Ամեն ինչի միասնական տեսության հիմնական սկզբունքները: Արդյո՞ք մենք երբևէ կունենանք «ամեն ինչի տեսություն»: Քվանտային ֆիզիկան հավանական է

Treesառերի ոսկե աշնանային սաղարթը փայլում էր փայլուն կերպով: Երեկոյան արեւի ճառագայթները դիպչեցին նոսրացած գագաթներին: Լույսը ճեղքեց ճյուղերը և բեմադրեց տարօրինակ կերպարների ներկայացում, որոնք փայլատակում էին համալսարանի «պահարանի» պատին:

Սըր Հեմիլթոնի մտածկոտ հայացքը դանդաղ սահեց ՝ դիտելով լույսի և ստվերի խաղը: Իռլանդացի մաթեմատիկոսի գլխում մտքերի, գաղափարների և եզրակացությունների իսկական հալոցք կար: Նա հիանալի հասկանում էր, որ նյուտոնական մեխանիկայի օգնությամբ շատ երևույթներ բացատրելը նման է պատի վրա ստվերներ խաղալու, թվերը խաբելով խճճելու և բազմաթիվ հարցեր անպատասխան թողնելու: «Գուցե դա ալիք է ... կամ գուցե մասնիկների հոսք, - մտածեց գիտնականը, - կամ լույսը երկու երևույթների դրսևորումն է: Ստվերից ու լույսից հյուսված կերպարների պես »:

Քվանտային ֆիզիկայի սկիզբը

Հետաքրքիր է դիտել մեծ մարդկանց և փորձել հասկանալ, թե ինչպես են ծնվում մեծ գաղափարներ, որոնք փոխում են ողջ մարդկության էվոլյուցիայի ընթացքը: Համիլթոնը մեկն է նրանցից, ովքեր առաջ են քաշել քվանտային ֆիզիկայի ծնունդը: Հիսուն տարի անց ՝ քսաներորդ դարի սկզբին, շատ գիտնականներ ուսումնասիրում էին տարրական մասնիկները: Ձեռք բերված գիտելիքները անհետեւողական էին եւ չհավաքված: Այնուամենայնիվ, առաջին ցնցող քայլերն արվեցին:

Հասկանալով միկրոաշխարհը քսաներորդ դարի սկզբին

1901 թվականին ներկայացվեց ատոմի առաջին մոդելը, և դրա անհամապատասխանությունը ցուցադրվեց սովորական էլեկտրադինամիկայի տեսանկյունից: Նույն ժամանակահատվածում Մաքս Պլանկը և Նիլս Բորը հրատարակեցին բազմաթիվ աշխատանքներ ատոմի բնույթի վերաբերյալ: Չնայած ատոմի կառուցվածքի մասին նրանց լիարժեք պատկերացումներին, գոյություն չուներ:

Մի քանի տարի անց ՝ 1905 թվականին, գերմանացի քիչ հայտնի գիտնական Ալբերտ Էյնշտեյնը հրապարակեց զեկույց երկու լույսի քվանտների առկայության հնարավորության մասին ՝ ալիքային և կորպուսկուլյար (մասնիկներ): Նրա աշխատանքում փաստարկներ տրվեցին ՝ բացատրելու մոդելի ձախողման պատճառը: Այնուամենայնիվ, Էյնշտեյնի տեսլականը սահմանափակվում էր ատոմային մոդելի հին ընկալմամբ:

Նիլս Բորի և նրա գործընկերների բազմաթիվ աշխատանքներից հետո 1925 թվականին ծնվեց նոր ուղղություն ՝ մի տեսակ քվանտային մեխանիկա: Սովորական արտահայտություն `« քվանտային մեխանիկա »հայտնվեց երեսուն տարի անց:

Ի՞նչ գիտենք քվանտների և դրանց յուրահատկությունների մասին:

Այսօր քվանտային ֆիզիկան բավական հեռու է գնացել: Հայտնաբերվել են բազմաթիվ տարբեր երևույթներ: Բայց իրականում ի՞նչ գիտենք: Պատասխանը ներկայացնում է մեկ ժամանակակից գիտնական: «Կա՛մ կարող ես հավատալ քվանտային ֆիզիկային, կա՛մ չհասկանալ», - սա է սահմանումը: Մտածեք ինքներդ դրա մասին: Բավական կլինի նշել այնպիսի մի երեւույթ, ինչպիսին է մասնիկների քվանտային խճճվածությունը: Այս երեւույթը գիտական ​​աշխարհը դարձրեց լիակատար տարակուսանքի վիճակ: Ավելի մեծ ցնցում էր այն փաստը, որ արդյունքում առաջացած պարադոքսը անհամատեղելի էր Էյնշտեյնիի հետ:

Առաջին անգամ ֆոտոնների քվանտային խճճվածքի ազդեցությունը քննարկվեց 1927 թվականին Սոլվեյի հինգերորդ կոնգրեսում: Բուռն բանավեճ սկսվեց Նիլս Բորի և Էյնշտեյնի միջև: Քվանտային շփոթության պարադոքսը ամբողջովին փոխել է նյութական աշխարհի էության ընկալումը:

Հայտնի է, որ բոլոր մարմինները կազմված են տարրական մասնիկներից: Ըստ այդմ, քվանտային մեխանիկայի բոլոր երեւույթներն արտացոլվում են սովորական աշխարհում: Նիլս Բորն ասաց, որ եթե մենք չնայենք Լուսնին, ապա այն գոյություն չունի: Էյնշտեյնը դա անհիմն համարեց և կարծում էր, որ օբյեկտը գոյություն ունի դիտողից անկախ:

Քվանտային մեխանիկայի խնդիրները ուսումնասիրելիս պետք է հասկանալ, որ դրա մեխանիզմներն ու օրենքները փոխկապակցված են և չեն ենթարկվում դասական ֆիզիկային: Փորձենք հասկանալ ամենահակասական տարածքը `մասնիկների քվանտային խճճվածությունը:

Քվանտային խճճվածության տեսություն

Սկզբից պետք է հասկանալ, որ քվանտային ֆիզիկան նման է անհատակ ջրհորի, որի մեջ կարող ես գտնել այն, ինչ ցանկանում ես: Անցյալ դարասկզբի քվանտային խճճվածության երևույթն ուսումնասիրել են Էյնշտեյնը, Բորը, Մաքսվելը, Բոյլը, Բելը, Պլանկը և շատ այլ ֆիզիկոսներ: Ամբողջ քսաներորդ դարի ընթացքում հազարավոր գիտնականներ ամբողջ աշխարհում ակտիվորեն ուսումնասիրել և փորձարկել են դա:

Աշխարհը ենթարկվում է ֆիզիկայի խիստ օրենքներին

Ինչու՞ է այդպիսի հետաքրքրություն առաջանում քվանտային մեխանիկայի պարադոքսների նկատմամբ: Ամեն ինչ շատ պարզ է. Մենք ապրում ենք ֆիզիկական աշխարհի որոշակի օրենքների համաձայն: Կանխորոշումը «շրջանցելու» ունակությունը կախարդական դուռ է բացում, որի հետևում ամեն ինչ հնարավոր է դառնում: Օրինակ, «Շրյոդինգերի կատու» հասկացությունը տանում է դեպի նյութի վերահսկողություն: Հնարավոր կլինի նաև քվանտային խճճվածությունից առաջացած տեղեկատվության հեռահաղորդումը: Տեղեկատվության փոխանցումը կդառնա ակնթարթային ՝ անկախ հեռավորությունից:
Այս հարցը դեռ ուսումնասիրման փուլում է, սակայն ունի դրական միտում:

Անալոգիա և հասկացողություն

Ի՞նչն է յուրահատուկ քվանտային խճճվածության մեջ, ինչպես հասկանալ այն, և ինչ է տեղի ունենում այս դեպքում: Փորձենք պարզել դա: Սա կպահանջի ինչ -որ մտքի փորձ: Պատկերացրեք, որ ձեր ձեռքերում երկու տուփ կա: Նրանցից յուրաքանչյուրը պարունակում է մեկ գնդակ `շերտով: Այժմ մենք տուփ ենք տալիս տիեզերագնացին, և նա թռչում է Մարս: Հենց բացեք տուփը և տեսեք, որ գնդակի վրա շերտագիծը հորիզոնական է, ապա մյուս վանդակում գնդակը ինքնաբերաբար կունենա ուղղահայաց շերտ: Սա կլինի քվանտային խճճվածություն ՝ արտահայտված պարզ բառերով. Մեկ օբյեկտը կանխորոշում է մյուսի դիրքը:

Այնուամենայնիվ, պետք է հասկանալ, որ սա միայն մակերեսային բացատրություն է: Քվանտային խճճվածություն ձեռք բերելու համար անհրաժեշտ է, որ մասնիկները ունեն նույն ծագումը, ինչպես երկվորյակները:

Շատ կարևոր է հասկանալ, որ փորձը կխափանվի, եթե ձեզանից առաջ ինչ -որ մեկը հնարավորություն ունենար նայելու օբյեկտներից գոնե մեկին:

Որտե՞ղ կարող է օգտագործվել քվանտային խճճվածությունը:

Քվանտային խճճվածքի սկզբունքը կարող է օգտագործվել տեղեկատվություն ակնթարթորեն արագ տարածելու համար: Այս եզրակացությունը հակասում է Էյնշտեյնի հարաբերականության տեսությանը: Այն ասում է, որ շարժման առավելագույն արագությունը բնորոշ է միայն լույսի ՝ երեք հարյուր հազար կիլոմետր վայրկյանում: Տեղեկատվության այս փոխանցումը հնարավորություն է տալիս գոյություն ունենալ ֆիզիկական հեռահաղորդակցության:

Աշխարհում ամեն ինչ տեղեկատվություն է, ներառյալ նյութը: Այսպիսի եզրակացության են եկել քվանտային ֆիզիկոսները: 2008 թվականին տեսական տվյալների բազայի հիման վրա հնարավոր եղավ անզեն աչքով տեսնել քվանտային խճճվածությունը:

Սա ևս մեկ անգամ հուշում է, որ մենք կանգնած ենք մեծ հայտնագործությունների շեմին `շարժումներ տարածության և ժամանակի մեջ: Տիեզերքում ժամանակը դիսկրետ է, ուստի հսկայական հեռավորությունների վրա ակնթարթային շարժումը հնարավորություն է տալիս մտնել տարբեր ժամանակային խտությունների մեջ (Էյնշտեյնի, Բորի վարկածների հիման վրա): Թերեւս ապագայում սա իրականություն կդառնա այնպես, ինչպես այսօր բջջային հեռախոսն է:

Աէթերոդինամիկա և քվանտային խճճվածություն

Ըստ որոշ առաջատար գիտնականների `քվանտային խառնաշփոթը բացատրվում է նրանով, որ տարածությունը լցված է որոշակի եթեր` սև նյութով: Elementանկացած տարրական մասնիկ, ինչպես գիտենք, ալիքի և կորպուսկուլի (մասնիկի) տեսքով է: Որոշ գիտնականներ կարծում են, որ բոլոր մասնիկները մուգ էներգիայի «կտավի» վրա են: Սա հեշտ չէ հասկանալ: Փորձենք դա պարզել այլ կերպ ՝ ասոցիացիայի մեթոդով:

Պատկերացրեք ձեզ ծովի ափին: Թեթև քամի և մեղմ քամի: Դուք տեսնում եք ալիքները: Եվ ինչ -որ տեղ հեռվում ՝ արևի ճառագայթների անդրադարձերում, երևում է առագաստանավը:
Նավը կլինի մեր տարրական մասնիկը, իսկ ծովը ՝ եթեր (մութ էներգիա):
Seaովը կարող է շարժվել տեսանելի ալիքների և ջրի կաթիլների տեսքով: Նույն կերպ, բոլոր տարրական մասնիկները կարող են լինել միայն ծով (դրա անբաժանելի մասը) կամ առանձին մասնիկ `կաթիլ:

Սա պարզեցված օրինակ է, ամեն ինչ որոշ չափով ավելի բարդ է: Առանց դիտորդի առկայության մասնիկներն ալիքի տեսքով են և չունեն կոնկրետ տեղորոշում:

Սպիտակ առագաստանավն ընդգծված առարկա է, այն տարբերվում է ծովի ջրի մակերեսից և կառուցվածքից: Նույն կերպ, էներգիայի օվկիանոսում կան «գագաթներ», որոնք մենք կարող ենք ընկալել որպես մեզ հայտնի ուժերի դրսևորում, որոնք կազմել են աշխարհի նյութական մասը:

Միկրոաշխարհը ապրում է իր օրենքներով

Քվանտային խճճվածքի սկզբունքը կարելի է հասկանալ, եթե հաշվի առնենք այն հանգամանքը, որ տարրական մասնիկները ալիքների տեսքով են: Չունենալով հատուկ տեղորոշում և բնութագրեր ՝ երկու մասնիկներն էլ գտնվում են էներգիայի օվկիանոսում: Այն պահին, երբ հայտնվում է դիտորդը, ալիքը «վերածվում» է հպման զգայարանին հասանելի օբյեկտի: Երկրորդ մասնիկը, դիտելով հավասարակշռության համակարգը, ձեռք է բերում հակառակ հատկություններ:

Նկարագրված հոդվածը ուղղված չէ քվանտային աշխարհի տարողունակ գիտական ​​նկարագրություններին: Սովորական մարդուն հասկանալու ունակությունը հիմնված է ներկայացված նյութի ըմբռնման առկայության վրա:

Մասնիկների ֆիզիկան ուսումնասիրում է քվանտային վիճակների խճճվածությունը ՝ հիմնված տարրական մասնիկի պտույտի (պտույտի) վրա:

Գիտական ​​լեզվով (պարզեցված) - քվանտային խճճվածությունը տարբեր կերպ է սահմանվում: Օբյեկտներին դիտելու գործընթացում գիտնականները տեսան, որ կարող է լինել միայն երկու պտույտ `երկայնքով և երկայնքով: Բավականին տարօրինակ է, այլ դիրքերում մասնիկները չեն «կեցվածք» բերում դիտորդի համար:

Նոր վարկած - աշխարհի նոր հայացք

Միկրոաշխարհի ՝ տարրական մասնիկների տարածքի ուսումնասիրությունը առաջացրել է բազմաթիվ վարկածներ և ենթադրություններ: Քվանտային խճճվածքի ազդեցությունը դրդեց գիտնականներին մտածել որոշակի քվանտային միկրոթելքի գոյության մասին: Նրանց կարծիքով, յուրաքանչյուր հանգույցում կա քվանտ `խաչմերուկի կետ: Ամբողջ էներգիան անբաժանելի վանդակ է, և մասնիկների դրսևորումն ու շարժումը հնարավոր է միայն վանդակավոր հանգույցների միջոցով:

Նման վանդակապատի «պատուհանի» չափը բավականին փոքր է, իսկ ժամանակակից սարքավորումներով չափելն անհնար է: Այնուամենայնիվ, այս վարկածը հաստատելու կամ հերքելու համար գիտնականները որոշեցին ուսումնասիրել ֆոտոնների շարժումը տարածական քվանտային վանդակներում: Եզրակացությունն այն է, որ ֆոտոնը կարող է շարժվել կամ ուղիղ կամ զիգզագներով `վանդակաճաղի անկյունագծի երկայնքով: Երկրորդ դեպքում, ավելի մեծ տարածություն անցնելով, նա ավելի շատ էներգիա կծախսի: Ըստ այդմ, այն կտարբերվի ուղիղ գծով շարժվող ֆոտոնից:

Թերեւս ժամանակի ընթացքում մենք կիմանանք, որ մենք ապրում ենք տարածական քվանտային ցանցում: Կամ գուցե դա ճիշտ չէ: Այնուամենայնիվ, դա քվանտային խճճվածության սկզբունքն է, որը վկայում է վանդակաճաղի գոյության հնարավորության մասին:

Պարզ ասած, տարածական «խորանարդի» հիպոթետիկ բնութագրմամբ մեկ երեսի սահմանումը մյուսի հստակ հակառակ իմաստն է կրում: Սա տարածության և ժամանակի կառուցվածքի պահպանման սկզբունքն է:

Էպիլոգ

Քվանտային ֆիզիկայի կախարդական ու խորհրդավոր աշխարհը հասկանալու համար արժե ուշադիր նայել վերջին հինգ հարյուր տարվա ընթացքում գիտության զարգացմանը: Նախկինում Երկիրը հարթ էր, ոչ գնդաձև: Պատճառն ակնհայտ է. Եթե վերցնես դրա կլոր ձևը, ապա ջուրն ու մարդիկ չեն կարողանա դիմադրել:

Ինչպես տեսնում ենք, խնդիրը գոյություն ուներ գործող բոլոր ուժերի ամբողջական տեսլականի բացակայության պայմաններում: Հնարավոր է, որ ժամանակակից գիտությանը բացակայում է քվանտային ֆիզիկան հասկանալու գործող բոլոր ուժերի տեսլականը: Տեսողության բացերը ծնում են հակասությունների և պարադոքսների համակարգ: Թերեւս քվանտային մեխանիկայի կախարդական աշխարհը պարունակում է այս հարցերի պատասխանները:

Ինչպե՞ս են ժամանակակից տեսական ֆիզիկոսները մշակում աշխարհը նկարագրող նոր տեսություններ: Ի՞նչ են նրանք ավելացնում քվանտային մեխանիկայի և ընդհանուր հարաբերականության մեջ `« ամեն ինչի տեսություն »կառուցելու համար: Ի՞նչ սահմանափակումներ են քննարկվում «նոր ֆիզիկայի» բացակայության մասին խոսող հոդվածներում: Այս բոլոր հարցերին կարելի է պատասխանել, եթե պարզեք, թե ինչ է դա գործողություն- բոլոր գոյություն ունեցող ֆիզիկական տեսությունների հիմքում ընկած օբյեկտը: Այս հոդվածում ես կբացատրեմ, թե ինչ են հասկանում ֆիզիկոսները գործողությամբ, ինչպես նաև ցույց կտամ, թե ինչպես կարելի է այն օգտագործել իրական ֆիզիկական տեսություն կառուցելու համար `օգտագործելով ընդամենը մի քանի պարզ ենթադրություններ տվյալ համակարգի հատկությունների վերաբերյալ:

Ես անմիջապես զգուշացնում եմ ձեզ. Հոդվածը պարունակում է բանաձևեր և նույնիսկ պարզ հաշվարկներ: Այնուամենայնիվ, միանգամայն հնարավոր է դրանք բաց թողնել ՝ առանց հասկանալու համար մեծ վնաս հասցնելու: Ընդհանրապես, ես այստեղ ներկայացնում եմ բանաձևեր միայն այն հետաքրքրված ընթերցողների համար, ովքեր, անշուշտ, ցանկանում են դա ինքնուրույն պարզել:

Հավասարումներ

Ֆիզիկան նկարագրում է մեր աշխարհը ՝ օգտագործելով հավասարումներ, որոնք կապում են տարբեր ֆիզիկական մեծություններ ՝ արագություն, ուժ, մագնիսական դաշտի ուժ և այլն: Գրեթե բոլոր նման հավասարումները դիֆերենցիալ են, այսինքն ՝ դրանք պարունակում են ոչ միայն մեծություններից կախված գործառույթներ, այլև դրանց ածանցյալներ: Օրինակ, կետային մարմնի շարժումը նկարագրող ամենապարզ հավասարումներից մեկը պարունակում է նրա կոորդինատի երկրորդ ածանցյալը.

Այստեղ ես երկրորդ անգամ ածանցյալը նշեցի երկու կետով (համապատասխանաբար, մեկ կետը կնշանակի առաջին ածանցյալը): Իհարկե, սա Նյուտոնի երկրորդ օրենքն է, որը նա հայտնաբերել է 17 -րդ դարի վերջին: Նյուտոնը առաջիններից մեկն էր, ով գիտակցեց այս տեսքով շարժման հավասարումները գրելու անհրաժեշտությունը, ինչպես նաև մշակեց դրանք լուծելու համար անհրաժեշտ դիֆերենցիալ և ինտեգրալ հաշիվը: Իհարկե, ֆիզիկայի օրենքների մեծ մասը շատ ավելի բարդ են, քան Նյուտոնի երկրորդ օրենքը: Օրինակ, հիդրոդինամիկայի հավասարումների համակարգն այնքան բարդ է, որ գիտնականները դեռ չգիտեն `դա ընդհանրապես լուծելի է, թե ոչ: Այս համակարգի լուծումների առկայության և հարթության խնդիրը նույնիսկ ներառված է «Հազարամյակի հիմնախնդիրների» ցանկում, և դրա լուծման համար Կլեյ մաթեմատիկական ինստիտուտը պարգևատրեց մեկ միլիոն դոլար մրցանակով:

Այնուամենայնիվ, ինչպես են ֆիզիկոսները գտնում այս դիֆերենցիալ հավասարումները: Երկար ժամանակ նոր տեսությունների միակ աղբյուրը փորձն էր: Այլ կերպ ասած, առաջին հերթին, գիտնականը չափեց մի քանի ֆիզիկական մեծություններ, և միայն դրանից հետո փորձեց պարզել, թե ինչպես են դրանք կապված: Օրինակ, այսպես Կեպլերը հայտնաբերեց երկնային մեխանիկայի երեք հայտնի օրենքներ, որոնք հետագայում Նյուտոնին տարան դեպի գրավիտացիայի իր դասական տեսությունը: Պարզվեց, որ փորձը կարծես «առաջ էր անցնում տեսությունից»:

Modernամանակակից ֆիզիկայում ամեն ինչ մի փոքր այլ կերպ է դասավորվում: Իհարկե, փորձը դեռ շատ կարևոր դեր է խաղում ֆիզիկայում: Առանց փորձնական հաստատման, ցանկացած տեսություն պարզապես մաթեմատիկական մոդել է `խաղալիք մտքի համար, որը կապված չէ իրական աշխարհի հետ: Այնուամենայնիվ, այժմ ֆիզիկոսները ստանում են մեր աշխարհը նկարագրող հավասարումներ, ոչ թե փորձարարական փաստերի էմպիրիկ ընդհանրացմամբ, այլ դրանք բխում են «առաջին սկզբունքներից», այսինքն ՝ նկարագրված համակարգի հատկությունների վերաբերյալ պարզ ենթադրությունների հիման վրա (օրինակ ՝ տարածություն-ժամանակ կամ էլեկտրամագնիսական դաշտ): Ի վերջո, փորձից որոշվում են միայն տեսության պարամետրերը `կամայական գործակիցներ, որոնք ներառված են տեսաբանի ստացած հավասարման մեջ: Այս դեպքում տեսական ֆիզիկայում առանցքային դերը կատարում է նվազագույն գործողության սկզբունքը, որն առաջին անգամ ձևակերպեց Պիեռ Մոպերտուիսը 18 -րդ դարի կեսերին և վերջապես ընդհանրացրեց 19 -րդ դարի սկզբին Ուիլյամ Համիլթոնը:

Գործողություն

Ի՞նչ է գործողությունը: Առավել ընդհանուր ձևակերպման մեջ գործողությունը ֆունկցիոնալ է, որը կապում է համակարգի հետագիծը (այսինքն ՝ կոորդինատների և ժամանակի գործառույթը) որոշակի թվի հետ: Իսկ նվազագույն գործողությունների սկզբունքը նշում է, որ ճիշտհետագիծը գործողությունը կլինի նվազագույն. Այս բամբասանքների իմաստը հասկանալու համար հաշվի առեք հետևյալ պատկերազարդ օրինակը ՝ վերցված Ֆեյնմանի ֆիզիկայի դասախոսություններից:

Ենթադրենք, մենք ուզում ենք իմանալ ծանրության դաշտում տեղադրված մարմնի հետագիծը: Պարզության համար մենք ենթադրենք, որ շարժումն ամբողջությամբ նկարագրված է բարձրությամբ x(տ), այսինքն ՝ մարմինը շարժվում է ուղղահայաց գծով: Ենթադրենք, որ մենք գիտենք միայն այն շարժման մասին, որը մարմինը սկսում է կետից x 1 ժամանակին տ 1 և գալիս է կետին x 2 այս պահին տ 2, և ճանապարհորդության ընդհանուր ժամանակը կազմում է Տ = տ 2 − տ 1. Հաշվի առեք գործառույթը Լհավասար է կինետիկ էներգիայի տարբերությանը Դեպիև պոտենցիալ էներգիա ԱԱ: Լ = Դեպի − ԱԱ... Ենթադրենք, որ պոտենցիալ էներգիան կախված է միայն մասնիկի կոորդինատից x(տ), իսկ կինետիկ - միայն դրա արագության վրա ẋ (տ): Մենք նաև սահմանում ենք գործողություն- ֆունկցիոնալ Սհավասար է միջինին Լշարժման ամբողջ ժամանակի համար. Ս = ∫ Լ(x, ẋ , տդ) տ.

