Списки5 научных теорий строения Вселенной, которые кажутся безумием. Квантовая вселенная
Квантовые вселенные | Иная реальность
Хью Эверетт, конечно, пытался обсуждать свою теорию «множественности миров» с другими физиками, но получал в ответ только удивление или безразличие. Один из физиков, Брайс Девитт из Техасского университета, даже выступил против теории Эверетта, сказав: «Я просто не в состоянии почувствовать себя расщепленным». Но Эверетту такая реакция напомнила реакцию критиков Галилея, говоривших, что они не ощущают движения Земли. (Со временем Девитт перешел на сторону Эверетта и стал одним из ведущих сторонников этой теории.)
В течение нескольких десятилетий теория множественности миров прозябала в безвестности. Она просто казалась слишком фантастичной, чтобы быть верной. Джон Уилер, принстонский консультант Эверетта, в конце концов пришел к выводу, что эта концепция тянет за собой слишком много «лишнего багажа». Но в какой-то момент теория Эверетта неожиданно вошла в моду и сейчас она пользуется в мире физики серьезным интересом. Дело в том, что физики в настоящий момент пытаются применить квантовую теорию к последней области, которая до сих пор оставалась «неквантованной»: к самой Вселенной. А попытка применить принцип неопределенности ко всей Вселенной в целом естественным образом вызывает к жизни понятие Мультивселенной.
Понятие «квантовой космологии» на первый взгляд представляется терминологически противоречивым: ведь квантовая теория имеет дело с крохотным миром атомов, а в космологии идет речь о Вселенной в целом. Но подумайте вот о чем: в момент Большого взрыва Вселенная была гораздо меньше электрона. Любой физик согласится, что электрон следует рассматривать с точки зрения квантовой теории; это означает, что электрон описывается вероятностным волновым уравнением (уравнением Дирака) и может существовать в нескольких параллельных состояниях. Но если электрон следует квантовать, а Вселенная была когда-то меньше электрона, значит, Вселенная тоже должна квантоваться и существовать в параллельных состояниях. Значит, эта теория естественным образом ведет к представлению о множественности миров.
Однако копенгагенская интерпретация Нильса Бора в приложении к целой Вселенной сталкивается с серьезными трудностями. Вообще, копенгагенская интерпретация, хотя ее и изучают в каждом курсе квантовой механики для аспирантов, нуждается в «наблюдателе», наблюдения которого, собственно, и вызывают схлопывание волновой функции. Получается, что для фиксации макромира в определенном состоянии процесс наблюдения совершенно необходим. Но как можно находиться «вне» Вселенной и наблюдать за Вселенной со стороны? Если Вселенную описывает некая волновая функция, то как может «внешний» наблюдатель определить конкретное состояние Вселенной и заставить эту функцию схлопнуться? Более того, некоторые ученые считают невозможность пронаблюдать Вселенную «извне» критическим, даже фатальным недостатком копенгагенской интерпретации.
В концепции «множественных миров» эта проблема решается очень просто: Вселенная просто существует одновременно во множестве параллельных состояний, которые определяются главной волновой функцией, известной под названием волновая функция Вселенной. Согласно квантовой космологии, Вселенная возникла как квантовая флуктуация вакуума, т.е. как крошечный пузырек пространственно-временной пены. Большинство новорожденных вселенных пространственно-временной пены переживает большой взрыв, а затем сразу — большое сжатие. Это означает, что даже в «пустоте» кипит непрекращающаяся активность, возникают и тут же пропадают крошечные вселенные, но масштаб этих событий слишком мал для наших грубых приборов. Однажды по какой-то причине один из пузырьков пространственно-временной пены не схлопнулся обратно и не исчез в собственном Большом сжатии, а продолжал расширяться. Это и была наша Вселенная. Если послушать Алана Гута, то получится, что вся наша Вселенная — одна большая халява.
В квантовой космологии физики берут для начала аналог уравнения Шрёдингера, описывающего волновые функции электронов и атомов. Они используют также уравнение Девитта-Уилера, действующего на «волновой функции Вселенной». Обычно волновая функция Шрёдингера определена в каждой точке пространства и времени, поэтому мы можем вычислить вероятность обнаружения электрона в любой заданной точке пространства и времени. Но «волновая функция Вселенной» определена на множестве всех возможных вселенных. Если окажется, что эта волновая функция для конкретной вселенной велика, это будет означать, что данная Вселенная с большой вероятностью находится именно в этом состоянии.
Хокинг поддерживает именно эту точку зрения. Он утверждает, что наша Вселенная особая, она уникальна и отличается от всех прочих вселенных. Если волновая функция нашей Вселенной велика, то для большинства остальных она почти равна нулю. Получается, что существует ненулевая, но очень небольшая вероятность того, что в Мультивселенной могут существовать и другие вселенные, кроме нашей, но наша Вселенная существует с максимальной вероятностью. Вообще, Хокинг пытается таким образом логически обосновать явление инфляции. В этой картине мира вселенная, в которой начинается процесс инфляции, просто более вероятна, чем вселенная, где ничего подобного не происходит, поэтому в нашей Вселенной такой процесс имел место.
Теория о происхождении нашей Вселенной из «пустоты» пространственно-временной пены на первый взгляд представляется совершенно непроверяемой; тем не менее она согласуется с несколькими простыми наблюдениями. Во-первых, многие физики указывали на тот поразительный факт, что сумма положительного и отрицательного электрического заряда в нашей Вселенной равняется нулю — по крайней мере в пределах экспериментальной погрешности. Нам кажется естественным, что доминирующей силой в космосе является гравитация, но ведь происходит это лишь потому, что отрицательные и положительные заряды в точности компенсируют друг друга. Если бы на Земле существовал хотя бы малейший дисбаланс между положительными и отрицательными зарядами, электрические силы, вполне возможно, преодолели бы силы гравитационного притяжения, связывающие Землю воедино, и просто разорвали бы нашу планету. Точное равновесие между суммарным положительным и отрицательным зарядами можно легко объяснить, в частности, тем, что Вселенная возникла из «ничего», а «ничто» обладает нулевым электрическим зарядом.
