Конкуренция между гравитацией и квантовой физикой принимает новый виток
Это была самая большая из проблем, это была самая маленькая из проблем.
Сегодня у физиков есть два набора правил, объясняющих, как устроена природа.
Существует общая теория относительности, которая прекрасно описывает гравитацию и все, чем она управляет: движение планет по орбитам, сталкивающиеся галактики, динамику расширяющейся Вселенной.
Это большой масштаб.
И есть квантовая механика, которая имеет дело с тремя другими силами — электромагнетизмом и двумя ядерными силами.
Квантовая теория прекрасно объясняет, что происходит во время распада атома урана или когда отдельные частицы света и солнечный элемент сталкиваются.
Это небольшой масштаб.
Теперь возникает проблема: теория относительности и квантовая механика — это фундаментально разные теории, сформулированные по-разному.
И это не вопрос научной терминологии, это столкновение действительно несовместимых описаний действительности.
Конфликт между двумя половинами физики назревал уже более ста лет — он начался с пары работ Эйнштейна в 1905 году, в одной из которых описывалась теория относительности, а другая ввела понятие кванта, — но недавно он вступил в силу.
очень интересный и непредсказуемый этап.
Два выдающихся физика заняли крайние позиции, каждый в своем лагере, и проводят эксперименты, которые раз и навсегда определят превосходство одного подхода.
Разницу между теорией относительности и квантовыми системами можно рассматривать как разницу между «гладкой» и «зернистой».
В общей теории относительности события непрерывны и детерминированы, то есть каждое действие вызывает определенный локальный эффект. В квантовой механике события, происходящие в результате взаимодействия субатомных частиц, происходят скачками (да, квантовыми скачками) с вероятностными, а не детерминистическими результатами.
Квантовые правила позволяют нам устанавливать связи, запрещенные классической физикой.
Недавно это было продемонстрировано в широко обсуждаемом эксперименте, в котором голландские исследователи поставили под сомнение эффект локальности.
Они показали, что две частицы — в их случае электроны — могут мгновенно влиять друг на друга, хотя их разделяло полтора километра.
Если вы попытаетесь интерпретировать гладкие релятивистские законы в зернистом квантовом стиле или наоборот, все пойдет к черту.
ТО дает бессмысленные ответы, если попытаться масштабироваться до квантовых измерений, и сводится к бесконечности при описании гравитации.
И наоборот, квантовая механика сталкивается с серьезными трудностями, когда ее раздувают до космических масштабов.
Квантовые поля несут определенное количество энергии даже в, казалось бы, пустом пространстве, и чем больше поле, тем больше становится энергия.
По Эйнштейну, энергия эквивалентна массе (E = mc 2 ), поэтому накопление энергии — это то же самое, что накопление массы.
Если накопить ее достаточно, то количество энергии в квантовом поле создаст черную дыру, из-за которой коллапсирует вся Вселенная.
Ой.
Крейг Хоган , астрофизик-теоретик Чикагского университета и директор Центра астрофизики элементарных частиц в Фермилаб , переосмысливает квантовый аспект физики с помощью новой теории, в которой квантовые единицы пространства могут быть достаточно большими, чтобы их можно было изучать.
Ли Смолин , основатель Института теоретической физики «Периметр» при Университете Ватерлоо, пытается вернуть физику к ее философским эйнштейновским корням, а затем растянуть эти корни в интересных направлениях.
Чтобы понять, о чем идет речь, давайте посмотрим на предыдущие теории.
Когда Эйнштейн представил миру общую теорию относительности, она не только заменила теорию гравитации Исаака Ньютона, но и положила начало новому взгляду на физику, что привело к современным концепциям Большого взрыва и черных дыр, не говоря уже об атомных бомбах и атомных бомбах.
корректировки времени, необходимые для работы GPS на вашем телефоне.
Точно так же квантовая механика не просто переформулировала уравнения Максвелла, описывающие электричество, магнетизм и свет. Он предоставил инструменты, необходимые для создания Большого адронного коллайдера, солнечных батарей и всей современной микроэлектроники.
