Теория вероятности эйнштейна: Теория относительности • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания» |

Содержание

Всё равно, что смотреть сквозь стены. Теория относительности для чайников | Наука | Общество

22.09.2019 10:24

Дмитрий Писаренко

Примерное время чтения: 6 минут

9877

Альберт Эйнштейн. РИА Новости

В сентябре 1909 года великий физик впервые представил широкой публике главный труд своей жизни — теорию относительности. Дело было в австрийском Зальцбурге. Спустя 110 лет АиФ.ru рассказывает своим читателям о том, чем же крута теория, о которой все знают, но которую мало кто понимает.

Поверить в это было сложно

Статью, которая стала отправной точкой для разработки теории относительности, Эйнштейн опубликовал ещё в сентябре 1905 года. Правда, тогда она интересовала лишь узкий круг специалистов в области теоретической физики.

Работа называлась «К электродинамике движущихся тел». В ней молодой физик сформулировал постулаты специальной теории относительности, а через 10 лет последовала общая теория, в которой он пересмотрел представления о пространстве и времени (по сути, перевернул их) и предложил новую теорию гравитации взамен ньютоновской. Его идеи практически полностью объясняли пробелы и нестыковки, существовавшие в физике XIX века, но в те годы они были всего лишь гипотезой: требовались эксперименты и исследования, которые бы её подтвердили или опровергли. Неудивительно, что поначалу многие учёные не приняли доводы Эйнштейна — им просто было сложно в них поверить.

В математическом плане работа 1905 года была проста, чем отличалась от работ предшественников Эйнштейна — Пуанкаре и Лоренца. Она сводилась к двум постулатам (или принципам). Первый — принцип относительности, носящий имя самого Эйнштейна. Второй — принцип постоянства скорости света. Первый лаконично можно сформулировать так: законы природы одинаковы во всех системах координат, которые движутся прямолинейно и равномерно относительно друг друга. Второй: луч света в вакууме движется с одинаковой скоростью, независимо от того, испускается он покоящимся или движущимся объектом.

А теперь попробуем объяснить на понятных примерах.

Как стать в три раза худее

Представьте, что у вас есть космический корабль, на носу которого установлена пушка, стреляющая частицами света — фотонами. Вы садитесь в корабль и летите на огромной скорости мимо планеты, на которой, пристально вглядываясь в небо, стоит ваш приятель. Вы заряжаете световую пушку и начинаете стрелять — фотоны улетают от вас со скоростью 300 тыс. км/с. А с какой скоростью они будут лететь мимо вашего приятеля? По логике, со скоростью света, к которой приплюсована скорость космического корабля. То есть быстрее скорости света! Так вот, Эйнштейн предположил (и впоследствии это подтвердилось), что скорость света всегда остаётся неизменной. И ваш приятель, вооружившись секундомером, увидит, что относительно него фотоны пролетают за секунду всё те же 300 тыс. км, будто бы ваш корабль стоит на месте, а не несётся в космическом пространстве.
Это кажется парадоксальным, но это так. И из данного постулата следуют всякие удивительные выводы. Например, что, двигаясь на высоких скоростях, объекты сокращаются в размерах (человек, летящий со скоростью 280 тыс. км/с, станет раза в три худее). Или что в межзвёздном космическом путешествии время для астронавта будет идти медленнее, и он вернётся из него более молодым, чем его брат-близнец, оставшийся на Земле. И даже то, что для разных наблюдателей — подвижного и неподвижного — одни те же события могут происходить в разные моменты времени.

В последующие годы Альберт Эйнштейн совершенствовал собственную теорию, обобщив её для гравитационных полей (потому она и стала называться общей). Он отказался от мысли Ньютона, который считал, что всё пространство заполнено гравитационным полем, определяющим движение небесных тел, и предложил иной подход: гравитация — не физическое явление, а геометрическое. Между полем тяготения и геометрией пространства-времени существует неразрывная связь: чем массивней астрономический объект, тем сильнее его гравитация искривляет пространство и замедляет время.

Вот ещё одна простая аналогия. Если вы положите на заправленную кровать шар для боулинга, он продавит ровную поверхность покрывала, искривив её. Катнув затем шар поменьше (скажем, бильярдный), вы заметите, что он отклоняется от прямой траектории под воздействием изгибов. Можно ли говорить, что его притягивает более массивный шар? Конечно, нет. Причина в том, что сама поверхность, по которой он катится, стала кривой. Точно так же, согласно мысли Эйнштейна, Земля не притягивается Солнцем, а движется в его сторону в искривлённом трёхмерном пространстве.