Во-вторых, наша Вселенная обладает нулевым спином. Курт Гёдель много лет пытался доказать, что наша Вселенная вращается, путем анализа и суммирования спинов различных галактик, но на сегодняшний день астрономы убеждены: суммарный спин нашей Вселенной равен нулю. Опять же этот факт можно легко объяснить тем, что Вселенная возникла из «ничего», а «ничто» обладает нулевым спином. В-третьих, возникновение Вселенной из ничего помогло бы объяснить, почему суммарное содержание в ней вещества энергии так мало, а возможно, вообще равно нулю. Если сложить положительную энергию вещества и отрицательную энергию,связанную с гравитацией, то, судя по всему, они в точности скомпенсируют друг друга. Согласно общей теории относительности, если Вселенная замкнута и конечна, то суммарное количество вещества-энергии в ней должно равняться в точности нулю. (Если Вселенная незамкнута и бесконечна, это не обязательно верно, но инфляционная теория указывает все же, что суммарное количество вещества-энергии в нашей Вселенной чрезвычайно мало.)
Все это оставляет открытым один интересный вопрос. Если физики не могут исключить возможность существования нескольких типов параллельных вселенных, то можно ли вступить с ними в контакт? Посетить их? Или, может быть, существа из других вселенных уже бывали в нашем мире?
Контакт с другими квантовыми вселенными, которые потеряли синхронность с нашей, представляется весьма маловероятным. Причина того, что наша Вселенная потеряла син¬хронность с другими вселенными, заключается в том, что наши атомы постоянно сталкивались с другими атомами окружающего мира. Каждый раз при столкновении волновая функция атома слегка «сжимается»; а значит, число параллельных вселенных уменьшается. Каждое столкновение уменьшает число возможных вариантов. Триллионы подобных атомных «миниколлапсов» создают в результате иллюзию того, что все атомы нашего тела полностью схлопнулись и застыли в определенном состоянии. «Объективная реальность» Эйнштейна — всего лишь иллюзия, возникающая благодаря тому, что громадное число атомов в нашем теле постоянно сталкивается друг с другом; и при каждом таком столкновении уменьшается количество возможных вселенных.
Эту ситуацию можно сравнить с расфокусированным изображением в объективе фотокамеры. Точно так же и в микромире все выглядит переменчивым и неопределенным. Но стоит вам чуть подправить фокусировку камеры, и на изображении появляются новые детали; с каждой поправкой картинка в целом становится все резче и резче. Так и триллионы крохотных столкновений атомов с соседними атомами раз за разом уменьшают число возможных вселенных. Таким образом, мы плавно переходим от переменчивого микромира к стабильному макромиру.
Поэтому вероятность взаимодействия с другой, подобной нашей, квантовой вселенной если и не равняется нулю, то стремительно падает вместе с ростом числа атомов в вашем теле. Но атомов в каждом из нас триллионы и триллионы, поэтому шанс наладить связь с другой вселенной, населенной динозаврами или инопланетянами, бесконечно мал. Можно посчитать, что ждать подобного события придется много дольше, чем будет существовать Вселенная.
Итак, мы не можем полностью исключить контакт с параллельными квантовыми вселенными, но очевидно, что событие это будет чрезвычайно редким — ведь наша Вселенная утратила когерентность с ними. Но в космологии мы встречаем и другой тип параллельной вселенной: это Мультивселенная, которая состоит из вселенных, сосуществующих одна с другой подобно мыльным пузырям в пенной ванне. Контакт с иной вселенной внутри Мультивселенной — совсем другая история. Это, безусловно, трудная проблема, но не исключено, что цивилизация сумеет решить ее.
Как мы уже обсуждали, для того чтобы открыть дыру в пространстве или увеличить пространственно-временную пену, необходима энергия, сравнимая по порядку величины с планковской энергией, при которой рушатся вообще все известные физические законы. Пространство и время при этой энергии нестабильны, что открывает возможность покинуть нашу Вселенную (предполагая, разумеется, что иные вселенные существуют и мы не погибнем в процессе перехода).
Вопрос этот, вообще говоря, нельзя назвать чисто академическим, потому что когда-нибудь перед разумной жизнью во Вселенной обязательно встанет проблема гибели Вселенной. В конце концов теория Мультивселенной может оказаться спасительной для всей разумной жизни нашей Вселенной, Недавно полученные со спутника WMAP данные подтверждают тот факт, что Вселенная расширяется с ускорением, и не исключено, что когда-нибудь всем нам будет грозить гибель в виде так называемого Большого мороза. Со временем вся Вселенная почернеет; все звезды в небесах погаснут и во Вселенной останутся только мертвые звезды, нейтронные звезды и черные дыры. Даже атомы наших тел, возможно, начнут распадаться. Температура упадет почти до абсолютного нуля, и жизнь станет невозможна.
По мере приближения Вселенной к этой точке продвинутая цивилизация, оказавшаяся перед лицом окончательной гибели своего мира, вполне может задуматься о переселении в иную вселенную. Выбор у этих существ будет невелик — замерзнуть насмерть или покинуть этот мир. Законы физики станут смертным приговором для любой разумной жизни — но эти же законы, возможно, предоставят разумным существам узенькую лазейку.
Такой цивилизации придется обуздать энергию гигантских ускорителей и лазерных лучей, равных по мощности целой солнечной системе или даже звездному скоплению, и сосредоточить ее в одной-единственной точке, чтобы получить легендарную планковскую энергию. Возможно, этого будет достаточно, чтобы открыть кротовую нору или путь в иную вселенную. Не исключено, что цивилизация использует подвластную ей колоссальную энергию, чтобы создать кротовую нору и уйти через нее в другую вселенную, оставив собственную Вселенную умирать и начав в новом доме новую жизнь.
othereal.ru
Квантовая Вселенная
Как устроено то, что мы не можем увидеть
Два английских физика, один из которых занимается изучением элементарных частиц (Брайан Кокс), а другой является профессором кафедры теоретической физики в университете г. Манчестер (Джефф Форшоу) знакомят нас с фундаментальной моделью устройства мира.
Используя доступный язык, многочисленные рисунки и удачные аналогии, авторы смогли объяснить трудные для понимания понятия квантовой физики.