Ակնհայտ է, որ արժեքը Սէապես կախված կլինի հետագծի ձևից x(տ) - իրականում, դրա համար մենք այն անվանում ենք ֆունկցիոնալ, այլ ոչ թե գործառույթ: Եթե ​​մարմինը չափազանց բարձրանա (հետագիծ 2), միջին պոտենցիալ էներգիան կաճի, և եթե այն սկսի շատ հաճախ շրջվել (հետագիծ 3), կինետիկ էներգիան կաճի. Ի վերջո, մենք ենթադրեցինք, որ շարժման ընդհանուր ժամանակը ճշգրիտ է հավասար է Տ, ինչը նշանակում է, որ մարմինը պետք է բարձրացնի իր արագությունը, որպեսզի ժամանակ ունենա անցնելու բոլոր շրջադարձերը: Փաստորեն, ֆունկցիոնալ Սհասնում է նվազագույնի որոշ օպտիմալ հետագծի վրա, որը կետերով անցնող պարաբոլայի հատված է x 1 և x 2 (հետագիծ 1): Երջանիկ զուգադիպությամբ այս հետագիծը համընկնում է Նյուտոնի երկրորդ օրենքով կանխատեսվող հետագծի հետ:

Կետերը միացնող ուղիների օրինակներ x 1 և x 2 Իսկական հետագծի տատանումով ստացված հետագիծը նշվում է մոխրագույնով: Ուղղահայաց ուղղությունը համապատասխանում է առանցքին x, հորիզոնական - առանցքներ տ

Արդյո՞ք այս զուգադիպությունը պատահականություն է: Իհարկե, ոչ պատահական: Սա ցույց տալու համար ենթադրենք, որ մենք գիտենք իրական հետագիծը և հաշվի ենք առնում այն տատանումները... Տատանում δ x(տ) հետագծի նման լրացում է x(տ), որը փոխում է իր ձևը, բայց թողնում է սկզբի և վերջի կետերը իրենց տեղում (տես նկարը): Եկեք տեսնենք, թե ինչ արժեք է ստանում գործողությունը հետագծերի վրա, որոնք իրական հետագծից տարբերվում են անսահմանափակ տատանումներով: Գործառույթի ընդլայնում Լև ինտեգրալը հաշվարկելով մասերի վրա, մենք ստանում ենք այդ փոփոխությունը Սδ տատանումին համամասնական x:

Ահա այն փաստը, որ կետերի տատանումները x 1 և x 2 -ը հավասար է զրոյի, ինչը հնարավորություն տվեց հրաժարվել այն մասերից, որոնք ի հայտ են գալիս մասերի ինտեգրումից հետո: Ստացված արտահայտությունը շատ նման է ածանցյալի բանաձևին, որը գրված է դիֆերենցիալ առումով: Իրոք, δ արտահայտությունը Ս/δ xերբեմն կոչվում է վարիացիոն ածանցյալ: Շարունակելով այս անալոգիան ՝ մենք եզրակացնում ենք, որ ավելացնելով δ փոքր հավելում xդեպի իսկական հետագիծ, գործողությունը չպետք է փոխվի, այսինքն ՝ δ Ս= 0. Քանի որ գումարումը կարող է գրեթե կամայական լինել (մենք ամրագրել ենք միայն դրա ծայրերը), դա նշանակում է, որ ինտեգրանը նույնպես անհետանում է: Այսպիսով, իմանալով գործողությունը, կարելի է ձեռք բերել համակարգի շարժումը նկարագրող դիֆերենցիալ հավասարում ՝ Էյլեր -Լագրանժի հավասարումը:

Եկեք վերադառնանք մեր խնդրին ՝ կապված ձգողության դաշտում շարժվող մարմնի հետ: Հիշեցնեմ, որ մենք սահմանել ենք գործառույթը Լորպես մարմնի կինետիկ և պոտենցիալ էներգիայի տարբերություն: Այս արտահայտությունը փոխարինելով Էյլեր-Լագրանժի հավասարման մեջ, մենք իսկապես ստանում ենք Նյուտոնի երկրորդ օրենքը: Իրոք, մեր ենթադրությունը գործառույթի ձևի մասին Լշատ հաջող ստացվեց.

Ստացվում է, որ գործողության օգնությամբ կարելի է գրել շարժման հավասարումները շատ կարճ տեսքով, ասես «փաթեթավորել» գործառույթի ներսում համակարգի բոլոր հատկությունները Լ... Սա ինքնին բավականին հետաքրքիր է: Այնուամենայնիվ, գործողությունը միայն մաթեմատիկական աբստրակցիա չէ, այն ունի խորը ֆիզիկական նշանակություն: Ընդհանրապես, ժամանակակից տեսական ֆիզիկոսը նախ դուրս է գրում գործողությունը, և միայն դրանից հետո եզրակացնում շարժման հավասարումները և ուսումնասիրում դրանք: Շատ դեպքերում համակարգի համար գործողություն կարող է իրականացվել ՝ կատարելով միայն դրա հատկությունների վերաբերյալ ամենապարզ ենթադրությունները: Եկեք տեսնենք, թե ինչպես դա կարելի է անել մի քանի օրինակով:

Ազատ հարաբերական մասնիկ

Երբ Էյնշտեյնը կառուցում էր հարաբերականության հատուկ տեսությունը (STR), նա ներկայացրեց մի քանի պարզ պնդումներ մեր տարածության և ժամանակի հատկությունների վերաբերյալ: Նախ, այն միատարր է և իզոտրոպ, այսինքն ՝ չի փոխվում վերջավոր տեղաշարժերով և պտույտներով: Այլ կերպ ասած, կարևոր չէ, թե որտեղ եք գտնվում ՝ Երկրի վրա, Յուպիտերի վրա կամ Փոքր Մագելանյան ամպ գալակտիկայում, այս բոլոր կետերում ֆիզիկայի օրենքները գործում են նույն կերպ: Բացի այդ, դուք ոչ մի տարբերություն չեք նկատի, եթե միատեսակ շարժվեք ուղիղ գծով. Սա Էյնշտեյնի հարաբերականության սկզբունքն է: Երկրորդ, ոչ մի մարմին չի կարող գերազանցել լույսի արագությունը: Սա բերում է նրան, որ տարբեր հղումների շրջանակների միջև անցման ընթացքում արագությունների և ժամանակի վերահաշվարկի սովորական կանոնները `Գալիլեոյի փոխակերպումները, պետք է փոխարինվեն ավելի ճիշտ Լորենցի փոխակերպումներով: Արդյունքում, իսկապես հարաբերական մեծությունը, որը նույնն է բոլոր հղումների շրջանակներում, ոչ թե հեռավորությունն է, այլ միջակայքը `մասնիկի ճիշտ ժամանակը: Ընդմիջում ս 1 − սԵրկու տրված կետերի միջև 2 -ը կարելի է գտնել հետևյալ բանաձևի միջոցով, որտեղ գ- լույսի արագություն.

Ինչպես տեսանք նախորդ մասում, բավական է, որ մենք գրենք ազատ մասնիկի գործողությունը, որպեսզի գտնենք նրա շարժման հավասարումը: Խելամիտ է ենթադրել, որ գործողությունը հարաբերական անփոփոխ է, այսինքն ՝ նույնն է թվում տարբեր հղումների շրջանակներում, քանի որ դրանցում ֆիզիկական օրենքները նույնն են: Բացի այդ, մենք կցանկանայինք գործողությունը հնարավորինս պարզ պահել (բարդ արտահայտությունները կթողնենք հետագայում): Ամենապարզ հարաբերական անփոփոխականը, որը կարող է կապված լինել կետային մասնիկի հետ, նրա համաշխարհային գծի երկարությունն է: Այս անփոփոխը որպես գործողություն ընտրելը (այնպես, որ արտահայտության չափսերը ճիշտ լինեն, այն բազմապատկում ենք գործակիցով - մկ) և փոխելով այն, մենք ստանում ենք հետևյալ հավասարումը.

Պարզ ասած, ազատ հարաբերական մասնիկի 4-արագացումը պետք է լինի զրո: 4-արագացումը, ինչպես և 4-արագությունը, արագացման և արագության հասկացությունների ընդհանրացումն է դեպի քառաչափ տարածություն-ժամանակ: Արդյունքում, ազատ մասնիկը կարող է շարժվել միայն տրված ուղիղ գծի երկայնքով ՝ հաստատուն 4 արագությամբ: Lowածր արագությունների սահմաններում միջակայքի փոփոխությունը գործնականում համընկնում է ժամանակի փոփոխության հետ, և, հետևաբար, մեր կողմից ձեռք բերված հավասարումը փոխակերպվում է Նյուտոնի երկրորդ օրենքի վերևում արդեն քննարկվածի. մẍ= 0. Մյուս կողմից, 4 արագացման զրոյի հավասարության պայմանը կատարվում է ազատ մասնիկի և ընդհանուր հարաբերականության համար, միայն դրա մեջ տարածություն-ժամանակն արդեն սկսում է թեքվել, և մասնիկը պարտադիր չէ, որ շարժվի ուղիղ գիծ նույնիսկ արտաքին ուժերի բացակայության դեպքում:

Էլեկտրամագնիսական դաշտ

Ինչպես գիտեք, էլեկտրամագնիսական դաշտը արտահայտվում է լիցքավորված մարմինների հետ փոխազդեցության մեջ: Սովորաբար այս փոխազդեցությունը նկարագրվում է օգտագործելով էլեկտրական և մագնիսական դաշտերի վեկտորները, որոնք կապված են չորս Մաքսվելի հավասարումների համակարգով: Մաքսվելի հավասարումների գրեթե սիմետրիկ ձևը հուշում է, որ այդ դաշտերը անկախ սուբյեկտներ չեն. Այն, ինչ մեզ թվում է որպես էլեկտրական դաշտ, հղման մեկ շրջանակում, կարող է վերածվել մագնիսական դաշտի, եթե անցնենք մեկ այլ շրջանակի:

Իրոք, հաշվի առեք մի մետաղալար, որի երկայնքով էլեկտրոններն աշխատում են նույն և հաստատուն արագությամբ: Էլեկտրոնների հետ կապված հղումների շրջանակում կա միայն մշտական ​​էլեկտրական դաշտ, որը կարելի է գտնել Կուլոնի օրենքի միջոցով: Այնուամենայնիվ, սկզբնական հղումների շրջանակում էլեկտրոնների շարժը ստեղծում է մշտական ​​էլեկտրական հոսանք, որն իր հերթին առաջացնում է մշտական ​​մագնիսական դաշտ (Բիո-Սավարտի օրենք): Միևնույն ժամանակ, հարաբերականության սկզբունքի համաձայն, մեր ընտրած հղումների շրջանակներում ֆիզիկայի օրենքները պետք է համընկնեն: Սա նշանակում է, որ և՛ էլեկտրական, և՛ մագնիսական դաշտերը մեկ, ավելի ընդհանուր էության մաս են:

Տենսորներ

Մինչև էլեկտրոդինամիկայի կովարիանտ ձևակերպմանը անցնելը, արժե մի քանի բառ ասել հատուկ և ընդհանուր հարաբերականության մաթեմատիկայի մասին: Այս տեսությունների մեջ ամենակարևոր դերը կատարում է թենսորի հասկացությունը (իսկ ժամանակակից այլ տեսություններում նույնպես, ճիշտն ասած): Եթե ​​բավականին կոպիտ, ապա աստիճանի թենզորը ( n, մ) կարելի է համարել որպես ( n+մ) -ծավալային մատրիցա, որի բաղադրիչները կախված են կոորդինատներից և ժամանակից: Բացի այդ, թենսորը պետք է որոշակի բարդ ձևով փոխվի, երբ հղման մի շրջանակից մյուսը տեղափոխվում է կամ երբ փոխվում է կոորդինատային ցանցը: Շգրիտ կերպով, թե ինչպես է այն որոշում հակամարմինների և կովարիանտների ինդեքսների քանակը ( nեւ մհամապատասխանաբար): Այս դեպքում տենսորը, որպես ֆիզիկական էություն, չի փոխվում նման փոխակերպումների ներքո, ինչպես որ 4-վեկտորը, որը 1-ին աստիճանի թենզորի հատուկ դեպք է, չի փոխվում դրանց տակ:

Տենսորի բաղադրիչները համարակալվում են ինդեքսների միջոցով: Հարմարության համար վերնագրերն ու ենթագրերը առանձնանում են, որպեսզի անմիջապես տեսնեն, թե ինչպես է փոխվում տենսորը, երբ փոխվում են կոորդինատները կամ հղման շրջանակը: Օրինակ, տենսորային բաղադրիչը Տաստիճանը (3, 0) գրված է որպես Տαβγ, և թենսորը Uկոչում (2, 1) - աս Uα β γ Ըստ հաստատված ավանդույթի ՝ քառաչափ տենսորների բաղադրիչները համարակալված են հունարեն տառերով, իսկ եռաչափերը ՝ լատիներեն: Այնուամենայնիվ, որոշ ֆիզիկոսներ նախընտրում են հակառակն անել (օրինակ ՝ Լանդաու):

Բացի այդ, հակիրճության համար Էյնշտեյնն առաջարկեց չգրել «Σ» գումարի նշանը, երբ ծալովի արտահայտությունները ծալելիս: Կոնվոլյուցիան տենսորի գումարումն է երկու տրված ինդեքսի վրա, որոնցից մեկը պետք է լինի «վերև» (հակասական), իսկ մյուսը ՝ «ներքև» (կովարիանտ): Օրինակ ՝ մատրիցայի հետքը հաշվարկելու համար - աստիճանի թենզոր (1, 1) - անհրաժեշտ է այն պտտել երկու առկա ինդեքսներով ՝ Tr [ Ա μ ν ] = Σ Ա μ μ = Աμ μ Դուք կարող եք բարձրացնել և իջեցնել ինդեքսները ՝ օգտագործելով մետրային թենսորը. Տ αβ γ = Տ αβμ է μγ .

