Hem Blommor Kvantteori om universums struktur. Självorganiserande kvantuniversum. En helt ny dimension i rymden

Blommor

Kvantteori om universums struktur. Självorganiserande kvantuniversum. En helt ny dimension i rymden

I den här boken bekantar de kända forskarna Brian Cox och Jeff Forshaw läsarna med kvantmekaniken - den grundläggande modellen för världens struktur. De berättar vilka observationer som ledde fysiker till kvantteorin, hur den utvecklades och varför forskare, trots alla dess konstigheter, är så säkra på den. Boken är avsedd för alla som är intresserade av kvantfysik och universums struktur.

Något konstigt kommer.
Kvant. Detta ord är samtidigt tilltalande för känslor, förvirrande och fascinerande. Beroende på synvinkel är det antingen bevis på stora framsteg inom vetenskapen, eller en symbol för mänsklig intuitions begränsningar, som tvingas kämpa med den oundvikliga konstigheten i det subatomära riket. För en fysiker är kvantmekaniken en av tre stora pelare som förståelsen av naturen vilar på (de andra två är Einsteins allmänna och speciella relativitetsteorier). Einsteins teorier handlar om rummets och tidens natur och tyngdkraften. Kvantmekaniken gör allt annat, och man kan säga att lika mycket som den tilltalar sinnena, förvirrar eller fascinerande, så är det bara en fysikalisk teori som beskriver hur naturen faktiskt beter sig. Men även om det mäts med detta mycket pragmatiska kriterium, är det slående i sin noggrannhet och förklaringskraft. Det finns ett experiment inom området kvantelektrodynamik, det äldsta och bäst förstådda av moderna kvantteorier. Den mäter hur en elektron beter sig nära en magnet. Teoretiska fysiker har arbetat hårt med penna och papper, och senare med datorer, i många år för att förutsäga vad sådana studier kommer att avslöja. Utövare kom på och satte upp experiment för att ta reda på mer detaljer från naturen. Båda lägren producerade oberoende resultat med en noggrannhet som liknar att mäta avståndet mellan Manchester och New York med ett fel på några centimeter. Det är anmärkningsvärt att de siffror som försöksmännen erhållit helt motsvarade resultaten av teoretikernas beräkningar; mätningar och beräkningar var helt konsekventa.
Detta är inte bara imponerande utan också fantastiskt, och om modellbyggande var kvantteorins enda angelägenhet, skulle du med rätta kunna fråga vad problemet är. Vetenskap behöver naturligtvis inte vara användbart, men många tekniska, logiska och sociala förändringar som har revolutionerat våra liv har uppstått ur grundläggande forskning utförd av moderna vetenskapsmän, som endast styrs av önskan att bättre förstå världen omkring oss . Tack vare dessa nyfikenhetsdrivna upptäckter inom alla vetenskapsgrenar har vi en förlängd livslängd, internationella flygresor, frihet från behovet att odla för vår egen överlevnad och en bred, inspirerande och ögonöppnande bild av vår plats i oändligt hav av stjärnor. Men alla dessa är på sätt och vis biverkningar. Vi utforskar av nyfikenhet, inte för att vi vill få en bättre förståelse för verkligheten eller designa mer effektiva prydnadssaker.

Innehåll
Något konstigt kommer
På två ställen samtidigt
Vad är en partikel?
Allt som kan hända händer
Rörelse som en illusion
Musik av atomer
Ett universum på ett knappnålshuvud (och varför vi inte sjunker ner i marken)
Ömsesidigt beroende
Modern värld
Samspel
Tomt utrymme är inte så tomt Epilog: stjärnornas död
För vidare läsning.

Med knappar över och under "Köp en pappersbok" och genom att använda länken "Köp" kan du köpa den här boken med leverans i hela Ryssland och liknande böcker till bästa pris i pappersform på webbplatserna för de officiella onlinebutikerna Labyrinth, Ozon, Bukvoed, Chitai-gorod, Liters, My-shop, Book24, Böcker ru.

Beroende på synvinkel är kvantteorin antingen ett bevis på vetenskapens stora framsteg, eller en symbol för begränsningarna av mänsklig intuition, som tvingas kämpa med det underliga i det subatomära riket. För en fysiker är kvantmekaniken en av tre stora pelare som förståelsen av naturen bygger på (tillsammans med Einsteins allmänna och speciella relativitetsteorier). För dem som alltid har velat förstå åtminstone något i den grundläggande modellen för världens struktur, förklarar forskarna Brian Cox och Jeff Forshaw i sin bok "The Quantum Universe", som publicerades av MYTH. T&P publicerar ett kort utdrag om essensen av kvant och teorins ursprung.

Einsteins teorier handlar om rummets och tidens natur och tyngdkraften. Kvantmekaniken gör allt annat, och vi kan säga att oavsett hur den tilltalar sinnena, förvirrar bordet eller förhäxar, så är det bara en fysikalisk teori som beskriver hur naturen faktiskt beter sig. Men även om det mäts med detta mycket pragmatiska kriterium, är det slående i sin noggrannhet och förklaringskraft. Det finns ett experiment inom området kvantelektrodynamik, det äldsta och bäst förstådda av moderna kvantteorier. Den mäter hur en elektron beter sig nära en magnet. Teoretiska fysiker har arbetat hårt med penna och papper, och senare med datorer, i många år för att förutsäga vad sådana studier kommer att avslöja. Utövare kom på och satte upp experiment för att ta reda på mer detaljer från naturen. Båda lägren producerade oberoende resultat med en noggrannhet som liknar att mäta avståndet mellan Manchester och New York med ett fel på några centimeter. Det är anmärkningsvärt att de siffror som försöksmännen erhållit helt motsvarade resultaten av teoretikernas beräkningar; mätningar och beräkningar var helt konsekventa.

Kvantteorin är kanske det bästa exemplet på hur det oändligt svårt för de flesta att förstå blir oerhört användbart. Det är svårt att förstå eftersom det beskriver en värld där en partikel faktiskt kan vara på flera ställen samtidigt och förflytta sig från en plats till en annan och därigenom utforska hela universum. Det är användbart eftersom att förstå beteendet hos de minsta byggstenarna i universum förstärker förståelsen för allt annat. Hon sätter stopp för vår arrogans, eftersom världen är mycket mer komplex och mångfaldigare än den verkade. Trots all denna komplexitet fann vi att allt består av många små partiklar som rör sig i enlighet med kvantteorins lagar. Dessa lagar är så enkla att de kan skrivas på baksidan av ett kuvert. Och det faktum att ett helt bibliotek inte krävs för att förklara sakers djupa natur är i sig ett av världens största mysterier.