Брайан Кокс, Джефф Форшоу:
Цель этой книги — сорвать покровы таинственности с квантовой теории — теоретической конструкции, в которой путаются слишком многие, включая даже самих первопроходцев в этой отрасли. Мы намерены использовать современную перспективу, пользуясь наработанными за век уроками непредусмотрительности и развития теории. Однако на старте путешествия мы перенесемся в начало XX века и исследуем некоторые проблемы, заставившие физиков радикально отклониться от того, что ранее считалось магистральным направлением науки.
Содержание
1. Что-то странное грядет
Квантовая теория — возможно, наилучший пример, как бесконечно сложное для понимания большинства людей становится крайне полезным. Она сложна для понимания, поскольку описывает мир, в котором частица может реально находиться в нескольких местах одновременно и перемещается из одного места в другое, исследуя тем самым всю Вселенную. Мы обнаружили, что все состоит из множества мельчайших частиц, которые двигаются в соответствии с законами квантовой теории. Законы эти настолько просты, что их можно записать на обратной стороне конверта. А то, что для объяснения глубинной природы вещей не требуется целая библиотека, уже само по себе одна из величайших тайн мира.
2. В двух местах одновременно
Самые необычные предсказания квантовой теории обычно проявляются в поведении малых объектов. Но поскольку большие объекты состоят из малых, при определенных обстоятельствах квантовая физика требуется для объяснения свойств одних из самых крупных объектов во Вселенной — звезд.
3. Что такое частица?
Определившись с тем, что описание электрона во многих отношениях подражает поведению волн, мы должны выработать более точные понятия о самих волнах. Начнем с описания того, что происходит в цистерне с водой, когда две волны встречаются, смешиваются и интерферируют друг с другом. Представим максимумы волн в виде циферблатов со стрелкой на 12 часов, а минимумы — в виде циферблатов со стрелкой на 6. Мы можем отобразить и промежуточные между минимумом и максимумом положения волн, нарисовав циферблаты с промежуточным временем, как и в случае с фазами между новой и полной Луной.
4. Все, что может случиться, действительно случается
Принцип неопределенности Гейзенберга
В своей оригинальной работе Гейзенберг сумел оценить отношения между точностью измерения положения и импульса частицы. Принцип неопределенности Гейзенберга — одна из самых неправильно понимаемых частей квантовой теории, тропинка, по которой всякие шарлатаны и поставщики вздора проталкивают свою философскую ерунду.
Вывод принципа неопределенности Гейзенберга из теории циферблатов
Три циферблата, показывающие одинаковое время и расположенные на одной линии, описывают частицу, в начальный момент находящуюся где-то в области этих циферблатов. Нас интересует, каковы шансы на то, чтобы найти частицу в точке X в некоторый последующий момент времени.
Краткая история постоянной Планка
Планк разрушил первые камни в основании Максвеллова представления о свете, показав, что энергия света, излучаемого нагретым телом, может быть описана, только если она испускается квантами.
Обратно, к принципу неопределенности Гейзенберга
Теория квантовой механики, которую мы разработали, предполагает, что, если поместить песчинку в какую-то точку, позднее она может оказаться в любом другом месте Вселенной. Но очевидно, что с настоящими песчинками так не происходит. Первый вопрос, на который нужно ответить, звучит так: сколько раз будут повернуты стрелки часов, если мы переместим частицу с массой песчинки на расстояние, например, 0,001 мм за одну секунду?
5. Движение как иллюзия
Задав начальную группу с помощью часов, показывающих разное, а не одинаковое время, мы пришли к описанию движущейся частицы. Интересно, что мы можем установить очень важную связь между часами со сдвинутыми стрелками и поведением волн.
Волновые пакеты
Частица с хорошо известным импульсом описывается большой группой циферблатов. Точнее говоря, частица с совершенно точно известным импульсом будет описана бесконечно длинной группой циферблатов, что означает бесконечно длинный волновой пакет.
6. Музыка атомов
Сейчас мы можем применить накопленные знания для решения вопроса, который ставил в тупик Резерфорда, Бора и других ученых в первые десятилетия XX века: что именно происходит внутри атома? …Здесь мы впервые попытаемся с помощью нашей теории объяснить явления реального мира.
Атомный ящик
Кажется, нам удалось выработать правильный взгляд на атомы. Но все же кое-что не совсем так. Не хватает последнего кусочка головоломки, без которого невозможно объяснить структуру более тяжелых атомов, чем водород. Если говорить более прозаично, нам также не удастся объяснить, почему мы, собственно, не проваливаемся сквозь землю, что создает проблемы для нашей замечательной теории природы.
7. Вселенная на булавочной головке (и почему мы не проваливаемся сквозь землю)
Материя способна быть стабильной, только если электроны будут подчиняться так называемому принципу Паули — одному из самых удивительных явлений в нашей квантовой Вселенной.
8. Взаимозависимость
До этого времени мы уделяли пристальное внимание квантовой физике изолированных частиц и атомов. Однако наш физический опыт связан с восприятием множества сгруппированных между собой атомов, и уже поэтому пора начать разбираться с тем, что происходит, когда атомы группируются.
9. Современный мир
Транзистор — самое важное изобретение за последние 100 лет: современный мир построен на полупроводниковых технологиях и сформирован ими.
10. Взаимодействие
Начнем с формулировки законов первой открытой квантовой теории поля — квантовой электродинамики, сокращенно QED. Истоки этой теории восходят к 1920-м годам, когда Дираку с особенным успехом удалось поставить электромагнитную теорию Максвелла на квантовые рельсы.
Проблема измерения в квантовой теории
Мы можем двигаться вперед, считая, что мир необратимо изменился в результате измерения, даже если на самом деле ничего подобного не произошло. Но все это не так важно, когда дело доходит до серьезной задачи — вычисления вероятности, что нечто произойдет при постановке эксперимента.
Антиматерия
Электроны, движущиеся назад во времени, выглядят как «электроны с положительным зарядом». Такие частицы действительно существуют и называются «позитронами».
11. Пустое пространство не такое уж пустое
Вакуум — это очень интересное место, полное возможностей и препятствий на пути частиц.
Стандартная модель физики частиц
Стандартная модель действительно содержит лекарство от болезни повышенных вероятностей, и это лекарство известно под названием хиггсовского механизма. Если оно верно, то Большой адронный коллайдер должен обнаружить еще одну природную частицу — бозон Хиггса, после чего наши взгляды на содержимое пустого пространства должны кардинально измениться.
