Shtëpi Lule Teoria kuantike e strukturës së universit. Universi kuantik vetë-organizues. Një dimension krejtësisht i ri në hapësirë

Lule

Teoria kuantike e strukturës së universit. Universi kuantik vetë-organizues. Një dimension krejtësisht i ri në hapësirë

Në këtë libër, shkencëtarët e njohur Brian Cox dhe Jeff Forshaw i njohin lexuesit me mekanikën kuantike - modelin themelor të strukturës së botës. Ata tregojnë se cilat vëzhgime i çuan fizikantët në teorinë kuantike, si u zhvillua dhe pse shkencëtarët, me gjithë çudinë e saj, janë kaq të sigurt në të. Libri është i destinuar për të gjithë ata që janë të interesuar në fizikën kuantike dhe strukturën e Universit.

Diçka e çuditshme po vjen.
Kuantike. Kjo fjalë është njëkohësisht tërheqëse për ndjenjat, konfuze dhe magjepsëse. Në varësi të këndvështrimit, ai është ose dëshmi e përparimeve të mëdha në shkencë, ose një simbol i kufizimeve të intuitës njerëzore, e cila detyrohet të luftojë me çuditshmërinë e pashmangshme të sferës nënatomike. Për një fizikan, mekanika kuantike është një nga tre shtyllat e mëdha mbi të cilat mbështetet kuptimi i natyrës (dy të tjerat janë teoritë e përgjithshme dhe të veçanta të relativitetit të Ajnshtajnit). Teoritë e Ajnshtajnit kanë të bëjnë me natyrën e hapësirës dhe kohës dhe forcën e gravitetit. Mekanika kuantike bën gjithçka tjetër, dhe mund të themi se sado që të tërheq shqisat, të hutojë apo magjepsë, është thjesht një teori fizike që përshkruan se si sillet në të vërtetë natyra. Por edhe nëse matet me këtë kriter shumë pragmatik, ai është i mrekullueshëm në saktësinë dhe fuqinë e tij shpjeguese. Ekziston një eksperiment në fushën e elektrodinamikës kuantike, më i vjetri dhe më i kuptuari i teorive moderne kuantike. Ai mat se si sillet një elektron pranë një magneti. Fizikanët teorikë kanë punuar shumë me stilolaps dhe letër, dhe më vonë me kompjuterë, për shumë vite për të parashikuar se çfarë do të zbulojnë studime të tilla. Praktikuesit dolën dhe krijuan eksperimente për të zbuluar më shumë detaje nga natyra. Të dy kampet prodhonin në mënyrë të pavarur rezultate me një saktësi të ngjashme me matjen e distancës midis Mançesterit dhe Nju Jorkut me një gabim prej disa centimetrash. Vlen të përmendet se shifrat e marra nga eksperimentuesit korrespondonin plotësisht me rezultatet e llogaritjeve të teoricienëve; matjet dhe llogaritjet ishin plotësisht të qëndrueshme.
Kjo nuk është vetëm mbresëlënëse, por mahnitëse, dhe nëse ndërtimi i modeleve do të ishte shqetësimi i vetëm i teorisë kuantike, me të drejtë mund të pyesni se cili është problemi. Shkenca, natyrisht, nuk duhet të jetë e dobishme, por shumë ndryshime teknologjike, logjike dhe sociale që kanë revolucionarizuar jetën tonë kanë dalë nga kërkimet themelore të kryera nga shkencëtarët modernë, të cilët udhëhiqen vetëm nga dëshira për të kuptuar më mirë botën përreth nesh. . Falë këtyre zbulimeve të nxitura nga kurioziteti në të gjitha degët e shkencës, ne kemi një jetëgjatësi të zgjatur, udhëtim ajror ndërkombëtar, liri nga nevoja për të fermuar për mbijetesën tonë, dhe një pamje të gjerë, frymëzuese dhe hapëse të vendit tonë në det i pafund yjesh. Por të gjitha këto janë, në njëfarë kuptimi, efekte anësore. Ne eksplorojmë për kuriozitet, jo sepse duam të kuptojmë më mirë realitetin ose të dizajnojmë xhingla më efektive.

përmbajtja
Diçka e çuditshme po vjen
Në dy vende në të njëjtën kohë
Çfarë është një grimcë?
Çdo gjë që mund të ndodhë ndodh
Lëvizja si një iluzion
Muzika e atomeve
Një univers mbi një kokë gjilpëre (dhe pse nuk zhytemi në tokë)
Ndërvarësia
Bota moderne
Ndërveprim
Hapësira e zbrazët nuk është aq boshe Epilog: vdekja e yjeve
Për lexim të mëtejshëm.

Me butona sipër dhe poshtë "Blini një libër letre" dhe duke përdorur lidhjen "Blej", mund ta blini këtë libër me dërgesë në të gjithë Rusinë dhe libra të ngjashëm me çmimin më të mirë në formë letre në faqet e internetit të dyqaneve zyrtare në internet Labyrinth, Ozon, Bukvoed, Chitai-gorod, Liters, My-shop, Book24, Books.ru.

Në varësi të këndvështrimit, teoria kuantike është ose një testament i përparimeve të mëdha të shkencës, ose një simbol i kufizimeve të intuitës njerëzore, e cila është e detyruar të luftojë me çuditshmërinë e sferës nënatomike. Për një fizikan, mekanika kuantike është një nga tre shtyllat e mëdha mbi të cilat bazohet kuptimi i natyrës (së bashku me teoritë e përgjithshme dhe të veçanta të relativitetit të Ajnshtajnit). Për ata që kanë dashur gjithmonë të kuptojnë të paktën diçka në modelin themelor të strukturës së botës, shpjegojnë shkencëtarët Brian Cox dhe Jeff Forshaw në librin e tyre "The Quantum Universe", i cili u botua nga MYTH. T&P publikon një fragment të shkurtër mbi thelbin e kuantit dhe origjinën e teorisë.

Teoritë e Ajnshtajnit kanë të bëjnë me natyrën e hapësirës dhe kohës dhe forcën e gravitetit. Mekanika kuantike bën gjithçka tjetër, dhe mund të themi se pavarësisht se si ajo tërheq shqisat, ngatërron tryezën ose bën magji, është thjesht një teori fizike që përshkruan se si sillet në të vërtetë natyra. Por edhe nëse matet me këtë kriter shumë pragmatik, ai është i mrekullueshëm në saktësinë dhe fuqinë e tij shpjeguese. Ekziston një eksperiment në fushën e elektrodinamikës kuantike, më i vjetri dhe më i kuptuari i teorive moderne kuantike. Ai mat se si sillet një elektron pranë një magneti. Fizikanët teorikë kanë punuar shumë me stilolaps dhe letër, dhe më vonë me kompjuterë, për shumë vite për të parashikuar se çfarë do të zbulojnë studime të tilla. Praktikuesit dolën dhe krijuan eksperimente për të zbuluar më shumë detaje nga natyra. Të dy kampet prodhuan në mënyrë të pavarur rezultate me një saktësi të ngjashme me matjen e distancës midis Mançesterit dhe Nju Jorkut me një gabim prej disa centimetrash. Vlen të përmendet se shifrat e marra nga eksperimentuesit korrespondonin plotësisht me rezultatet e llogaritjeve të teoricienëve; matjet dhe llogaritjet ishin plotësisht të qëndrueshme.