Где находится лифт?

Другой принцип, использованный в знаменитой теории, получил название «принцип эквивалентности». Он говорит нам о том, что ускорение и гравитация по сути одно и то же. И чтобы понять его, вам придётся войти в гипотетический лифт, о котором вы ничего не знаете. Точнее, не знаете, что находится снаружи, за его стенами.

Допустим, вы оказались в лифте в состоянии невесомости. Что это значит? Одно из двух: либо лифт падает под действием гравитации Земли, либо он… находится в космосе. Чтобы выяснить правду, вам придётся выглянуть из кабины.

Можно представить и обратное: вы стоите в лифте, на вас действует сила тяжести. Но вам неясно: то ли лифт неподвижно висит в шахте многоэтажного дома где-то на Земле, то ли он движется с ускорением в космическом пространстве. Обе эти ситуации вы воспримете одинаково, не в силах отличить ускорение от гравитации. Эйнштейн пришёл к выводу, что тела под воздействием гравитации не ускоряются, а движутся равномерно, только в искривлённом пространстве массивных объектов — планет, звёзд и пр.

Лицо прогресса: Альберт Эйнштейн без гримас

В детстве Эйнштейн учился в католической школе и до 12 лет оставался глубоко религиозным ребёнком, а затем неожиданно увлёкся научно-популярной литературой. В 21 год Эйнштейн закончил Политехникум, получив диплом преподавателя математики и физики. На фото: Альберт Эйнштейн в 14 лет.
© Commons.wikimedia.org / Randolph College

В 1905 году были опубликованы три выдающиеся статьи Альберта Эйнштейна, в одной из которых впервые была описана Специальная теория относительности – наивысшее достижение учёного.
© Commons.wikimedia.org / Lucien Chavan

В то же время Эйнштейн впервые женился – в 1905 году его супругой стала Милева Марич, она была единственной девушкой, учившейся с Эйнштейном на одном курсе.
© Commons.wikimedia.org / Rev. Superinteressante

В 10-20-х годах XX века Альберт Эйнштейн благодаря специальной и общей теориям относительности стал самым популярным учёным своего времени. Он много путешествовал по Европе, читал лекции для учёных, студентов и любой другой любознательной публики.
© Commons.wikimedia.org / Ferdinand Schmutzer

Несмотря на то, что идеи Эйнштейна разделяли не все, он пользовался большим уважением среди коллег. Например, Хендрик Лоренц (на фото) не до конца соглашался с Эйнштейном и интерпретировал его теории в контексте собственных, однако именно он в 1920-м выдвинул его на Нобелевскую премию. В 1928 году Эйнштейн находился рядом с Лоренцом, когда тот умер.
© Commons. wikimedia.org

В рамках своих поездок Эйнштейн посещал самые разные страны и побывал в том числе в США, Индии, Китае и Японии. На фото: Эйнштейн со своей женой в 1922 году в Японии.
© Commons.wikimedia.org / Meiji Seihanjo

Эйнштейн не боялся указывать коллегам на их ошибки и зачастую делал это по собственной инициативе без поддержки других. Нильсу Бору (на фото) он заявил, что «Бог не играет в кости», когда критиковал «копенгагенскую интерпретацию» квантовой механики.
© Commons.wikimedia.org / Paul Ehrenfest

Во времена нацистской Германии Альберт Эйнштейн открыто выступал против фашизма и в 1933-м был вынужден навсегда покинуть страну. Он переехал в США, которые выдали учёному сертификат о гражданстве в 1940 году.
© Commons.wikimedia.org / Библиотека Конгресса США

После войны Эйнштейн занимался проблемами космологии и единой теорией поля. Вместе с этим учёный всё чаще играл на скрипке – он никогда не расставался с этим музыкальным инструментом. В литературе Эйнштейн отдавал предпочтение Льву Толстому, Фёдору Достоевскому и Бертольту Брехту. Вместе с этим он увлекался филателией и садоводством.
© Commons.wikimedia.org / E. O. Hoppe

Альберт Эйнштейн скончался 18 апреля 1955 года от аневризмы аорты. По предсмертному распоряжению учёного, место и время захоронения не разглашались. Процедура кремации состоялась на следующий день в присутствии двенадцати самых близких друзей.
© Commons.wikimedia.org / Библиотека Конгресса США

Лицо прогресса: Альберт Эйнштейн без гримас

Впоследствии теория относительности получила множество экспериментальных подтверждений и привела к грандиозным открытиям в астрофизике. Благодаря ей учёные смогли понять, что такое чёрные дыры, Большой взрыв, замедление времени и многое другое. И даже увидеть объекты далёкого космоса, скрытые за другими объектами. Для астрономов это было всё равно, что смотреть сквозь стены.