Происхождение массы
Вопрос о происхождении массы особенно замечателен тем, что ответ на него ценен и помимо нашего очевидного желания узнать, что такое масса. Попытаемся объяснить это довольно загадочное и странным образом сконструированное предложение более подробно
Эпилог: смерть звезд
Умирая, многие звезды заканчивают свой путь в качестве сверхплотных шаров ядерной материи, переплетенной с множеством электронов. Это так называемые белые карлики. Такой будет и судьба нашего Солнца, когда оно примерно через 5 миллиардов лет исчерпает запасы ядерного топлива
Для дальнейшего чтения
При подготовке этой книги мы использовали многие другие работы, и некоторые из них заслуживают особого упоминания и рекомендаций.
Кокс Б., Форшоу Д. Квантовая вселенная. Как устроено то, что мы не можем увидеть. М.: МИФ. 2016.
www.ckofr.com
Элементарная частица, оказывается, может находиться одновременно в нескольких местах и моментально перемещаться с одного края Вселенной на другой. И даже если ее «поймать», то она может представлять собой и волну, и частицу, а иногда ни то и ни другое. Некоторые частицы настолько чувствительны, что сам процесс наблюдения меняет их характеристики.
Ученые шутят, что тот, кто поймет квантовую теорию — поймет все на свете. В этом есть своя соль. Книга «Квантовая Вселенная», выпущенная издательством МИФ, поможет разобраться в устройстве мироздания на самом тонком уровне.
Частицы квантовой физики неизмеримо малы: даже ядро атома для них так же велико, как для песчинки — гора. Вакуум, который мы привыкли считать пустым пространством, на самом деле представляет собой кипучую субстанцию, где каждый миг мириады частиц появляются ниоткуда, сталкиваются, рождают новые и исчезают. Например, бозоны Хиггса, которые так долго не удавалось обнаружить, пронизывают каждую точку пространства. Именно они «отвечают» за то, что у веществ существует масса. Если представить, как человек пробирается через плотное скопление людей, можно сравнить эту картину с действием бозонов на все частицы Вселенной — они их толкают, изменяют траекторию и тормозят. Только фотоны не взаимодействуют с бозонами Хиггса, а потому и передвигаются с такой невероятной скоростью — около 300000 километров в секунду. То есть скорость света — это скорость частиц, не имеющих массы. Ученые подсчитали, что всего три грамма любого вещества, если превратить их в энергию, могут снабжать небольшой город в течение 100 лет. А теперь еще более интересная информация: сколько энергии спрятано в вакууме? Ответ поражает: вакуум настолько насыщен невидимыми частицами, что энергия 1 кубометра «пустоты» — это столько же, сколько Солнце производит за целую тысячу лет! По сравнению с этим дремлющим могуществом меркнет даже энергия ядерного распада, используемая в АЭС.
Примечательно, что книга «Квантовая Вселенная», хоть и повествует о неуловимых и малопонятных объектах, тем не менее не отрывается от настоящего и рассказывает, как квантовые процессы помогают в самых обыденных вещах. Например, посмотрите на свой смартфон. Первый транзистор был создан в 1947 году, первый транзисторный компьютер в 1953 году состоял из 92 транзисторов — а теперь в мобильнике их около миллиарда! Работа транзистора — важное приложение квантовой теории, и весь современный мир построен на полупроводниковых технологиях. В книге даны новейшие достижения науки в популярном, но не упрощенном изложении. Читатель сможет увидеть то, что скрыто от глаз и даже микроскопов: электроны — это не «маленькие планеты» вокруг ядра атома, а энергетические сферы с различной вероятностью нахождения в них самого электрона; цвет — это фотоны, испускаемые электронами при потере энергии; все частицы Вселенной «знают» друг о друге, и многое-многое другое. В сложных случаях, когда информация настолько непривычна, что кажется абсурдом, авторы книги прибегают к помощи графиков, формул, рисунков и неожиданных сравнений. Так из чего же состоит этот мир: атомы и планеты, вакуум и звезды, окружающие нас предметы — и мы с вами?
|
17 июня 2016maxpark.com
Квантовая Вселенная и космический ребёнок
Уже в три года Майкл Тэлбот удивлял своих родителей. Он в подробностях рассказывал о своих прошлых жизнях и отказывался называть мистера и миссис Тэлбот папой и мамой. Чудной малыш предпочитал не соки; газировку или молоко, а… крепкий черный чай. Он садился на пол в позе лотоса и потягивал чай из пиалы.
Майкл «баловался» ясновидением, путешествовал вне тела, общался с пришельцами. Он вспоминал: «Учась в колледже, я как-то ехал на машине и увидел летающую тарелку. Я остановился, вышел на дорогу и минут пять глазел на инопланетный корабль. Затем поехал дальше. Обычно дорога от того места, где я увидел НЛО, до дома занимала полчаса. Представляете, как я удивился, когда домашние набросились нa меня: «Куда ты пропал?!». Оказалось, прошли почти целые сутки!».
В надежде найти рациональное объяснение паранормальным явлениям, которые преследовали его, он обратился к науке. Ответы Майкл искал необычным способом: «Вместо здравого рассудка я использовал более глубокие интуитивные способности. Я на первый взгляд бесцельно бродил мимо библиотечных стеллажей. Я ждал, когда нужная книга «позовет» меня. И действительно почувствовал настойчивое желание остановиться. Моя рука поднялась, взяла с полки книгу и открыла ее где-то на середине. Только после этого я взглянул на название – это была подшивка журналов Physics Today («Физика сегодня»), номер за сентябрь 1970 года со статьей физика Брюса де Витта «Квантовая механика и реальность».
В статье доказывался известный тезис: мир вокруг нас – это наши материализованные мысли, мы видим лишь то, о чем думаем, что хотим видеть. Де Витт писал, что квантовая физика обнаружила зависимость реальности от человеческого разума. Публикация поразила Тэлбота, и он стал настоящим фанатом квантовой физики, изучающей субатомные частицы – кванты. Эти самые кванты поразительным образом общаются между собой, как близнецы, чувствующие друг друга на огромном расстоянии, информация от кванта к кванту передается мгновенно! Когда явление было подтверждено, физики едва не свергли с пьедестала своего кумира – Эйнштейна, ведь по теории относительности в мире нет ничего, что могло бы двигаться быстрее скорости света, но «мгновенно» как раз и означает «быстрее скорости света»!