Teoria kuantike është ndoshta shembulli më i mirë se si pafundësisht e vështirë për t'u kuptuar nga shumica e njerëzve bëhet jashtëzakonisht e dobishme. Është e vështirë të kuptohet sepse përshkruan një botë në të cilën një grimcë mund të jetë në të vërtetë në disa vende në të njëjtën kohë dhe të lëvizë nga një vend në tjetrin, duke eksploruar kështu të gjithë Universin. Është e dobishme sepse të kuptuarit e sjelljes së blloqeve më të vogla të ndërtimit të universit përforcon të kuptuarit e gjithçkaje tjetër. Ajo i jep fund arrogancës sonë, sepse bota është shumë më komplekse dhe më e larmishme nga sa dukej. Pavarësisht gjithë këtij kompleksiteti, ne zbuluam se gjithçka përbëhet nga shumë grimca të vogla që lëvizin në përputhje me ligjet e teorisë kuantike. Këto ligje janë aq të thjeshta sa mund të shkruhen në anën e pasme të një zarfi. Dhe fakti që një bibliotekë e tërë nuk kërkohet të shpjegojë natyrën e thellë të gjërave është në vetvete një nga misteret më të mëdha të botës.

Imagjinoni botën përreth nesh. Le të themi se po mbani një libër të bërë prej letre - tul druri i bluar. Pemët janë makina të afta për të marrë atome dhe molekula, për t'i ndarë ato dhe për t'i riorganizuar ato në koloni prej miliarda pjesësh individuale. Ata e bëjnë këtë falë një molekule të njohur si klorofil, e cila përbëhet nga më shumë se 100 atome karboni, hidrogjeni dhe oksigjeni, të cilët janë të lakuar në një mënyrë të veçantë dhe të lidhur me disa atome më shumë magnez dhe hidrogjen. Një kombinim i tillë i grimcave është në gjendje të kapë dritën që ka fluturuar 150,000,000 km nga ylli ynë - një vatër bërthamore me një vëllim prej një milion planetësh si Toka - dhe ta transportojë këtë energji thellë në qeliza, ku krijon molekula të reja nga dioksidi i karbonit dhe uji. dhe liron jetën është oksigjen për ne.

Janë këta zinxhirë molekularë që formojnë superstrukturën që bashkon pemët dhe letrën në këtë libër, dhe të gjitha gjallesat. Ju jeni në gjendje të lexoni një libër dhe të kuptoni fjalët sepse keni sy dhe ata mund të shndërrojnë dritën e humbur nga faqet në impulse elektrike të interpretuara nga truri - struktura më komplekse e universit që ne dimë. Ne zbuluam se të gjitha gjërat në botë nuk janë asgjë më shumë se grupe atomesh, dhe shumëllojshmëria më e gjerë e atomeve përbëhet nga vetëm tre grimca - elektrone, protone dhe neutrone. Ne gjithashtu e dimë se vetë protonet dhe neutronet përbëhen nga entitete më të vogla të quajtura kuarke, dhe gjithçka përfundon me ta - të paktën kështu mendojmë ne tani. Baza për të gjithë këtë është teoria kuantike.

Kështu, fizika moderne vizaton një pamje të Universit në të cilin jetojmë me një thjeshtësi të jashtëzakonshme; dukuri elegante ndodhin diku ku nuk mund të shihen, duke shkaktuar diversitetin e makrokozmosit. Ndoshta arritja më e jashtëzakonshme e shkencës moderne - reduktimi i kompleksitetit të jashtëzakonshëm të botës, duke përfshirë vetë njerëzit, në përshkrimin e sjelljes së një grushti grimcash të vogla nënatomike dhe katër forcave që veprojnë midis tyre. Përshkrimet më të mira të tre prej këtyre katër forcave - ndërveprimet e forta dhe të dobëta bërthamore që ekzistojnë brenda bërthamës atomike dhe ndërveprimi elektromagnetik që bashkon atomet dhe molekulat së bashku - sigurohet nga teoria kuantike. Vetëm gravitetit - forca më e dobët, por ndoshta më e njohur nga të gjitha - aktualisht i mungon një përshkrim kuantik i kënaqshëm.

Duhet të pranojmë se teoria kuantike ka një reputacion disi të çuditshëm dhe pas emrit të saj fshihen shumë marrëzi të vërteta. Macet mund të jenë të vdekura dhe të gjalla në të njëjtën kohë; grimcat janë në dy vende në të njëjtën kohë; Heisenberg argumenton se gjithçka është e pasigurt. E gjithë kjo është me të vërtetë e vërtetë, por përfundimet që rrjedhin shpesh nga kjo - meqenëse diçka e çuditshme ndodh në mikrokozmos, atëherë ne jemi të mbuluar nga një mjegull mjegull - janë padyshim të gabuara. Perceptimi ekstrasensional, shërimi mistik, byzylykët vibrues që mbrojnë nga rrezatimi, dhe djalli e di se çfarë tjetër futet rregullisht në panteonin e të mundshmes nën maskën e fjalës "kuantike". Kjo marrëzi vjen nga mungesa e të menduarit të qartë, vetë-mashtrimi, keqkuptimi i vërtetë ose i shtirur, ose ndonjë kombinim veçanërisht fatkeq i të gjitha sa më sipër. Teoria kuantike e përshkruan me saktësi botën duke përdorur ligje matematikore, po aq specifike sa ato të përdorura nga Njutoni ose Galileo. Kjo është arsyeja pse ne mund të llogarisim fushën magnetike të një elektroni me saktësi të jashtëzakonshme. Teoria kuantike ofron një përshkrim të natyrës që mësojmë se ka fuqi të jashtëzakonshme parashikuese dhe shpjeguese dhe shtrihet në një sërë fenomenesh, nga çipat e silikonit te yjet.

Siç ndodh shpesh, shfaqja e teorisë kuantike provokoi zbulime të fenomeneve natyrore që nuk mund të përshkruheshin nga paradigmat shkencore të kohës. Për teorinë kuantike, kishte shumë zbulime të tilla, për më tepër, të një natyre të ndryshme. Një seri rezultatesh të pashpjegueshme gjeneruan eksitim dhe konfuzion dhe në fund ndezën një periudhë inovacioni eksperimentale dhe teorike që me të vërtetë meriton përkufizimin popullor të "epokës së artë". Emrat e personazheve kryesore janë të rrënjosura përgjithmonë në mendjen e çdo studenti të fizikës dhe shpesh përmenden në kurset universitare edhe më shpesh se të tjerët: Rutherford, Bohr, Planck, Einstein, Pauli, Heisenberg, Schrödinger, Dirac. Ndoshta nuk do të ketë më një periudhë në histori kur kaq shumë emra do të lidhen me madhështinë e shkencës, duke lëvizur drejt një qëllimi të vetëm - krijimit të një teorie të re të atomeve dhe forcave që drejtojnë botën fizike. Në vitin 1924, duke u kthyer pas në dekadat e mëparshme të teorisë kuantike, Ernest Rutherford, fizikani i lindur në Zelandën e Re që zbuloi bërthamën atomike, shkroi: “1896 ... shënoi fillimin e asaj që është quajtur mjaft me vend epoka heroike e fizike. shkenca. Asnjëherë më parë në historinë e fizikës nuk ka pasur një periudhë të tillë aktiviteti të ethshëm, gjatë së cilës disa zbulime thelbësisht të rëndësishme zëvendësuan të tjerat me një shpejtësi marramendëse.

Deri më 30 qershor, lexuesit e T&P do të kenë zbritje në versionet letre dhe elektronike të librit. Zbritjet aktivizohen kur klikoni në lidhjet.

Termi "kuant" u shfaq në fizikë në vitin 1900 falë punës së Max Planck. Ai u përpoq të përshkruante teorikisht rrezatimin e emetuar nga trupat e nxehtë - të ashtuquajturin "rrezatim i trupit të zi". Meqë ra fjala, shkencëtari u punësua për këtë qëllim nga një kompani që merrej me ndriçimin elektrik: kështu hapen ndonjëherë dyert e universit për arsyet më prozaike. Planck zbuloi se vetitë e rrezatimit të trupit të zi mund të shpjegohen vetëm nëse supozojmë se drita emetohet në pjesë të vogla të energjisë, të cilat ai i quajti kuanta. Vetë fjala do të thotë "pako" ose "diskrete". Fillimisht, ai mendoi se ishte thjesht një mashtrim matematikor, por puna e Albert Ajnshtajnit në 1905 mbi efektin fotoelektrik mbështeti hipotezën kuantike. Rezultatet ishin bindëse sepse copa të vogla energjie mund të ishin sinonim i grimcave.