В результате этих споров произойдет ни много ни мало третья революция в современной физике, которая приведет к ошеломляющим последствиям.
Мы можем узнать, откуда берутся законы природы, и построен ли космос на основе неопределенности, или же он основан на детерминизме, когда с каждым событием связана определенная причина.
Крейг Хоган
Зернистое пространство
Хоган, лидер квантового взгляда на мир, предпочитает вместо блуждания в темноте действовать по анекдоту, и искать там, где есть свет – где свет ярче, и где выше вероятность увидеть что-то интересное.Это руководящий принцип в его нынешних исследованиях.
По его словам, столкновение реальности и квантовой механики происходит, когда пытаешься понять, что делает гравитация на чрезвычайно малых расстояниях, — поэтому он решил поближе взглянуть на то, что там происходит. «Я уверен, что можно провести эксперимент, который позволит нам увидеть, что происходит, как работает этот интерфейс, который мы пока не понимаем», — говорит он.
Простейшее предположение в эйнштейновской физике — и следы его происхождения восходят к Аристотелю — состоит в том, что пространство непрерывно и бесконечно делимо, и любое расстояние можно разделить на еще меньшие расстояния.
Но Хоган ставит под сомнение обоснованность такого подхода.
Как у вашего экрана есть наименьшая единица — пиксель, а у света — наименьшая единица — фотон, так и расстояние, по его мнению, должно иметь неделимую наименьшую единицу — квант пространства.
По мнению Хогана, было бы бессмысленно спрашивать, как ведет себя гравитация на расстояниях меньше единицы пространства.
В таких масштабах гравитация работать не сможет, поскольку таких весов не существует. Другими словами, общей теории относительности придется помириться с квантовой физикой, поскольку пространство, в котором измеряются эффекты теории относительности, будет разделено на неделимые кванты.
Театр реальности, где играет гравитация, разыграется на квантовой сцене.
Хоган признает, что эта концепция звучит довольно странно даже для тех его коллег, которые защищают квантовую интерпретацию.
С конца 1960-х годов группа физиков и математиков разрабатывала платформу под названием «теория струн», призванную согласовать общую теорию относительности с квантовой механикой.
С годами она превратилась в общепринятую теорию, хотя и не смогла выполнить свои первоначальные обещания.
Как и в случае с гранулярным пространством, теория струн предполагает, что пространство имеет фундаментальную структуру, но затем эти две теории расходятся.
Теория струн утверждает, что каждый объект во Вселенной состоит из вибрирующих энергетических струн.
Как и зернистое пространство, теория струн избегает гравитационной катастрофы, вводя конечную минимальную единицу пространства, хотя размер этих струн намного меньше, чем пространственные структуры, которые искал Хоган.
Гранулярное пространство не соответствует идеям теории струн или любой другой предложенной физической модели.
«Это новая идея, ее нет в учебниках, она не следует из какой-либо стандартной теории», — беспечно говорит Хоган.
— Но стандартной теории не существует, не так ли? Если он прав, многие формулировки теории струн устареют, а его теория вдохновит на новый подход к переписыванию общей теории относительности в квантовых терминах.
Появятся новые способы понимания внутренней природы пространства и времени.
И, что самое удивительное, теория поддержит модную идею о том, что наша трехмерная реальность состоит из более простых двухмерных единиц.
Хоган серьезно относится к метафоре «пикселей» — точно так же, как изображение на телевидении может создать иллюзию глубины за счет плоских пикселей, так, по его словам, пространство может возникнуть из набора элементов, которые ведут себя так, как если бы они находились в двухмерном пространстве.
.
Как и многие идеи, касающиеся дальних границ современной теоретической физики, аргументы Хогана могут звучать как ночные философские беседы среди первокурсников.
Они отличаются тем, что физик планирует проверить их в эксперименте.
Прямо сейчас.
С 2007 года Хоган думал о том, как создать устройство, которое могло бы измерять чрезвычайно мелкие частицы пространства.