Противоречие разрешил физик Дэвид Бом. Он доказал, что кванты не передают информацию через время и пространство, они просто обитают в таком измерении, где информация существует всюду и одновременно, то есть информация не локальна, а, напротив, тотальна, всеобъемлюща. Бом высказал сенсационное предположение о том, что поведение квантов неким загадочным образом связано с… мышлением ученыx, и наблюдающих за ними. Кванты ведут себя упорядоченно, «пристойно» в тот момент, когда за ними наблюдают, однако стоит исследователю отвлечься на минутку, как в мир субатомных частиц возвращается первозданный хаос! Увидеть реальные кванты, по мнению Дэвида Бома, также невозможно, как увидеть в зеркале реального себя. Ведь, подходя к зеркалу, человек подсознательно готовится к встрече со своим отражением и в итоге отражается таким, каким ожидает себя увидеть.
Но как же квантам удается предугадать желания экспериментаторов? На это Бом отвечает так: мозги ученых и всех прочих людей (как и вообще все во Вселенной) тоже состоят из субатомных частиц. Кванты живут в мире тотальной информации, поэтому тем из них, за которыми и наблюдают, ничего не стоит узнать, чего хотят от них кванты, составляющие мозг наблюдающего:)
Субатомные частицы преподнесли физикам еще один сюрприз. Выяснилось, что сгруппированные вместе в больших количествах они перестают вести себя как индивидуальности и демонстрируют самое настоящее коллективное сознание.
Бом пришел к выводу, что в каждом кванте закодирована одна и та же информация, причем достаточная для воспроизведения всей Вселенной! Другими словами, Вселенная как некое целое содержится в свернутом виде внутри каждой своей микроскопически малой части (в том числе и в ДНК каждого человека). Нечто подобное говорил Будда и в лирической форме высказывал поэт – романтик XVIII века Уильям Блейк:
В одном мгновеньи – видеть вечность,
Огромный мир – в зерне песка,
В единой горсти – бесконечность
И небо – в чашечке цветка..
Похожие статьи
astro-germes.com
Квантовые вселенные! | Наука будущего
Хью Эверетт, конечно, пытался обсуждать свою теорию «множественности миров» с другими физиками, но получал в ответ только удивление или безразличие. Один из физиков, Брайс Девитт из Техасского университета, даже выступил против теории Эверетта, сказав: «Я просто не в состоянии почувствовать себя расщепленным». Но Эверетту такая реакция напомнила реакцию критиков Галилея, говоривших, что они не ощущают движения Земли. (Со временем Девитт перешел на сторону Эверетта и стал одним из ведущих сторонников этой теории.)
В течение нескольких десятилетий теория множественности миров прозябала в безвестности. Она просто казалась слишком фантастичной, чтобы быть верной. Джон Уилер, принстонский консультант Эверетта, в конце концов пришел к выводу, что эта концепция тянет за собой слишком много «лишнего багажа». Но в какой-то момент теория Эверетта неожиданно вошла в моду и сейчас она пользуется в мире физики серьезным интересом. Дело в том, что физики в настоящий момент пытаются применить квантовую теорию к последней области, которая до сих пор оставалась «неквантованной»: к самой Вселенной. А попытка применить принцип неопределенности ко всей Вселенной в целом естественным образом вызывает к жизни понятие Мультивселенной.
Понятие «квантовой космологии» на первый взгляд представляется терминологически противоречивым: ведь квантовая теория имеет дело с крохотным миром атомов, а в космологии идет речь о Вселенной в целом. Но подумайте вот о чем: в момент Большого взрыва Вселенная была гораздо меньше электрона. Любой физик согласится, что электрон следует рассматривать с точки зрения квантовой теории; это означает, что электрон описывается вероятностным волновым уравнением (уравнением Дирака) и может существовать в нескольких параллельных состояниях. Но если электрон следует квантовать, а Вселенная была когда-то меньше электрона, значит, Вселенная тоже должна квантоваться и существовать в параллельных состояниях. Значит, эта теория естественным образом ведет к представлению о множественности миров.
Однако копенгагенская интерпретация Нильса Бора в приложении к целой Вселенной сталкивается с серьезными трудностями. Вообще, копенгагенская интерпретация, хотя ее и изучают в каждом курсе квантовой механики для аспирантов, нуждается в «наблюдателе», наблюдения которого, собственно, и вызывают схлопывание волновой функции. Получается, что для фиксации макромира в определенном состоянии процесс наблюдения совершенно необходим. Но как можно находиться «вне» Вселенной и наблюдать за Вселенной со стороны? Если Вселенную описывает некая волновая функция, то как может «внешний» наблюдатель определить конкретное состояние Вселенной и заставить эту функцию схлопнуться? Более того, некоторые ученые считают невозможность пронаблюдать Вселенную «извне» критическим, даже фатальным недостатком копенгагенской интерпретации.
В концепции «множественных миров» эта проблема решается очень просто: Вселенная просто существует одновременно во множестве параллельных состояний, которые определяются главной волновой функцией, известной под названием волновая функция Вселенной. Согласно квантовой космологии, Вселенная возникла как квантовая флуктуация вакуума, т.е. как крошечный пузырек пространственно-временной пены. Большинство новорожденных вселенных пространственно-временной пены переживает большой взрыв, а затем сразу — большое сжатие. Это означает, что даже в «пустоте» кипит непрекращающаяся активность, возникают и тут же пропадают крошечные вселенные, но масштаб этих событий слишком мал для наших грубых приборов. Однажды по какой-то причине один из пузырьков пространственно-временной пены не схлопнулся обратно и не исчез в собственном Большом сжатии, а продолжал расширяться. Это и была наша Вселенная. Если послушать Алана Гута, то получится, что вся наша Вселенная — одна большая халява.
В квантовой космологии физики берут для начала аналог уравнения Шрёдингера, описывающего волновые функции электронов и атомов. Они используют также уравнение Девитта-Уилера, действующего на «волновой функции Вселенной». Обычно волновая функция Шрёдингера определена в каждой точке пространства и времени, поэтому мы можем вычислить вероятность обнаружения электрона в любой заданной точке пространства и времени. Но «волновая функция Вселенной» определена на множестве всех возможных вселенных. Если окажется, что эта волновая функция для конкретной вселенной велика, это будет означать, что данная Вселенная с большой вероятностью находится именно в этом состоянии.