Ideja se drita përbëhet nga një rrjedhë plumbash të vegjël ka një histori të gjatë dhe të lavdishme, që daton që nga Isak Njutoni dhe lindja e fizikës moderne. Megjithatë, në vitin 1864, fizikani skocez James Clark Maxwell dukej se më në fund kishte shpërndarë të gjitha dyshimet në një seri veprash, të cilat Albert Ajnshtajni më vonë i përshkroi si "më të thellët dhe më frytdhënësin nga gjithçka që fizika ka njohur që nga Njutoni". Maxwell tregoi se drita është një valë elektromagnetike që përhapet nëpër hapësirë, kështu që ideja e dritës si valë kishte një origjinë të paqortueshme dhe në dukje të pamohueshme. Megjithatë, në një seri eksperimentesh që Arthur Compton dhe kolegët e tij kryen në Universitetin e Uashingtonit në St. Louis, ata arritën të ndajnë kuantet e dritës nga elektronet. Të dy silleshin më shumë si topa të bilardos, gjë që konfirmoi qartë se supozimet teorike të Planck kishin një themel të fortë në botën reale. Në vitin 1926, kuantet e dritës quheshin fotone. Provat ishin të pakundërshtueshme: drita sillet si një valë dhe një grimcë në të njëjtën kohë. Kjo shënoi fundin e fizikës klasike - dhe fundin e periudhës së formimit të teorisë kuantike.

P. 1 në 68

Redaktorët shkencorë Vyacheslav Maracha dhe Mikhail Pavlov

Ribotuar me leje nga Apollo's Children Ltd dhe Jeff Forshow dhe Diane Banks Associates Ltd.

Mbështetja ligjore e shtëpisë botuese jepet nga studio ligjore “Vegas-Lex”.

* * *

1. Diçka e çuditshme po vjen

Kuantike. Kjo fjalë është njëkohësisht tërheqëse për ndjenjat, konfuze dhe magjepsëse. Në varësi të këndvështrimit, ai është ose dëshmi e përparimeve të mëdha në shkencë, ose një simbol i kufizimeve të intuitës njerëzore, e cila detyrohet të luftojë me çuditshmërinë e pashmangshme të sferës nënatomike. Për një fizikan, mekanika kuantike është një nga tre shtyllat e mëdha mbi të cilat mbështetet kuptimi i natyrës (dy të tjerat janë teoritë e përgjithshme dhe të veçanta të relativitetit të Ajnshtajnit). Teoritë e Ajnshtajnit kanë të bëjnë me natyrën e hapësirës dhe kohës dhe forcën e gravitetit. Mekanika kuantike bën gjithçka tjetër, dhe mund të themi se sado që të tërheq shqisat, të hutojë apo magjepsë, është thjesht një teori fizike që përshkruan se si sillet në të vërtetë natyra. Por edhe nëse matet me këtë kriter shumë pragmatik, ai është i mrekullueshëm në saktësinë dhe fuqinë e tij shpjeguese. Ekziston një eksperiment në fushën e elektrodinamikës kuantike, më i vjetri dhe më i kuptuari i teorive moderne kuantike. Ai mat se si sillet një elektron pranë një magneti. Fizikanët teorikë kanë punuar shumë me stilolaps dhe letër, dhe më vonë me kompjuterë, për shumë vite për të parashikuar se çfarë do të zbulojnë studime të tilla. Praktikuesit dolën dhe krijuan eksperimente për të zbuluar më shumë detaje nga natyra. Të dy kampet prodhuan në mënyrë të pavarur rezultate me një saktësi të ngjashme me matjen e distancës midis Mançesterit dhe Nju Jorkut me një gabim prej disa centimetrash. Vlen të përmendet se shifrat e marra nga eksperimentuesit korrespondonin plotësisht me rezultatet e llogaritjeve të teoricienëve; matjet dhe llogaritjet ishin plotësisht të qëndrueshme.

Kjo nuk është vetëm mbresëlënëse, por mahnitëse, dhe nëse ndërtimi i modeleve do të ishte shqetësimi i vetëm i teorisë kuantike, me të drejtë mund të pyesni se cili është problemi. Shkenca, natyrisht, nuk duhet të jetë e dobishme, por shumë nga ndryshimet teknologjike dhe sociale që kanë revolucionarizuar jetën tonë kanë dalë nga kërkimet themelore të kryera nga shkencëtarët modernë, të cilët udhëhiqen vetëm nga dëshira për të kuptuar më mirë botën përreth nesh. . Falë këtyre zbulimeve të nxitura nga kurioziteti në të gjitha degët e shkencës, ne kemi një jetëgjatësi të zgjatur, udhëtim ajror ndërkombëtar, liri nga nevoja për të fermuar për mbijetesën tonë, dhe një pamje të gjerë, frymëzuese dhe hapëse të vendit tonë në det i pafund yjesh. Por të gjitha këto janë, në njëfarë kuptimi, efekte anësore. Ne eksplorojmë për kuriozitet, jo sepse duam të kuptojmë më mirë realitetin ose të dizajnojmë xhingla më efektive.

Pra, sa më shumë të mësojmë për natyrën elementare të universit, aq më e lehtë na duket. Gradualisht, ne do të kuptojmë të gjitha ligjet dhe se si këto tulla të vogla ndërveprojnë për të formuar botën. Por, sado që ne të zhytemi në thjeshtësinë që qëndron në themel të universit, është e domosdoshme të kujtojmë se ndërsa rregullat bazë të lojës janë të thjeshta, pasojat e tyre nuk janë gjithmonë të lehta për t'u llogaritur. Përvoja jonë e përditshme e njohjes së botës përcaktohet nga marrëdhëniet e shumë miliarda atomeve, dhe do të ishte thjesht marrëzi të përpiqeshim të nxjerrim parimet e sjelljes së njerëzve, kafshëve dhe bimëve nga nuancat e sjelljes së këtyre atomeve. Duke e pranuar këtë, ne nuk e zvogëlojmë rëndësinë e saj: pas të gjitha fenomeneve, si rezultat, fshihet fizika kuantike e grimcave mikroskopike.

Imagjinoni botën përreth nesh. Po mbani në duar një libër prej letre - tul druri i bluar. Pemët janë makina të afta për të marrë atome dhe molekula, për t'i ndarë ato dhe për t'i riorganizuar ato në koloni prej miliarda pjesësh individuale. Ata e bëjnë këtë falë një molekule të njohur si klorofil, e cila përbëhet nga më shumë se 100 atome karboni, hidrogjeni dhe oksigjeni, të cilët janë të lakuar në një mënyrë të veçantë dhe të lidhur me disa atome më shumë magnez dhe hidrogjen. Një kombinim i tillë i grimcave është në gjendje të kapë dritën që ka fluturuar 150,000,000 km nga ylli ynë - një qendër bërthamore me një vëllim prej një milion planetësh si Toka - dhe ta transportojë këtë energji thellë në qeliza, ku krijon molekula të reja nga dioksidi i karbonit dhe uji. dhe liron jetën është oksigjen për ne.

Janë këta zinxhirë molekularë që formojnë superstrukturën që bashkon pemët dhe letrën në këtë libër, dhe të gjitha gjallesat. Ju jeni në gjendje të lexoni një libër dhe të kuptoni fjalët sepse keni sy dhe ata mund të shndërrojnë dritën e humbur nga faqet në impulse elektrike, të interpretuara nga truri - struktura më komplekse e universit që ne dimë. Ne zbuluam se të gjitha gjërat në botë nuk janë asgjë më shumë se grupe atomesh, dhe shumëllojshmëria më e gjerë e atomeve përbëhet nga vetëm tre grimca - elektrone, protone dhe neutrone. Ne gjithashtu e dimë se vetë protonet dhe neutronet përbëhen nga entitete më të vogla të quajtura kuarke, dhe gjithçka përfundon me ta - të paktën kështu mendojmë ne tani. Baza për të gjithë këtë është teoria kuantike.