У его коллег было много идей на этот счет, основанных на технологии, разработанной для поиска гравитационных волн.
В течение двух лет Хоган разработал предложение и работал с коллегами из Фермилаб, Чикагского университета и других учреждений над созданием зерноискательной машины, которую он назвал « голометр ".
Это эзотерический каламбур, отсылающий как к измерительному прибору 17-го века, так и к теории о том, что двумерное пространство может казаться трехмерным, напоминающим сохранение изображения в голограмме.
Под слоями концептуальной сложности в голометре скрывается такое технологически простое устройство, как лазер, полупрозрачное зеркало, разделяющее лазерный луч на два перпендикулярных, и еще два зеркала, отражающие лучи обратно в 40-метровый туннель.
Лучи калибруются для фиксации точного местоположения зеркал.
Если пространство зернистое, то положение зеркал будет постоянно меняться (вернее, будет меняться само пространство), что будет создавать постоянные и случайные изменения расстояния между ними.
Как только лучи воссоединятся, они немного рассинхронизируются, и величина несоответствия будет указывать на степень зернистости пространства.
Чтобы получить тот масштаб, который ожидает Хоган, ему необходимо измерять расстояния с точностью до 10. -18 метров, то есть в 100 миллионов раз меньше атома водорода, и собирают данные со скоростью 100 миллионов измерений в секунду.
Удивительно, но такой эксперимент не только теоретически возможен, но и практически осуществим.
«Мы смогли обойтись без серьезных затрат благодаря достижениям фотоника , используя множество готовых компонентов, быструю электронику и тому подобное», — говорит Хоган.
«Это довольно смелый эксперимент, поэтому его бы не стали проводить, если бы он не был недорогим».
Голометр теперь жужжит сам по себе и собирает данные с необходимой точностью.
Предварительные результаты ожидаются к концу года.
Хоган столкнулся с критикой со стороны яростных скептиков, многие из которых принадлежали к сообществу теоретической физики.
Тему дебатов легко понять: успех голометра будет означать провал большого количества работ по теории струн.
Но, несмотря на эти споры, Хоган и большинство его коллег убеждены, что общей теории относительности в конечном итоге придется подчиниться квантовой механике.
Остальные три закона физики [очевидно, имеется в виду фундаментальные взаимодействия – ок.
перев.
] подчиняются квантовым правилам, поэтому вполне логично, что гравитация будет вести себя точно так же.
Для большинства современных теоретиков вера в превосходство квантовой механики простирается еще дальше.
О философском и эпистемологический На уровне они полагают, что крупномасштабная реальность классической физики — это своего рода иллюзия, приближение, возникающее из более «истинных» аспектов квантового мира, действующих в малых масштабах.
И зернистое пространство соответствует такому взгляду на мир.
Хоган сравнивает свой проект со знаменательным экспериментом Майкельсона-Морли XIX века, в ходе которого был найден эфир, гипотетическая субстанция, которая, согласно ведущей теории того времени, проводила световые волны в вакууме.
Эксперименты ничего не нашли – и это загадочное отсутствие результата вдохновило Эйнштейна на создание специальной теории относительности, из которой выросла общая теория относительности, которая в конечном итоге перевернула весь мир.
Дополняя связь между временами, эксперимент Майкельсона-Морли также измерял структуру пространства с помощью зеркал и расщепленного луча света — очень похоже на эксперимент Хогана.
«Мы делаем наш голометр в том же духе.
Увидим мы что-нибудь или нет, результат в любом случае будет интересен.
«Эксперимент проводится для того, чтобы увидеть, сможем ли мы найти что-нибудь, подтверждающее эту теорию», — говорит Хоган.
– По тому, как ваши коллеги-теоретики относятся к эксперименту, вы можете судить о его характере.
Наши теории поощряют математический стиль мышления.
Я надеюсь на результаты, которые заставят людей проводить теоретические исследования в другом направлении».
Независимо от того, найдет Хоган квантовую структуру пространства или нет, он уверен, что голометр поможет физикам приблизиться к проблеме большого и малого.
Он покажет правильный (или неправильный) путь к пониманию квантовой структуры пространства и того, как она влияет на пронизывающие его релятивистские законы гравитации.
Только в черных дырах квантовая физика сталкивается с общей теорией относительности, и это нельзя игнорировать.
Очень большая презентация
Если вы хотите посмотреть совсем в другую сторону, то вам нужен Смолин из Института теоретической физики.Если Хоган тщательно перебирает зерна, то Смолина можно назвать абсолютным диссидентом: «Когда я был аспирантом, Ричард Фейнман мне что-то сказал.
Это звучало примерно так: «Если все ваши коллеги пытались доказать, что что-то правда, и им это не удалось, возможно, это потому, что это на самом деле неправда».
Таким образом, теория струн тянется уже 40-50 лет без какого-либо видимого прогресса».
Ли Смолин
И это только начало более обширной критики.
Смолин считает, что мелкомасштабный подход к физике по своей сути несовершенен.
Современные версии квантовой теории поля хорошо объясняют, как ведут себя отдельные частицы или небольшие системы частиц, но совершенно не учитывают того, что необходимо для построения разумной теории всего космоса.
Они не объясняют, почему ТО такое, какое оно есть.
По словам Смолина, квантовая механика — это просто «теория подсистем Вселенной».
По его словам, более продуктивным подходом было бы взглянуть на Вселенную как на одну гигантскую систему и построить новую теорию, применимую ко всему сразу.
И у нас уже есть теория, обеспечивающая платформу для этого подхода: общая теория относительности.
В отличие от квантовой платформы, Общая теория относительности не содержит возможности наличия внешнего наблюдателя или внешних часов — «снаружи» просто нет. Вместо этого реальность описывается через взаимодействие объектов и различных областей пространства.
Даже такую элементарную вещь, как инерция объекта (сопротивление вашей машины попыткам двигаться до тех пор, пока двигатель не заставит ее это сделать, и ее склонность двигаться после того, как вы убрали ногу с педали газа) можно рассматривать как связанную с все остальные частицы Вселенной через гравитационное поле.
Это последнее утверждение настолько странно, что на нем стоит остановиться подробнее.
Давайте проведем мысленный эксперимент, тесно связанный с тем, что привело Эйнштейна к этой теории в 1907 году.
Допустим, Вселенная будет совершенно пустой, за исключением двух астронавтов.
Один из них вращается, второй покоится.
У первого от вращения кружится голова.
Но кто из них крутится? С точки зрения любого из двоих, крутится не он, а другой космонавт. А без внешних ориентиров, по мнению Эйнштейна, невозможно определить, кто из них прав, и нет причин, по которым один из них должен чувствовать что-то, чего не чувствует другой.
И разница между двумя астронавтами появится только в том случае, если вернуть остальную вселенную.
Поэтому в классической интерпретации общей теории относительности инерция существует только потому, что ее можно измерить по отношению к космическому гравитационному полю.
То, что верно в этом мысленном эксперименте, верно и для всех объектов реального мира: поведение каждой его части неразрывно связано со всеми остальными.
Если вы когда-нибудь хотели стать частью чего-то большего, то эта физика для вас.
И, по мнению Смолина, это еще и перспективный метод получения ответов на вопросы о функционировании природы во всех масштабах.
«GR — это не описание подсистем.
Это описание всей Вселенной как закрытой системы», — говорит он.
Когда физики пытаются избавиться от несоответствия между теорией относительности и квантовой механикой, им кажется разумным пойти по стопам Эйнштейна и мыслить более широкими категориями.
Смолин прекрасно понимает, что он идет против всеобщей привязанности к мышлению в малом, квантовом масштабе.
«Я не хочу мутить воду, просто так получилось.
«Я хочу хорошенько подумать над этими сложными темами, опубликовать свои выводы и подождать, пока уляжется пыль», — добродушно говорит он.
«Я надеюсь, что люди оспорят эти аргументы и что смогут появиться проверяемые прогнозы».
На первый взгляд идеи Смолина неудобны для организации реальных экспериментов.
Как он утверждает, помимо того, что все части Вселенной связаны друг с другом через пространство, они могут быть связаны еще и через время.
Его рассуждения привели его к гипотезе, что законы физики развиваются вместе с развитием Вселенной.
За прошедшие годы он разработал две подробные гипотезы о том, как это может произойти.
Его теория космологического естественного отбора, разработанная в 1990-х годах, рассматривает черные дыры как космические яйца, из которых вылупляются новые вселенные.
Позже он разработал провокационную гипотезу о возникновении законов квантовой механики, получившую название «принцип предшествования» — и теперь, судя по всему, ее уже можно проверить.
Принцип предшествования возникает как ответ на вопрос, почему физические явления воспроизводимы.
Если вы проводите эксперимент, который уже проводился раньше, вы ожидаете, что результат будет таким же, как и в прошлом.
Зажгите спичку и она загорится.
Зажгите таким же образом еще одну спичку – ну, вы поняли.
Воспроизводимость — настолько привычная часть жизни, что мы даже не задумываемся о ней.
Мы просто приписываем устойчивые результаты действию естественного «закона», который работает всегда.
Смолин предполагает, что такие законы могут возникнуть со временем, поскольку квантовые системы копируют поведение аналогичных систем, наблюдавшихся в прошлом.
Один из возможных способов уловить момент возникновения — провести ранее никогда не проводившийся эксперимент, чтобы у него не было предыдущих версий (прецедентов), которые можно было бы скопировать.
Такой эксперимент мог бы создать квантовую систему высокой сложности, содержащую множество компонентов, находящихся в новом запутанном состоянии.
Если принцип предшествования верен, то первоначальная реакция системы будет случайной.
По мере повторения эксперимента приоритет будет накапливаться, и реакция системы должна стать предсказуемой — теоретически.
«От случайного шума экспериментальной практики будет трудно отличить систему, по которой Вселенная выстраивает прецеденты, — говорит Смолин, — но это возможно».
Хотя прецеденты могут иметь место в том, что происходит в атомном масштабе, их влияние распространится на весь космос.
Это связано с идеей Смолина о том, что редукционистское, мелкомасштабное мышление — неправильный подход к решению больших проблем.
Но недостаточно заставить два класса физических теорий работать вместе, хотя это и важно.
Он, как и все мы, хочет знать, почему Вселенная такая, какая она есть.
Почему время движется вперед, а не назад? Как мы оказались в такой вселенной, с такими, а не другими законами? Отсутствие содержательных ответов на эти вопросы говорит о том, что «что-то не так с нашим пониманием квантовой теории поля на глубоком уровне», — говорит Смолин.
Как и Хогана, его меньше волнует результат любого эксперимента, чем общий план программы поиска фундаментальных истин.
Для него это означает возможность рассказать полную и связную историю Вселенной.
Это означает способность не только предсказывать эксперименты, но и объяснять уникальные свойства, которые породили атомы, планеты, радуги и людей.
И здесь его тоже вдохновляет Эйнштейн.
«Урок общей теории относительности состоит в том, что она побеждает релятивизм ", - говорит Смолин.
Наиболее вероятный способ получить важные ответы - это посмотреть на Вселенную в целом.
И победителем становится.
Если вам нужен судья в этом споре больших и малых, то трудно найти лучшего кандидата, чем Шон Кэрролл , эксперт в области космологии, теории поля и гравитационной физики в Калифорнийском технологическом институте.
Он разбирается в теории относительности, квантовой механике и обладает чувством абсурда: свой блог он назвал « Абсурдная Вселенная ".
И сразу Кэрролл почти полностью встал на сторону квантовой механики.
«Большинство из нас верят, что квантовая механика более фундаментальна, чем общая теория относительности», — говорит он.
Эта точка зрения преобладала с 1920-х годов, когда Эйнштейн безуспешно пытался найти недостатки в противоречивых предсказаниях квантовой теории.
Недавний голландский эксперимент, демонстрирующий мгновенную квантовую связь между двумя широко разнесенными частицами — то, что Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии», — только подчеркивает силу доказательств.
В более широком смысле, реальная проблема заключается не в сравнении общей теории относительности с квантовой теорией поля, как говорит Кэрролл, а в сравнении классической динамики с квантовой динамикой.
Теория относительности, несмотря на свою странность, является классической в том, как она рассматривает причину и следствие; Квантовая механика определенно этого не делает. Эйнштейн был уверен, что некоторые глубокие открытия раскроют классическую, детерминированную реальность, скрывающуюся под квантовой механикой, но до сих пор такой порядок не был открыт. Продемонстрированная реальность с пугающими долгосрочными последствиями позволяет предположить, что такого порядка не существует. «Люди явно недооценивают, насколько квантовая механика бросает вызов нашим представлениям о пространстве и локальности (идее о том, что физическое явление может влиять только на свое непосредственное окружение).
В квантовой механике таких вещей просто нет», — говорит Кэрролл.
Крупномасштабные последствия могут вытекать из мелкомасштабных явлений, таких как рассуждения Хогана о трехмерной реальности, возникающей из двумерных единиц пространства.
Но, несмотря на кажущуюся поддержку, Кэрролл считает, что у голометра Хогана мало шансов, хотя и признает, что это не совсем его область исследований.
С другой стороны, попытки Смолина начать с космоса как фундаментальной вещи он не считает чем-то особенным.
Он считает, что это так же абсурдно, как пытаться доказать, что воздух более фундаментален, чем атомы.
Что касается вопроса о том, какая квантовая система может вывести физику на новый уровень, Кэрролл с оптимизмом смотрит на теорию струн, которая, по его словам, «кажется естественным продолжением квантовой теории поля».
В любом случае он выступает за общепринятое квантовое мышление в современной физике.
Однако почти полностью квантовая точка зрения Кэрролла не полностью поддерживает мелкомасштабное мышление.
В объяснениях квантовой теории по-прежнему существуют огромные пробелы.
«Наша неспособность выбрать правильную версию квантовой механики — это позор», — говорит он.
«И наш нынешний способ представления квантовой механики является полным провалом, если мы мыслим с точки зрения космологии всей Вселенной.
Мы даже не знаем, что такое время».
Хоган и Смолин поддерживают это утверждение, хотя и расходятся во мнениях относительно того, что с ним делать.
Кэрролл выступает за инвертированные объяснения, в которых время возникает из взаимодействий на квантовом уровне, но объявляет себя скептиком по отношению к смолинской теории.
конкурирующее предложение о том, что время является более универсальным и фундаментальным.
Таким образом, по вопросу времени еще ничего не решено.
Какие бы теории ни придумывали, большие масштабы нельзя игнорировать, поскольку это мир, в котором мы живем и наблюдаем.
По сути, ответом является вся Вселенная в целом, и задача физиков состоит в том, чтобы вывести его из уравнений.
Даже если Хоган прав, его зернистый космос в среднем должен сгладиться до реальности, с которой мы сталкиваемся каждый день.
Даже если он неправ, у нас есть целый космос со своими свойствами, которые необходимо объяснить – а квантовая физика пока не может этого сделать.
Раздвигая границы понимания, Хоган и Смолин помогают физикам установить такие связи.
Они подталкивают ее не только к примирению квантовой механики и общей теории относительности, но и к примирению идеи и восприятия.
Следующая великая теория физики, несомненно, приведет к прекрасной математике и невообразимым технологиям.
Но лучшее, что он может сделать, — это создать более глубокий смысл, который приведет нас, наблюдателей, которые определяют себя как фундаментальный масштаб Вселенной.
Теги: #Популярная наука #физика #квантовая физика #теория относительности #теория относительности
-
Xdebug В Руках Администратора
19 Oct, 24 -
В Стране Закончились Новости
19 Oct, 24 -
Веб-Интерфейс Для Движения
19 Oct, 24