Föreställ dig världen omkring oss. Låt oss säga att du håller i en bok gjord av papper - slipad trämassa. Träd är maskiner som kan ta atomer och molekyler, bryta isär dem och omorganisera dem till kolonier med miljarder enskilda delar. Det gör de tack vare en molekyl som kallas klorofyll, som består av mer än 100 kol-, väte- och syreatomer, som är krökta på ett speciellt sätt och fästa vid ytterligare några magnesium- och väteatomer. En sådan kombination av partiklar är kapabel att fånga ljus som har flugit 150 000 000 km från vår stjärna - ett kärncentrum med en volym på en miljon planeter som jorden - och transportera denna energi djupt in i cellerna, där den skapar nya molekyler från koldioxid och vatten och frigör liv är syre för oss.

Det är dessa molekylkedjor som bildar överbyggnaden som förenar träd och papper i denna bok, och allt levande. Du kan läsa en bok och förstå ord eftersom du har ögon och de kan omvandla ströljus från sidor till elektriska impulser, tolkade av hjärnan - den mest komplexa strukturen i universum som vi känner till. Vi fann att alla saker i världen inte är något annat än kluster av atomer, och den bredaste variationen av atomer består av endast tre partiklar - elektroner, protoner och neutroner. Vi vet också att själva protonerna och neutronerna är uppbyggda av mindre enheter som kallas kvarkar, och allt slutar med dem – det är åtminstone vad vi tror nu. Grunden för allt detta är kvantteorin.

Således tecknar modern fysik en bild av universum där vi lever med exceptionell enkelhet; eleganta fenomen uppstår någonstans där de inte kan ses, vilket ger upphov till mångfalden av makrokosmos. Kanske den modernaste vetenskapens mest anmärkningsvärda prestation - att reducera världens otroliga komplexitet, inklusive människorna själva, till att beskriva beteendet hos en handfull små subatomära partiklar och de fyra krafterna som verkar mellan dem. De bästa beskrivningarna av tre av dessa fyra krafter - den starka och svaga kärnväxelverkan som finns inom atomkärnan, och den elektromagnetiska växelverkan som håller samman atomer och molekyler - tillhandahålls av kvantteorin. Endast gravitationen - den svagaste men kanske mest välbekanta kraften av alla - saknar för närvarande en tillfredsställande kvantbeskrivning.

Vi måste erkänna att kvantteorin har ett något konstigt rykte, och en hel del riktiga nonsens döljer sig bakom dess namn. Katter kan vara döda och levande på samma gång; partiklar finns på två ställen samtidigt; Heisenberg hävdar att allt är osäkert. Allt detta är verkligen sant, men slutsatserna som ofta följer av detta - eftersom något konstigt händer i mikrokosmos, då är vi insvepta i ett dimma - är definitivt fel. Extrasensorisk uppfattning, mystisk helande, vibrerande armband som skyddar mot strålning, och djävulen vet vad mer som regelbundet smyger sig in i det möjligas pantheon under täckmantel av ordet "kvantum". Detta nonsens kommer från brist på tydligt tänkande, självbedrägeri, äkta eller låtsas missförstånd, eller någon särskilt olycklig kombination av allt ovanstående. Kvantteorin beskriver världen korrekt med matematiska lagar, lika specifika som de som används av Newton eller Galileo. Det är därför vi kan beräkna magnetfältet för en elektron med otrolig noggrannhet. Kvantteorin erbjuder en beskrivning av naturen som vi lär oss har en enorm prediktiv och förklarande kraft och sträcker sig till en mängd olika fenomen, från kiselchips till stjärnor.

Som ofta är fallet provocerade framkomsten av kvantteorin fram upptäckter av naturfenomen som inte kunde beskrivas av den tidens vetenskapliga paradigm. För kvantteorin fanns det många sådana upptäckter, dessutom av varierande karaktär. En serie oförklarade resultat skapade spänning och förvirring och utlöste till slut en period av experimentell och teoretisk innovation som verkligen förtjänar den populära definitionen av "guldålder". Namnen på huvudkaraktärerna är för alltid rotade i alla fysikstudenters medvetande och nämns ofta i universitetskurser ännu oftare än andra: Rutherford, Bohr, Planck, Einstein, Pauli, Heisenberg, Schrödinger, Dirac. Kanske kommer det inte längre att finnas en period i historien när så många namn kommer att förknippas med vetenskapens storhet samtidigt som de går mot ett enda mål – skapandet av en ny teori om atomer och krafter som styr den fysiska världen. 1924, när han ser tillbaka på de föregående decennierna av kvantteori, skrev Ernest Rutherford, den Nya Zeelandsfödde fysikern som upptäckte atomkärnan: "1896 ... markerade början på vad som ganska träffande har kallats den fysiska heroiska tidsåldern. vetenskap. Aldrig tidigare i fysikens historia har det varit en sådan period av febrig aktivitet, under vilken några fundamentalt betydelsefulla upptäckter ersatte andra i en rasande hastighet."

Fram till den 30 juni får T&P-läsare rabatt på pappers- och elektroniska versioner av boken. Rabatter aktiveras när du klickar på länkarna.

Termen "kvantum" dök upp i fysiken 1900 tack vare Max Plancks arbete. Han försökte teoretiskt beskriva den strålning som sänds ut av uppvärmda kroppar - den så kallade "svarta kroppsstrålningen". Förresten, forskaren anlitades för detta ändamål av ett företag som ägnade sig åt elektrisk belysning: det är så universums dörrar ibland öppnas av de mest prosaiska skäl. Planck fann att egenskaperna hos svartkroppsstrålning endast kan förklaras om vi antar att ljus emitteras i små delar av energi, som han kallade kvanta. Ordet i sig betyder "paket" eller "diskret". Till en början trodde han att det bara var ett matematiskt trick, men Albert Einsteins arbete från 1905 om den fotoelektriska effekten stödde kvanthypotesen. Resultaten var övertygande eftersom små energiklumpar kunde vara synonymt med partiklar.