Brian Cox, Jeff Forshaw

Universi kuantik. Si funksionon ajo që ne nuk mund ta shohim

Redaktorët shkencorë Vyacheslav Maracha dhe Mikhail Pavlov

Ribotuar me leje nga Apollo's Children Ltd dhe Jeff Forshow dhe Diane Banks Associates Ltd.

Mbështetja ligjore e shtëpisë botuese jepet nga studio ligjore “Vegas-Lex”.

* * *

1. Diçka e çuditshme po vjen

Janë këta zinxhirë molekularë që formojnë superstrukturën që bashkon pemët dhe letrën në këtë libër, dhe të gjitha gjallesat. Ju jeni në gjendje të lexoni një libër dhe të kuptoni fjalët sepse keni sy dhe ata mund të shndërrojnë dritën e humbur nga faqet në impulse elektrike, të interpretuara nga truri - struktura më komplekse e universit që ne dimë. Ne zbuluam se të gjitha gjërat në botë nuk janë asgjë më shumë se grupe atomesh, dhe shumëllojshmëria më e gjerë e atomeve përbëhet nga vetëm tre grimca - elektrone, protone dhe neutrone. Ne gjithashtu e dimë se vetë protonet dhe neutronet përbëhen nga entitete më të vogla të quajtura kuarke, dhe gjithçka përfundon me ta - të paktën kështu mendojmë ne tani. Baza për të gjithë këtë është teoria kuantike.

Duhet të pranojmë se teoria kuantike ka një reputacion disi të çuditshëm dhe pas emrit të saj fshihen shumë marrëzi të vërteta. Macet mund të jenë të vdekura dhe të gjalla në të njëjtën kohë; grimcat janë në dy vende në të njëjtën kohë; Heisenberg argumenton se gjithçka është e pasigurt. E gjithë kjo është me të vërtetë e vërtetë, por përfundimet që rrjedhin shpesh nga kjo - meqenëse diçka e çuditshme ndodh në mikrokozmos, atëherë ne jemi të mbuluar nga një mjegull mjegull - janë padyshim të gabuara. Perceptimi ekstrasensional, shërimi mistik, byzylykët vibrues që mbrojnë nga rrezatimi, dhe djalli e di se çfarë tjetër futet rregullisht në panteonin e të mundshmes nën maskën e fjalës "kuantike". Kjo marrëzi vjen nga mungesa e të menduarit të qartë, vetë-mashtrimi, keqkuptimi i vërtetë ose i shtirur, ose ndonjë kombinim veçanërisht fatkeq i të gjitha sa më sipër. Teoria kuantike e përshkruan me saktësi botën me ligje matematikore po aq specifike sa ato të përdorura nga Njutoni ose Galileo. Kjo është arsyeja pse ne mund të llogarisim fushën magnetike të një elektroni me saktësi të jashtëzakonshme. Teoria kuantike ofron një përshkrim të natyrës që mësojmë se ka fuqi të jashtëzakonshme parashikuese dhe shpjeguese dhe shtrihet në një sërë fenomenesh, nga çipat e silikonit te yjet.

Qëllimi i këtij libri është të heqë velin e misterit nga teoria kuantike - një konstrukt teorik që ngatërron shumë njerëz, duke përfshirë edhe pionierët e industrisë. Ne synojmë të përdorim një perspektivë moderne, duke përfituar nga mësimet e nxjerra gjatë shekujve në zhvillimet e pasme dhe teorike. Sidoqoftë, në fillim të udhëtimit, ne do të shpejtojmë përpara në fillimin e shekullit të 20-të dhe do të eksplorojmë disa nga problemet që i bënë fizikanët të devijojnë rrënjësisht nga ajo që konsiderohej më parë rrjedha kryesore e shkencës.

Një qasje e re ndaj problemit të gravitetit kuantik, mbi të cilin shkencëtarët kanë luftuar për shumë dekada, kthehet në bazat dhe tregon se si "tullat" që përbëjnë hapësirën dhe kohën "grumbullohen" me njëra-tjetrën.

Si lindi hapësira dhe koha? Si formuan ata një zbrazëti të lëmuar katër-dimensionale që shërben si sfond për botën tonë fizike? Si duken ata pas një inspektimi më të afërt? Pyetje si kjo lindin në ballë të shkencës moderne dhe po shtyjnë për studimin e gravitetit kuantik - një unifikimi i teorisë së përgjithshme të relativitetit të Ajnshtajnit me teorinë kuantike ende që nuk do të krijohet. Teoria e relativitetit përshkruan se si hapësira dhe koha në një shkallë makroskopike mund të marrin forma të panumërta, duke krijuar atë që ne e quajmë gravitet ose gravitet. Teoria kuantike përshkruan ligjet e fizikës shkallët atomike dhe nënatomike, duke injoruar plotësisht efektet e gravitetit. Teoria e gravitetit kuantik duhet të përshkruajë në ligjet kuantike natyrën e hapësirë-kohës në shkallët më të vogla - hapësirat midis grimcave elementare më të vogla të njohura - dhe, ndoshta, ta shpjegojë atë përmes disa komponentëve themelorë.

Teoria e superstringut përmendet shpesh si kandidati kryesor për këtë rol, por ajo ende nuk i është përgjigjur ndonjë prej pyetjeve të ndezura. Për më tepër, duke ndjekur logjikën e saj të brendshme, ai zbuloi shtresa edhe më të thella të përbërësve të rinj ekzotikë dhe marrëdhëniet midis tyre, duke çuar në një shumëllojshmëri marramendëse rezultatesh të mundshme.

DISPOZITAT THEMELORE

Është e njohur që teoria kuantike dhe teoria e përgjithshme e relativitetit të Ajnshtajnit nuk përshtaten së bashku. Fizikanët janë përpjekur prej kohësh t'i lidhin ato në një teori të unifikuar të gravitetit kuantik, por nuk kanë arritur shumë sukses.

Qasja e re e propozuar nuk prezanton ndonjë dispozitë ekzotike, por hap një mënyrë të re për zbatimin e ligjeve të njohura për elementët individualë të hapësirë-kohës. Këto elemente bashkohen si molekula në një kristal.

Qasja jonë tregon se si hapësira katërdimensionale që njohim mund të dalë dinamikisht nga komponentë më themelorë. Për më tepër, ai sugjeron se si kjo hapësirë-kohë në një shkallë mikroskopike kalon gradualisht nga vazhdimësia e qetë në fraktalitet të çuditshëm.

Vitet e fundit, puna jonë është bërë një alternativë premtuese për autostradën e shkelur mirë të fizikës teorike. Duke ndjekur recetën më të thjeshtë - merrni disa përbërës themelorë, montoni ato në përputhje me parimet e njohura kuantike (pa asnjë ekzotike), përzieni mirë dhe lëreni të qetësohen - do të merrni hapësirë-kohë kuantike. Procesi është mjaft i thjeshtë për t'u simuluar në një laptop.

Me fjalë të tjera, nëse, duke e konsideruar hapësirë-kohën e zbrazët (vakumin) si një lloj lënde jomateriale, të përbërë nga një numër shumë i madh elementësh mikroskopikë pa strukturë, i lejoni ata të ndërveprojnë me njëri-tjetrin në përputhje me rregullat e thjeshta të teorisë së gravitetit. dhe teoria kuantike, atëherë këta elementë do të organizohen spontanisht në një të vetme një tërësi që, në shumë mënyra, do të duket si universi i vëzhgueshëm. Procesi është i ngjashëm me mënyrën se si molekulat organizohen në një trup të ngurtë kristalor ose amorf.

Me këtë qasje, hapësirë-koha mund të ndihet më shumë si një pjekje e zakonshme e përzier sesa një tortë e përpunuar martese. Për më tepër, ndryshe nga qasjet e tjera ndaj gravitetit kuantik, e jona është shumë e fortë. Kur ndryshojmë detajet e modelit tonë, rezultati vështirë se ndryshon. Kjo qëndrueshmëri jep arsye për të shpresuar se jemi në rrugën e duhur. Nëse rezultati do të ishte i ndjeshëm ndaj vendit ku vendosim secilën pjesë të ansamblit tonë të madh, do të merrnim një numër kolosal të formave baroke po aq të mundshme, të cilat do të përjashtonin mundësinë e shpjegimit pse universi doli të ishte pikërisht ai që është.

Mekanizma të ngjashëm të vetë-montimit dhe vetëorganizimit funksionojnë në fizikë, biologji dhe fusha të tjera të shkencës. Sjellja e tufave të mëdha të shpendëve, si yjet, është një shembull i bukur. Zogjtë individualë ndërveprojnë vetëm me një numër të vogël fqinjësh; nuk ka asnjë lider që do t'u thoshte se çfarë të bënin. Sidoqoftë, kopeja formon dhe lëviz si një e tërë, duke zotëruar veti kolektive ose të prejardhura që nuk manifestohen në sjelljen e individëve individualë.

Një histori e shkurtër e gravitetit kuantik

Përpjekjet e mëparshme për të shpjeguar strukturën kuantike të hapësirë-kohës si formim në procesin e shfaqjes spontane nuk kanë sjellë sukses të dukshëm. Ata erdhën nga graviteti kuantik Euklidian. Programi i kërkimit filloi në fund të viteve 1970. dhe u bë i njohur nga "Historia e shkurtër e kohës" e fizikantit Stephen Hawking, një libër më i shitur. Ky program bazohet në parimin e mbivendosjes, i cili është themelor për mekanikën kuantike. Çdo objekt, klasik ose kuantik, është në një gjendje, i karakterizuar, për shembull, nga pozicioni dhe shpejtësia. Por nëse gjendja e një objekti klasik mund të përshkruhet nga një grup numrash të veçantë vetëm për të, atëherë gjendja e një objekti kuantik është shumë më e pasur: është shuma e të gjitha gjendjeve të mundshme klasike.

TEORIA E GRAVITACIONIT KUANTUM

TEORIA E FARGËS
E mbështetur nga shumica e fizikanëve teorikë, kjo teori ka të bëjë jo vetëm me gravitetin kuantik, por të gjitha llojet e materies dhe forcave. Ai bazohet në idenë se të gjitha grimcat (përfshirë ato hipotetike që mbartin gravitetin) janë vargje vibruese.

GRAVITETI KUANTUM I LAKUT
Alternativa kryesore ndaj teorisë së fijeve. Ajo mbështetet në një metodë të re të zbatimit të rregullave të mekanikës kuantike në teorinë e përgjithshme të relativitetit të Ajnshtajnit. Hapësira është e ndarë në "atome" diskrete të vëllimit

Graviteti Kuantik Euklidian
Qasja, e bërë e famshme nga fizikani Stephen Hawking, bazohet në supozimin se hapësirë-koha lind nga një mesatare kuantike e përbashkët e të gjitha formave të mundshme. Në këtë teori, koha konsiderohet e barabartë me dimensionet hapësinore.

TREGENDULIMI DINAMIK KAZAL
Kjo qasje, e cila është objekt i këtij artikulli, është një version modern i qasjes Euklidiane. Ai bazohet në përafrimin e hapësirë-kohës nga një mozaik trekëndëshash me një dallim fillestar midis hapësirës dhe kohës. Në një shkallë të vogël, hapësirë-koha fiton një strukturë fraktale

Për shembull, një top klasik i bilardos lëviz përgjatë një trajektoreje specifike dhe pozicioni dhe shpejtësia e tij mund të përcaktohen saktësisht në çdo kohë. Në rastin e një elektroni shumë më të vogël, gjërat janë të ndryshme. Lëvizja e tij u bindet ligjeve kuantike, sipas të cilave një elektron mund të ekzistojë njëkohësisht në shumë vende dhe të ketë shumë shpejtësi. Në mungesë të ndikimeve të jashtme nga pika A në pikën B, elektroni lëviz jo në një vijë të drejtë, por përgjatë të gjitha shtigjeve të mundshme njëkohësisht. Pamja cilësore e të gjitha shtigjeve të mundshme të lëvizjes së saj, e mbledhur së bashku, kthehet në një "recetë" rigoroze matematikore për mbivendosjen kuantike, të formuluar nga nobelisti Richard Feynman, dhe duke dhënë një mesatare të ponderuar të të gjitha mundësive individuale.

Duke përdorur recetën e propozuar, ju mund të llogarisni probabilitetin e gjetjes së një elektroni në çdo gamë specifike pozicionesh dhe shpejtësish larg shtegut të drejtpërdrejtë përgjatë së cilës do të duhej të lëvizte sipas ligjeve të mekanikës klasike. Një tipar dallues i sjelljes kuantike-mekanike të një grimce është devijimet nga një trajektore e vetme e qartë, e ashtuquajtura. luhatjet kuantike. Sa më e vogël të jetë madhësia e sistemit fizik në shqyrtim, aq më i madh është roli i luhatjeve kuantike.

Në gravitetin kuantik Euklidian, parimi i mbivendosjes zbatohet për të gjithë universin në tërësi. Në këtë rast, mbivendosja nuk përbëhet nga trajektore të ndryshme të grimcave, por nga rrugët e mundshme të evolucionit të universit në kohë, në veçanti nga format e hapësirë-kohës. Për ta reduktuar problemin në një formë që lejon dikë të kërkojë një zgjidhje, fizikanët zakonisht marrin parasysh vetëm formën dhe madhësinë e përgjithshme të hapësirë-kohës, dhe jo çdo shtrembërim të saj të imagjinueshëm (shih: Jonathan J. Halliwell. Kozmologjia Kuantike dhe Krijimi i Universit // Scientific American, dhjetor 1991).

Në vitet 1980-1990. Kërkimet në fushën e gravitetit kuantik Euklidian kanë kaluar një rrugë të gjatë teknike të lidhur me zhvillimin e mjeteve të fuqishme të simulimit kompjuterik. Modelet e përdorura përfaqësonin gjeometritë e hapësirë-kohës së lakuar me ndihmën e "tullave" elementare, të cilat për lehtësi konsideroheshin trekëndore. Rrjetat trekëndore mund të përafrojnë në mënyrë efektive sipërfaqet e lakuara, kjo është arsyeja pse ato përdoren shpesh në animacionet kompjuterike. Në rastin e modelimit hapësirë-kohë, këto "tulla" elementare janë përgjithësime të trekëndëshave në lidhje me hapësirën katërdimensionale dhe quhen 4-thjeshtime. Ashtu si ngjitja e trekëndëshave me skajet e tyre ju lejon të krijoni sipërfaqe të lakuara dy-dimensionale, ngjitja e "fytyrave" të simplekseve katërdimensionale (të cilat janë katërkëndëshe tredimensionale) ju lejon të krijoni një model të hapësirë-kohës katër-dimensionale.

Vetë blloqet e ndërtimit nuk kanë kuptim të drejtpërdrejtë fizik. Nëse hapësirë-koha mund të shihej nën një mikroskop super të fuqishëm, asnjë trekëndësh nuk do të ishte i dukshëm. Janë vetëm përafërsi. I vetmi informacion që ka kuptim fizik përmbahet në sjelljen e tyre kolektive në nocionin se secili prej tyre u tkurr në madhësinë zero. Në këtë kufi, gjeometria e "tullave" (qofshin ato trekëndore, kubike, pesëkëndëshe apo ndonjë përzierje e këtyre formave) nuk ka rëndësi.

Pandjeshmëria ndaj një sërë detajesh në shkallë të vogël shpesh quhet shkathtësi. Një fenomen i njohur në fizikën statistikore, i cili studion lëvizjen e molekulave në gaze dhe lëngje: molekulat sillen pothuajse njësoj, pavarësisht nga përbërja e tyre. Universaliteti shoqërohet me vetitë e sistemeve që përbëhen nga një numër i madh elementësh individualë dhe manifestohet në një shkallë shumë më të madhe se shkalla e një komponenti të vetëm. Një deklaratë e ngjashme për një tufë zogjsh është se ngjyra, madhësia, gjerësia e krahëve dhe mosha e zogjve individualë nuk kanë të bëjnë fare me sjelljen e tufës në tërësi. Në një shkallë makroskopike, shfaqen shumë pak detaje mikroskopike.

Duke u tkurrur

Duke përdorur modele kompjuterike, studiuesit e gravitetit kuantik filluan të studiojnë efektet e mbivendosjes së formave hapësinore-kohë që nuk mund të studiohen me metodat e relativitetit klasik, në veçanti, të lakuara fort në distanca shumë të vogla. Ky i ashtuquajtur regjim jo shqetësues është me interesin më të madh për fizikantët, por pothuajse i pamundur të analizohet pa përdorimin e kompjuterëve.

PËRSHKRIMI I FORMËS SË HAPËSIRËS

MOZAIK TREKËNDËSH
Për të përcaktuar se si hapësira formon vetveten, fizikantëve fillimisht u nevojitet një mënyrë për të përshkruar formën e saj. Ata e përshkruajnë atë duke përdorur trekëndësha dhe homologët e tyre me një numër të madh dimensionesh, mozaiku i të cilave lejon që dikush të përafrojë forma të lakuara. Lakimi në një pikë të caktuar përcaktohet nga këndi i përgjithshëm i kontraktuar nga trekëndëshat që rrethojnë atë pikë. Në rastin e një sipërfaqe të sheshtë, ky kënd është saktësisht 360 °, por në rastin e sipërfaqeve të lakuara, mund të jetë më pak ose më shumë.

Fatkeqësisht, simulimet kanë treguar se graviteti kuantik Euklidian nuk lejon komponentë të rëndësishëm të sjelljes. Të gjitha superpozicionet jo shqetësuese në universin katërdimensional rezultuan të jenë të paqëndrueshme në parim. Luhatjet e lakimit kuantik në shkallë të vogël që karakterizojnë universet e ndryshme të mbivendosura që kontribuojnë në mesataren nuk kompensojnë, por reciprokisht përforcojnë njëra-tjetrën, duke bërë që e gjithë hapësira të thërrmohet në një top të vogël me dimensione të pafundme. Në një hapësirë të tillë, distanca midis çdo dy pikash mbetet gjithmonë shumë e vogël, edhe nëse vëllimi i saj është i madh. Në disa raste, hapësira shkon në ekstremin tjetër, duke u bërë jashtëzakonisht e hollë dhe e zgjeruar, si një polimer me shumë degë. Asnjë nga këto mundësi nuk është e ngjashme me universin tonë real.

Përpara se t'u kthehemi përsëri supozimeve që i kanë çuar fizikanët në një ndalesë, le të shohim një çuditshmëri të rezultatit të marrë. "Tullat" janë katërdimensionale, por në total ato formojnë ose hapësirë me një numër të pafund dimensionesh (univers i tkurrur), ose hapësirë dydimensionale (univers-polimer). Sapo supozimi i luhatjeve të mëdha të vakumit kuantik e lëshoi xhindin nga shishja, u bë i mundur ndryshimi i koncepteve më themelore, siç është dimensioni. Ndoshta teoria klasike e gravitetit, në të cilën numri i dimensioneve konsiderohet gjithmonë i sigurt, nuk mund të parashikonte një rezultat të tillë.

Një pasojë mund të jetë disi zhgënjyese për fansat e fantashkencës. Shkrimtarët e trillimeve shkencore shpesh përdorin konceptin e tuneleve hapësirë-kohë, sikur të lejojnë të bashkojnë zona që janë larg njëra-tjetrës. Ata po pushtojnë me mundësinë premtuese të udhëtimit në kohë dhe transmetimit të sinjaleve me shpejtësi që tejkalojnë shpejtësinë e dritës. Përkundër faktit se asgjë e tillë nuk është vërejtur ndonjëherë, fizikantët pranojnë se tunele të tilla mund të rehabilitohen brenda kornizës së teorisë së gravitetit kuantik që ende nuk është krijuar. Në dritën e rezultatit negativ të simulimeve kompjuterike të gravitetit kuantik Euklidian, mundësia e ekzistencës së tuneleve të tilla duket jashtëzakonisht e pamundur. Tunelet kohë-hapësirë kanë kaq shumë ndryshime sa duhet të dominojnë mbivendosjen, duke e bërë atë të paqëndrueshëm, në mënyrë që universi kuantik të mos mund të rritet kurrë përtej një komuniteti të vogël, por shumë të ndërlidhur.

ZBATIMI I RREGULLAVE KUANTIKE NË HAPËSIRË-KOHËN

Mesatarja
Koha-hapësira mund të marrë një larmi formash. Sipas teorisë kuantike, forma që kemi më shumë gjasa të shohim është një mbivendosje, ose një mesatare e ponderuar e të gjitha formave të mundshme. Kur hartojnë forma nga trekëndëshat, teoricienët i caktojnë peshë secilit prej tyre, në varësi të mënyrës së veçantë të lidhjes së këtyre trekëndëshave kur ndërtojnë një formë të caktuar. Autorët zbuluan se në mënyrë që mesatarja që rezulton të jetë në përputhje me Universin real të vëzhguar, trekëndëshat duhet t'u binden disa rregullave, në veçanti, të përmbajnë "shigjeta" të integruara që tregojnë drejtimin e kohës.

Cila mund të jetë rrënja e telasheve? Në kërkimin tonë për boshllëqet dhe skajet e lirshme të qasjes Euklidiane, ne dolëm me një ide kryesore - një komponent që është absolutisht i nevojshëm për të qenë në gjendje të gatuajmë pjekjen tonë të përzier: kodi i universit duhet të përfshijë parimin e shkakësisë, d.m.th. struktura e vakumit duhet të ofrojë aftësinë për të dalluar pa mëdyshje midis shkakut dhe pasojës. Kauzaliteti është pjesë përbërëse e teorive klasike të relativitetit special dhe të përgjithshëm.

Shkakësia nuk përfshihet në gravitetin kuantik Euklidian. Përkufizimi "Euklidian" do të thotë se hapësira dhe koha konsiderohen ekuivalente. Universet e përfshira në mbivendosjen Euklidiane kanë katër dimensione hapësinore në vend të një kohore dhe tre hapësinore. Meqenëse universet Euklidiane nuk kanë një koncept të veçantë të kohës, ata nuk kanë strukturë për të rregulluar ngjarjet në një rend të caktuar. Banorët e universeve të tilla nuk mund të kenë konceptet e "shkakut" dhe "pasojës". Hawking dhe shkencëtarë të tjerë që përdorin qasjen Euklidiane kanë thënë se "koha është imagjinare" si në aspektin matematikor ashtu edhe në atë të folur. Ata shpresonin se shkakësia do të shfaqej si një veti makroskopike nga luhatjet kuantike mikroskopike që, individualisht, nuk kanë shenja të një strukture shkakësore. Megjithatë, simulimet kompjuterike i prishën shpresat e tyre.

NJË DIMENSION PLOTËSISHT I RI NË HAPËSIRË

Në jetën e zakonshme, dimensioni i hapësirës është numri minimal i dimensioneve të nevojshme për të përcaktuar pozicionin e një pike, si gjatësia, gjerësia dhe lartësia. Ky përkufizim bazohet në supozimin se hapësira është e vazhdueshme dhe u bindet ligjeve të fizikës klasike. Po sikur hapësira të mos sillet kaq thjesht? Po sikur forma e saj të përcaktohet nga procese kuantike që nuk manifestohen në jetën e zakonshme? Në raste të tilla, fizikanët dhe matematikanët duhet të zhvillojnë një kuptim më kompleks të dimensionit. Numri i dimensioneve mund të mos jetë as një numër i plotë, si në rastin e fraktaleve - struktura që kanë të njëjtën pamje në të gjitha shkallët.

PËRKUFIZIMET E PËRGJITHSHME TË DIMENSIONIT

Dimensioni Hausdorff
Përkufizimi i formuluar në fillim të shekullit XX. Matematikani gjerman Felix Hausdorff, rrjedh nga varësia e vëllimit V të rajonit nga madhësia e tij lineare r. Në hapësirën e zakonshme tre-dimensionale V është proporcionale me $r ^ 3 $. Eksponenti në këtë marrëdhënie është numri i dimensioneve. Masa të tjera të madhësisë së përgjithshme, si sipërfaqja, mund të konsiderohen gjithashtu "vëllimi". Në rastin e Sierpiński V, ai është proporcional me $ r ^ (1,5850) $. Kjo rrethanë pasqyron faktin se kjo shifër nuk e plotëson të gjithë sipërfaqen

Dimensioni spektral
Ky përkufizim karakterizon përhapjen e një objekti ose dukurie në mjedis me kalimin e kohës, qoftë ajo një pikë boje në një enë me ujë ose një sëmundje në një popullatë. Çdo molekulë uji ose individ në një popullatë ka një numër të caktuar fqinjësh më të afërt, i cili përcakton shkallën e përhapjes së bojës ose përhapjen e sëmundjes. Në një mjedis tredimensional, madhësia e një re boje rritet proporcionalisht me fuqinë 3/2. Në jastëkun Sierpiński, boja duhet të depërtojë përmes formës sinuous, prandaj përhapet më ngadalë - në proporcion me kohën me fuqinë 0,6826, që korrespondon me dimensionin spektral prej 1,3652

Zbatimi i përkufizimeve
Në përgjithësi, metodat e ndryshme të llogaritjes së dimensionit japin numra të ndryshëm dimensionesh, pasi ato rrjedhin nga karakteristika të ndryshme të gjeometrisë. Për disa forma gjeometrike, numri i dimensioneve nuk është konstant. Në veçanti, difuzioni mund të jetë një funksion më kompleks se koha në një shkallë konstante.
Kur modeloni gravitetin kuantik, theksi vihet në dimensionin spektral. Një sasi e vogël e një substance të caktuar futet në një tullë elementare të modelit kuantik hapësirë-kohë. Nga kjo tullë, ajo përhapet rastësisht. Numri i përgjithshëm i tullave hapësirë-kohë që arrin kjo substancë gjatë një periudhe të caktuar kohore dhe përcakton dimensionin spektral

Në vend që të neglizhojmë kauzalitetin kur lidhim universe të veçanta me shpresën se do të lindë nga mençuria kolektive e mbivendosjes, ne vendosëm të përfshijmë kauzalitetin në një fazë shumë më të hershme. Ne e quajtëm metodën tonë trekëndësh dinamike. Ne i kemi caktuar çdo simplex një shigjetë kohore që tregon nga e kaluara në të ardhmen. Më pas kemi prezantuar rregullin shkakësor të "ngjitjes": dy simplekse duhet të ngjiten në atë mënyrë që shigjetat e tyre të jenë në të njëjtin drejtim. Koncepti i kohës në simplekset e ngjitur duhet të jetë i njëjtë: koha me një shpejtësi konstante duhet të rrjedhë në drejtim të këtyre shigjetave, duke mos ndalur asnjëherë mbrapsht. Me kalimin e kohës, hapësira duhet të ruajë formën e saj të përgjithshme, të mos shpërbëhet në pjesë të veçanta dhe të mos krijojë tunele hapësirë-kohë.

Pasi formuluam këtë strategji në vitin 1998, ne treguam, duke përdorur modele jashtëzakonisht të thjeshtuara, se rregullat për ngjitjen e thjeshtësimeve çojnë në një formë makroskopike, të ndryshme nga graviteti kuantik Euklidian. Kjo ishte inkurajuese, por nuk do të thoshte se rregullat e pranuara të ngjitjes ishin të mjaftueshme për të siguruar stabilitetin e të gjithë universit katërdimensional. Kështu e mbajtëm frymën kur, në vitin 2004, kompjuteri ynë ishte pothuajse gati për të na dhënë llogaritjet e para të mbivendosjes shkakësore të thjeshtimeve katërdimensionale. A do të sillet kjo hapësirë-kohë në distanca të mëdha si një objekt katërdimensional i zgjatur dhe jo si një top i rrudhur apo polimer?

Imagjinoni kënaqësinë tonë kur numri i dimensioneve të universit të llogaritur doli të ishte 4 (më saktë, 4,02 ± 0,1). Kjo ishte hera e parë që numri i dimensioneve të barabartë me atë të vëzhguar nxirret nga parimet bazë. Sot, futja e konceptit të shkakësisë në modelin e gravitetit kuantik është mënyra e vetme e njohur për të trajtuar paqëndrueshmëritë e mbivendosjes së gjeometrive hapësirë-kohë.

Hapësirë-kohë në përgjithësi

Ky simulim ishte i pari në një seri të vazhdueshme eksperimentesh llogaritëse, në të cilat ne përpiqemi të nxjerrim përfundimin e vetive fizike dhe gjeometrike të hapësirës kuantike të kohës përmes simulimeve kompjuterike. Hapi ynë tjetër ishte të studionim formën e hapësirë-kohës në distanca të mëdha dhe të kontrollonim korrespondencën e saj me botën reale, d.m.th. parashikimet e relativitetit të përgjithshëm. Në rastin e modeleve jo shqetësuese të gravitetit kuantik që nuk përmbajnë një supozim apriori për formën e hapësirë-kohës, një verifikim i tillë është shumë i vështirë - aq sa në shumicën e qasjeve ndaj gravitetit kuantik, duke përfshirë teorinë e fijeve, me përjashtim të në raste të veçanta, progresi i arritur është i pamjaftueshëm për ta realizuar atë.

THELLIMI NË HAPËSIRË-KOHË

Sipas llogaritjeve të autorëve, dimensioni spektral i hapësirë-kohës zvogëlohet nga katër (në kufirin e shkallës së gjerë) në dy (në kufirin e shkallës së vogël), dhe hapësira e vazhdueshme-koha shpërthen, duke u kthyer në një fraktal të degëzuar. . Fizikanët ende nuk mund të kuptojnë nëse ky përfundim do të thotë se në fund hapësirë-koha përbëhet nga "atome" të lokalizuara, apo është ndërtuar nga struktura mikroskopike që janë shumë të dobëta të lidhura me konceptin e zakonshëm të gjeometrisë.

Siç doli, në mënyrë që modeli ynë të funksionojë, është e nevojshme që në fillim të prezantohet e ashtuquajtura konstante kozmologjike - një substancë e padukshme dhe jomateriale që përmbahet në hapësirë edhe në mungesë të ndonjë forme tjetër të materies dhe energjisë. Kjo domosdoshmëri është një lajm i mirë, pasi kozmologët kanë gjetur konfirmim eksperimental të ekzistencës së kësaj konstante. Për më tepër, forma rezultuese e hapësirë-kohës korrespondonte me gjeometrinë e de Sitter, d.m.th. duke zgjidhur ekuacionet e Ajnshtajnit për një univers që nuk përmban asgjë përveç një konstante kozmologjike. Është vërtet mbresëlënëse që grumbullimi i "blloqeve ndërtuese" mikroskopike në një mënyrë pothuajse të rastësishme - pa supozime simetrie ose strukturë gjeometrike të preferuar - rezultoi në hapësirë-kohë që të kishte, në një shkallë të gjerë, formën shumë simetrike të universit të de Sitter.