Хокинг поддерживает именно эту точку зрения. Он утверждает, что наша Вселенная особая, она уникальна и отличается от всех прочих вселенных. Если волновая функция нашей Вселенной велика, то для большинства остальных она почти равна нулю. Получается, что существует ненулевая, но очень небольшая вероятность того, что в Мультивселенной могут существовать и другие вселенные, кроме нашей, но наша Вселенная существует с максимальной вероятностью. Вообще, Хокинг пытается таким образом логически обосновать явление инфляции. В этой картине мира вселенная, в которой начинается процесс инфляции, просто более вероятна, чем вселенная, где ничего подобного не происходит, поэтому в нашей Вселенной такой процесс имел место.
Теория о происхождении нашей Вселенной из «пустоты» пространственно-временной пены на первый взгляд представляется совершенно непроверяемой; тем не менее она согласуется с несколькими простыми наблюдениями. Во-первых, многие физики указывали на тот поразительный факт, что сумма положительного и отрицательного электрического заряда в нашей Вселенной равняется нулю — по крайней мере в пределах экспериментальной погрешности. Нам кажется естественным, что доминирующей силой в космосе является гравитация, но ведь происходит это лишь потому, что отрицательные и положительные заряды в точности компенсируют друг друга. Если бы на Земле существовал хотя бы малейший дисбаланс между положительными и отрицательными зарядами, электрические силы, вполне возможно, преодолели бы силы гравитационного притяжения, связывающие Землю воедино, и просто разорвали бы нашу планету. Точное равновесие между суммарным положительным и отрицательным зарядами можно легко объяснить, в частности, тем, что Вселенная возникла из «ничего», а «ничто» обладает нулевым электрическим зарядом.
Во-вторых, наша Вселенная обладает нулевым спином. Курт Гёдель много лет пытался доказать, что наша Вселенная вращается, путем анализа и суммирования спинов различных галактик, но на сегодняшний день астрономы убеждены: суммарный спин нашей Вселенной равен нулю. Опять же этот факт можно легко объяснить тем, что Вселенная возникла из «ничего», а «ничто» обладает нулевым спином. В-третьих, возникновение Вселенной из ничего помогло бы объяснить, почему суммарное содержание в ней вещества энергии так мало, а возможно, вообще равно нулю. Если сложить положительную энергию вещества и отрицательную энергию,связанную с гравитацией, то, судя по всему, они в точности скомпенсируют друг друга. Согласно общей теории относительности, если Вселенная замкнута и конечна, то суммарное количество вещества-энергии в ней должно равняться в точности нулю. (Если Вселенная незамкнута и бесконечна, это не обязательно верно, но инфляционная теория указывает все же, что суммарное количество вещества-энергии в нашей Вселенной чрезвычайно мало.)
Все это оставляет открытым один интересный вопрос. Если физики не могут исключить возможность существования нескольких типов параллельных вселенных, то можно ли вступить с ними в контакт? Посетить их? Или, может быть, существа из других вселенных уже бывали в нашем мире?
Контакт с другими квантовыми вселенными, которые потеряли синхронность с нашей, представляется весьма маловероятным. Причина того, что наша Вселенная потеряла син¬хронность с другими вселенными, заключается в том, что наши атомы постоянно сталкивались с другими атомами окружающего мира. Каждый раз при столкновении волновая функция атома слегка «сжимается»; а значит, число параллельных вселенных уменьшается. Каждое столкновение уменьшает число возможных вариантов. Триллионы подобных атомных «миниколлапсов» создают в результате иллюзию того, что все атомы нашего тела полностью схлопнулись и застыли в определенном состоянии. «Объективная реальность» Эйнштейна — всего лишь иллюзия, возникающая благодаря тому, что громадное число атомов в нашем теле постоянно сталкивается друг с другом; и при каждом таком столкновении уменьшается количество возможных вселенных.
Эту ситуацию можно сравнить с расфокусированным изображением в объективе фотокамеры. Точно так же и в микромире все выглядит переменчивым и неопределенным. Но стоит вам чуть подправить фокусировку камеры, и на изображении появляются новые детали; с каждой поправкой картинка в целом становится все резче и резче. Так и триллионы крохотных столкновений атомов с соседними атомами раз за разом уменьшают число возможных вселенных. Таким образом, мы плавно переходим от переменчивого микромира к стабильному макромиру.
Поэтому вероятность взаимодействия с другой, подобной нашей, квантовой вселенной если и не равняется нулю, то стремительно падает вместе с ростом числа атомов в вашем теле. Но атомов в каждом из нас триллионы и триллионы, поэтому шанс наладить связь с другой вселенной, населенной динозаврами или инопланетянами, бесконечно мал. Можно посчитать, что ждать подобного события придется много дольше, чем будет существовать Вселенная.
Итак, мы не можем полностью исключить контакт с параллельными квантовыми вселенными, но очевидно, что событие это будет чрезвычайно редким — ведь наша Вселенная утратила когерентность с ними. Но в космологии мы встречаем и другой тип параллельной вселенной: это Мультивселенная, которая состоит из вселенных, сосуществующих одна с другой подобно мыльным пузырям в пенной ванне. Контакт с иной вселенной внутри Мультивселенной — совсем другая история. Это, безусловно, трудная проблема, но не исключено, что цивилизация сумеет решить ее.
Как мы уже обсуждали, для того чтобы открыть дыру в пространстве или увеличить пространственно-временную пену, необходима энергия, сравнимая по порядку величины с планковской энергией, при которой рушатся вообще все известные физические законы. Пространство и время при этой энергии нестабильны, что открывает возможность покинуть нашу Вселенную (предполагая, разумеется, что иные вселенные существуют и мы не погибнем в процессе перехода).