Ի վերջո, հարմար է ներդնել բացարձակապես հակասիմետրիկ կեղծ կուտակիչ ε μνρσ, թենսոր, որը փոխում է նշանը ինդեքսների ցանկացած փոփոխության դեպքում (օրինակ ՝ ε μνρσ = −ε νμρσ), և որի համար ε 1234 = +1 բաղադրիչը: Այն կոչվում է նաեւ Levi-Civita tensor: Երբ կոորդինատային համակարգը պտտվում է, ε μνρσ- ն իրեն պահում է սովորական տենսորի նման, բայց շրջվում է (փոխարինում, ինչպիսին է x → −x) այն փոխակերպվում է այլ կերպ:

Իրոք, էլեկտրական և մագնիսական դաշտերի վեկտորները միավորվում են մի կառույցի, որն անփոփոխ է Լորենցի փոխակերպումների ներքո, այսինքն ՝ այն չի փոխվում, երբ անցնում են տարբեր (իներցիոն) հղումների շրջանակների միջև: Սա էլեկտրամագնիսական դաշտի այսպես կոչված տենսոր է Ֆμν Առավել հստակ, այն կգրվի հետևյալ մատրիցայի տեսքով.

Այստեղ էլեկտրական դաշտի բաղադրիչները նշվում են տառով Է, իսկ մագնիսական դաշտի բաղադրիչները `տառով Հ... Հեշտ է տեսնել, որ էլեկտրամագնիսական դաշտի տենսորը հակասիմետրիկ է, այսինքն ՝ անկյունագծի հակառակ կողմերում դրա բաղադրիչները հավասար են մեծության և ունեն հակառակ նշաններ: Եթե ​​ցանկանում ենք Մաքսվելի հավասարումները ստանալ «առաջին սկզբունքներից», ապա պետք է դուրս գրենք էլեկտրադինամիկայի գործողությունը: Դա անելու համար մենք պետք է կառուցենք մեր ունեցած տենսորային օբյեկտների ամենապարզ մասշտաբային համադրությունը ՝ այս կամ այն ​​կերպ կապված դաշտի կամ տարածություն-ժամանակի հատկությունների հետ:

Եթե ​​մտածեք դրա մասին, մենք քիչ ընտրություն ունենք. Միայն դաշտի թենսորը կարող է հանդես գալ որպես «շինանյութ» Ֆμν, մետրային թենսոր էμν և բացարձակ հակասիմետրիկ թենսոր ε μνρσ. Նրանցից կարելի է հավաքել միայն երկու մասշտաբային համակցություններ, և դրանցից մեկը լիարժեք ածանցյալ է, այսինքն ՝ կարելի է անտեսել Էյլեր -Լագրանժի հավասարումները բխելիս. Ինտեգրումից հետո այս հատվածը պարզապես կանհետանա: Ընտրելով մնացած համադրությունը որպես գործողություն և փոփոխելով այն, մենք ստանում ենք մի զույգ Մաքսվելի հավասարումներ `համակարգի կեսը (առաջին տող): Թվում էր, թե մենք երկու հավասարումներ բաց թողեցինք: Այնուամենայնիվ, իրականում, մենք կարիք չունենք դուրս գրելու գործողությունը `մնացած հավասարումները ստանալու համար. Դրանք ուղղակիորեն բխում են թենզորի հակահամաչափությունից Ֆμν (երկրորդ տող):

Եվ կրկին մենք ստացանք շարժման ճիշտ հավասարումներ ՝ որպես գործողություն ընտրելով հնարավորինս պարզագույն համադրությունը: Իշտ է, քանի որ մենք հաշվի չէինք առնում մեր տարածքում լիցքերի առկայությունը, մենք ստացել ենք հավասարումներ ազատ դաշտի, այսինքն ՝ էլեկտրամագնիսական ալիքի համար: Տեսությանը մեղադրանքներ ավելացնելիս պետք է հաշվի առնել նաև դրանց ազդեցությունը: Սա արվում է գործողության մեջ դնելով 4 ընթացիկ վեկտորը:

Ձգողականություն

Leastամանակին նվազագույն գործողությունների սկզբունքի իրական հաղթանակը հարաբերականության ընդհանուր տեսության (GR) կառուցումն էր: Նրա շնորհիվ առաջին հերթին ստացվեցին շարժման օրենքները, որոնք գիտնականները չկարողացան ստանալ փորձնական տվյալների վերլուծության արդյունքում: Կամ նրանք կարող էին, բայց ժամանակ չունեին: Փոխարենը, Էյնշտեյնը (և Հիլբերտը, եթե կուզեք) հավասարումները բերեց մետրիկի ՝ սկսած տարածության ժամանակի հատկությունների վերաբերյալ ենթադրություններից: Այդ պահից սկսած տեսական ֆիզիկան սկսեց «առաջ անցնել» փորձարարական ֆիզիկայից:

Ընդհանուր հարաբերականության մեջ մետրը դադարում է հաստատուն լինել (ինչպես հարաբերականության հատուկ դեպքում) և սկսում է կախված լինել դրանում տեղադրված էներգիայի խտությունից: Նկատի ունեցեք, որ ավելի ճիշտ է էներգիայի, այլ ոչ թե զանգվածի մասին խոսելը, չնայած այս երկու մեծությունները փոխկապակցված են Է = մկ 2 -ը ՝ իր անդրադարձի շրջանակներում: Հիշեցնեմ, որ մետրիկը սահմանում է երկու կետերի միջև հեռավորության հաշվարկման կանոնները (խստորեն ասած, անսահման մոտ կետեր): Կարևոր է, որ չափումը կախված չլինի կոորդինատային համակարգի ընտրությունից: Օրինակ ՝ հարթ եռաչափ տարածությունը կարելի է նկարագրել ՝ օգտագործելով Կարտեզյան կամ գնդաձև կոորդինատային համակարգ, բայց երկու դեպքում էլ տարածքի մետրականությունը նույնը կլինի:

Vityանրության համար գործողությունը դուրս գրելու համար մենք պետք է կառուցենք չափիչից մի քանի անփոփոխ, որը չի փոխվի, երբ փոխվի կոորդինատային ցանցը: Ամենապարզ նման անփոփոխը մետրային որոշիչն է: Այնուամենայնիվ, եթե այն միայն ներառենք գործողության մեջ, չենք ստանա դիֆերենցիալհավասարումը, քանի որ այս արտահայտությունը չի պարունակում մետրիկի ածանցյալներ: Եվ եթե հավասարումը դիֆերենցիալ չէ, այն չի կարող նկարագրել իրավիճակներ, որոնցում մետրը փոխվում է ժամանակի ընթացքում: Հետեւաբար, մենք պետք է գործողությանը ավելացնենք ամենապարզ անփոփոխականը, որը պարունակում է ածանցյալներ էμν Այդպիսի անփոփոխ է այսպես կոչված Ricci scalar- ը Ռ, որը ստացվում է Ռիմանի թենզորի կոնվուլյացիայով Ռμνρσ, նկարագրելով տարածության և ժամանակի կորությունը.

Ռոբերտ Քաուզ-Բեյքեր / flickr.com

Ամեն ինչի տեսությունը

Վերջապես, ժամանակն է խոսել «ամեն ինչի տեսության» մասին: Սա մի քանի տեսությունների անուն է, որոնք փորձում են համատեղել ընդհանուր հարաբերականությունն ու Ստանդարտ մոդելը `այս պահին հայտնի երկու հիմնական ֆիզիկական տեսությունները: Գիտնականները նման փորձեր են անում ոչ միայն գեղագիտական ​​նկատառումներով (որքան քիչ տեսություններ են անհրաժեշտ աշխարհը հասկանալու համար, այնքան լավ), այլև ավելի հիմնավոր պատճառներով:

Ինչպես GR, այնպես էլ Ստանդարտ մոդելը կիրառելիության սահմաններ ունեն, որից հետո նրանք դադարում են աշխատել: Օրինակ, ընդհանուր հարաբերականությունը կանխատեսում է եզակիությունների առկայություն - կետեր, որոնցում էներգիայի խտությունը, և, հետևաբար, տարածություն -ժամանակի կորությունը, ձգտում են դեպի անսահմանություն: Անսահմանությունները ոչ միայն ինքնին տհաճ են. Բացի այս խնդրից, Ստանդարտ մոդելը պնդում է, որ էներգիան չի կարող տեղայնացվել ինչ -որ պահի, այն պետք է քսվի որոշ, թեկուզև փոքր, ծավալների վրա: Հետևաբար, եզակիության մոտ ինչպես ընդհանուր հարաբերականության, այնպես էլ Ստանդարտ մոդելի էֆեկտները պետք է մեծ լինեն: Միևնույն ժամանակ, GRT- ն դեռ քվանտացված չէ, և Ստանդարտ մոդելը կառուցվում է հարթ տարածություն-ժամանակի ենթադրության հիման վրա: Եթե ​​մենք ուզում ենք հասկանալ, թե ինչ է կատարվում եզակիությունների շուրջ, մենք պետք է մշակենք մի տեսություն, որը կներառի այս երկու տեսություններն էլ:

Հաշվի առնելով անցյալում նվազագույն գործողությունների սկզբունքի հաջողությունը ՝ գիտնականները դրա վրա հիմնում են նոր տեսություն կառուցելու իրենց բոլոր փորձերը: Հիշո՞ւմ եք, մենք դիտարկեցինք միայն ամենապարզ համադրությունները, երբ գործողությունը կառուցեցինք տարբեր տեսությունների համար: Հետո մեր գործողությունները պսակվեցին հաջողությամբ, բայց դա ամենևին չի նշանակում, որ ամենապարզ գործողությունը ամենաճիշտն է: Ընդհանրապես, բնությունը պարտավոր չէ հարմարեցնել իր օրենքները ՝ մեր կյանքը պարզեցնելու համար:

Հետևաբար, ողջամիտ է գործողության մեջ ներառել հետևյալ, ավելի բարդ անփոփոխ մեծությունները և տեսնել, թե ուր է դա տանում: Սա որոշ չափով հիշեցնում է ֆունկցիայի հաջորդական մոտարկումը երբևէ ավելի բարձր աստիճանի բազմանդամներով: Այստեղ միակ խնդիրն այն է, որ բոլոր նման փոփոխություններն ուժի մեջ են մտնում որոշ անհայտ գործակիցներով, որոնք տեսականորեն հնարավոր չէ հաշվարկել: Բացի այդ, քանի որ Ստանդարտ մոդելը և ընդհանուր հարաբերականությունը լավ են աշխատում, այդ գործակիցները պետք է շատ փոքր լինեն, հետևաբար, դրանք դժվար է որոշել փորձից: «Նոր ֆիզիկայի սահմանափակումներին» վերաբերող բազմաթիվ աշխատանքներ ճշգրիտ ուղղված են տեսության ավելի բարձր կարգերի գործակիցների որոշմանը: Մինչ այժմ նրանց հաջողվել է միայն սահմանափակումներ գտնել վերևից:

Բացի այդ, կան մոտեցումներ, որոնք ներկայացնում են նոր, ոչ մանրուք հասկացություններ: Օրինակ ՝ լարերի տեսությունը ենթադրում է, որ մեր աշխարհի հատկությունները կարելի է նկարագրել ՝ օգտագործելով ոչ թե կետային, այլ ընդլայնված առարկաների ՝ տողերի տատանումներ: Unfortunatelyավոք, լարերի տեսության փորձնական հաստատում դեռ չի գտնվել: Օրինակ, նա կանխատեսեց որոշ արագացուցիչ գրգռումներ, բայց դրանք երբեք չերևացին:

Ընդհանուր առմամբ, դեռ չի երեւում, որ գիտնականները մոտ են «ամեն ինչի տեսություն» բացահայտմանը: Հավանաբար, տեսաբանները ստիպված կլինեն էապես նոր բան գտնել: Այնուամենայնիվ, կասկած չկա, որ առաջին բանը, որ նրանք կգրեն նոր տեսության համար, գործողությունն է:

***

Եթե ​​այս ամբողջ պատճառաբանությունը ձեզ թվում էր բարդ, և դուք առանց կարդալու թերթեցիք հոդվածը, ահա այն փաստերի համառոտ ամփոփումը, որոնք քննարկվեցին դրանում: Նախ, բոլոր ժամանակակից ֆիզիկական տեսությունները այս կամ այն ​​կերպ ապավինում են հայեցակարգին գործողությունները- մեծություն, որը նկարագրում է, թե որքան է համակարգը «սիրում» շարժման այս կամ այն ​​հետագիծը: Երկրորդ, համակարգի շարժման հավասարումները կարելի է ձեռք բերել ՝ հետագիծը փնտրելով, որի վրա կատարվում է գործողությունը նվազագույնըիմաստը. Երրորդ, գործողությունը կարող է կառուցվել ՝ օգտագործելով համակարգի հատկությունների վերաբերյալ ընդամենը մի քանի տարրական ենթադրություններ: Օրինակ, որ ֆիզիկայի օրենքները համընկնում են հղումների շրջանակներում, որոնք շարժվում են տարբեր արագություններով: Չորրորդ, «ամեն ինչի տեսության» հավակնորդներից ոմանք ստացվում են Ստանդարտ մոդելին և GRT- ին պարզապես տերմիններ ավելացնելով, որոնք խախտում են այս տեսությունների ենթադրությունները: Օրինակ ՝ Լորենցի անփոփոխությունը: Եթե ​​հոդվածը կարդալուց հետո հիշում եք թվարկված հայտարարությունները, սա արդեն լավ է: Եվ եթե դուք նույնպես հասկանում եք, թե որտեղից են դրանք գալիս, պարզապես հիանալի է:

Դմիտրի Տրունին

Անգլիացի ֆիզիկոս Իսահակ Նյուտոնը գիրք է հրատարակել, որում բացատրել է առարկաների շարժը և ձգողության սկզբունքը: «Բնական փիլիսոփայության մաթեմատիկական սկզբունքները» աշխարհում բաներ են տվել հաստատված վայրեր: Պատմությունը պատմում է, որ 23 տարեկանում Նյուտոնը գնացել է այգի և տեսել, թե ինչպես է խնձորը ընկնում ծառից: Այն ժամանակ ֆիզիկոսները գիտեին, որ Երկիրն ինչ -որ կերպ ձգում է առարկաներ ձգողականության միջոցով: Նյուտոնը մշակեց այս գաղափարը:

Ըստ Նյուտոնի օգնական Johnոն Կոնդուիտի, երբ նա տեսավ, որ խնձորը ընկնում է գետնին, Նյուտոնը ստացավ այն միտքը, որ գրավիտացիոն ուժը «չի սահմանափակվում երկրից որոշակի հեռավորությամբ, այլ ընդլայնվում է շատ ավելի, քան սովորաբար ենթադրվում էր»: Ըստ Conduitt- ի, Նյուտոնը հարց է տվել. Ինչու՞ ոչ դեպի լուսին:

Իր ենթադրություններից ոգեշնչված ՝ Նյուտոնը մշակեց ձգողության օրենքը, որը հավասարապես լավ աշխատեց Երկրի վրա խնձորների և Արեգակի շուրջ պտտվող մոլորակների հետ: Այս բոլոր առարկաները, չնայած իրենց տարբերություններին, ենթարկվում են նույն օրենքներին:

«Մարդիկ կարծում էին, որ նա բացատրեց այն ամենը, ինչ բացատրության կարիք ուներ», - ասում է Բերոուն: «Նրա նվաճումը մեծ էր»:

Խնդիրն այն է, որ Նյուտոնը գիտեր, որ իր աշխատանքում անցքեր կան:

Օրինակ, ձգողականությունը չի բացատրում, թե ինչպես են փոքր առարկաները միասին պահվում, քանի որ այս ուժն այնքան էլ մեծ չէ: Բացի այդ, մինչ Նյուտոնը կարող էր բացատրել, թե ինչ է տեղի ունենում, նա չէր կարող բացատրել, թե ինչպես է դա աշխատում: Տեսությունը թերի էր:

Ավելի մեծ խնդիր կար: Թեև Նյուտոնի օրենքները բացատրում էին տիեզերքի ամենատարածված երևույթները, սակայն որոշ դեպքերում առարկաները խախտում էին նրա օրենքները: Այս իրավիճակները հազվագյուտ էին և սովորաբար ներառում էին մեծ արագություններ կամ ձգողականության բարձրացում, բայց դրանք եղել են:

Այդ իրավիճակներից մեկը Մերկուրիի ՝ Արեգակին ամենամոտ մոլորակի ուղեծիրն էր: Ինչպես ցանկացած այլ մոլորակ, Մերկուրին պտտվում է Արեգակի շուրջը: Նյուտոնի օրենքները կարող էին կիրառվել մոլորակների շարժումները հաշվարկելու համար, սակայն Մերկուրին չէր ցանկանում խաղալ կանոններով: Enoughարմանալի է, որ նրա ուղեծրը կենտրոն չուներ: Պարզ դարձավ, որ համընդհանուր ձգողության համընդհանուր օրենքն այնքան էլ ունիվերսալ չէ, և ընդհանրապես օրենք չէ:

Ավելի քան երկու դար անց Ալբերտ Էյնշտեյնը օգնության հասավ հարաբերականության իր տեսությամբ: Էյնշտեյնի գաղափարը, որը 2015 թվականին ապահովեց ձգողության ավելի խորը ընկալում:

Հարաբերականության տեսություն

Հիմնական գաղափարն այն է, որ տարածությունն ու ժամանակը, որոնք կարծես թե տարբեր բաներ են, իրականում միահյուսված են: Տիեզերքն ունի երեք հարթություն ՝ երկարություն, լայնություն և բարձրություն: Timeամանակը չորրորդ հարթությունն է: Չորսն էլ կապված են հսկա տիեզերական բջիջի տեսքով: Եթե ​​դուք երբևէ լսել եք «տարածական-ժամանակային շարունակականություն» արտահայտությունը, սա այն է, ինչի մասին մենք խոսում ենք:

Էյնշտեյնի մեծ գաղափարն այն էր, որ ծանր առարկաները, ինչպիսիք են մոլորակները կամ արագ շարժվող առարկաները, կարող են խեղաթյուրել տարածական ժամանակը: Մի փոքր լարված բատուտի նման. Otherանկացած այլ օբյեկտ սահում է դեպի ներքև դեպի իջվածքի մեջ գտնվող օբյեկտը: Հետեւաբար, ըստ Էյնշտեյնի, ձգողականությունը գրավում է առարկաները:

Գաղափարը տարօրինակ է իր բնույթով: Բայց ֆիզիկոսները համոզված են, որ դա այդպես է: Նա նաև բացատրում է Մերկուրիի տարօրինակ ուղեծիրը: Համաձայն ընդհանուր հարաբերականության, արևի հսկա զանգվածը թեքում է տարածությունն ու ժամանակը շուրջը: Որպես Արեգակին ամենամոտ մոլորակը, Մերկուրին զգում է շատ ավելի մեծ կորեր, քան մյուս մոլորակները: Ընդհանուր հարաբերականության հավասարումները նկարագրում են, թե ինչպես է այս կոր տարածություն -ժամանակն ազդում Մերկուրիի ուղեծրի վրա և կանխատեսում մոլորակի դիրքը:

Այնուամենայնիվ, չնայած իր հաջողությանը, հարաբերականության տեսությունը ամեն ինչի տեսություն չէ, ինչպես Նյուտոնի տեսությունը: Ինչպես Նյուտոնի տեսությունը չի գործում իսկապես զանգվածային օբյեկտների համար, այնպես էլ Էյնշտեյնի տեսությունը չի գործում մանրադիտակների վրա: Հենց սկսում ես նայել ատոմներին և ինչ -որ բան ավելի քիչ, նյութը սկսում է իրեն շատ տարօրինակ պահել:

Մինչև 19 -րդ դարի վերջ ատոմը համարվում էր նյութի ամենափոքր միավորը: Bնված հունարեն «ատոմոս» բառից, որը նշանակում էր «անբաժանելի», ատոմը, ըստ սահմանման, չպետք է պառակտվեր ավելի փոքր մասնիկների: Բայց 1870 -ականներին գիտնականները հայտնաբերեցին մասնիկներ, որոնք 2000 անգամ թեթև են ատոմներից: Վակուումային խողովակի մեջ կշռելով լույսի ճառագայթները ՝ նրանք հայտնաբերել են չափազանց թեթև մասնիկներ ՝ բացասական լիցքով: Այսպես հայտնաբերվեց առաջին ենթատոմային մասնիկը ՝ էլեկտրոնը: Հաջորդ կես դարի ընթացքում գիտնականները պարզեցին, որ ատոմն ունի բարդ միջուկ, որի շուրջ էլեկտրոնները պտտվում են: Այս միջուկը կազմված է երկու տեսակի ենթատոմային մասնիկներից ՝ նեյտրոններից, որոնք ունեն չեզոք լիցք և պրոտոններից, որոնք դրական լիցք ունեն:

Բայց դա դեռ ամենը չէ: Այդ ժամանակից ի վեր գիտնականները գտել են նյութը փոքր ու փոքր կտորների բաժանելու եղանակները ՝ շարունակելով կատարելագործել հիմնարար մասնիկների մասին մեր պատկերացումները: Մինչև 1960-ական թվականները գիտնականները գտել էին տասնյակ տարրական մասնիկներ ՝ կազմելով այսպես կոչված մասնիկների կենդանաբանական այգու երկար ցուցակ:

Ինչպես գիտենք, ատոմի երեք բաղադրիչներից միակ հիմնարար մասնիկը էլեկտրոնն է: Նեյտրոններն ու պրոտոնները բաժանվում են փոքրիկ քվարկների: Այս տարրական մասնիկները ենթարկվում են բոլորովին այլ օրենքների, որոնք տարբերվում են ծառերից կամ մոլորակներից ենթարկվողներից: Եվ այս նոր օրենքները, որոնք շատ ավելի քիչ կանխատեսելի էին, փչացրին ֆիզիկոսների տրամադրությունը:

Քվանտային ֆիզիկայում մասնիկները որոշակի տեղ չունեն. Դրանց գտնվելու վայրը մի փոքր պղտոր է: Կարծես թե յուրաքանչյուր մասնիկ ունի որոշակի տեղում գտնվելու որոշակի հավանականություն: Սա նշանակում է, որ աշխարհն ըստ էության սկզբունքորեն անորոշ վայր է: Քվանտային մեխանիկան նույնիսկ դժվար է հասկանալ: Ինչպես մի անգամ ասաց քվանտային մեխանիկայի փորձագետ Ռիչարդ Ֆեյնմանը, «Կարծում եմ, որ վստահորեն կարող եմ ասել, որ ոչ ոք չի հասկանում քվանտային մեխանիկայից»:

Էյնշտեյնին նույնպես մտահոգում էր քվանտային մեխանիկայի պղտորումը: Չնայած այն հանգամանքին, որ նա, փաստորեն, մասամբ է հորինել այն, ինքը ՝ Էյնշտեյնը, երբեք չի հավատացել քվանտային տեսությանը: Բայց իրենց պալատներում `մեծ ու փոքր, երկու քվանտային մեխանիկաներն ապացուցել են բացարձակ իշխանության իրավունքը` լինելով չափազանց ճշգրիտ:

Քվանտային մեխանիկան բացատրել է ատոմների կառուցվածքն ու վարքագիծը, այդ թվում `ինչու դրանցից մի քանիսը ռադիոակտիվ են: Այն նաև ընկած է ժամանակակից էլեկտրոնիկայի հիմքում: Դուք չեք կարող կարդալ այս հոդվածը առանց նրա:

Ընդհանուր հարաբերականությունը կանխատեսում էր սև անցքերի գոյությունը: Այս հսկայական աստղերը, որոնք փլուզվել են իրենց մեջ: Նրանց գրավիտացիոն գրավչությունն այնքան հզոր է, որ նույնիսկ լույսը չի կարող լքել այն:

Խնդիրն այն է, որ այս երկու տեսությունները անհամատեղելի են, ուստի դրանք չեն կարող միաժամանակ ճշմարիտ լինել: Ընդհանուր հարաբերականությունն ասում է, որ օբյեկտների վարքագիծը կարող է ճշգրիտ կանխատեսվել, մինչդեռ քվանտային մեխանիկան ասում է, որ դուք կարող եք միայն իմանալ, թե ինչ են անելու օբյեկտները: Այստեղից հետևում է, որ մնում են որոշ բաներ, որոնք ֆիզիկոսները դեռ չեն նկարագրել: Սև անցքեր, օրինակ: Դրանք այնքան զանգվածային են, որ կիրառելի են հարաբերականության տեսության համար, բայց բավական փոքր են քվանտային մեխանիկայի կիրառման համար: Եթե ​​չհայտնվեք սև խոռոչի մոտ, այս անհամատեղելիությունը չի ազդի ձեր առօրյա կյանքի վրա: Բայց դա շփոթության մեջ է գցում ֆիզիկոսներին անցյալ դարի մեծ մասի համար: Այս տեսակի անհամատեղելիությունն է մեզ ստիպում փնտրել ամեն ինչի տեսությունը:

Էյնշտեյնն իր կյանքի մեծ մասն անցկացրել է նման տեսություն գտնելու համար: Չլինելով քվանտային մեխանիկայի պատահականության երկրպագու ՝ նա ցանկանում էր ստեղծել տեսություն, որը կհամատեղեր գրավիտացիան և մնացած ֆիզիկան, որպեսզի քվանտային տարօրինակությունները մնային երկրորդական հետևանքներ:

Նրա հիմնական նպատակն էր ստիպել ինքնահոսին աշխատել էլեկտրամագնիսականության հետ: 1800 -ականներին ֆիզիկոսները պարզեցին, որ էլեկտրական լիցքավորված մասնիկները կարող են գրավել կամ հետ մղել: Հետեւաբար, որոշ մետաղներ ձգվում են մագնիսով: Ակնհայտ է, որ եթե երկու տեսակի ուժեր, որոնք օբյեկտները կարող են գործադրել միմյանց վրա, դրանք կարող են ձգվել ձգողականության ուժով և գրավել կամ վանել էլեկտրամագնիսականությամբ:

Էյնշտեյնը ցանկանում էր այս երկու ուժերը միավորել «դաշտի միասնական տեսության» մեջ: Դա անելու համար նա տարածական ժամանակը ձգեց հինգ չափումների: Երեք տարածական և մեկ ժամանակային չափերի հետ մեկտեղ նա ավելացրեց հինգերորդ հարթությունը, որը պետք է այնքան փոքր լինի և փլուզված լինի, որ մենք չտեսնենք այն:

Այն չաշխատեց, և Էյնշտեյնը 30 տարի վատնեց որոնումների մեջ: Նա մահացավ 1955 թվականին, և նրա միասնական դաշտային տեսությունը երբեք չբացահայտվեց: Բայց հաջորդ տասնամյակում այս տեսության լուրջ հավակնորդ հայտնվեց ՝ լարերի տեսությունը:

Լարերի տեսություն

Լարերի տեսության հիմքում ընկած գաղափարը բավականին պարզ է: Մեր աշխարհի հիմնական բաղադրիչները, ինչպես էլեկտրոնները, մասնիկներ չեն: Սրանք փոքրիկ օղակներ կամ «տողեր» են: Պարզապես, քանի որ լարերը շատ փոքր են, թվում է, թե դրանք կետեր են:

Ինչպես կիթառի լարերը, այնպես էլ այս օղակները էներգիա են ստանում: Սա նշանակում է, որ դրանք թրթռում են տարբեր հաճախականություններով `կախված չափից: Այս թրթռումները որոշում են, թե յուրաքանչյուր տող ինչ «մասնիկ» է ներկայացնելու: Լարը մեկ ճանապարհով թրթռացնելը ձեզ էլեկտրոն կհաղորդի: Մյուսները `այլ բան: 20 -րդ դարում հայտնաբերված բոլոր մասնիկները նույն տիպի լարերն են, որոնք պարզապես թրթռում են տարբեր ձևերով:

Բավականին դժվար է անմիջապես հասկանալ, թե ինչու է սա լավ գաղափար: Բայց այն հարմար է բնության մեջ գործող բոլոր ուժերի ՝ ձգողության և էլեկտրամագնիսականության, գումարած ևս երկուսը, որոնք հայտնաբերվել են 20 -րդ դարում: Ուժեղ և թույլ միջուկային ուժերը գործում են միայն ատոմների փոքր միջուկների ներսում, ուստի դրանք երկար ժամանակ անհնար էր հայտնաբերել: Ուժեղ ուժը պահում է միջուկը միասին: Թույլ ուժը սովորաբար ոչինչ չի անում, բայց եթե բավականաչափ ուժ ստանա, այն միջուկը մասնատում է. Հետևաբար, որոշ ատոմներ ռադիոակտիվ են:

Ամեն ինչի մասին ցանկացած տեսություն պետք է բացատրի բոլոր չորսը: Բարեբախտաբար, երկու միջուկային ուժերը և էլեկտրամագնիսականությունը լիովին նկարագրված են քվանտային մեխանիկայի կողմից: Յուրաքանչյուր ուժ կրում է մասնագիտացված մասնիկ: Բայց չկա մի մասնիկ, որը ձգողականություն կրի:

Որոշ ֆիզիկոսներ կարծում են, որ կա: Եվ դա անվանում են «գրավիտոն»: Գրավիտոնները չունեն զանգված, ունեն հատուկ պտույտ և շարժվում են լույսի արագությամբ: Unfortunatelyավոք, դրանք դեռ չեն գտնվել: Եվ այստեղ է, որ գալիս է լարերի տեսությունը: Այն նկարագրում է մի տող, որը նման է հենց գրավիտոնի. Այն ունի ճիշտ պտույտ, զանգված չունի և շարժվում է լույսի արագությամբ: Պատմության մեջ առաջին անգամ հարաբերականության տեսությունը և քվանտային մեխանիկան ընդհանուր լեզու գտան:

1980-ականների կեսերին ֆիզիկոսներին գրավեց լարերի տեսությունը: «1985 թվականին մենք հասկացանք, որ լարերի տեսությունը լուծում է մի շարք խնդիրներ, որոնք հուզում էին մարդկանց վերջին 50 տարիների ընթացքում», - ասում է Բերոուն: Բայց նա նույնպես խնդիրներ ուներ:

Նախ, «մենք չենք հասկանում, թե ինչ է լարերի տեսությունը ճիշտ», - ասում է Օքսֆորդի համալսարանից Ֆիլիպ Կանդելասը: «Մենք նրան նկարագրելու լավ միջոց չունենք»:

Բացի այդ, որոշ կանխատեսումներ տարօրինակ են թվում: Մինչ Էյնշտեյնի դաշտի միասնական տեսությունը հիմնված է լրացուցիչ թաքնված հարթության վրա, լարերի տեսության ամենապարզ ձևերը պահանջում են 26 չափս: Դրանք անհրաժեշտ են մաթեմատիկայի տեսությունը այն ամենի հետ, ինչ մենք արդեն գիտենք տիեզերքի մասին:

Ավելի առաջադեմ տարբերակները, որոնք հայտնի են որպես «գերլարերի տեսություններ», բավարարում են տասը հարթություն: Բայց նույնիսկ դա չի համապատասխանում այն ​​երեք չափերին, որոնք մենք դիտում ենք Երկրի վրա:

«Սա կարելի է լուծել ՝ ենթադրելով, որ մեր աշխարհում ընդամենը երեք հարթություն է ընդլայնվել և ավելի մեծացել», - ասում է Բերոուն: «Մյուսները ներկա են, բայց մնում են ֆանտաստիկորեն փոքր»:

Այս և այլ խնդիրների պատճառով շատ ֆիզիկոսներ չեն սիրում լարերի տեսությունը: Եվ նրանք առաջարկում են մեկ այլ տեսություն ՝ օղակի քվանտային ինքնահոսություն:

Օղակի քվանտային ինքնահոսություն

Այս տեսությունը իր առջև խնդիր չի դնում միավորել և ներառել այն ամենը, ինչ կա մասնիկների ֆիզիկայում: Փոխարենը, օղակի քվանտային ինքնահոսությունը պարզապես փորձում է քաշել ձգողության քվանտային տեսություն: Այն ավելի սահմանափակ է, քան լարերի տեսությունը, բայց ոչ այնքան ծանրաբեռնված: Օղակի քվանտային ինքնահոսությունը ենթադրում է, որ տարածական ժամանակը բաժանվում է փոքր կտորների: Հեռվից այն կարծես սահուն սավան է, բայց ավելի մանրակրկիտ զննության դեպքում կարող եք տեսնել մի փունջ կետ, որը կապված է գծերով կամ օղակներով: Այս փոքրիկ մանրաթելերը, որոնք միասին հյուսված են, բացատրություն են տալիս ծանրության համար: Այս գաղափարը նույնքան անհասկանալի է, որքան լարերի տեսությունը, և ունի նմանատիպ խնդիրներ. Փորձնական ապացույցներ չկան:

Ինչու՞ են այս տեսությունները դեռ քննարկվում: Միգուցե մենք բավականաչափ չգիտենք: Եթե ​​կան մեծ երևույթներ, որոնք մենք երբեք չենք տեսել, կարող ենք փորձել հասկանալ մեծ պատկերը, և հանելուկի բաց թողնված կտորները մենք ավելի ուշ կստանանք:

«Գայթակղիչ է մտածել, որ մենք գտել ենք ամեն ինչ», - ասում է Բերոուն: «Բայց շատ տարօրինակ կլիներ, եթե մինչև 2015 թվականը մենք կատարեինք բոլոր անհրաժեշտ դիտարկումները ՝ ամեն ինչի տեսություն ստանալու համար: Ինչու՞ պետք է այսպես լինի »:

Կա նաև մեկ այլ խնդիր. Այս տեսությունները դժվար է ստուգել, ​​մեծ մասամբ, քանի որ նրանք ունեն չափազանց դաժան մաթեմատիկա: Կանդելասը տարիներ շարունակ փորձում է գտնել լարերի տեսությունը փորձարկելու միջոց, սակայն դա նրան չի հաջողվել:

«Լարերի տեսության առաջխաղացման հիմնական խոչընդոտը մնում է մաթեմատիկայի թերզարգացումը, որը պետք է ուղեկցի ֆիզիկայի հետազոտությանը», - ասում է Բերոուն: «Դա վաղ փուլում է, դեռ շատ բան կա ուսումնասիրելու»:

Ասել է թե ՝ լարերի տեսությունը մնում է խոստումնալից: «Տարիներ շարունակ մարդիկ փորձել են ձգողականությունը ինտեգրել մնացած ֆիզիկայի հետ», - ասում է Կանդելասը: «Մենք ունեինք տեսություններ, որոնք լավ էին բացատրում էլեկտրամագնիսականությունը և այլ ուժեր, բայց ոչ ինքնահոս: Մենք փորձում ենք դրանք համատեղել լարերի տեսության հետ »:

Իրական խնդիրն այն է, որ ամեն ինչի տեսությունը կարող է պարզապես անհնար լինել նույնականացնել:

Երբ 1980 -ականներին լարերի տեսությունը հայտնի դարձավ, իրականում դրա հինգ տարբերակ կար: «Մարդիկ սկսեցին անհանգստանալ», - ասում է Բարոուն: «Եթե սա ամեն ինչի տեսություն է, ինչո՞ւ են դրանք հինգը»: Հաջորդ տասնամյակի ընթացքում ֆիզիկոսները պարզեցին, որ այդ տեսությունները կարող են փոխակերպվել մեկը մյուսի: Նրանք պարզապես նույն բանը տեսնելու տարբեր եղանակներ են: Արդյունքը 1995-ին առաջ քաշված M- տեսությունն էր: Սա լարերի տեսության խորքային տարբերակն է, որը ներառում է բոլոր նախկին տարբերակները: Դե, մենք գոնե վերադառնանք միասնական տեսության: M- տեսությունը պահանջում է ընդամենը 11 հարթություն, ինչը շատ ավելի լավ է, քան 26-ը: Այնուամենայնիվ, M- տեսությունը չի առաջարկում ամեն ինչի միասնական տեսություն: Նա առաջարկում է դրանցից միլիարդներ: Ընդհանուր առմամբ, M- տեսությունը մեզ առաջարկում է 10 ^ 500 տեսություն, որոնք բոլորը տրամաբանորեն հետևողական կլինեն և ունակ են նկարագրելու Տիեզերքը:

Սա ավելի վատ է թվում, քան անօգուտ, բայց շատ ֆիզիկոսներ կարծում են, որ դա մատնանշում է ավելի խորը ճշմարտություն: Հավանաբար, մեր տիեզերքը մեկն է բազմաթիվներից, որոնցից յուրաքանչյուրը նկարագրվում է M- տեսության տրիլիոնավոր տարբերակներից մեկով: Եվ տիեզերքների այս հսկայական հավաքածուն կոչվում է «»:

Առաջին օրերին բազմոլորտը նման էր «բոլոր ձևերի և չափերի պղպջակների մեծ փրփուրի», - ասում է Բերոուն: Հետո յուրաքանչյուր պղպջակ ընդլայնվեց և դարձավ տիեզերք:

«Մենք այդ պղպջակների մեջ ենք», - ասում է Բերոուն: Երբ փուչիկները ընդլայնվում էին, այլ պղպջակներ, նոր տիեզերքներ, կարող էին գոյանալ դրանց ներսում: «Ընթացքում նման տիեզերքի աշխարհագրությունը լրջորեն բարդացել է»:

Յուրաքանչյուր փուչիկ տիեզերքում գործում են նույն ֆիզիկական օրենքները: Հետեւաբար, մեր տիեզերքում ամեն ինչ նույնն է պահում: Բայց այլ տիեզերքներում կարող են լինել այլ օրենքներ: Սրանից տարօրինակ եզրակացություն է ծնվում: Եթե ​​լարերի տեսությունը իսկապես հարաբերականության և քվանտային մեխանիկայի համատեղման լավագույն միջոցն է, ապա երկուսն էլ կլինեն և չեն լինի ամեն ինչի տեսությունը:

Մի կողմից, լարերի տեսությունը կարող է մեզ տալ մեր տիեզերքի կատարյալ նկարագրությունը: Բայց դա անխուսափելիորեն կհանգեցնի նաև նրան, որ այլ տիեզերական տրիլիոններից յուրաքանչյուրը յուրահատուկ է լինելու: Մտածողության հիմնական փոփոխությունը կլինի այն, որ մենք այլևս չենք սպասի ամեն ինչի միասնական տեսության: Ամեն ինչի մասին կարող են լինել բազմաթիվ տեսություններ, որոնցից յուրաքանչյուրը ճշմարիտ կլինի իր ձևով:

Երկու հիմնարար տեսությունների շարքում, որոնք բացատրում են մեզ շրջապատող իրականությունը, քվանտային տեսությունը գրավում է նրանց միջև փոխազդեցությունը ամենափոքրընյութի մասնիկներ, իսկ ընդհանուր հարաբերականությունը վերաբերում է ձգողականությանը և ամենամեծնկառույցներ ամբողջ տիեզերքում: Այնշտայնի ժամանակներից ի վեր ֆիզիկոսները փորձել են կամրջել այս ուսմունքների միջև եղած անջրպետը, սակայն տարբեր հաջողությունների:

Ձգողականությունը քվանտային մեխանիկայի հետ հաշտեցնելու միջոցներից մեկը ցույց տալն էր, որ ձգողությունը հիմնված է նյութի անբաժանելի մասնիկների `քվանտների վրա: Այս սկզբունքը կարելի է համեմատել, թե ինչպես են լույսի քվանտներն իրենք ՝ ֆոտոնները, ներկայացնում էլեկտրամագնիսական ալիք: Մինչ այժմ գիտնականները բավարար տվյալներ չունեին այս ենթադրությունը հաստատելու համար, բայց Անտուան ​​Տիլոյ(Անտուան ​​Տիլոյ) Քվանտային օպտիկայի ինստիտուտից: Մաքս Պլանկը Գերմանիայի Գարխինգ քաղաքում փորձում էր քաշը նկարագրել քվանտային մեխանիկայի սկզբունքներով: Բայց ինչպե՞ս նա դա արեց:

Քվանտային աշխարհը

Քվանտային տեսության մեջ մասնիկի վիճակը նկարագրվում է իրով ալիքի գործառույթ... Այն, օրինակ, թույլ է տալիս հաշվարկել տարածության որոշակի կետում մասնիկ գտնելու հավանականությունը: Չափումից առաջ անհասկանալի է ոչ միայն մասնիկի գտնվելու վայրը, այլև այն, թե արդյոք այն գոյություն ունի: Չափման հենց փաստը բառացիորեն ստեղծում է իրականություն `« ոչնչացնելով »ալիքի գործառույթը: Բայց քվանտային մեխանիկան հազվադեպ է դիմում չափումների, այդ իսկ պատճառով այն ֆիզիկայի ամենահակասական ոլորտներից է: Հիշեք Շրեդինգերի պարադոքսըԴուք չեք կարողանա լուծել այն, մինչև չափումներ չանեք ՝ բացելով տուփը և պարզելով ՝ կատուն ողջ է, թե ոչ:

Այս պարադոքսների լուծումներից մեկը այսպես կոչվածն է մոդել GRWորը մշակվել է 1980 -ականների վերջին: Այս տեսությունը ներառում է այնպիսի երևույթ, ինչպիսին է « բռնկումներ»- քվանտային համակարգերի ալիքային գործառույթի ինքնաբուխ փլուզումներ: Դրա կիրառման արդյունքը ճիշտ նույնն է, ինչ չափումները կատարվեին առանց դիտորդների, որպես այդպիսին: Տիլոյը փոփոխեց այն ՝ ցույց տալու համար, թե ինչպես կարող է այն օգտագործվել ձգողության տեսության հասնելու համար: Իր տարբերակում, բռնկումը, որը ոչնչացնում է ալիքի գործառույթը և ստիպում մասնիկը դրանով մեկ տեղում լինել, նաև ստեղծում է գրավիտացիոն դաշտ այս պահին տարածության մեջ: Որքան մեծ է քվանտային համակարգը, այնքան ավելի շատ մասնիկներ են պարունակում այն ​​և ավելի հաճախակի բռնկումներ են առաջանում ՝ դրանով իսկ ստեղծելով տատանվող գրավիտացիոն դաշտ:

Ամենահետաքրքիրն այն է, որ այդ տատանումների միջին արժեքը հենց գրավիտացիոն դաշտն է, որը նկարագրում է Նյուտոնի ծանրության տեսությունը: Ձգողականությունը քվանտային մեխանիկայի հետ համատեղելու այս մոտեցումը կոչվում է քվազի դասական. Ձգողությունը առաջանում է քվանտային գործընթացներից, բայց մնում է դասական ուժ: «Չկա իրական պատճառ անտեսելու քվազի դասական մոտեցումը, այն է, որ հիմնարար մակարդակում ինքնահոսությունը հիմնարար է»,-ասում է Թիլոյը:

Ձգողականության երեւույթը

Գերմանիայի Դյուսբուրգ-Էսսենի համալսարանից Կլաուս Հորնբերգերը, որը չի մասնակցել տեսության մշակմանը, դրան վերաբերվում է մեծ համակրանքով: Այնուամենայնիվ, գիտնականը նշում է, որ մինչ այս հայեցակարգը կդնի միասնական տեսության հիմքը, որը միավորում և բացատրում է մեզ շրջապատող աշխարհի բոլոր հիմնարար կողմերի բնույթը, անհրաժեշտ կլինի լուծել մի շարք խնդիրներ: Օրինակ, Տիլոյի մոդելը միանշանակ կարող է օգտագործվել Նյուտոնի ինքնահոսությունը ստանալու համար, սակայն գրավիտացիոն տեսության համապատասխանությունը դեռ պետք է ստուգվի մաթեմատիկայի միջոցով:

Այնուամենայնիվ, ինքը ՝ գիտնականը, համաձայն է, որ իր տեսությունը ապացույցների բազայի կարիք ունի: Օրինակ, նա կանխատեսում է, որ ձգողականությունը այլ կերպ կպահի ՝ կախված առարկաների առարկաների մասշտաբներից. Ատոմների և գերսասիվ սև անցքերի դեպքում կանոնները կարող են շատ տարբեր լինել: Ամեն դեպքում, եթե թեստերը պարզեն, որ Թիլլրոյի մոդելն իսկապես արտացոլում է իրականությունը, և գրավիտացիան իսկապես քվանտային տատանումների հետևանք է, ապա դա թույլ կտա ֆիզիկոսներին որակապես այլ մակարդակով ընկալել մեր շրջապատող իրականությունը:

Այս քննարկումը սկսելու շատ տեղեր կան, և սա նույնքան լավ է, որքան մյուսները. Մեր տիեզերքում ամեն ինչ ունի և՛ մասնիկների, և՛ ալիքների բնույթ: Եթե ​​կարելի է ասել կախարդության մասին այսպես. «Այս բոլորը ալիքներ են և միայն ալիքներ», դա կլիներ քվանտային ֆիզիկայի հիանալի բանաստեղծական նկարագրություն: Փաստորեն, այս տիեզերքում ամեն ինչ ունի ալիքային բնույթ:

Իհարկե, Տիեզերքում ամեն ինչ նույնպես մասնիկային բնույթ ունի: Տարօրինակ է հնչում, բայց դա այդպես է:

Իրական օբյեկտները միաժամանակ մասնիկներ և ալիքներ նկարագրելը որոշ չափով ճշգրիտ չի լինի: Խիստ ասած, քվանտային ֆիզիկայի նկարագրած առարկաները մասնիկներ և ալիքներ չեն, այլ պատկանում են երրորդ կատեգորիայի, որը ժառանգում է ալիքների հատկությունները (հաճախականությունը և ալիքի երկարությունը ՝ տարածության մեջ տարածվելուն զուգահեռ) և մասնիկների որոշ հատկություններ (դրանք կարող են վերահաշվարկվել և տեղայնացվել է որոշակի աստիճանի): Սա հանգեցնում է ֆիզիկական համայնքի աշխույժ բանավեճի, թե արդյոք ընդհանուր առմամբ ճի՞շտ է լույսի մասին խոսել որպես մասնիկի; ոչ թե այն պատճառով, որ հակասություն կա, թե արդյոք լույսն ունի մասնիկների բնույթ, այլ այն, որ ֆոտոններն անվանել «մասնիկներ» և ոչ թե «քվանտային դաշտի գրգռումներ» նշանակում է մոլորեցնել ուսանողներին: Այնուամենայնիվ, սա վերաբերում է նաև այն բանին, թե արդյոք էլեկտրոնները կարելի է անվանել մասնիկներ, բայց նման վեճերը կմնան զուտ ակադեմիական շրջանակներում:

Քվանտային օբյեկտների այս «երրորդ» բնույթը արտացոլված է քվանտային երևույթները քննարկող ֆիզիկոսների երբեմն շփոթեցնող լեզվով: Հիգսի բոզոնը հայտնաբերվել է որպես մասնիկ մեծ ադրոնային բախիչում, բայց դուք հավանաբար լսել եք «Հիգսի դաշտ» արտահայտությունը, այնպիսի դեոկալացված բան, որը լրացնում է ամբողջ տարածությունը: Դա պայմանավորված է նրանով, որ որոշակի պայմաններում, օրինակ ՝ մասնիկների բախման փորձերը, ավելի նպատակահարմար է քննարկել Հիգսի դաշտի գրգռվածությունը, քան մասնիկը բնութագրելը, մինչդեռ այլ պայմաններում, ինչպիսիք են ընդհանուր մասնիկների զանգվածի ընդհանուր քննարկումները, ավելի նպատակահարմար է քննարկել ֆիզիկան `քվանտային և համընդհանուր համամասնությունների դաշտի փոխազդեցության առումով: Նրանք պարզապես տարբեր լեզուներ են, որոնք նկարագրում են նույն մաթեմատիկական առարկաները:

Քվանտային ֆիզիկան դիսկրետ է

Ամեն ինչ ֆիզիկայի անվան տակ. «Քվանտ» բառը գալիս է լատիներեն «որքան» բառից և արտացոլում է այն փաստը, որ քվանտային մոդելները միշտ ներառում են ինչ -որ բան, որը գալիս է դիսկրետ քանակությամբ: Քվանտային դաշտում պարունակվող էներգիան գալիս է որոշ հիմնարար էներգիայի բազմապատիկներից: Լույսի համար դա կապված է լույսի հաճախության և ալիքի երկարության հետ. Բարձր հաճախականությամբ և կարճ ալիքի երկարությամբ լույսն ունի հսկայական բնութագրական էներգիա, մինչդեռ ցածր հաճախականությամբ, երկար ալիքի երկարությամբ լույսը քիչ բնորոշ էներգիա ունի:

Երկու դեպքում էլ, առանձին լույսի դաշտում պարունակվող ընդհանուր էներգիան այս էներգիայի ամբողջ բազմապատիկն է ՝ 1, 2, 14, 137 անգամ, և դուք չեք հանդիպի տարօրինակ կոտորակների, ինչպիսիք են մեկուկես, «պի» կամ երկուսի քառակուսի արմատը: Այս հատկությունը նկատվում է նաև ատոմների էներգիայի առանձին մակարդակներում, և էներգետիկ գոտիները հատուկ են. Էներգիայի որոշ արժեքներ թույլատրելի են, մյուսները `ոչ: Ատոմային ժամացույցները գործում են քվանտային ֆիզիկայի աննկատության շնորհիվ ՝ օգտագործելով լույսի հաճախականությունը, որը կապված է ցեզիում երկու թույլատրելի վիճակների միջև անցման հետ, ինչը թույլ է տալիս ժամանակը պահել «երկրորդ ցատկի» իրականացման համար անհրաժեշտ մակարդակի վրա:

Գերճշգրիտ սպեկտրոսկոպիան կարող է օգտագործվել նաև մութ նյութի նման բաներ գտնելու համար և մնում է ցածր էներգիայի հիմնարար ֆիզիկայի ինստիտուտի մոտիվացիայի մաս:

Դա միշտ չէ, որ ակնհայտ է. Նույնիսկ որոշ բաներ, որոնք սկզբունքորեն քվանտային են, ինչպես սև մարմնի ճառագայթումը, կապված են շարունակական բաշխումների հետ: Բայց ավելի մանրազնին ուսումնասիրության և խորը մաթեմատիկական ապարատի միջոցով քվանտային տեսությունը դառնում է նույնիսկ ավելի տարօրինակ:

Քվանտային ֆիզիկան հավանական է

Քվանտային ֆիզիկայի ամենազարմանալի և (պատմականորեն առնվազն) վիճելի կողմերից մեկն այն է, որ անհնար է հստակ կանխատեսել քվանտային համակարգի հետ մեկ փորձի արդյունքը: Երբ ֆիզիկոսները կանխատեսում են որոշակի փորձի ելքը, նրանց կանխատեսումը ձևավորվում է յուրաքանչյուր հնարավոր արդյունքը գտնելու հավանականության տեսքով, և տեսության և փորձի միջև համեմատությունները միշտ ներառում են բազմաթիվ կրկնվող փորձերից հավանականության բաշխում:

Քվանտային համակարգի մաթեմատիկական նկարագրությունը սովորաբար ընդունում է «ալիքային ֆունկցիայի» ձևը, որը ներկայացված է հունական հաճարենի psi հավասարումների մեջ. Շատ քննարկումներ կան այն մասին, թե որն է ալիքի գործառույթը, և նրանք ֆիզիկոսներին բաժանեցին երկու ճամբարի. Նրանք, ովքեր իրական ֆիզիկական բան են տեսնում ալիքի գործառույթում (օնտիկ տեսաբաններ), և նրանք, ովքեր կարծում են, որ ալիքի գործառույթը բացառապես արտահայտություն է: մեր գիտելիքների մասին (կամ դրա բացակայությունը) ՝ անկախ առանձին քվանտային օբյեկտի հիմքում ընկած վիճակից (էպիստեմիկ տեսաբաններ):

Հիմնարար մոդելի յուրաքանչյուր դասում արդյունքի գտնելու հավանականությունը որոշվում է ոչ թե ուղղակիորեն ալիքի գործառույթով, այլ ալիքի ֆունկցիայի քառակուսով (կոպիտ ասած ՝ միևնույն է. Ալիքի գործառույթը բարդ մաթեմատիկական օբյեկտ է (որը նշանակում է, որ այն ներառում է երևակայական թվեր, ինչպիսիք են քառակուսի արմատը կամ դրա բացասական տարբերակը), և հավանականությունը ստանալու գործողությունը մի փոքր ավելի բարդ է, բայց «ալիքի գործառույթի քառակուսին» բավական է հասկանալու գաղափարի հիմնական էությունը): Սա հայտնի է որպես ornնված կանոն ՝ ի պատիվ գերմանացի ֆիզիկոս Մաքս Բորնի, ով առաջինը հաշվարկել է այն (1926 թ. Թերթի ծանոթագրության մեջ) և շատերին զարմացրել իր տգեղ մարմնավորմամբ: Ակտիվ աշխատանքներ են տարվում Բորնի կանոնը ավելի հիմնարար սկզբունքից բխելու փորձի ուղղությամբ. բայց մինչ օրս դրանցից ոչ մեկը հաջողված չի եղել, չնայած այն շատ հետաքրքիր բաներ է առաջացրել գիտության համար:

Տեսության այս ասպեկտը մեզ բերում է նաև մասնիկների, որոնք գտնվում են միաժամանակ մի քանի վիճակում: Այն, ինչ մենք կարող ենք կանխատեսել, հավանականությունն է, և նախքան որոշակի արդյունքով չափելը, չափված համակարգը գտնվում է միջանկյալ վիճակում `սուպերպոզիցիայի վիճակում, որը ներառում է բոլոր հնարավոր հավանականությունները: Բայց արդյոք համակարգն իրոք գտնվում է բազմաթիվ վիճակներում, թե գտնվում է մեկ անհայտ վիճակում, կախված է նրանից, թե դուք նախընտրում եք օնտիկական կամ էպիստեմիկ մոդելը: Երկուսն էլ մեզ տանում են դեպի հաջորդ կետը:

Քվանտային ֆիզիկան ոչ տեղային է

Վերջինս լայնորեն ընդունված չէր որպես այդպիսին, հիմնականում այն ​​պատճառով, որ այն սխալ էր: 1935 թ. Մի թերթում, իր երիտասարդ գործընկերների ՝ Բորիս Պոդոլկիիի և Նաթան Ռոզենի հետ (EPR աշխատանք), Էյնշտեյնը հստակ մաթեմատիկական հայտարարություն արեց այն բանի մասին, ինչը նրան անհանգստացնում էր որոշ ժամանակ, այն, ինչ մենք անվանում ենք «խճճվածություն»:

EPR- ի աշխատանքը պնդում էր, որ քվանտային ֆիզիկան ճանաչել է համակարգերի առկայությունը, որոնցում լայն հեռավոր վայրերում կատարված չափումները կարող են փոխկապակցվել այնպես, որ մեկի արդյունքը որոշի մյուսը: Նրանք պնդում էին, որ դա նշանակում է, որ չափումների արդյունքները պետք է նախապես որոշվեն ՝ ընդհանուր գործոնով, քանի որ հակառակ դեպքում անհրաժեշտ կլիներ մեկ չափման արդյունքը մյուսի տեղ տեղափոխել լույսի արագությունը գերազանցող արագությամբ: Հետևաբար, քվանտային ֆիզիկան պետք է թերի լինի, ավելի խորը տեսության մոտարկումը («թաքնված տեղական փոփոխականի» տեսությունը, որի դեպքում առանձին չափումների արդյունքները կախված չեն ինչ -որ բանից, որն ավելի հեռու է չափման վայրից, քան կարող է ընդգրկվել ազդանշանը, որը շարժվում է լույսի արագությամբ (տեղում), այլ որոշվում է խճճված զույգի երկու համակարգերի համար ընդհանուր որոշ գործոնով (թաքնված փոփոխական):

Այս ամենը համարվում էր անհասկանալի ծանոթագրություն ավելի քան 30 տարի, քանի որ այն փորձարկելու միջոց չկար, բայց 60-ականների կեսերին իռլանդացի ֆիզիկոս Johnոն Բելը ավելի մանրամասն աշխատեց EPR աշխատանքի հետևանքների վրա: Բելը ցույց տվեց, որ դուք կարող եք գտնել հանգամանքներ, որոնց համաձայն քվանտային մեխանիկան կանխատեսում է հեռավոր չափերի միջև փոխհարաբերություններ, որոնք ավելի ուժեղ են, քան ցանկացած հավանական տեսություն, ինչպիսին են E, P և R. 1980 -ականների սկզբ. x - նրանք ցույց տվեցին, որ այս խճճված համակարգերը հնարավոր չէ բացատրել տեղական թաքնված փոփոխականների տեսությամբ:

Այս արդյունքը հասկանալու ամենատարածված մոտեցումը ենթադրելն է, որ քվանտային մեխանիկան ոչ տեղային է. Որ որոշակի վայրում կատարված չափումների արդյունքները կարող են կախված լինել հեռավոր օբյեկտի հատկություններից այնպես, որ անհնար է բացատրել ազդանշանների միջոցով լույս Սա, սակայն, թույլ չի տալիս տեղեկատվությունը փոխանցել գերլույսի արագությամբ, չնայած բազմաթիվ փորձեր են արվել շրջանցելու այս սահմանափակումը `օգտագործելով քվանտային ոչ տեղայնությունը:

Քվանտային ֆիզիկան (գրեթե միշտ) ասոցացվում է շատ փոքրերի հետ

Քվանտային ֆիզիկան տարօրինակ լինելու համբավ ունի, քանի որ դրա կանխատեսումները հիմնովին տարբերվում են մեր ամենօրյա փորձից: Դա պայմանավորված է նրանով, որ դրա ազդեցությունները ավելի քիչ են արտահայտված, որքան ավելի մեծ է օբյեկտը. Հազիվ թե կարողանաք տեսնել մասնիկների ալիքային պահվածքը և ինչպես է ալիքի երկարությունը նվազում թափի մեծացման հետ: Քայլող շան նման մակրոսկոպիկ օբյեկտի ալիքի երկարությունն այնքան ծիծաղելիորեն փոքր է, որ եթե սենյակի յուրաքանչյուր ատոմը մեծացնեք արեգակնային համակարգի չափով, շան ալիքի երկարությունը նման արևային համակարգի մեկ ատոմի չափ կլինի:

Սա նշանակում է, որ քվանտային երևույթները հիմնականում սահմանափակվում են ատոմների և հիմնարար մասնիկների մասշտաբով, որոնց զանգվածներն ու արագացումներն այնքան փոքր են, որ ալիքի երկարությունն այնքան փոքր են պահում, որ այն ուղղակիորեն դիտարկելի չէ: Այնուամենայնիվ, մեծ ջանքեր են գործադրվում քվանտային էֆեկտներ ցուցադրող համակարգի չափերը մեծացնելու համար:

Քվանտային ֆիզիկան կախարդություն չէ

Նախորդ կետը մեզ շատ բնականորեն բերում է դրան. Որքան էլ տարօրինակ թվա քվանտային ֆիզիկան, այն ակնհայտորեն կախարդական չէ: Այն, ինչ նա ենթադրում է, տարօրինակ է ամենօրյա ֆիզիկայի չափանիշներով, բայց նա խիստ սահմանափակված է լավ հասկանալի մաթեմատիկական կանոններով և սկզբունքներով:

Հետևաբար, եթե ինչ -որ մեկը ձեզ մոտ գալիս է անհնարին թվացող «քվանտային» գաղափարով ՝ անվերջ էներգիա, կախարդական բուժիչ ուժ, անհնարին տիեզերական շարժիչներ, դա գրեթե անկարելի է: Սա չի նշանակում, որ մենք չենք կարող քվանտային ֆիզիկա օգտագործել անհավատալի բաներ անելու համար. Մենք անընդհատ գրում ենք քվանտային երևույթների կիրառման անհավանական առաջընթացների մասին, և նրանք արդեն զարմացրել են մարդկությանը պատվերով, դա պարզապես նշանակում է, որ մենք դուրս չենք գա ջերմադինամիկայի օրենքներից և առողջ դատողություն ....

Եթե ​​վերը նշված կետերը ձեզ բավարար չեն, դրանք համարեք միայն օգտակար մեկնարկային կետ հետագա քննարկումների համար: