूप होने के लिए, त्रिकोणों को कुछ नियमों का पालन करना चाहिए, विशेष रूप से, समय की दिशा का संकेत देने वाले "तीर" होते हैं

परेशानी की जड़ क्या हो सकती है? यूक्लिडियन दृष्टिकोण में अंतराल और "ढीले सिरों" की तलाश में, हम एक महत्वपूर्ण विचार के साथ आए - एक घटक जो हमारे मिश्रित भूनने की संभावना के लिए बिल्कुल आवश्यक है: ब्रह्मांड के कोड में कार्य-कारण का सिद्धांत शामिल होना चाहिए, अर्थात। निर्वात की संरचना को कारण और प्रभाव के बीच स्पष्ट अंतर की संभावना प्रदान करनी चाहिए। कारण सापेक्षता के शास्त्रीय विशेष और सामान्य सिद्धांतों का एक अभिन्न अंग है।

यूक्लिडियन क्वांटम गुरुत्व में करणीयता शामिल नहीं है। "यूक्लिडियन" की परिभाषा का अर्थ है कि अंतरिक्ष और समय को समतुल्य माना जाता है। यूक्लिडियन सुपरपोजिशन में शामिल ब्रह्मांडों में एक अस्थायी और तीन स्थानिक के बजाय चार स्थानिक आयाम हैं। चूंकि यूक्लिडियन ब्रह्मांडों में समय की एक अलग अवधारणा नहीं है, उनके पास ऐसी संरचना नहीं है जो घटनाओं को एक निश्चित क्रम में व्यवस्थित करने की अनुमति देती है। ऐसे ब्रह्मांडों के निवासियों में "कारण" और "प्रभाव" की अवधारणाएँ नहीं हो सकती हैं। हॉकिंग और अन्य यूक्लिडियन वैज्ञानिकों ने कहा है कि गणितीय और बोलचाल दोनों अर्थों में "समय काल्पनिक है"। उन्होंने आशा व्यक्त की कि सूक्ष्म मात्रा में उतार-चढ़ाव से एक मैक्रोस्कोपिक संपत्ति के रूप में कार्य-कारण उत्पन्न होगा, जिसमें व्यक्तिगत रूप से एक कारण संरचना के संकेत नहीं थे। हालाँकि, कंप्यूटर सिमुलेशन ने उनकी उम्मीदों पर पानी फेर दिया।

अंतरिक्ष में एक पूरी तरह से नया आयाम

सामान्य जीवन में, अंतरिक्ष का आयाम किसी बिंदु की स्थिति, जैसे देशांतर, अक्षांश और ऊंचाई निर्धारित करने के लिए आवश्यक आयामों की न्यूनतम संख्या है। यह परिभाषा इस धारणा पर आधारित है कि अंतरिक्ष निरंतर है और शास्त्रीय भौतिकी के नियमों के अधीन है। और अगर अंतरिक्ष इतना सरल व्यवहार नहीं करता है? क्या होगा अगर इसका रूप क्वांटम प्रक्रियाओं द्वारा निर्धारित किया जाता है जो सामान्य जीवन में खुद को प्रकट नहीं करते हैं? ऐसे मामलों में, भौतिकविदों और गणितज्ञों को आयाम की अधिक परिष्कृत धारणा विकसित करनी चाहिए। आयामों की संख्या आवश्यक रूप से एक पूर्णांक भी नहीं हो सकती है, जैसा कि भग्न के मामले में - संरचनाएं जो सभी पैमानों पर समान दिखती हैं।

सामान्यीकृत आयामी परिभाषाएँ

हॉसडॉर्फ आयाम
20 वीं शताब्दी की शुरुआत में परिभाषा तैयार की गई। जर्मन गणितज्ञ फेलिक्स हॉसडॉर्फ, अपने रैखिक आकार r पर क्षेत्र के आयतन V की निर्भरता से आगे बढ़ते हैं। सामान्य त्रि-आयामी अंतरिक्ष में, V $r^3$ के समानुपाती होता है। इस संबंध में प्रतिपादक मापों की संख्या है। "वॉल्यूम" को कुल आकार के अन्य संकेतक माना जा सकता है, जैसे कि क्षेत्रफल। Sierpinski गैसकेट के मामले में, V $r^(1.5850)$ के समानुपाती है। यह परिस्थिति इस तथ्य को दर्शाती है कि यह आंकड़ा पूरे क्षेत्र को नहीं भरता है