Вопрос этот, вообще говоря, нельзя назвать чисто академическим, потому что когда-нибудь перед разумной жизнью во Вселенной обязательно встанет проблема гибели Вселенной. В конце концов теория Мультивселенной может оказаться спасительной для всей разумной жизни нашей Вселенной, Недавно полученные со спутника WMAP данные подтверждают тот факт, что Вселенная расширяется с ускорением, и не исключено, что когда-нибудь всем нам будет грозить гибель в виде так называемого Большого мороза. Со временем вся Вселенная почернеет; все звезды в небесах погаснут и во Вселенной останутся только мертвые звезды, нейтронные звезды и черные дыры. Даже атомы наших тел, возможно, начнут распадаться. Температура упадет почти до абсолютного нуля, и жизнь станет невозможна.
По мере приближения Вселенной к этой точке продвинутая цивилизация, оказавшаяся перед лицом окончательной гибели своего мира, вполне может задуматься о переселении в иную вселенную. Выбор у этих существ будет невелик — замерзнуть насмерть или покинуть этот мир. Законы физики станут смертным приговором для любой разумной жизни — но эти же законы, возможно, предоставят разумным существам узенькую лазейку.
Такой цивилизации придется обуздать энергию гигантских ускорителей и лазерных лучей, равных по мощности целой солнечной системе или даже звездному скоплению, и сосредоточить ее в одной-единственной точке, чтобы получить легендарную планковскую энергию. Возможно, этого будет достаточно, чтобы открыть кротовую нору или путь в иную вселенную. Не исключено, что цивилизация использует подвластную ей колоссальную энергию, чтобы создать кротовую нору и уйти через нее в другую вселенную, оставив собственную Вселенную умирать и начав в новом доме новую жизнь.
maxpark.com
Читать онлайн "Квантовая вселенная. Как устроено то, что мы не можем увидеть" автора Форшоу Джефф - RuLit
Брайан Кокс, Джефф Форшоу
Квантовая вселенная. Как устроено то, что мы не можем увидеть
Научные редакторы Вячеслав Марача и Михаил Павлов
Издано с разрешения Apollo’s Children Ltd and Jeff Forshow и литературного агентства Diane Banks Associates Ltd.
Книга рекомендована к изданию Романом Петренко
Правовую поддержку издательства обеспечивает юридическая фирма «Вегас-Лекс».
© Brian Cox and Jeff Forshaw, 2011
© Перевод на русский язык, издание на русском языке, оформление. ООО «Манн, Иванов и Фербер», 2016
* * *
1. Что-то странное грядет
Квант. Это слово одновременно взывает к чувствам, сбивает с толку и завораживает. В зависимости от точки зрения это либо свидетельство обширных успехов науки, либо символ ограниченности человеческой интуиции, которая вынуждена бороться с неотвратимой странностью субатомной сферы. Для физика квантовая механика – одна из трех великих опор, на которых покоится понимание природы (две другие – это общая и специальная теории относительности Эйнштейна). Теории Эйнштейна имеют дело с природой пространства и времени и силой притяжения. Квантовая механика занимается всем остальным, и можно сказать, что, как бы она ни взывала к чувствам, сбивала с толку или завораживала, это всего лишь физическая теория, описывающая то, как природа ведет себя в действительности. Но даже если мерить ее по этому весьма прагматичному критерию, она поражает своей точностью и объяснительной силой. Есть один эксперимент из области квантовой электродинамики, старейшей и лучше всего осмысленной из современных квантовых теорий. В нем измеряется, как электрон ведет себя вблизи магнита. Физики-теоретики много лет упорно работали с ручкой и бумагой, а позже с компьютерами, чтобы предсказать, что именно покажут такие исследования. Практики придумывали и ставили эксперименты, чтобы выведать побольше подробностей у природы. Оба лагеря независимо друг от друга выдавали результаты с точностью, подобной измерению расстояния между Манчестером и Нью-Йорком с погрешностью в несколько сантиметров. Примечательно, что цифры, получавшиеся у экспериментаторов, полностью соответствовали результатам вычислений теоретиков; измерения и вычисления полностью согласовывались.
Это не только впечатляюще, но и удивительно, и, если бы построение моделей было единственной заботой квантовой теории, вы могли бы с полным правом спросить, в чем же вообще проблема. Наука, разумеется, не обязана быть полезной, но многие технологические и общественные изменения, совершившие революцию в нашей жизни, вышли из фундаментальных исследований, проводимых современными учеными, которые руководствуются лишь желанием лучше понять окружающий мир. Благодаря этим, вызванным только любопытством, открытиям во всех отраслях науки мы имеем увеличенную продолжительность жизни, международные авиаперевозки, свободу от необходимости заниматься сельским хозяйством ради собственного выживания, а также широкую, вдохновляющую и открывающую глаза картину нашего места в бесконечном звездном море. Но все это в каком-то смысле побочные результаты. Мы исследуем из любопытства, а не потому, что хотим добиться лучшего понимания реальности или разработать более эффективные безделушки.
Квантовая теория – возможно, наилучший пример, как бесконечно сложное для понимания большинства людей становится крайне полезным. Она сложна для понимания, поскольку описывает мир, в котором частица может реально находиться в нескольких местах одновременно и перемещается из одного места в другое, исследуя тем самым всю Вселенную. Она полезна, потому что понимание поведения малейших кирпичиков мироздания укрепляет понимание всего остального. Она кладет предел нашему высокомерию, потому что мир намного сложнее и разнообразнее, чем казалось. Несмотря на всю эту сложность, мы обнаружили, что все состоит из множества мельчайших частиц, которые двигаются в соответствии с законами квантовой теории. Законы эти настолько просты, что их можно записать на обратной стороне конверта. А то, что для объяснения глубинной природы вещей не требуется целая библиотека, уже само по себе одна из величайших тайн мира.
Итак, чем больше мы узнаём об элементарной природе мироздания, тем проще оно нам кажется. Постепенно мы придем к пониманию всех законов и того, как эти маленькие кирпичики взаимодействуют, формируя мир. Но как бы мы ни увлекались простотой, лежащей в основе Вселенной, нужно обязательно помнить: хотя основные правила игры просты, их последствия не всегда легко вычислить. Наш повседневный опыт познания мира определяется отношениями многих миллиардов атомов, и пытаться вывести принципы поведения людей, животных и растений из нюансов поведения этих атомов было бы просто глупо. Признав это, мы не принижаем его важности: за всеми явлениями в итоге скрывается квантовая физика микроскопических частиц.
www.rulit.me
5 научных теорий строения Вселенной, которые кажутся безумием — Look At Me
Люди всегда пытались понять, что такое Вселенная и как она устроена, но точного ответа нет до сих пор. В надежде услышать правдоподобную догадку мы обращаемся к фантастам, но часто те лишь пересказывают на разный лад концепции мультивселенной и параллельных миров. Тем временем учёные проверяют теории, которые поначалу кажутся полным безумием.