Tanken att ljus är sammansatt av en ström av små kulor har en lång och härlig historia, som går tillbaka till Isaac Newton och den moderna fysikens födelse. Men 1864 verkade den skotske fysikern James Clark Maxwell äntligen ha undanröjt alla tvivel i en serie verk, som Albert Einstein senare beskrev som "det djupaste och mest fruktbara av allt som fysiken har känt sedan Newton". Maxwell visade att ljus är en elektromagnetisk våg som fortplantar sig genom rymden, så idén om ljus som en våg hade ett obestridligt och till synes obestridligt ursprung. Men i en serie experiment som Arthur Compton och hans kollegor genomförde vid University of Washington i St Louis, lyckades de separera ljuskvanta från elektroner. Båda betedde sig mer som biljardbollar, vilket tydligt bekräftade att Plancks teoretiska antaganden hade en solid grund i den verkliga världen. 1926 kallades ljuskvanta för fotoner. Bevisen var obestridliga: ljus beter sig som en våg och en partikel på samma gång. Detta markerade slutet på den klassiska fysiken - och slutet på kvantteorins bildningsperiod.

P. 1 på 68

Vetenskapliga redaktörer Vyacheslav Maracha och Mikhail Pavlov

Återtryckt med tillstånd från Apollo's Children Ltd och Jeff Forshow och Diane Banks Associates Ltd.

Juridiskt stöd för förlaget tillhandahålls av advokatbyrån "Vegas-Lex".

* * *

1. Något konstigt kommer

Kvant. Detta ord är samtidigt tilltalande för känslor, förvirrande och fascinerande. Beroende på synvinkel är det antingen bevis på stora framsteg inom vetenskapen, eller en symbol för mänsklig intuitions begränsningar, som tvingas kämpa med den oundvikliga konstigheten i det subatomära riket. För en fysiker är kvantmekaniken en av tre stora pelare som förståelsen av naturen vilar på (de andra två är Einsteins allmänna och speciella relativitetsteorier). Einsteins teorier handlar om rummets och tidens natur och tyngdkraften. Kvantmekaniken gör allt annat, och man kan säga att lika mycket som den tilltalar sinnena, förvirrar eller fascinerande, så är det bara en fysikalisk teori som beskriver hur naturen faktiskt beter sig. Men även om det mäts med detta mycket pragmatiska kriterium, är det slående i sin noggrannhet och förklaringskraft. Det finns ett experiment inom området kvantelektrodynamik, det äldsta och bäst förstådda av moderna kvantteorier. Den mäter hur en elektron beter sig nära en magnet. Teoretiska fysiker har arbetat hårt med penna och papper, och senare med datorer, i många år för att förutsäga vad sådana studier kommer att avslöja. Utövare kom på och satte upp experiment för att ta reda på mer detaljer från naturen. Båda lägren producerade oberoende resultat med en noggrannhet som liknar att mäta avståndet mellan Manchester och New York med ett fel på några centimeter. Det är anmärkningsvärt att de siffror som försöksmännen erhållit helt motsvarade resultaten av teoretikernas beräkningar; mätningar och beräkningar var helt konsekventa.

Detta är inte bara imponerande utan också fantastiskt, och om modellbyggande var kvantteorins enda angelägenhet, skulle du med rätta kunna fråga vad problemet är. Vetenskap behöver naturligtvis inte vara användbart, men många av de tekniska och sociala förändringar som har revolutionerat våra liv har uppstått ur grundläggande forskning utförd av moderna vetenskapsmän, som endast styrs av önskan att bättre förstå världen omkring oss . Tack vare dessa nyfikenhetsdrivna upptäckter inom alla vetenskapsgrenar har vi en förlängd livslängd, internationella flygresor, frihet från behovet att odla för vår egen överlevnad och en bred, inspirerande och ögonöppnande bild av vår plats i oändligt hav av stjärnor. Men alla dessa är på sätt och vis biverkningar. Vi utforskar av nyfikenhet, inte för att vi vill få en bättre förståelse för verkligheten eller designa mer effektiva prydnadssaker.

Så ju mer vi lär oss om universums elementära natur, desto lättare verkar det för oss. Gradvis kommer vi att förstå alla lagar och hur dessa små tegelstenar samverkar för att forma världen. Men så mycket som vi rycks med av enkelheten som ligger bakom universum, är det absolut nödvändigt att komma ihåg att även om de grundläggande reglerna i spelet är enkla, är deras konsekvenser inte alltid lätta att beräkna. Vår vardagliga erfarenhet av att känna till världen bestäms av relationerna mellan många miljarder atomer, och det skulle helt enkelt vara dumt att försöka härleda principerna för människors, djurs och växters beteende från nyanserna i dessa atomers beteende. Genom att erkänna detta, minskar vi inte dess betydelse: bakom alla fenomen döljs som ett resultat kvantfysiken hos mikroskopiska partiklar.

Föreställ dig världen omkring oss. Du håller i dina händer en bok gjord av papper - slipad trämassa. Träd är maskiner som kan ta atomer och molekyler, bryta isär dem och omorganisera dem till kolonier med miljarder enskilda delar. Det gör de tack vare en molekyl som kallas klorofyll, som består av mer än 100 kol-, väte- och syreatomer, som är krökta på ett speciellt sätt och fästa vid ytterligare några magnesium- och väteatomer. En sådan kombination av partiklar är kapabel att fånga ljus som har flugit 150 000 000 km från vår stjärna - en kärnhärd med en volym på en miljon planeter som jorden - och transportera denna energi djupt in i cellerna, där den skapar nya molekyler från koldioxid och vatten och frigör liv är syre för oss.

Det är dessa molekylkedjor som bildar överbyggnaden som förenar träd och papper i denna bok, och allt levande. Du kan läsa en bok och förstå ord eftersom du har ögon och de kan omvandla ströljus från sidor till elektriska impulser som tolkas av hjärnan - den mest komplexa strukturen i universum som vi känner till. Vi fann att alla saker i världen inte är något annat än kluster av atomer, och den bredaste variationen av atomer består av endast tre partiklar - elektroner, protoner och neutroner. Vi vet också att själva protonerna och neutronerna är uppbyggda av mindre enheter som kallas kvarkar, och allt slutar med dem – det är åtminstone vad vi tror nu. Grunden för allt detta är kvantteorin.

Brian Cox, Jeff Forshaw

Kvantuniversum. Hur fungerar det vi inte kan se

Vetenskapliga redaktörer Vyacheslav Maracha och Mikhail Pavlov

Återtryckt med tillstånd från Apollo's Children Ltd och Jeff Forshow och Diane Banks Associates Ltd.

Juridiskt stöd för förlaget tillhandahålls av advokatbyrån "Vegas-Lex".

* * *

1. Något konstigt kommer

Det är dessa molekylkedjor som bildar överbyggnaden som förenar träd och papper i denna bok, och allt levande. Du kan läsa en bok och förstå ord eftersom du har ögon och de kan omvandla ströljus från sidor till elektriska impulser som tolkas av hjärnan - den mest komplexa strukturen i universum som vi känner till. Vi fann att alla saker i världen inte är något annat än kluster av atomer, och den bredaste variationen av atomer består av endast tre partiklar - elektroner, protoner och neutroner. Vi vet också att själva protonerna och neutronerna är uppbyggda av mindre enheter som kallas kvarkar, och allt slutar med dem – det är åtminstone vad vi tror nu. Grunden för allt detta är kvantteorin.

Vi måste erkänna att kvantteorin har ett något konstigt rykte, och en hel del riktiga nonsens döljer sig bakom dess namn. Katter kan vara döda och levande på samma gång; partiklar finns på två ställen samtidigt; Heisenberg hävdar att allt är osäkert. Allt detta är verkligen sant, men slutsatserna som ofta följer av detta - eftersom något konstigt händer i mikrokosmos, då är vi insvepta i ett dimma - är definitivt fel. Extrasensorisk uppfattning, mystisk helande, vibrerande armband som skyddar mot strålning, och djävulen vet vad mer som regelbundet smyger sig in i det möjligas pantheon under täckmantel av ordet "kvantum". Detta nonsens kommer från brist på tydligt tänkande, självbedrägeri, äkta eller låtsas missförstånd, eller någon särskilt olycklig kombination av allt ovanstående. Kvantteorin beskriver noggrant världen med matematiska lagar lika specifika som de som används av Newton eller Galileo. Det är därför vi kan beräkna magnetfältet för en elektron med otrolig noggrannhet. Kvantteorin erbjuder en beskrivning av naturen som vi lär oss har en enorm prediktiv och förklarande kraft och sträcker sig till en mängd olika fenomen, från kiselchips till stjärnor.

Syftet med den här boken är att slita mysteriets slöja från kvantteorin - en teoretisk konstruktion som förvirrar för många, inklusive till och med branschens pionjärer. Vi avser att använda ett modernt perspektiv och dra nytta av de lärdomar som dragits genom århundradena i efterhand och teoriutveckling. Men i början av resan kommer vi att spola fram till början av 1900-talet och utforska några av de problem som fick fysiker att radikalt avvika från vad som tidigare ansågs vara vetenskapens huvudfåra.

Ett nytt förhållningssätt till problemet med kvantgravitation, som forskare har kämpat om i många decennier, återgår till grunderna och visar hur "tegelstenarna" som utgör rum och tid "staplar sig" med varandra.

Hur kom rum och tid till? Hur bildade de ett smidigt fyrdimensionellt tomrum som fungerar som bakgrund för vår fysiska värld? Hur ser de ut vid närmare granskning? Frågor som denna dyker upp i den moderna vetenskapens framkant och driver på studiet av kvantgravitationen – en ännu inte skapad förening av Einsteins allmänna relativitetsteori med kvantteorin. Relativitetsteorin beskriver hur rum och tid i en makroskopisk skala kan anta otaliga former och skapa vad vi kallar gravitation eller gravitation. Kvantteorin beskriver fysikens lagar atomära och subatomära skalor, helt ignorerar gravitationens effekter. Teorin om kvantgravitation bör i kvantlagar beskriva karaktären av rum-tid på de minsta skalorna - utrymmena mellan de minsta kända elementarpartiklarna - och kanske förklara det genom några grundläggande komponenter.

Supersträngteori nämns ofta som en främsta kandidat för denna roll, men den har ännu inte svarat på någon av de brännande frågorna. Dessutom, efter dess interna logik, avslöjade den ännu djupare lager av nya exotiska beståndsdelar och relationerna mellan dem, vilket ledde till en svindlande mängd möjliga resultat.

GRUNDLÄGGANDE BESTÄMMELSER

Det är allmänt känt att kvantteorin och Einsteins allmänna relativitetsteori inte passar ihop. Fysiker har länge försökt koppla dem till en enhetlig teori om kvantgravitation, men har inte nått mycket framgång.

Det föreslagna nya tillvägagångssättet introducerar inga exotiska bestämmelser, utan öppnar upp för ett nytt sätt att tillämpa välkända lagar på enskilda delar av rum-tid. Dessa grundämnen kommer samman som molekyler i en kristall.

Vårt tillvägagångssätt visar hur den fyrdimensionella rumtiden vi känner dynamiskt kan uppstå från mer grundläggande komponenter. Dessutom antyder det hur denna rumtid i mikroskopisk skala gradvis övergår från smidig kontinuitet till bisarr fraktalitet.

Under de senaste åren har vårt arbete blivit ett lovande alternativ till den teoretiska fysikens vältrampade motorväg. Följ det enklaste receptet - ta några grundläggande ingredienser, sätt ihop dem i enlighet med välkända kvantprinciper (utan något exotiskt), blanda väl och låt sätta sig - du får kvantrum-tid. Processen är enkel nog att simuleras på en bärbar dator.

Med andra ord, om man betraktar tom rumtid (vakuum) som någon form av immateriell substans, bestående av ett mycket stort antal mikroskopiska strukturlösa element, tillåter dem att interagera med varandra i enlighet med gravitationsteorins enkla regler och kvantteorin, då kommer dessa element spontant att organisera sig till en enda helhet som på många sätt kommer att se ut som det observerbara universum. Processen liknar hur molekyler organiserar sig till ett kristallint eller amorft fast ämne.

Med detta tillvägagångssätt kan rumstiden kännas mer som en vanlig blandad stek än en utstuderad bröllopstårta. Dessutom, till skillnad från andra metoder för kvantgravitation, är vår mycket robust. När vi ändrar detaljerna i vår modell förändras knappast resultatet. Denna motståndskraft ger anledning att hoppas att vi är på rätt väg. Om resultatet var känsligt för var vi placerade varje del av vår enorma ensemble skulle vi få ett kolossalt antal lika troliga barockformer, vilket skulle utesluta möjligheten att förklara varför universum visade sig vara exakt vad det är.

Liknande mekanismer för självmontering och självorganisering verkar inom fysik, biologi och andra vetenskapsområden. Beteendet hos stora fågelflockar, som starar, är ett vackert exempel. Enskilda fåglar interagerar med endast ett litet antal grannar; det finns ingen ledare som säger åt dem vad de ska göra. Ändå bildas och rör sig flocken som en helhet och har kollektiva eller härledda egenskaper som inte manifesteras i enskilda individers beteende.

En kort historia om kvantgravitationen

Tidigare försök att förklara rum-tidens kvantstruktur som bildas i processen med spontan uppkomst har inte gett märkbar framgång. De kom från euklidisk kvantgravitation. Forskningsprogrammet startade i slutet av 1970-talet. och gjordes populär av fysikern Stephen Hawkings Brief History of Time, en bästsäljande bok. Detta program är baserat på principen om superposition, vilket är grundläggande för kvantmekaniken. Varje föremål, klassiskt eller kvantum, kännetecknas i något tillstånd, till exempel av position och hastighet. Men om tillståndet för ett klassiskt objekt kan beskrivas med en uppsättning siffror som endast är utmärkande för det, så är tillståndet för ett kvantobjekt mycket rikare: det är summan av alla möjliga klassiska tillstånd.

TEORIN OM KVANTGRAVITATION

STRÄNGTEORIN
Med stöd av de flesta teoretiska fysiker, berör denna teori inte bara kvantgravitationen utan alla typer av materia och krafter. Den bygger på idén att alla partiklar (inklusive hypotetiska som bär gravitationen) är vibrerande strängar

LOOP QUANTUM GRAVITY
Huvudalternativet till strängteori. Hon bygger på en ny metod för att tillämpa kvantmekanikens regler på Einsteins allmänna relativitetsteori. Utrymmet är uppdelat i diskreta "atomer" av volym

Euklidisk kvantgravitation
Tillvägagångssättet, som gjorts känt av fysikern Stephen Hawking, är baserat på antagandet att rumtiden uppstår från ett gemensamt kvantmedelvärde av alla möjliga former. I denna teori anses tid vara lika med rumsliga dimensioner.

KAUSAL DYNAMISK TRIANGULERING
Detta tillvägagångssätt, som är föremål för denna artikel, är en modern version av det euklidiska tillvägagångssättet. Den är baserad på approximationen av rum-tid genom en mosaik av trianglar med en initial distinktion mellan rum och tid. I liten skala får rum-tid en fraktal struktur

Till exempel rör sig en klassisk biljardboll längs en specifik bana, och dess position och hastighet kan bestämmas exakt när som helst. När det gäller en mycket mindre elektron är saker annorlunda. Dess rörelse lyder kvantlagar, enligt vilka en elektron kan existera samtidigt på många ställen och ha många hastigheter. I frånvaro av yttre påverkan från punkt A till punkt B, rör sig elektronen inte i en rät linje, utan längs alla möjliga banor samtidigt. Den kvalitativa bilden av alla möjliga vägar för dess rörelse, sammansatt, förvandlas till ett rigoröst matematiskt "recept" för kvantöverlagring, formulerat av Nobelpristagaren Richard Feynman, och ger ett vägt genomsnitt av alla individuella möjligheter.

Med hjälp av det föreslagna receptet kan du beräkna sannolikheten för att hitta en elektron i ett specifikt område av positioner och hastigheter bort från den direkta vägen längs vilken den skulle behöva röra sig enligt den klassiska mekanikens lagar. Ett utmärkande drag för en partikels kvantmekaniska beteende är avvikelser från en enda tydlig bana, den så kallade. kvantfluktuationer. Ju mindre storleken på det fysiska systemet är, desto större roll spelar kvantfluktuationerna.

I den euklidiska kvantgravitationen tillämpas superpositionsprincipen på hela universum som helhet. I detta fall består superpositionen inte av olika banor för partikeln, utan av de möjliga vägarna för universums utveckling i tiden, i synnerhet formerna av rum-tid. För att reducera problemet till en form som gör att man kan söka efter en lösning, överväger fysiker vanligtvis endast den allmänna formen och storleken av rum-tid, och inte var och en av dess tänkbara förvrängningar (se: Jonathan J. Halliwell. Quantum Cosmology and the Creation of the Universe // Scientific American, december 1991).

På 1980-1990-talet. Forskning inom området euklidisk kvantgravitation har kommit en lång teknisk väg i samband med utvecklingen av kraftfulla datorsimuleringsverktyg. De använda modellerna representerade geometrierna för krökt rum-tid med hjälp av elementära "tegelstenar", som för enkelhetens skull ansågs triangulära. Triangulära maskor kan effektivt approximera krökta ytor, varför de ofta används i datoranimation. När det gäller rum-tidsmodellering är dessa elementära "tegelstenar" generaliseringar av trianglar i förhållande till fyrdimensionellt rum och kallas 4-simplices. Precis som att limma trianglar med sina kanter gör att du kan skapa böjda tvådimensionella ytor, gör limning av "ytorna" på fyrdimensionella simplexar (som är tredimensionella tetraedrar) att du kan skapa en modell av fyrdimensionell rumtid.

Byggstenarna i sig har ingen direkt fysisk betydelse. Om rumtiden kunde ses under ett superkraftigt mikroskop skulle inga trianglar vara synliga. De är bara approximationer. Den enda information som har fysisk betydelse finns i deras kollektiva beteende i föreställningen att var och en av dem krympte till noll storlek. I denna gräns spelar geometrin för "tegelstenarna" (vare sig de är triangulära, kubiska, femkantiga eller någon blandning av dessa former) ingen roll.

Okänslighet för en mängd småskaliga detaljer kallas ofta för mångsidighet. Ett välkänt fenomen inom statistisk fysik, som studerar molekylers rörelse i gaser och vätskor: molekyler beter sig nästan likadant, oavsett deras sammansättning. Universalitet är förknippat med egenskaperna hos system som består av ett stort antal individuella element, och manifesterar sig på en skala som är mycket större än skalan för en enskild komponent. Ett liknande uttalande för en flock fåglar är att färg, storlek, vingspann och ålder på enskilda fåglar inte har något att göra med flockens beteende som helhet. På en makroskopisk skala visas väldigt få mikroskopiska detaljer.

Krymper

Med hjälp av datormodeller började forskare av kvantgravitation studera effekterna av superposition av rum-tidsformer som inte kan studeras med metoder för klassisk relativitet, i synnerhet kraftigt böjda på mycket små avstånd. Denna så kallade icke-störande regim är av största intresse för fysiker, men nästan omöjlig att analysera utan användning av datorer.

BESKRIVNING AV UTRYMMEFORMEN

TRIANGEL MOSAIK
För att avgöra hur rymden formar sig själv behöver fysiker först ett sätt att beskriva dess form. De beskriver det med hjälp av trianglar och deras motsvarigheter med ett stort antal dimensioner, vars mosaik gör att man kan approximera böjda former. Krökningen vid en viss punkt bestäms av den totala vinkeln som dras samman av trianglarna som omger den punkten. I fallet med en plan yta är denna vinkel exakt 360 °, men i fallet med krökta ytor kan den vara mindre eller mer.

Tyvärr har simuleringar visat att euklidisk kvantgravitation inte tillåter viktiga komponenter i beteendet. Alla icke-störande superpositioner i det fyrdimensionella universum visade sig i princip vara instabila. De småskaliga kvantkurvaturfluktuationerna som kännetecknar de olika överlagrade universum som bidrar till medelvärdet kompenserar inte, utan förstärker ömsesidigt varandra, vilket tvingar hela utrymmet att krympa till en liten boll av oändliga dimensioner. I ett sådant utrymme förblir avståndet mellan två valfria punkter alltid mycket litet, även om dess volym är enorm. I vissa fall går utrymmet till den andra ytterligheten, blir extremt tunt och utsträckt, som en polymer med många grenar. Ingen av dessa möjligheter liknar vårt verkliga universum.

Innan vi återvänder till de antaganden som har lett fysiker till stillastående, låt oss titta på en märklighet i det erhållna resultatet. "Brickar" är fyrdimensionella, men i aggregatet bildar de antingen rymden med ett oändligt antal dimensioner (krympt universum), eller tvådimensionellt rymd (universum-polymer). Så snart antagandet om stora kvantvakuumfluktuationer släppte anden från flaskan, blev det möjligt att ändra de mest grundläggande begreppen, såsom dimension. Kanske kunde den klassiska gravitationsteorin, där antalet dimensioner alltid anses vara säker, inte ha förutsett ett sådant resultat.

En konsekvens kan vara något nedslående för science fiction-fans. Science fiction-författare använder ofta konceptet med rum-tidstunnlar, som om de tillåter att sammanföra områden som ligger långt ifrån varandra. De segrar med den lovande möjligheten till tidsresor och överföring av signaler med hastigheter som överstiger ljusets hastighet. Trots att inget liknande någonsin har observerats, medger fysiker att sådana tunnlar kan rehabiliteras inom ramen för den ännu inte skapade teorin om kvantgravitation. I ljuset av det negativa resultatet av datorsimuleringar av euklidisk kvantgravitation förefaller möjligheten att det finns sådana tunnlar extremt osannolik. Tid-rymdtunnlar har så många variationer att de måste dominera superpositionen, vilket gör den instabil, så att kvantuniversumet aldrig kan växa bortom ett litet men mycket sammankopplat samhälle.

TILLÄMPNING AV KVANTREGLER PÅ RYMD-TID

Medelvärde
Tid-rum kan anta en mängd olika former. Enligt kvantteorin är formen vi med största sannolikhet kommer att se en superposition, eller ett viktat medelvärde av alla möjliga former. När man komponerar former från trianglar tilldelar teoretiker var och en av dem vikt, beroende på det speciella sättet att koppla ihop dessa trianglar när man konstruerar en given form. Författarna fann att för att det resulterande medelvärdet ska överensstämma med det observerade verkliga universum måste trianglar följa vissa regler, i synnerhet innehålla inbyggda "pilar" som indikerar tidens riktning

Vad kan vara roten till problemen? I vårt sökande efter det euklidiska tillvägagångssättets luckor och lösa ändar kom vi på en nyckelidé – en komponent som är absolut nödvändig för att kunna tillaga vår blandade stek: universums kod måste innehålla kausalitetsprincipen, d.v.s. vakuumets struktur måste ge förmågan att entydigt skilja mellan orsak och verkan. Kausalitet är en integrerad del av de klassiska speciella och allmänna relativitetsteorierna.

Kausalitet ingår inte i den euklidiska kvantgravitationen. Definitionen "euklidisk" betyder att rum och tid anses vara likvärdiga. Universum som ingår i den euklidiska superpositionen har fyra rumsliga dimensioner istället för en temporal och tre rumsliga dimensioner. Eftersom de euklidiska universum inte har ett separat tidsbegrepp, har de ingen struktur för att arrangera händelser i en specifik ordning. Invånarna i sådana universum kan inte ha begreppen "orsak" och "verkan". Hawking och andra forskare som använder det euklidiska tillvägagångssättet har sagt att "tiden är imaginär" i både matematiska och vardagliga termer. De hoppades att kausalitet skulle uppstå som en makroskopisk egenskap från mikroskopiska kvantfluktuationer som, individuellt, inte har tecken på en kausal struktur. Datorsimuleringar slog dock deras förhoppningar.

EN HELT NY DIMENSION I RYMMEN

I det vanliga livet är rymddimensionen det minsta antal dimensioner som krävs för att bestämma positionen för en punkt, såsom longitud, latitud och höjd. Denna definition är baserad på antagandet att rymden är kontinuerlig och följer den klassiska fysikens lagar. Tänk om rymden inte beter sig så enkelt? Tänk om dess form bestäms av kvantprocesser som inte visar sig i det vanliga livet? I sådana fall måste fysiker och matematiker utveckla en mer komplex förståelse av dimensionen. Antalet dimensioner behöver kanske inte ens vara ett heltal, som i fallet med fraktaler - strukturer som har samma utseende på alla skalor.

ALLMÄNNA DEFINITIONER AV DIMENSION

Hausdorff dimension
Definitionen formulerad i början av XX-talet. Den tyske matematikern Felix Hausdorff, utgår från beroendet av volymen V i regionen på dess linjära storlek r. I vanligt tredimensionellt utrymme är V proportionell mot $ r ^ 3 $. Exponenten i detta förhållande är antalet dimensioner. Andra mått på total storlek, såsom yta, kan också betraktas som "volym". I fallet med Sierpiński V är den proportionell mot $ r ^ (1,5850) $. Denna omständighet återspeglar det faktum att denna siffra inte fyller hela området

Spektral dimension
Denna definition kännetecknar spridningen av ett föremål eller fenomen i miljön över tid, oavsett om det är en droppe bläck i ett kärl med vatten eller en sjukdom i en befolkning. Varje vattenmolekyl eller individ i en population har ett visst antal närmaste grannar, vilket bestämmer hastigheten för diffusion av bläck eller spridningen av sjukdomar. I en tredimensionell miljö växer storleken på ett bläckmoln proportionellt med styrkan på 3/2. I Sierpiński-dynan måste bläcket sippra genom den slingrande formen, därför sprider det sig långsammare - i proportion till tiden till styrkan 0,6826, vilket motsvarar den spektrala dimensionen 1,3652

Tillämpning av definitioner
I allmänhet ger olika metoder för att beräkna dimensionen olika antal dimensioner, eftersom de utgår från olika egenskaper hos geometrin. För vissa geometriska former är antalet dimensioner inte konstant. Speciellt kan diffusion vara en mer komplex funktion än tid i någon konstant grad.
Vid modellering av kvantgravitation ligger tonvikten på den spektrala dimensionen. En liten mängd av ett visst ämne införs i en elementär tegelsten av kvantrum-tidsmodellen. Från denna tegelsten sprids den slumpmässigt. Det totala antalet rum-tid-tegelstenar som detta ämne når under en viss tidsperiod och bestämmer den spektrala dimensionen

Istället för att försumma kausalitet när man kopplar samman separata universum i hopp om att det kommer att uppstå från den kollektiva visdomen av superposition, beslutade vi att inkludera kausalitet i ett mycket tidigare skede. Vi kallade vår metod för dynamisk triangulering. Vi har tilldelat varje simplex en tidspil som pekar från det förflutna till framtiden. Sedan introducerade vi den kausala regeln för "limning": två simplexar måste limmas på ett sådant sätt att deras pilar är i samma riktning. Konceptet med tid i limmade simplexar bör vara detsamma: tiden med konstant hastighet ska flyta i riktningen för dessa pilar, aldrig stanna eller backa. Under tidens gång måste rymden behålla sin allmänna form, inte sönderfalla i separata delar och inte skapa rum-tidstunnlar.

Efter att ha formulerat denna strategi 1998 visade vi, med extremt förenklade modeller, att reglerna för limning av förenklingar leder till en makroskopisk form som skiljer sig från den euklidiska kvantgravitationen. Detta var uppmuntrande, men betydde inte att de accepterade reglerna för limning var tillräckliga för att säkerställa stabiliteten i hela det fyrdimensionella universum. Så vi höll andan när vår dator 2004 nästan var redo att ge oss de första beräkningarna av den kausala överlagringen av fyrdimensionella förenklingar. Kommer denna rumstid att bete sig på stora avstånd som ett utsträckt fyrdimensionellt objekt, och inte som en skrynklig boll eller polymer?

Föreställ dig vår glädje när antalet dimensioner av det beräknade universum visade sig vara 4 (mer exakt, 4,02 ± 0,1). Detta var första gången som antalet dimensioner lika med den observerade härleddes från de grundläggande principerna. Idag är introduktionen av begreppet kausalitet i modellen av kvantgravitation det enda kända sättet att hantera instabiliteten i överlagringen av rum-tidsgeometrier.

Rum-tid i allmänhet

Denna simulering var den första i en pågående serie beräkningsexperiment där vi försöker sluta oss till de fysiska och geometriska egenskaperna hos kvantrumtid genom datorsimuleringar. Vårt nästa steg var att studera formen av rum-tid på stora avstånd och kontrollera dess överensstämmelse med den verkliga världen, d.v.s. förutsägelser om allmän relativitet. När det gäller icke-störande modeller av kvantgravitation som inte innehåller ett a priori antagande om formen av rum-tid, är en sådan verifiering mycket svår - så mycket att i de flesta synsätt på kvantgravitation, inklusive strängteori, utom för särskilda fall är de framsteg som uppnåtts otillräckliga för att genomföra det.

FÖRDJUPNING I RUMTIDEN

Enligt författarnas beräkningar minskar den spektrala dimensionen av rum-tid från fyra (i den storskaliga gränsen) till två (i den småskaliga gränsen), och den kontinuerliga rum-tiden bryts upp och förvandlas till en grenad fraktal . Fysiker kan fortfarande inte förstå om denna slutsats betyder att rymdtiden i slutändan består av lokaliserade "atomer", eller att den är uppbyggd av mikroskopiska strukturer som är mycket svagt kopplade till det vanliga begreppet geometri.

Som det visade sig, för att vår modell ska fungera, är det nödvändigt från allra första början att introducera den så kallade kosmologiska konstanten - en osynlig och immateriell substans som finns i rymden även i frånvaro av andra former av materia och energi. Denna nödvändighet är goda nyheter, eftersom kosmologer har funnit experimentell bekräftelse på existensen av denna konstant. Dessutom motsvarade den resulterande formen av rum-tid de Sitters geometri, dvs. lösa Einsteins ekvationer för ett universum som inte innehåller annat än en kosmologisk konstant. Det är verkligen anmärkningsvärt att sammansättningen av mikroskopiska "byggstenar" på ett nästan slumpmässigt sätt - utan antaganden om symmetri eller föredragen geometrisk struktur - resulterade i att rumtiden i stor skala hade den mycket symmetriska formen av de Sitters universum.

Den dynamiska framväxten av ett fyrdimensionellt universum med nästan regelbunden geometrisk form från de grundläggande principerna har blivit den centrala prestationen av vår modellering. Frågan om det är möjligt att förstå detta enastående resultat inom ramen för begreppet samverkan mellan några ännu inte etablerade "atomer" av rum-tid är målet för vår pågående forskning. Eftersom vi har verifierat att vår modell av kvantgravitation har klarat ett antal klassiska tester, är det dags att vända sig till experiment av ett annat slag – som avslöjar rymdtidens distinkta kvantstruktur, som Einsteins klassiska teori inte kunde avslöja. I ett av dessa experiment simulerade vi diffusionsprocessen: vi introducerade en lämplig analog av en bläckdroppe i superpositionen av universum och observerade hur den sprider sig och störs av kvantfluktuationer. Genom att hitta storleken på bläckmolnet över tid kunde vi bestämma antalet dimensioner i rymden (se sidofältet).

Resultatet var fantastiskt: antalet mätningar beror på skalan. Med andra ord, om diffusionen varade en kort tid, så visade sig antalet rum-tidsdimensioner vara annorlunda än när diffusionsprocessen varade under lång tid. Även de av oss som specialiserade oss på kvantgravitation kunde knappt föreställa oss hur antalet dimensioner av rumstid kontinuerligt skulle kunna förändras beroende på upplösningen av vårt "mikroskop". Uppenbarligen skiljer sig rumtiden för små föremål mycket från den för stora. För små föremål är universum som en fraktal struktur - ett ovanligt slags utrymme där begreppet storlek helt enkelt inte existerar. Det är sig självlikt, d.v.s. ser likadant ut på alla skalor. Det betyder att det inte finns några föremål av karaktäristisk storlek som skulle kunna fungera som något som en skala.

Hur liten är denna "liten"? Upp till en storlek på cirka $ 10 ^ (- 34) $ m, är kvantuniversumet som helhet väl beskrivet av den klassiska fyrdimensionella de Sitter-geometrin, även om kvantfluktuationernas roll ökar med minskande avstånd. Det faktum att den klassiska approximationen förblir giltig ner till så små avstånd är förvånande. Mycket viktiga konsekvenser följer av det både för de tidigaste stadierna av universums historia och för dess mycket avlägsna framtid. Inom båda dessa gränser är universum praktiskt taget tomt. Under de första dagarna var kvantfluktuationerna så stora att materia knappt gick att upptäcka. Hon var en liten flotte i det grova havet. Miljarder år efter oss, på grund av universums snabba expansion, kommer materia att vara så sällsynt att den kommer att spela väldigt liten eller ingen roll alls. Vårt tillvägagångssätt tillåter oss att förklara utrymmets form i båda begränsande fallen.

VAD ÄR EN ORSAK?

Kausalitet är principen att händelser inträffar i en specifik sekvens i tiden, inte i oordning, vilket gör det möjligt att skilja mellan orsak och verkan. I det synsätt på kvantgravitation som antagits av författarna framstår skillnaden mellan en orsak och en verkan som grundläggande till sin natur och inte en antagen egenskap

På ännu mindre skalor ökar kvantfluktuationerna i rum-tiden så mycket att klassiska intuitiva idéer om geometri helt förlorar sin mening. Antalet dimensioner reduceras från de klassiska fyra till cirka två. Men så vitt vi kan säga förblir rumtiden kontinuerlig och innehåller inga tunnlar. Det är inte lika exotiskt som det bubblande rumtidsskummet som fysikern John Wheeler och många andra såg det. Rum-tidsgeometri lyder ovanliga och icke-klassiska lagar, men begreppet avstånd förblir tillämpligt. Nu försöker vi tränga in i en ännu mindre skala. En möjlighet är att universum blir sig självlikt och ser likadant ut för alla skalor mindre än en viss gräns. Om så är fallet, så består universum inte av strängar eller atomer av rum-tid, utan är en värld av oändlig tristess: strukturen som hittas strax under tröskeln, när den djupnar in i ett område med allt mindre dimensioner, kommer helt enkelt att upprepa sig ad oändlighet.

Hur fysiker kan klara sig med färre komponenter och tekniska medel än vad vi använde för att bygga ett kvantuniversum med realistiska egenskaper är svårt att föreställa sig. Vi har fortfarande många tester och experiment att göra, till exempel för att förstå materiens beteende i universum och dess effekt på dess övergripande form. Vårt huvudmål, som med alla teorier om kvantgravitation, är att förutsäga observerbara konsekvenser härledda från mikroskopisk kvantstruktur. Detta kommer att vara det avgörande kriteriet för riktigheten av vår modell som teori om kvantgravitation.

Översättning: I.E. Satsevich

YTTERLIGARE LITTERATUR

Planckian Birth of a Quantum de Sitter Universe. J. Ambjorn, A. Gorlich, J. Jurkiewicz och R. Loll i Physical Review Letters, Vol. 100, artikelnr. 091304; 7 mars 2008. Förtryck tillgänglig
Den kompletta idiotens guide till strängteori. George Musser. Alpha, 2008.
The Emergence of Spacetime, eller, Quantum Gravity på ditt skrivbord. R. Loll i Classical and Quantum Gravity, Vol. 25, nr. 11, artikelnr. 114006; 7 juni 2008. Det finns ett förtryck
Renata Loll hemsida

Jan Ambjörn, Renate Loll och Jerzy Jurkewicz utvecklade sitt förhållningssätt till problemet med kvantgravitation 1998. Ambjorn är medlem av Royal Danish Academy, professor vid Niels Bohr Institute i Köpenhamn och Utrecht University i Nederländerna. Han är känd som en mästare i det thailändska köket – en omständighet som förlag tenderar att lyfta fram i första hand. Renata Loll är professor vid universitetet i Utrecht, där hon leder en av de största kvani Europa. Tidigare arbetade hon vid Max Planck Institute for the Physics of Gravity i Holm (Tyskland). Under sällsynta timmar av fritid spelas kammarmusik. Jerzy Jurkiewicz är chef för institutionen för komplexa systemteori vid fysikinstitutet vid Jagiellonian University i Krakow. Tidigare jobb inkluderar Niels Bohr Institutet i Köpenhamn, där han hänfördes av seglingens skönhet.