वर्णक्रमीय आयाम
यह परिभाषा समय के साथ पर्यावरण में किसी वस्तु या घटना के प्रसार की विशेषता है, चाहे वह पानी के बर्तन में स्याही की बूंद हो या आबादी में कोई बीमारी हो। आबादी में प्रत्येक पानी के अणु या व्यक्ति के पास निकटतम पड़ोसियों की एक निश्चित संख्या होती है, जो स्याही प्रसार या बीमारी फैलाने की दर निर्धारित करती है। एक 3डी वातावरण में, स्याही के बादल का आकार समय के अनुपात में 3/2 की शक्ति के अनुपात में बढ़ता है। सिएरपिन्स्की के पैड में, स्याही को पापी आकार के माध्यम से रिसना चाहिए, इसलिए यह धीरे-धीरे फैलता है - समय के अनुपात में 0.6826 की शक्ति, जो 1.3652 के वर्णक्रमीय आयाम से मेल खाती है

परिभाषाओं का अनुप्रयोग
सामान्य स्थिति में, आयाम की गणना करने के विभिन्न तरीके आयामों की अलग-अलग संख्या देते हैं, क्योंकि वे ज्यामिति की विभिन्न विशेषताओं से शुरू होते हैं। कुछ ज्यामितीय आकृतियों के लिए, आयामों की संख्या स्थिर नहीं होती है। विशेष रूप से, प्रसार कुछ स्थिर डिग्री के लिए समय की तुलना में अधिक जटिल कार्य हो सकता है।
क्वांटम ग्रेविटी की मॉडलिंग करते समय, वर्णक्रमीय आयाम पर जोर दिया जाता है। किसी पदार्थ की एक छोटी मात्रा को क्वांटम स्पेस-टाइम मॉडल की एक प्राथमिक ईंट में पेश किया जाता है। इसी ईंट से यह बेतरतीब ढंग से फैलती है। स्पेस-टाइम ईंटों की कुल संख्या जो इस पदार्थ तक एक निश्चित अवधि में पहुंचती है, वर्णक्रमीय आयाम निर्धारित करती है

अलग-अलग ब्रह्मांडों को इस उम्मीद में जोड़ते समय कार्य-कारण की उपेक्षा करने के बजाय कि यह सुपरपोजिशन के सामूहिक ज्ञान से उभरेगा, हमने बहुत पहले के चरण में कार्य-कारण को शामिल करना चुना। हमने अपनी पद्धति को गतिशील त्रिकोणासन कहा। हमने प्रत्येक सिम्प्लेक्स को अतीत से भविष्य की ओर इशारा करते हुए समय का एक तीर सौंपा है। फिर हमने कारण "ग्लूइंग" नियम पेश किया: दो सिम्प्लेक्स को इस तरह से चिपकाया जाना चाहिए कि उनके तीर संरेखित हों। सरेस से जोड़ा जाने वाले समय की अवधारणा समान होनी चाहिए: समय को इन तीरों की दिशा में निरंतर गति से बहना चाहिए, कभी रुकना या पीछे मुड़ना नहीं चाहिए। समय के साथ, अंतरिक्ष को अपना समग्र आकार बनाए रखना चाहिए, अलग-अलग हिस्सों में नहीं टूटना चाहिए और अंतरिक्ष-समय सुरंगों का निर्माण नहीं करना चाहिए।

1998 में इस रणनीति को तैयार करने के बाद, हमने अत्यंत सरलीकृत मॉडलों पर दिखाया कि ग्लूइंग सरलताओं के नियम यूक्लिडियन क्वांटम गुरुत्व से भिन्न मैक्रोस्कोपिक रूप की ओर ले जाते हैं। यह उत्साहजनक था, लेकिन इसका मतलब यह नहीं था कि चिपकाने के स्वीकृत नियम पूरे चार-आयामी ब्रह्मांड की स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त थे। इसलिए हमने अपनी सांस रोक ली, जब 2004 में, हमारा कंप्यूटर हमें चार-आयामी सरलताओं के कारण सुपरपोजिशन की पहली गणना देने के लिए लगभग तैयार था। क्या यह अंतरिक्ष-समय बड़ी दूरी पर विस्तारित चार-आयामी वस्तु की तरह व्यवहार करेगा, न कि एक सिकुड़ी हुई गेंद या बहुलक की तरह?

हमारी खुशी की कल्पना करें जब गणना किए गए ब्रह्मांड के आयामों की संख्या 4 हो गई (अधिक सटीक, 4.02 ± 0.1)। यह पहली बार था कि देखे गए आयामों की संख्या मूल सिद्धांतों से निकाली गई थी। आज, क्वांटम ग्रेविटी मॉडल में कार्य-कारण की अवधारणा को पेश करना ही स्पेस-टाइम ज्यामिति के सुपरपोजिशन की अस्थिरता से निपटने का एकमात्र ज्ञात तरीका है।

सामान्य तौर पर स्पेस-टाइम

यह अनुकरण कम्प्यूटेशनल प्रयोगों की एक सतत श्रृंखला में पहला था जिसमें हम कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से क्वांटम स्पेसटाइम के भौतिक और ज्यामितीय गुणों को निकालने का प्रयास करते हैं। हमारा अगला कदम बड़ी दूरी पर अंतरिक्ष-समय के आकार का अध्ययन करना और वास्तविक दुनिया के साथ इसके पत्राचार की जांच करना था, अर्थात। सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत की भविष्यवाणियां। क्वांटम ग्रेविटी के गैर-प्रतिस्पर्धी मॉडल के मामले में, जिसमें स्पेसटाइम के आकार के बारे में एक प्राथमिक धारणा शामिल नहीं है, ऐसा परीक्षण बहुत कठिन है - इतना अधिक है कि क्वांटम ग्रेविटी के अधिकांश दृष्टिकोणों में, स्ट्रिंग थ्योरी सहित, विशेष मामलों को छोड़कर प्राप्त की गई सफलता इसे पूरा करने के लिए अपर्याप्त है।

अंतरिक्ष-समय में गहराई

लेखकों की गणना के अनुसार, अंतरिक्ष-समय का वर्णक्रमीय आयाम चार (बड़े पैमाने की सीमा में) से घटकर दो (छोटे पैमाने की सीमा में) हो जाता है, और निरंतर अंतरिक्ष-समय टूट जाता है, एक में बदल जाता है शाखित भग्न। भौतिक विज्ञानी अभी तक यह समझने में सक्षम नहीं हैं कि क्या इस निष्कर्ष का अर्थ है कि अंत में अंतरिक्ष-समय में स्थानीयकृत "परमाणु" होते हैं, या क्या यह सूक्ष्म संरचनाओं से निर्मित होता है जो कि ज्यामिति की सामान्य अवधारणा से बहुत ही शिथिल रूप से संबंधित हैं।

जैसा कि यह निकला, हमारे मॉडल के काम करने के लिए, शुरू से ही तथाकथित ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक को पेश करना आवश्यक है - एक अदृश्य और गैर-भौतिक पदार्थ जो किसी भी अन्य प्रकार के पदार्थ की अनुपस्थिति में भी अंतरिक्ष में निहित है और ऊर्जा। यह आवश्यकता अच्छी खबर है, क्योंकि ब्रह्माण्ड विज्ञानियों ने इस स्थिरांक के अस्तित्व की प्रायोगिक पुष्टि की है। इसके अलावा, स्पेस-टाइम का प्राप्त रूप डी सिटर ज्यामिति से मेल खाता है, यानी। ब्रह्मांड के लिए आइंस्टीन के समीकरणों को हल करना जिसमें ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक के अलावा और कुछ नहीं है। यह वास्तव में उल्लेखनीय है कि लगभग यादृच्छिक तरीके से सूक्ष्म "ईंटों" के संयोजन की असेंबली - समरूपता या पसंदीदा ज्यामितीय संरचना की किसी भी धारणा के बिना - एक अंतरिक्ष-समय का नेतृत्व किया, जो बड़े पैमाने पर, अत्यधिक सममित आकार का है डी सिटर ब्रह्मांड।

बुनियादी सिद्धांतों से लगभग नियमित ज्यामितीय आकार के चार-आयामी ब्रह्मांड का गतिशील उद्भव हमारे मॉडलिंग की एक केंद्रीय उपलब्धि बन गया है। इस उत्कृष्ट परिणाम को अंतरिक्ष-समय के कुछ अभी तक स्थापित "परमाणुओं" की बातचीत के बारे में विचारों के ढांचे के भीतर समझा जा सकता है या नहीं, यह सवाल हमारे चल रहे शोध का लक्ष्य है। चूंकि हमने सत्यापित किया है कि क्वांटम गुरुत्व के हमारे मॉडल ने कई शास्त्रीय परीक्षणों को पार कर लिया है, यह एक अलग तरह के प्रयोगों की ओर मुड़ने का समय है - अंतरिक्ष-समय की विशिष्ट क्वांटम संरचना को प्रकट करने के लिए जिसे आइंस्टीन का शास्त्रीय सिद्धांत प्रकट नहीं कर सका। इन प्रयोगों में से एक में, हमने प्रसार प्रक्रिया को प्रतिरूपित किया: हमने ब्रह्मांडों के सुपरपोजिशन में एक स्याही की बूंद का एक उपयुक्त एनालॉग पेश किया और देखा कि यह कैसे फैलता है और क्वांटम उतार-चढ़ाव से परेशान होता है। समय के साथ स्याही के बादल का आकार खोजने से हमें अंतरिक्ष में आयामों की संख्या निर्धारित करने की अनुमति मिली (साइडबार देखें)।

परिणाम आश्चर्यजनक था: माप की संख्या पैमाने पर निर्भर करती है। दूसरे शब्दों में, यदि प्रसार थोड़े समय के लिए जारी रहता है, तो अंतरिक्ष-समय के आयामों की संख्या उस समय से भिन्न होती है जब प्रसार प्रक्रिया लंबे समय तक चलती है। यहां तक ​​कि हममें से जो क्वांटम ग्रेविटी में विशेषज्ञता रखते हैं, वे शायद ही कल्पना कर सकते हैं कि हमारे "माइक्रोस्कोप" के रिज़ॉल्यूशन के आधार पर स्पेस-टाइम के आयामों की संख्या लगातार कैसे बदल सकती है। जाहिर है, छोटी वस्तुओं के लिए स्पेस-टाइम बड़े लोगों के लिए बहुत अलग है। छोटी वस्तुओं के लिए, ब्रह्मांड एक भग्न संरचना की तरह है - एक असामान्य प्रकार का स्थान जिसमें आकार की अवधारणा बस मौजूद नहीं है। यह स्व-समान है, अर्थात्। सभी पैमानों में एक जैसा दिखता है। इसका मतलब यह है कि विशिष्ट आकार की कोई वस्तु नहीं है जो स्केल बार की तरह कुछ काम कर सके।

"छोटा" कितना छोटा है? लगभग $10^(-34)$m के आकार तक, संपूर्ण रूप से क्वांटम ब्रह्मांड को शास्त्रीय चार-आयामी डी सिटर ज्यामिति द्वारा अच्छी तरह से वर्णित किया गया है, हालांकि घटती दूरी के साथ क्वांटम उतार-चढ़ाव की भूमिका बढ़ जाती है। तथ्य यह है कि शास्त्रीय सन्निकटन इतनी कम दूरियों तक वैध रहता है, आश्चर्यजनक है। ब्रह्मांड के इतिहास के शुरुआती चरणों और इसके बहुत दूर के भविष्य दोनों के लिए इससे बहुत महत्वपूर्ण परिणाम निकलते हैं। इन दोनों सीमाओं में ब्रह्मांड व्यावहारिक रूप से खाली है। शुरुआत में, क्वांटम उतार-चढ़ाव इतने बड़े थे कि पदार्थ का पता लगाना मुश्किल था। वह एक लहरदार सागर पर एक छोटी सी बेड़ा थी। हमारे अरबों साल बाद, ब्रह्मांड के तेजी से विस्तार के कारण, मामला इतना विरल हो जाएगा कि यह बहुत छोटी भूमिका निभाएगा या बिल्कुल भी भूमिका नहीं निभाएगा। हमारा दृष्टिकोण हमें दोनों सीमित मामलों में अंतरिक्ष के आकार की व्याख्या करने की अनुमति देता है।

कारण क्या है?

कार्य-कारण सिद्धांत है कि घटनाएँ समय में एक निश्चित क्रम में घटित होती हैं, न कि अव्यवस्था में, जिससे कारण और प्रभाव के बीच अंतर करना संभव हो जाता है। लेखकों द्वारा अपनाए गए क्वांटम गुरुत्व के दृष्टिकोण में, कारण और प्रभाव के बीच का अंतर प्रकृति में एक मौलिक संपत्ति के रूप में प्रकट होता है, न कि व्युत्पन्न संपत्ति के रूप में।

इससे भी छोटे पैमाने पर, अंतरिक्ष-समय की मात्रा में उतार-चढ़ाव इतना बढ़ जाता है कि ज्यामिति के बारे में शास्त्रीय अंतर्ज्ञान पूरी तरह से अपना अर्थ खो देते हैं। आयामों की संख्या शास्त्रीय चार से घटाकर लगभग दो कर दी गई है। हालाँकि, जहाँ तक हम बता सकते हैं, अंतरिक्ष-समय निरंतर रहता है और इसमें कोई सुरंग नहीं होती है। यह भौतिक विज्ञानी जॉन व्हीलर और कई अन्य लोगों द्वारा देखे गए खदबदाने वाले अंतरिक्ष-समय के फोम के रूप में विदेशी नहीं है। अंतरिक्ष-समय की ज्यामिति असामान्य और गैर-शास्त्रीय कानूनों का पालन करती है, लेकिन दूरी की अवधारणा लागू रहती है। अब हम और भी छोटे क्षेत्र में घुसने की कोशिश कर रहे हैं। एक संभावना यह है कि ब्रह्माण्ड स्व-समान हो जाए और एक निश्चित सीमा के नीचे सभी पैमानों पर समान दिखे। यदि ऐसा है, तो ब्रह्मांड अंतरिक्ष-समय के तारों या परमाणुओं से बना नहीं है, बल्कि अंतहीन ऊब की दुनिया है: दहलीज के ठीक नीचे पाई जाने वाली संरचना बस खुद को एड इनफिनिटम दोहराएगी क्योंकि यह कभी भी छोटे क्षेत्र में गहराई तक जाती है। आयाम।

यह कल्पना करना कठिन है कि वास्तविक गुणों के साथ एक क्वांटम ब्रह्मांड बनाने के लिए भौतिकविद कम घटकों और तकनीकी साधनों के साथ कैसे प्रबंधन कर सकते हैं। हमारे पास अभी भी बहुत सारे परीक्षण और प्रयोग करने हैं, उदाहरण के लिए, ब्रह्मांड में पदार्थ के व्यवहार और इसके समग्र आकार पर इसके प्रभाव को समझने के लिए। हमारा मुख्य लक्ष्य, जैसा कि क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के किसी भी सिद्धांत के साथ होता है, सूक्ष्म क्वांटम संरचना के अवलोकनीय परिणामों की भविष्यवाणी करना है। क्वांटम गुरुत्व के सिद्धांत के रूप में हमारे मॉडल की शुद्धता के लिए यह निर्णायक मानदंड होगा।

अनुवाद: आई.ई. सतसेविच

अतिरिक्त साहित्य

• क्वांटम डी सिटर यूनिवर्स का प्लैंकियन जन्म। जे. एम्बजोर्न, ए. गोरलिच, जे. जर्किविज़ और आर. लॉल इन फिजिकल रिव्यू लेटर्स, वॉल्यूम। 100, लेख संख्या। 091304; 7 मार्च, 2008। प्रीप्रिंट उपलब्ध
• द कम्प्लीट इडियट्स गाइड टू स्ट्रिंग थ्योरी। जॉर्ज मूसर। अल्फा, 2008।
• आपके डेस्कटॉप पर स्पेसटाइम, या क्वांटम ग्रेविटी का उद्भव। आर. लॉल इन क्लासिकल एंड क्वांटम ग्रेविटी, वॉल्यूम। 25, नहीं। 11, लेख संख्या। 114006; 7 जून, 2008। प्रिप्रिंट उपलब्ध
• रेनाटा लोल वेबसाइट

जन अम्बजोर्न, रेनेट लोलतथा जेरज़ी जर्कविक्ज़ 1998 में क्वांटम ग्रेविटी की समस्या के लिए अपना दृष्टिकोण विकसित किया। एंबजोर्न रॉयल डेनिश अकादमी के सदस्य हैं, कोपेनहेगन में नील्स बोह्र संस्थान और नीदरलैंड में यूट्रेक्ट विश्वविद्यालय में प्रोफेसर हैं। उन्हें थाई व्यंजनों के उस्ताद के रूप में जाना जाता है - एक ऐसी परिस्थिति जिसे प्रकाशक सबसे पहले नोट करते हैं। रेनाटा लॉल यूट्रेक्ट विश्वविद्यालय में प्रोफेसर हैं, जहां वह यूरोप में सबसे बड़ी क्वांटम गुरुत्व अनुसंधान टीमों में से एक का नेतृत्व करती हैं। इससे पहले उन्होंने होल्म (जर्मनी) में मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर ग्रेविटी फिजिक्स में काम किया था। दुर्लभ अवकाश के घंटों में, चैम्बर संगीत बजाया जाता है। जेरज़ी युर्किविज़ क्राको में जगियेलोनियन विश्वविद्यालय के भौतिक संस्थान में कॉम्प्लेक्स सिस्टम थ्योरी विभाग के प्रमुख हैं। उनकी पिछली नौकरियों में कोपेनहेगन में नील्स बोह्र इंस्टीट्यूट है, जहां वे नौकायन की सुंदरता से मोहित हो गए थे।