Вселенная — голограмма
Мы привыкли воспринимать мир в трёх измерениях. Однако учёные из Национальной лаборатории имени Энрико Ферми при министерстве энергетики США предположили, что Вселенная — это голограмма, то есть только кажется объёмной, а на самом деле она плоская. Согласно их гипотезе, пространство-время можно представить в виде мельчайших блоков подобно картинке с экрана, состоящей из пикселей. Каждый из этих блоков настолько крохотный, что ещё меньшие длины попросту не имеют физического смысла.
Директор лаборатории Крэйг Хоган и его коллеги пытаются доказать, что пространство-время — квантовая система, как материя и энергия, и образована волнами. Для этого они собрали установку под названием голометр. Голометр испускает два мощных лазерных луча, которые то сходятся, то расходятся. Если их яркость будет колебаться, то это подтвердит, что колеблется и пространство-время, а значит, оно обладает свойствами двухмерной волны. Эксперимент начался минувшим летом и продлится примерно год. Как это отразится на человечестве, трудно сказать. Однако если догадка физиков из Фермилаба верна, то объём информации во Вселенной конечен, следовательно, у всего, что мы можем измерить, помыслить и сделать, есть предел.
Квантовая пенакак ткань Вселенной
Пространство-время кажется непрерывным и гладким, но, вполне вероятно, на микроуровне оно устроено совсем иначе. В 1955 году физик Джон Уилер предложил концепцию квантовой пены. Эта концепция держится на предположении, что наряду с обычными частицами существуют виртуальные частицы, которые образуются из энергии и аннигилируют в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга. Эти процессы порождают квантовые флуктуации, отчего пространство-время искривляется в масштабе планковских величин.
Концепция квантовой пены рисует поразительные картины: например, мельчайшие чёрные дыры и кротовые норы, полученные от взаимодействия виртуальных частиц, — и может пригодиться, чтобы объяснить рождение Вселенной и её строение. Впрочем, доказать или опровергнуть её пока не удалось — некоторые учёные сомневаются, что виртуальные частицы вообще существуют.
Наша Вселенная — результат столкновения трёхмерных миров
Модель, предложенная Полом Стайнхардтом и Нилом Туроком, напоминает теорию Большого взрыва, но исключает сам Большой взрыв. Исследователи соглашаются, что Вселенная расширяется и остывает последние 15 миллиардов лет, но считают, что перед этим не было никакой сингулярности. По их мнению, сначала Вселенная была холодной и почти пустой, а высокие, но конечные температуру и плотность ей придало столкновение двух трёхмерных миров — бран, двигавшихся вдоль ещё одного, скрытого измерения. В разных точках столкновение случилось не единовременно, потому Вселенная неоднородна, — именно так смогли появиться галактики.
Экпиротическая модель основана на положениях теории струн, поэтому предполагает существование других миров. Правда, мы не можем их наблюдать, поскольку частицы и свет туда не проникают. В 2002 году Стайнхардт и Турок расширили свою модель и назвали её циклической. Согласно ей, после столкновения браны разделяются, а потом снова сходятся, — и так до бесконечности.
Пространство-время — сверхтекучая жидкость
Ключевая задача современной физики — устранить противоречия между общей теорией относительности и квантовой механикой. Некоторые исследователи считают, что избавиться от них поможет концепция, согласно которой пространство-время — это сверхтекучая жидкость. Физик Тед Джейкобсон сравнил пространство-время с водой. Отдельные молекулы воды не обладают её свойствами, но тем не менее их задают. Стефано Либерати и Лука Маччоне решили проверить гипотезу на квантах света. Они предположили, что пространство-время ведёт себя как жидкость только в особых случаях, например, с фотонами большой энергии. Такие фотоны должны терять энергию на длинных расстояниях подобно затухающим волнам в других средах.
Либерати и Маччоне следили за излучением от остатка сверхновой в Крабовидной туманности, расположенной в 6,5 тыс. световых лет от Земли. Они не обнаружили отклонений и заключили, что жидкостные эффекты пространства-времени либо чрезвычайно слабы, либо вообще не существуют. Но если бы фотоны действительно потеряли энергию, это означало бы, что скорость света в вакууме непостоянна, а это противоречит общей теории относительности. Либерати и Маччоне не стали отбрасывать концепцию. Впрочем, даже сторонники идеи, что пространство-время — это сверхтекучая жидкость, не очень-то надеются найти подтверждение.
Вселенныев чёрных дырах
Люди, за исключением братьев Ноланов, не знают, что находится внутри чёрных дыр. По мнению Никодема Поплавского, они ведут в другие вселенные. Эйнштейн полагал, что упавшее в чёрную дыру вещество сжимается в сингулярность. Согласно уравнениям Поплавского, на другом конце чёрной дыры расположена белая дыра — объект, из которого материя и свет только исторгаются. Эта пара образует кротовую нору, и всё, попадая туда с одной стороны и выходя с другой, образует новый мир. В начале 1990-х годов физик Ли Смолин предложил похожую и в чём-то более странную гипотезу: он тоже верил во вселенные по ту сторону черной дыры, но думал, что они подчиняются закону наподобие естественного отбора: воспроизводятся и мутируют в ходе эволюции.
Теория Поплавского может прояснить несколько «тёмных» мест в современной физике: например, откуда взялась космологическая сингулярность до Большого взрыва и гамма-всплески на краю нашей Вселенной, или почему Вселенная не сферическая, а, судя по всему, плоская. Критики учёного указывают, что природа первичного мира, из которого произошли все другие вселенные, всё равно остаётся загадкой. Впрочем, даже скептикам не кажется, что гипотеза Поплавского менее правдоподобна, чем догадка Эйнштейна насчёт сингулярности.
изображения via NASA's Marshall Space Flight Center/Flickr, 1ms, Sweetie187/Flickr, Adam Evans/Flickr
www.lookatme.ru