Shfaqja dinamike e një universi katërdimensional me formë pothuajse të rregullt gjeometrike nga parimet bazë është bërë arritja kryesore e modelimit tonë. Çështja nëse është e mundur të kuptohet ky rezultat i jashtëzakonshëm brenda kuadrit të konceptit të ndërveprimit të disa "atomeve" ende të pa krijuara të hapësirë-kohës është qëllimi i kërkimit tonë të vazhdueshëm. Meqenëse kemi verifikuar se modeli ynë i gravitetit kuantik ka kaluar një sërë testesh klasike, është koha t'i drejtohemi eksperimenteve të një lloji tjetër - duke zbuluar strukturën dalluese kuantike të hapësirë-kohës, të cilën teoria klasike e Ajnshtajnit nuk mund ta zbulonte. Në një nga këto eksperimente, ne simuluam procesin e difuzionit: futëm një analog të përshtatshëm të një rënie boje në mbivendosjen e universeve dhe vëzhguam se si përhapet dhe shqetësohet nga luhatjet kuantike. Gjetja e madhësisë së resë së bojës me kalimin e kohës na lejoi të përcaktojmë numrin e dimensioneve në hapësirë (shih shiritin anësor).

Rezultati ishte mahnitës: numri i matjeve varet nga shkalla. Me fjalë të tjera, nëse difuzioni zgjati për një kohë të shkurtër, atëherë numri i dimensioneve hapësirë-kohë doli të ishte i ndryshëm nga ai kur procesi i difuzionit zgjati për një kohë të gjatë. Edhe ata prej nesh që u specializuan në gravitetin kuantik vështirë se mund ta imagjinonin se si numri i dimensioneve të hapësirës-kohës mund të ndryshonte vazhdimisht në varësi të rezolucionit të "mikroskopit" tonë. Natyrisht, hapësirë-koha për objektet e vogla është shumë e ndryshme nga ajo për ato të mëdha. Për objektet e vogla, universi është si një strukturë fraktale - një lloj hapësire e pazakontë në të cilën koncepti i madhësisë thjesht nuk ekziston. Është e vetëngjashme, d.m.th. duket e njëjtë në të gjitha shkallët. Kjo do të thotë se nuk ka objekte me përmasa karakteristike që mund të shërbejnë si një shirit shkallësh.

Sa e vogël është kjo "e vogël"? Deri në një madhësi prej rreth $ 10 ^ (- 34) $ m, universi kuantik në tërësi përshkruhet mirë nga gjeometria klasike katër-dimensionale de Sitter, megjithëse roli i luhatjeve kuantike rritet me zvogëlimin e distancës. Fakti që përafrimi klasik mbetet i vlefshëm deri në distanca kaq të vogla është befasues. Pasoja shumë të rëndësishme rrjedhin prej saj si për fazat më të hershme të historisë së universit ashtu edhe për të ardhmen e tij shumë të largët. Brenda të dy këtyre kufijve, universi është praktikisht i zbrazët. Në ditët e para, luhatjet kuantike ishin aq të mëdha sa që materia mezi zbulohej. Ajo ishte një trap i vogël në oqeanin që rrotullohej. Miliarda vjet pas nesh, për shkak të zgjerimit të shpejtë të Universit, materia do të jetë aq e rrallë sa do të luajë shumë pak ose aspak rol. Qasja jonë na lejon të shpjegojmë formën e hapësirës në të dy rastet kufizuese.

ÇFARË ËSHTË NJË SHKAK?

Kauzaliteti është parimi që ngjarjet ndodhin në një sekuencë specifike në kohë, jo në çrregullim, gjë që bën të mundur dallimin midis shkakut dhe pasojës. Në qasjen ndaj gravitetit kuantik të miratuar nga autorët, ndryshimi midis një shkaku dhe një efekti duket si thelbësor në natyrë dhe jo një veti e konkluduar.

Në shkallë edhe më të vogla, luhatjet kuantike të hapësirë-kohës rriten aq shumë saqë idetë klasike intuitive rreth gjeometrisë humbasin plotësisht kuptimin e tyre. Numri i dimensioneve zvogëlohet nga katër klasikët në rreth dy. Megjithatë, për aq sa mund të themi, hapësirë-koha mbetet e vazhdueshme dhe nuk përmban asnjë tunele. Nuk është aq ekzotike sa shkuma hapësinore-kohore që flluskonte që e panë fizikani John Wheeler dhe shumë të tjerë. Gjeometria hapësirë-kohë u bindet ligjeve të pazakonta dhe jo klasike, por koncepti i distancës mbetet i zbatueshëm. Tani po përpiqemi të depërtojmë në një shkallë edhe më të vogël. Një mundësi është që universi të bëhet i ngjashëm me vetveten dhe të duket i njëjtë për të gjitha shkallët më pak se një kufi i caktuar. Nëse është kështu, atëherë universi nuk përbëhet nga vargje apo atome të hapësirë-kohës, por është një botë mërzie të pafundme: struktura e gjetur pak nën pragun, ndërsa thellohet në një rajon me dimensione gjithnjë e më të vogla, thjesht do të përsëritet. infinitum.

Është e vështirë të imagjinohet se si fizikanët mund të menaxhojnë me më pak komponentë dhe mjete teknike sesa kemi përdorur për të ndërtuar një univers kuantik me veti realiste. Ne kemi ende shumë teste dhe eksperimente për të bërë, për shembull, për të kuptuar sjelljen e materies në Univers dhe efektin e saj në formën e saj të përgjithshme. Qëllimi ynë kryesor, si me çdo teori të gravitetit kuantik, është të parashikojmë pasoja të vëzhgueshme që rrjedhin nga struktura mikroskopike kuantike. Ky do të jetë kriteri vendimtar për korrektësinë e modelit tonë si teori e gravitetit kuantik.

Përkthimi: I.E. Satseviç

LITERATURË SHTESË

Lindja Planckiane e një Universi Quantum de Sitter. J. Ambjorn, A. Gorlich, J. Jurkiewicz dhe R. Loll në Physical Review Letters, Vol. 100, Neni Nr. 091304; 7 mars 2008. Në dispozicion preprint
Udhëzuesi i plotë i idiotit për teorinë e fijeve. George Musser. Alfa, 2008.
Shfaqja e hapësirës-kohës, ose, graviteti kuantik në desktopin tuaj. R. Loll në gravitetin klasik dhe kuantik, vëll. 25, Nr. 11, Neni Nr. 114006; 7 qershor 2008. Ka një preprint
Faqja e internetit e Renata Loll

Jan Ambjorn, Renate Loll dhe Jerzy Jurkewicz zhvilluan qasjen e tyre ndaj problemit të gravitetit kuantik në vitin 1998. Ambjorn është anëtar i Akademisë Mbretërore Daneze, profesor në Institutin Niels Bohr në Kopenhagë dhe në Universitetin e Utrechtit në Holandë. Ai njihet si mjeshtër i kuzhinës tajlandeze – një rrethanë që botuesit priren ta vënë në pah në radhë të parë. Renata Loll është profesoreshë në Universitetin e Utrehtit, ku ajo drejton një nga grupet më të mëdha të kërkimit të gravitetit kuantik në Evropë. Më parë ajo ka punuar në Institutin Max Planck për Fizikën e Gravitetit në Holm (Gjermani). Në orët e rralla të kohës së lirë, luhet muzika e dhomës. Jerzy Jurkiewicz është Drejtues i Departamentit të Teorisë së Sistemeve Komplekse në Institutin e Fizikës të Universitetit Jagiellonian në Krakov. Punët e mëparshme përfshijnë Institutin Niels Bohr në Kopenhagë, ku ai u mahnit nga bukuria e lundrimit.