Граници на физиката и физически експеримент

Преди сто години положението във физиката беше точно обратното на днешното. В ръцете на учените бяха резултатите от доказани експерименти, повтаряни многократно, които обаче често не можеха да бъдат обяснени с помощта на съществуващите физически теории. Опитът явно предшества теорията. Теоретиците трябваше да се заемат с работа.

В момента балансът клони към теоретици, чиито модели са много различни от това, което се вижда от възможни експерименти като теорията на струните. И като че ли има все повече нерешени проблеми във физиката (1).

1. Най-важните съвременни направления и проблеми във физиката - визуализация

Известният полски физик проф. Анджей Старушкевич по време на дебата „Граници на знанието във физиката“ през юни 2010 г. в Академията Ignatianum в Краков каза: „Полето на знанието се разрасна неимоверно през миналия век, но полето на невежеството се разрасна още повече. (...) Откритието на общата теория на относителността и квантовата механика са монументални постижения на човешката мисъл, сравними с тези на Нютон, но те водят до въпроса за връзката между двете структури, въпрос, чийто мащаб на сложност е просто шокиращ. В тази ситуация естествено възникват въпроси: можем ли да го направим? Дали нашата решимост и воля да стигнем до дъното на истината ще бъдат ли съизмерими с трудностите, пред които сме изправени?"

Експериментална патова ситуация

От няколко месеца светът на физиката е по-натоварен от обикновено с повече противоречия. В списание Nature Джордж Елис и Джоузеф Силк публикуваха статия в защита на целостта на физиката, критикувайки онези, които са все по-готови да отложат експериментите за тестване на най-новите космологични теории за неопределено „утре“. Те трябва да се характеризират с "достатъчна елегантност" и обяснителна стойност. „Това нарушава вековната научна традиция, че научното познание е емпирично доказано знание“, гърмят учените. Фактите ясно показват "експерименталната задънена улица" в съвременната физика.

Най-новите теории за природата и структурата на света и Вселената, като правило, не могат да бъдат проверени чрез експерименти, достъпни за човечеството.

Откривайки бозона на Хигс, учените "завършиха" Стандартния модел. Светът на физиката обаче далеч не е доволен. Знаем за всички кварки и лептони, но нямаме идея как да съгласим това с теорията на гравитацията на Айнщайн. Ние не знаем как да комбинираме квантовата механика с гравитацията, за да създадем хипотетична теория на квантовата гравитация. Ние също така не знаем какво е Големият взрив (или дали наистина се е случило!) (2).

В момента, да го наречем класически физици, следващата стъпка след Стандартния модел е суперсиметрията, която предсказва, че всяка позната ни елементарна частица има "партньор".

Това удвоява общия брой градивни елементи на материята, но теорията се вписва идеално в математическите уравнения и, което е важно, предлага шанс да се разкрие мистерията на космическата тъмна материя. Остава само да се изчакат резултатите от експериментите на Големия адронен колайдер, които ще потвърдят съществуването на суперсиметрични частици.

Все още обаче такива открития не са чути от Женева. Разбира се, това е само началото на нова версия на LHC, с двойно по-голяма енергия на удара (след скорошен ремонт и надграждане). След няколко месеца може да стрелят тапи за шампанско в чест на суперсиметрията. Ако обаче това не се случи, много физици смятат, че суперсиметричните теории ще трябва постепенно да бъдат оттеглени, както и суперструната, която се основава на суперсиметрията. Защото, ако Големият колайдер не потвърди тези теории, тогава какво?

Има обаче някои учени, които не мислят така. Защото теорията на суперсиметрията е твърде „красива, за да бъде грешна“.

Следователно те възнамеряват да преоценят своите уравнения, за да докажат, че масите на суперсиметричните частици са просто извън обхвата на LHC. Теоретиците са много прави. Техните модели са добри в обяснението на явления, които могат да бъдат измерени и проверени експериментално. Следователно може да се запитаме защо трябва да изключим развитието на онези теории, които (все още) не можем да знаем емпирично. Това разумен и научен подход ли е?

вселена от нищото

Естествените науки, особено физиката, се основават на натурализма, тоест на вярата, че можем да обясним всичко с помощта на природните сили. Задачата на науката се свежда до разглеждане на връзката между различни величини, които описват явления или някои структури, които съществуват в природата. Физиката не се занимава с проблеми, които не могат да бъдат описани математически, които не могат да бъдат повторени. Това е и причината за успеха му. Математическото описание, използвано за моделиране на природни явления, се оказа изключително ефективно. Постиженията на естествените науки доведоха до техните философски обобщения. Създават се направления като механистична философия или научен материализъм, които пренасят резултатите от естествените науки, получени преди края на XNUMX век, в областта на философията.

Изглеждаше, че можем да знаем целия свят, че в природата има пълен детерминизъм, защото можем да определим как ще се движат планетите след милиони години или как са се движили преди милиони години. Тези постижения породиха гордост, която абсолютизира човешкия ум. В решаваща степен методологическият натурализъм стимулира развитието на естествената наука и днес. Има обаче някои гранични точки, които изглежда показват ограниченията на натуралистичната методология.

Ако Вселената е ограничена по обем и е възникнала „от нищото“ (3), без да се нарушават законите за запазване на енергията, например като флуктуация, тогава в нея не трябва да има промени. Междувременно ги наблюдаваме. Опитвайки се да решим този проблем на базата на квантовата физика, стигаме до извода, че само съзнателен наблюдател актуализира възможността за съществуването на такъв свят. Ето защо се чудим защо конкретната, в която живеем, е създадена от много различни вселени. Така стигаме до извода, че едва когато човек се появи на Земята, светът - както наблюдаваме - наистина „стана“ ...

Как измерванията влияят на събития, случили се преди милиард години?

4. Експеримент на Уилър – визуализация

Един от съвременните физици, Джон Арчибалд Уилър, предложи космическа версия на известния експеримент с двоен процеп. В неговия мисловен дизайн светлината от квазар, отдалечен на милиард светлинни години от нас, пътува по две противоположни страни на галактиката (4). Ако наблюдателите наблюдават всеки от тези пътища поотделно, те ще видят фотони. Ако и двете наведнъж, те ще видят вълната. Така че самият акт на наблюдение променя природата на светлината, напуснала квазара преди милиард години!

За Уилър горното доказва, че Вселената не може да съществува във физически смисъл, поне в смисъла, в който сме свикнали да разбираме „физическо състояние“. Не може да се е случило и в миналото, докато... не сме направили измерване. По този начин нашето текущо измерение влияе върху миналото. С нашите наблюдения, засичания и измервания ние оформяме събитията от миналото, дълбоко във времето, до... началото на Вселената!

Нийл Търк от института Perimeter във Ватерло, Канада, каза в юлския брой на New Scientist, че „не можем да разберем какво откриваме. Теорията става все по-сложна и усъвършенствана. Хвърляме се в проблем с последователни полета, размери и симетрии, дори с гаечен ключ, но не можем да обясним най-простите факти." Много физици очевидно се дразнят от факта, че умствените пътешествия на съвременните теоретици, като горните съображения или теорията на суперструните, нямат нищо общо с експериментите, които в момента се извършват в лаборатории, и няма начин те да бъдат тествани експериментално.

В квантовия свят трябва да погледнете по-широко

Както веднъж каза нобеловият лауреат Ричард Файнман, никой наистина не разбира квантовия свят. За разлика от добрия стар нютонов свят, в който взаимодействията на две тела с определени маси се изчисляват чрез уравнения, в квантовата механика имаме уравнения, от които те не следват толкова, а са резултат от странно поведение, наблюдавано при експерименти. Обектите на квантовата физика не трябва да се свързват с нищо „физично“ и тяхното поведение е област на абстрактно многомерно пространство, наречено Хилбертово пространство.

Има промени, описани от уравнението на Шрьодингер, но защо точно не е известно. Може ли това да се промени? Възможно ли е изобщо да се изведат квантови закони от принципите на физиката, както десетки закони и принципи, например относно движението на телата в космоса, са извлечени от принципите на Нютон? Учените от университета в Павия в Италия Джакомо Мауро Д'Ариано, Джулио Чирибела и Паоло Периноти твърдят, че дори квантови явления, които явно противоречат на здравия разум, могат да бъдат открити в измерими експерименти. Всичко, от което се нуждаете, е правилната перспектива - Може би неразбирането на квантовите ефекти се дължи на недостатъчно широк поглед върху тях. Според споменатите по-горе учени в New Scientist, смислените и измерими експерименти в квантовата механика трябва да отговарят на няколко условия. Това е:

• причинно-следствена връзка - бъдещи събития не могат да повлияят на минали събития;
• различимост - състояния, които трябва да можем да отделим един от друг като отделни;
• композиция - ако познаваме всички етапи на процеса, познаваме целия процес;
• компресия – има начини за прехвърляне на важна информация за чипа, без да се налага да прехвърляте целия чип;
• томография – ако имаме система, състояща се от много части, статистиката на измерванията по части е достатъчна, за да разкрие състоянието на цялата система.

Италианците искат да разширят своите принципи на пречистване, по-широка перспектива и смислени експерименти, за да включат също така необратимостта на термодинамичните явления и принципа на растеж на ентропията, които не впечатляват физиците. Може би и тук наблюденията и измерванията са повлияни от артефакти на перспектива, която е твърде тясна, за да разбере цялата система. „Основната истина на квантовата теория е, че шумните, необратими промени могат да бъдат превърнати в обратими чрез добавяне на ново оформление към описанието“, казва италианският учен Джулио Чирибела в интервю за New Scientist.

За съжаление, казват скептиците, "прочистването" на експериментите и по-широката перспектива на измерване може да доведе до хипотеза за много светове, в която всеки резултат е възможен и в която учените, мислейки, че измерват правилния ход на събитията, просто "избират" определен континуум чрез измерването им.

5. Стрелки за време под формата на стрелки на часовник

Няма време?

Концепцията за т. нар. стрели на времето (5) е въведена през 1927 г. от британския астрофизик Артър Едингтън. Тази стрелка показва времето, което винаги тече в една посока, тоест от миналото към бъдещето, и този процес не може да бъде обърнат. Стивън Хокинг в своята „Кратка история на времето“ пише, че разстройството се увеличава с времето, защото измерваме времето в посоката, в която разстройството се увеличава. Това би означавало, че имаме избор - можем например първо да наблюдаваме парчета счупено стъкло, разпръснати по пода, след това момента, когато стъклото падне на пода, след това стъклото във въздуха и накрая в ръката на лицето, което го държи. Няма научно правило, че "психологическата стрела на времето" трябва да върви в същата посока като термодинамичната стрелка и ентропията на системата се увеличава. Много учени обаче смятат, че това е така, защото в човешкия мозък настъпват енергийни промени, подобни на тези, които наблюдаваме в природата. Мозъкът има енергията да действа, наблюдава и разсъждава, тъй като човешкият „двигател“ изгаря гориво-храна и, подобно на двигател с вътрешно горене, този процес е необратим.

Има обаче случаи, когато при запазване на една и съща посока на психологическата стрела на времето, ентропията едновременно нараства и намалява в различни системи. Например, когато записвате данни в паметта на компютъра. Модулите памет в машината преминават от неподредено състояние към ред на запис на диск. Така ентропията в компютъра се намалява. Всеки физик обаче ще каже, че от гледна точка на Вселената като цяло - тя расте, защото отнема енергия, за да запише на диск, и тази енергия се разсейва под формата на топлина, генерирана от машина. Така че има малка "психологическа" съпротива срещу установените закони на физиката. Трудно ни е да приемем, че това, което излиза с шума от вентилатора, е по-важно от записа на произведение или друга стойност в паметта. Ами ако някой напише на компютъра си аргумент, който ще преобърне съвременната физика, теорията за единната сила или теорията на всичко? За нас би било трудно да приемем идеята, че въпреки това общото безредие във Вселената се е увеличило.

Още през 1967 г. се появява уравнението на Wheeler-DeWitt, от което следва, че времето като такова не съществува. Това беше опит за математически комбиниране на идеите на квантовата механика и общата теория на относителността, стъпка към теорията на квантовата гравитация, т.е. Теорията на всичко, желана от всички учени. Едва през 1983 г. физиците Дон Пейдж и Уилям Вътърс предлагат обяснение, че проблемът с времето може да бъде заобиколен с помощта на концепцията за квантовото заплитане. Според тяхната концепция могат да бъдат измерени само свойствата на вече дефинирана система. От математическа гледна точка това предложение означаваше, че часовникът не работи изолирано от системата и стартира само когато е оплетен с определена вселена. Ако обаче някой ни погледне от друга вселена, той ще ни види като статични обекти и само пристигането им при нас ще предизвика квантово заплитане и буквално ще ни накара да усетим минаването на времето.

Тази хипотеза е в основата на работата на учени от изследователски институт в Торино, Италия. Физикът Марко Дженовезе решава да изгради модел, който отчита спецификата на квантовото заплитане. Беше възможно да се пресъздаде физически ефект, показващ правилността на това разсъждение. Създаден е модел на Вселената, състоящ се от два фотона.

Едната двойка беше ориентирана - вертикално поляризирана, а другата хоризонтално. Тяхното квантово състояние и следователно тяхната поляризация след това се откриват от серия от детектори. Оказва се, че докато не се достигне наблюдението, което в крайна сметка определя отправната система, фотоните са в класическа квантова суперпозиция, т.е. те бяха ориентирани както вертикално, така и хоризонтално. Това означава, че наблюдателят, който отчита часовника, определя квантовото заплитане, което засяга вселената, от която той става част. След това такъв наблюдател е в състояние да възприеме поляризацията на последователни фотони въз основа на квантовата вероятност.

Тази концепция е много примамлива, защото обяснява много проблеми, но естествено води до необходимостта от „супер-наблюдател“, който да е над всички детерминизми и да контролира всичко като цяло.

6. Мултивселена – Визуализация

Това, което наблюдаваме и което субективно възприемаме като „време“, всъщност е продукт на измерими глобални промени в света около нас. Докато навлизаме по-дълбоко в света на атомите, протоните и фотоните, разбираме, че концепцията за времето става все по-малко важна. Според учените часовникът, който ни придружава всеки ден, от физическа гледна точка не измерва неговото преминаване, а ни помага да организираме живота си. За тези, които са свикнали с нютоновите концепции за универсално и всеобхватно време, тези понятия са шокиращи. Но не само научните традиционалисти не ги приемат. Известният физик-теоретик Лий Смолин, по-рано споменаван от нас като един от възможните носители на тазгодишната Нобелова награда, смята, че времето съществува и е съвсем реално. Веднъж – подобно на много физици – той твърди, че времето е субективна илюзия.

Сега, в книгата си Reborn Time, той приема съвсем различен поглед върху физиката и критикува популярната теория на струните в научната общност. Според него мултивселената не съществува (6), защото живеем в една и съща вселена и по едно и също време. Той вярва, че времето е от първостепенно значение и че нашето преживяване на реалността на настоящия момент не е илюзия, а ключът към разбирането на фундаменталната природа на реалността.

Ентропия нула

Санду Попеску, Тони Шорт, Ноа Линден (7) и Андреас Уинтър описват своите открития през 2009 г. в списанието Physical Review E, което показва, че обектите постигат равновесие, т.е. състояние на равномерно разпределение на енергията, като влизат в състояния на квантово заплитане със своите заобикалящата среда. През 2012 г. Тони Шорт доказа, че заплитането причинява невъзмутимост във времето. Когато даден обект взаимодейства с околната среда, например когато частиците в чаша кафе се сблъскат с въздуха, информацията за техните свойства "изтича" навън и става "замъглена" в цялата среда. Загубата на информация води до стагнация на състоянието на кафето, дори когато състоянието на чистотата на цялата стая продължава да се променя. Според Попеску състоянието й престава да се променя с времето.

7. Ноа Линден, Санду Попеску и Тони Шорт

Тъй като състоянието на чистота на стаята се променя, кафето може внезапно да спре да се смесва с въздуха и да влезе в собственото си чисто състояние. Въпреки това, има много повече състояния, смесени с околната среда, отколкото има чисти състояния, достъпни за кафето, и следователно почти никога не се появяват. Тази статистическа невероятност създава впечатлението, че стрелата на времето е необратима. Проблемът със стрелата на времето е замъглен от квантовата механика, което затруднява определянето на природата.

Елементарната частица няма точни физични свойства и се определя само от вероятността да бъде в различни състояния. Например, във всеки даден момент една частица може да има 50% шанс да се завърти по посока на часовниковата стрелка и 50% шанс да се обърне в обратна посока. Теоремата, подсилена от опита на физика Джон Бел, гласи, че истинското състояние на частицата не съществува и че те са оставени да се ръководят от вероятността.

Тогава квантовата несигурност води до объркване. Когато две частици взаимодействат, те дори не могат да бъдат определени самостоятелно, независимо развиващи се вероятности, известни като чисто състояние. Вместо това те се превръщат в заплетени компоненти на по-сложно разпределение на вероятностите, което двете частици описват заедно. Това разпределение може да реши например дали частиците ще се въртят в обратна посока. Системата като цяло е в чисто състояние, но състоянието на отделните частици е свързано с друга частица.

По този начин и двете могат да пътуват много светлинни години един от друг и въртенето на всеки ще остане корелирано с другото.

Новата теория за стрелата на времето описва това като загуба на информация поради квантово заплитане, което изпраща чаша кафе в баланс със заобикалящата стая. В крайна сметка стаята достига равновесие с околната среда и тя, от своя страна, бавно се доближава до равновесието с останалата част от Вселената. Старите учени, които изучавали термодинамиката, разглеждали този процес като постепенно разсейване на енергията, увеличаващо ентропията на Вселената.

Днес физиците смятат, че информацията става все по-разпръсната, но никога не изчезва напълно. Въпреки че ентропията се увеличава локално, те вярват, че общата ентропия на Вселената остава постоянна на нула. Въпреки това, един аспект на стрелата на времето остава неразрешен. Учените твърдят, че способността на човек да помни миналото, но не и бъдещето, също може да се разбира като формиране на връзки между взаимодействащи частици. Когато четем съобщение на лист хартия, мозъкът комуникира с него чрез фотони, достигащи до очите.

Едва отсега нататък можем да си спомним какво ни казва това послание. Попеску смята, че новата теория не обяснява защо първоначалното състояние на Вселената е било далеч от равновесното, добавяйки, че естеството на Големия взрив трябва да бъде обяснено. Някои изследователи изразиха съмнения относно този нов подход, но развитието на тази концепция и нов математически формализъм сега помага за решаването на теоретичните проблеми на термодинамиката.

Посегнете към зърната на пространство-времето

Физиката на черната дупка изглежда показва, както предполагат някои математически модели, че нашата вселена изобщо не е триизмерна. Въпреки това, което нашите сетива ни казват, реалността около нас може да бъде холограма – проекция на далечна равнина, която всъщност е двуизмерна. Ако тази картина на Вселената е вярна, илюзията за триизмерната природа на пространство-времето може да бъде разсеяна веднага щом изследователските инструменти, с които разполагаме, станат адекватно чувствителни. Крейг Хоган, професор по физика във Fermilab, който е прекарал години в изучаване на фундаменталната структура на Вселената, предполага, че това ниво току-що е достигнато.

8. Детектор за гравитационни вълни GEO600

Ако Вселената е холограма, тогава може би току-що сме достигнали границите на разрешаването на реалността. Някои физици изтъкват интригуващата хипотеза, че пространството-времето, в което живеем, в крайна сметка не е непрекъснато, а като цифрова снимка е на най-основното си ниво съставено от определени „зърна“ или „пиксели“. Ако е така, нашата реалност трябва да има някаква окончателна „резолюция“. Ето как някои изследователи тълкуват "шума", който се появява в резултатите от детектора за гравитационни вълни GEO600 (8).

За да тества тази необикновена хипотеза, Крейг Хоган, физик на гравитационни вълни, той и неговият екип разработиха най-точния интерферометър в света, наречен холометър Хоган, който е предназначен да измерва най-основната същност на пространство-времето по най-точния начин. Експериментът с кодово име Fermilab E-990 не е един от многото други. Този има за цел да демонстрира квантовата природа на самото пространство и наличието на това, което учените наричат ​​"холографски шум".

Холометърът се състои от два интерферометъра, поставени един до друг. Те насочват лазерни лъчи от един киловат към устройство, което ги разделя на два перпендикулярни лъча с дължина 40 метра, които се отразяват и се връщат към точката на разделяне, създавайки флуктуации в яркостта на светлинните лъчи (9). Ако те предизвикат определено движение в разделителното устройство, тогава това ще бъде доказателство за вибрацията на самото пространство.

9. Графично представяне на холографския експеримент

Най-голямото предизвикателство пред екипа на Хоган е да докаже, че ефектите, които са открили, не са просто смущения, причинени от фактори извън експерименталната настройка, а резултат от пространствено-времеви вибрации. Следователно огледалата, използвани в интерферометъра, ще бъдат синхронизирани с честотите на всички най-малки шумове, идващи отвън на устройството и уловени от специални сензори.

Антропна вселена

За да съществува светът и човекът в него, законите на физиката трябва да имат много специфична форма, а физическите константи трябва да имат точно избрани стойности... и те са! Защо?

Нека започнем с факта, че има четири вида взаимодействия във Вселената: гравитационно (падане, планети, галактики), електромагнитно (атоми, частици, триене, еластичност, светлина), слабо ядрено (източник на звездна енергия) и силно ядрено ( свързва протоните и неутроните в атомните ядра). Гравитацията е 1039 пъти по-слаба от електромагнетизма. Ако беше малко по-слаба, звездите щяха да са по-леки от Слънцето, свръхновите нямаше да избухнат, нямаше да се образуват тежки елементи. Ако беше дори малко по-силен, същества, по-големи от бактериите, щяха да бъдат смачкани, а звездите често щяха да се сблъскват, унищожавайки планетите и се изгаряйки твърде бързо.

Плътността на Вселената е близка до критичната, тоест, под която материята бързо би се разсеяла без образуването на галактики или звезди, и над която Вселената би живяла твърде дълго. За възникване на такива условия, точността на съвпадение на параметрите на Големия взрив трябваше да бъде в рамките на ±10-60. Първоначалните нехомогенности на младата Вселена бяха в скала от 10-5. Ако бяха по-малки, нямаше да се образуват галактики. Ако бяха по-големи, вместо галактики щяха да се образуват огромни черни дупки.

Симетрията на частиците и античастиците във Вселената е нарушена. И за всеки барион (протон, неутрон) има 109 фотона. Ако имаше повече, галактиките не биха могли да се образуват. Ако бяха по-малко, нямаше да има звезди. Освен това броят на измеренията, в които живеем, изглежда е „правилен“. Сложните структури не могат да възникнат в две измерения. При повече от четири (три измерения плюс време) съществуването на стабилни планетарни орбити и енергийни нива на електрони в атомите става проблематично.

10. Човекът като център на Вселената

Концепцията за антропния принцип е въведена от Брандън Картър през 1973 г. на конференция в Краков, посветена на 500-годишнината от рождението на Коперник. В общи линии тя може да бъде формулирана по такъв начин, че наблюдаваната Вселена трябва да отговаря на условията, на които отговаря, за да бъде наблюдавана от нас. Досега има различни версии. Слабият антропен принцип гласи, че можем да съществуваме само във вселена, която прави възможно нашето съществуване. Ако стойностите на константите бяха различни, никога нямаше да видим това, защото нямаше да сме там. Силният антропен принцип (преднамерено обяснение) казва, че Вселената е такава, че можем да съществуваме (10).

От гледна точка на квантовата физика, произволен брой вселени биха могли да възникнат без причина. Попаднахме в конкретна вселена, която трябваше да изпълни редица фини условия, за да може човек да живее в нея. Тогава говорим за антропния свят. За вярващ, например, е достатъчна една антропна вселена, създадена от Бог. Материалистичният мироглед не приема това и приема, че има много вселени или че сегашната вселена е само етап от безкрайната еволюция на мултивселената.

Автор на съвременната версия на хипотезата за Вселената като симулация е теоретикът Никлас Бострьом. Според него реалността, която възприемаме, е просто симулация, която не осъзнаваме. Ученият предположи, че ако е възможно да се създаде надеждна симулация на цяла цивилизация или дори на цялата вселена с помощта на достатъчно мощен компютър и симулираните хора могат да изпитат съзнание, тогава е много вероятно напредналите цивилизации да са създали само голям брой на подобни симулации и ние живеем в една от тях в нещо подобно на Матрицата (11).

Тук бяха изречени думите „Бог“ и „Матрицата“. Тук стигаме до границата на говоренето за наука. Мнозина, включително учени, смятат, че именно поради безпомощността на експерименталната физика науката започва да навлиза в области, които са в противоречие с реализма, миришещи на метафизика и научна фантастика. Остава да се надяваме, че физиката ще преодолее своята емпирична криза и отново ще намери начин да се радва като експериментално проверима наука.