Альберт Эйнштейнтеория относительностифизика

Следующий материал

Также вам может быть интересно

Страшилки обитаемого космоса
Вы боитесь астероидов? Но Землю в одну секунду погубит всплеск гамма-излучения
Почему 4 января нельзя будет висеть в воздухе 3 секунды? Отвечает физик
Круглая загадка. Почему чёрные дыры будоражат умы людей?
«И все-таки она плоская». Противники шарообразной Земли поднимают восстание

Новости СМИ2

Без Эйнштейна мы разбирались бы с гравитацией ещё десятки лет / Хабр

В 1905 году Альберт Эйнштейн перевернул мир теоретической физики с ног на голову, опубликовав работу по дисциплине, которую впоследствии назовут специальной теорией относительности. Она показала, что пространство и время нельзя рассматривать, как абсолютные сущности: время может ускоряться или замедляться, стандартные длины могут сокращаться, массы – увеличиваться.

И, самый знаменитый результат, эквивалентность массы энергии, и их пропорция выражается через уравнение E = mc².

Никто не сомневается в гении Эйнштейна, сформулировавшего ОТО, но принято считать, что если бы он не опубликовал свою теорию в 1905 году, какой-нибудь другой физик вскоре сделал бы это вместо него.

«Крест Эйнштейна» – четыре изображения одного удалённого квазара, полученные из-за того, что свет от него изгибается вокруг галактики, расположенной ближе к нам, работающей как гравитационная линза.

Лишь в 1915 году Эйнштейн продемонстрировал свой гений, опубликовав свою общую теорию относительности. Она утверждала, что кривизна пространства-времени пропорциональна, а также происходит вследствие «плотности энергии-импульса», то есть, энергии и импульсу, связанным с любой материей в единице объёма пространства.

Это утверждение было подтверждено, когда оно совпало с наблюдениями необычной орбиты Меркурия и с изгибающимся вокруг Солнца светом звёзд.

За последние сто лет ОТО была проверена с потрясающей точностью и каждый раз выдерживала проверку. ОТО стала таким гигантским скачком вперёд, что можно сказать – если бы Эйнштейн её не сформулировал, она могла оставаться неоткрытой ещё долго.

Путь к общей теории относительности

В 1907 году к Эйнштейну пришла «счастливейшая мысль всей жизни», когда он сидел на стуле в патентном офисе в Берне:

Если человек свободно падает, он не ощущает свой вес.

Она привела его к формулировке «принципа эквивалентности», гласящего, что нельзя различить ускоряющуюся систему отсчёта и гравитационное поле. К примеру, если вы стоите на Земле, это будет ощущаться точно так же, как если бы вы стояли в космическом корабле, двигающемся с ускорением в 9,81 м/c² — с ускорением свободного падения на Земле.

Это был первый важнейший шаг к формулировке новой теории гравитации.

Эйнштейн верил, что «вся физика – это геометрия». Он имел в виду, что про пространство-время и Вселенную можно мыслить геометрическими терминами. Самое удивительное заключение ОТО, динамическая природа времени и пространства, по-видимому, привела Эйнштейна к необходимости переосмысления «геометрического» пространства-времени.

Эйнштейн провёл серию аккуратных мысленных экспериментов по сравнению наблюдений, сделанных наблюдателями в инерциальных и вращающихся системах отсчёта.

Он установил, что для наблюдателя во вращающейся системе отсчёта пространство-время не может быть Евклидовым, то есть таким, как та плоская геометрия, что мы все изучаем в школах. Нам необходимо ввести в рассуждения «искривлённое пространство», чтобы учесть аномалии, предсказанные относительностью. Кривизна становится вторым важнейшим предположением, поддерживающим его ОТО.

Для описания искривлённого пространства Эйнштейн обратился к более ранней работе Бернарда Римана, математика XIX века. С помощью своего друга Марселя Гроссмана, тоже математика, Эйнштейн несколько утомительных лет изучал математику искривлённых пространств – то, что математики называют «дифференциальной геометрией». Эйнштейн отмечал, что «по сравнению с пониманием гравитации, специальная теория относительности казалась детской игрушкой».

Теперь у Эйнштейна был математический аппарат для доведения теории до завершения. Принцип эквивалентности утверждал, что ускоряющаяся система отсчёта эквивалентна гравитационному полю. В результате занятий геометрией он считал, что гравитационное поле было простым проявлением искривлённого пространства-времени. Поэтому он мог показать, что ускоряющиеся системы отсчёта были неевклидовыми пространствами.

Развитие

Третьим важнейшим шагом стало устранение сложностей при применении ОТО к ньютоновской гравитации. В специальной теории относительности постоянство скорости света во всех системах отсчёта и утверждение, что скорость света – максимально достижимая скорость, противоречили ньютоновской теории гравитации, постулировавшей мгновенность действия гравитации.

Проще говоря, ньютоновская гравитация говорила о том, что если убрать Солнце из центра Солнечной системы, гравитационный эффект этого события мгновенно ощутится на Земле. Но СТО говорит, что даже эффект исчезновения Солнца будет перемещаться со скоростью света.

Эйнштейн также знал, что гравитационное притяжение двух тел прямо пропорционально их массам, что следовало из ньютоновского F = G*M*m/r². Поэтому масса явно определяла силу гравитационного поля. СТО говорит, что масса эквивалентна энергии, поэтому плотность энергии-импульса тоже должна определять силу гравитации.

В результате, тремя ключевыми предположениями, использованными Эйнштейном для формулировки его теории, были:

1. Во вращающихся (неинерциальных) системах отсчёта пространство искривлено (неевклидово).

2. Принцип эквивалентности говорит, что ускоряющиеся системы отсчёта эквивалентны гравитационным полям.

3. Из СТО следует эквивалентность массы и энергии, а из ньютоновой физики следует, что масса пропорциональна силе гравитации.

Эйнштейн сумел заключить, что плотность энергии-импульса создаёт, и пропорциональна, кривизне пространства-времени.

Неизвестно, когда у него случилось «озарение», когда он смог сложить эту головоломку и связать массу/энергию с кривизной пространства.

С 1913 по 1915 года Эйнштейн публиковал несколько работ, одновременно работая над завершением ОТО. В некоторых работах встречались ошибки, из-за чего Эйнштейн тратил время на ненужные отвлечения в теоретических рассуждениях.

Но итоговый результат, что плотность энергии-импульса искривляет пространство время, как шар для боулинга – натянутый лист резины, и что движение массы в гравитационном поле зависит от кривизны пространства-времени – это, без сомнения, величайшие догадки, сделанные интеллектом человека.

Фора

Как долго мы разбирались бы в гравитации, не будь с нами гения Эйнштейна? Возможно, что нам пришлось ждать бы этого много десятилетий. Но в 1979 году загадка наверняка бы вышла наружу. В том году астрономы обнаружили «квазары-близнецы», QSO 0957+561, первый квазар, на котором наблюдалось гравитационное линзирование.

Это удивительное открытие можно объяснить только кривизной пространства-времени. За него наверняка дали бы Нобелевскую премию, если бы не гений Эйнштейна. А может, её всё-таки стоит выдать.

Квантовая Вселенная: фундаментально вероятностная, а не детерминированная

Дэн Хупер, доктор философии, Чикагский университет

Альберт Эйнштейн скептически относился к новой интерпретации квантовой теории, появившейся в 1920-х годах. В декабре 1926 года Эйнштейн написал письмо немецкому физику и математику Максу Борну, в котором выразил свой скептицизм. Борн предложил радикально новый способ мышления о волнах материи в квантовой механике, ставший де-факто стандартом для физиков того времени.

Эйнштейн придерживался точки зрения, согласно которой Вселенная подобна большим и сложным часам, просто тикающим вперед сложным, но совершенно предсказуемым образом. (Изображение: Мортен Норманн Алмеланд/Shutterstock)

«Бог не играет в кости со Вселенной»

В своем письме Борну Эйнштейн сделал одно из своих самых известных и часто цитируемых замечаний. Давайте взглянем на ключевую мысль, которую Эйнштейн надеялся передать в этом письме: «Квантовая механика очень впечатляет. Но внутренний голос говорит мне, что это еще не настоящее. Теория говорит о многом, но на самом деле не приближает нас к тайне старого. Я, во всяком случае, убежден, что Он не играет в кости». Эйнштейн выражал подобные чувства во многих случаях на протяжении всей своей жизни. По-разному Эйнштейн любил настаивать на том, что «Бог не играет в кости со вселенной».

Что именно имел в виду Эйнштейн, говоря это? Чтобы понять природу возражения Эйнштейна, важно оценить роль детерминизма в классической физике. Согласно уравнениям классической физики, в принципе, все будущие события можно рассчитать и предсказать с идеальной точностью.

Если бы можно было знать точное местоположение и скорость каждого атома и любой другой частицы во Вселенной, и если бы был доступ к бесконечно мощному компьютеру, то уравнения классической физики можно было бы использовать для расчета всего, что нужно. когда-нибудь случится в будущем. Также можно было бы выполнить эти уравнения в обратном порядке, чтобы вычислить все, что когда-либо происходило в прошлом. По сути, в классической физике будущее строго определяется настоящим. Вселенная подобна большим и сложным часам, которые просто тикают сложным, но совершенно предсказуемым образом. Эйнштейн разделял это видение Вселенной.

Согласно классической физике, случай или вероятность не играют никакой роли. Бог классической физики не играет в кости. Борновская интерпретация квантовой механики представила другой образ. В ней Вселенная была не такой предсказуемой, как в классической физике.

Узнайте больше об отрицании Эйнштейном черных дыр.

Квантовые объекты находятся одновременно во всех местах

Согласно Борну и его взглядам на квантовую механику, электрон (или любой другой квантовый объект) растянут по объему пространства, охватываемому волновой функцией. Когда мы измеряем местоположение электрона, оно всегда точечно, без какой-либо пространственной протяженности.

Однако до измерения электрон одновременно находится во всех местах, охватываемых его волновой функцией. Он эффектно есть во многих местах, и все одновременно. В этом смысле электроны и другие квантовые объекты имеют своего рода вероятностное существование, находясь во всех возможных местах и совершая все возможные действия в любое время.

Это также можно описать в терминах принципа неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу, чем точнее определено положение квантового объекта, тем менее определена его скорость, и наоборот. Итак, квантовая механика говорит, что объект не может находиться только в одном месте и двигаться только с одной скоростью.

Представьте себе электрон. Он описывается волновой функцией с резким пиком в двух местах, которые мы назовем местами А и В. Теперь давайте предположим, что форма волновой функции покрывает места А и В в равной степени и в одинаковой степени. В этом случае, если провести эксперимент по измерению местоположения электрона, то с вероятностью 50 % он будет найден в точке A и с вероятностью 50 % — в точке B.

Монета в воздухе после того, как его бросили. Есть 50% шанс, что он приземлится орлом, и 50% шанс, что он приземлится решкой. (Изображение: В. Скотт Макгилл/Shutterstock)

Этот пример может показаться идентичным подбрасыванию монеты, в котором представлены два равновероятных исхода. Однако такое сравнение не могло бы принять во внимание кое-что важное, касающееся роли вероятности в квантовой механике.

Когда монету подбрасывают и накрывают, ее можно сравнить с упомянутым выше электроном. Это может быть орел или решка. Принципиальное отличие состоит в том, что в момент покрытия монеты она уже настроена либо на орел, либо на решку, просто мы еще этого не знаем. Принимая во внимание, что электрон в вышеупомянутом эксперименте одновременно присутствует в обоих местах A и B.

Этот эксперимент показывает, что даже если мы знаем все об электроне, даже если мы знаем точную форму волновой функции электрона, все равно существует 50% вероятность того, что он будет найден в точке А, и 50% вероятность того, что его можно было бы найти в точке B. Итак, Вселенная не ведет себя детерминистически.

Узнайте больше о нашем случайном мире и вероятности.

Эйнштейна беспокоил реальный индетерминизм

Квантовая вселенная в основе своей вероятностна, в отличие от детерминированной вселенной, описанной в классической физике. Эйнштейн считал, что Вселенная и ее законы должны быть строго детерминистскими. Он чувствовал, что в основе природы не может быть никакой роли для вероятности или случайности. Вот почему Эйнштейн не принял или не согласился с теорией квантовой механики.

Однако следует отметить, что Эйнштейна вполне устраивала роль случайности и вероятности в физике. Практический индетерминизм, такой как подбрасываемая монета, его совершенно не беспокоил. Он прекрасно понимал, что нет никакого практического способа предсказать, как упадет монета. Он также знал, что даже очень незначительное изменение в том, как большой палец ударяет по монете, или микроскопическое изменение формы монеты, или небольшое изменение в распределении окружающих молекул воздуха могут изменить результат любого подбрасывания монеты. .

Что беспокоило Эйнштейна, так это перспектива реального индетерминизма, встроенного глубоко в основные законы физики. Такой вид индетерминизма сделал бы невозможным даже для всезнающего существа точно предсказать исход любого события. Именно такой вид индетерминизма, казалось, присутствовал в новой теории квантовой механики.

Эйнштейн придерживался мнения, что Вселенная по своей природе детерминистична и что детерминизм встроен в ткань самой природы. Это помешало ему согласиться с консенсусом, строящимся вокруг вероятностной природы Вселенной. В течение следующих нескольких лет Эйнштейн предпринял несколько попыток найти недостатки в этой теории квантовой механики.

Общие вопросы о квантовой вселенной, детерминизме и вероятности

В: Кто создал детерминизм?

Философская вера в детерминизм была впервые развита досократическими греческими философами, такими как Гераклит и Левкипп, между 7 и 8 веками до н. э. В последующие годы Аристотель опирался на нее, но именно стоики внесли наиболее значительный вклад, а также популяризировали эту философию.

В: Что такое концепция детерминизма?

Философия детерминизма утверждает, что все события во Вселенной определяются ранее существовавшими причинами, включая моральный выбор. Это означает, что между всеми событиями во вселенной существует причинно-следственная связь. Это также означает, что свободы воли человека на самом деле не существует.

В: Каковы последствия принципа неопределенности Гейзенберга?

Одним из ключевых следствий принципа неопределенности Гейзенберга является то, что он подчеркивает вероятностную природу Вселенной. Согласно этому принципу, чем точнее определено положение квантового объекта, тем менее определена его скорость, и наоборот. Итак, квантовые объекты, по сути, имеют своего рода вероятностное существование.

В: Что такое волновая функция и ее значение?

Волновая функция (Ѱ) описывает вероятность присутствия частицы в определенном месте в данное время. Ее также называют амплитудой вероятности. Квантовые объекты присутствуют во всех возможных местах, описываемых волновой функцией, во все возможные моменты времени.

Подробнее

Как Эйнштейн решил общую теорию относительности
Коллапс звезды и черные дыры: изучение связи
Большие вопросы: что такое реальность?

От вероятности к квантовой теории

Стивен Гимбел, доктор философии, Геттисбергский колледж

В 20 веке теория хаоса развилась из математических
структуры, которые, по мнению ученых, давали представление об элегантной вселенной.
Но эти математические структуры на самом деле раскрывали гораздо более сложную и хаотичную картину.
вселенная.

Творческое воссоздание квантовых сил в действии. (Изображение: Юрик Питер/Shutterstock)

Игра в кости и теория вероятностей

Кости играют важную роль в нашем понимании вероятности и ее связи со Вселенной. В 1654 году французский дворянин шевалье де Мере кое-что заметил во время игры. Он играл в игру, в которой пару игральных костей бросали 24 раза, и игроки делали ставки на то, выпадут ли двойные шестерки или нет. Шевалье понял, что выигрывал чаще, когда делал ставки против, но лишь немногим чаще, чем когда ставил на.

Это стенограмма из серии видео Новое определение реальности: интеллектуальные аспекты современной науки . Смотри сейчас, Вондриум .

Он хотел узнать, прав ли он, и связался со знаменитым французским философом и математиком Блезом Паскалем. Паскаль, в свою очередь, связался со своим другом и коллегой, великим математиком Пьером де Ферма, и спросил его. В ответ Ферма создал математическую теорию вероятностей, которая помогла доказать, что Шевалье действительно был прав.

Узнайте больше о численном способе принятия решений .

Лаплас и теория вероятности в науке

Пьер-Симон Лаплас был французским математиком и философом, написавшим две книги о вероятности. (Изображение: Джеймс Посселвайт/Общественное достояние)

Полтора века спустя, Пьер-Симон Лаплас, один
величайших гениев 19 века, заинтересовался расширением
Понятие вероятности Ферма за пределами азартных игр, чтобы показать, как оно работает
в науке. Итак, среди всех других своих великих достижений в физике он написал
пара книг на эту тему.

Первой книгой Лапласа была Аналитическая теория вероятностей . Два года спустя Лаплас написал еще одну книгу под названием Философский очерк вероятностей . В нем Лаплас утверждал, что использование вероятностей в науке является результатом нашего собственного недостатка знаний, а не результатом случайного мира. Во второй книге Лаплас представляет себе «интеллект», для которого «ничего не было бы неопределенным, и будущее, как и прошлое, было бы перед его глазами». Этот интеллект обладал особыми способностями.

Демон Лапласа и истинная цель науки

Этот интеллект называют «демоном Лапласа». Предполагалось, что этот демон способен запоминать бесконечное количество фактов и вычислять с бесконечной скоростью. Теперь дайте этому сверхмозглому демону две вещи: во-первых, истинные законы природы, а во-вторых, полную информацию обо всех массах и энергии во Вселенной в любой момент.

Тогда демон мог с абсолютной уверенностью предсказать состояние Вселенной в любой момент в будущем или в прошлом. Лаплас утверждал, что Вселенная будет полностью прозрачна для этого мега-разума. Демон Лапласа — это окончательное утверждение проекта Просвещения, воплощенное в Науке.

Истинная цель науки, согласно этой мысли, подхваченной Лапласом, а позже Эйнштейном и многими другими, состоит в том, чтобы разработать единую теорию, способную предсказывать и объяснять каждое событие, каждое происшествие повсюду. Но это делает четыре основных предположения о науке и Вселенной, которую она пытается описать.

Четыре основных предположения о Вселенной

Первое предположение состоит в том, что Вселенная детерминирована. Это означает, что состояние Вселенной в любой момент времени полностью определяется состоянием Вселенной непосредственно перед этим. Если Вселенная находится в состоянии A, то она всегда будет переходить в состояние B. Второе связанное с этим предположение заключается в том, что правила имеют решения в устойчивом состоянии. Это означает, что развитие состояний с течением времени является правильным и следует простой схеме.

Третье допущение касается устойчивости этих стационарных решений: небольшая разница в начальном состоянии дает лишь небольшую разницу в следующем состоянии.

Четвертое — предсказуемость. Идея в том, что если мы знаем
правила и данные, мы можем предсказать, что произойдет.

Это означало бы, что будущее определяется не только
прошлым, но определенным образом простым, элегантным и чистым. Ученые
использовать уравнения для описания поведения физических систем, потому что математические
предполагается, что язык, язык паттернов применим к поведению
Мир.

Однако по мере развития квантовой теории в наше время стала очевидной присущая Вселенной случайность.

Узнайте больше о случайности и ее количественной оценке через вероятность .

Игра в кости со Вселенной

Эрвин Шредингер получил Нобелевскую премию по физике за разработку уравнения Шредингера, описывающего волновую функцию. (Изображение: Нобелевский фонд/общественное достояние)

Эта непредсказуемость проявляется во многих квантовых
решения. Например, уравнение Шредингера для физической системы представляет собой волну
функция; математическая комбинация всех возможных состояний, в которых может находиться система.
занимать.

Но интересно то, что мы никогда не сможем увидеть все состояния вместе. В тот момент, когда наблюдатель смотрит на него, наблюдается только одно из многих возможных состояний. Это означает, что мы бессильны предсказать, какое состояние мы увидим или наблюдаем, независимо от того, как много мы знаем о его прошлом состоянии.

Именно эта неспособность определить будущее по прошлому на основе законченной научной теории расстроила Эйнштейна. Это привело его к известному заявлению: «Бог не играет в кости со вселенной». Эйнштейн не мог принять случайную вселенную; он хотел, чтобы это было детерминированным и предсказуемым.

Общие вопросы о теории вероятностей и квантовой теории

В. Как была создана теория вероятностей?

В 1654 году шевалье де Мере заметил, что он, кажется, чаще выигрывал в одном типе игры, когда делал ставки против шансов. Он связался с Блезом Паскалем, математиком. — спросил Паскаль у великого математика Пьера де Ферма. Ферма, отвечая Шевалье, создал математическую теорию вероятностей.

В. Что такое Демон Лапласа?

Демон Лапласа — это имя, данное интеллекту, придуманному Лапласом. Это интеллект, способный запоминать бесконечное количество фактов и производить вычисления с бесконечной скоростью.