Данная статья представляет собой обобщение материала об изменчивости законов физики из книги «Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной».
Все больше физиков-теоретиков склоняются к мнению, что законы физики могут меняться и эти изменения в большинстве случаев фатальны.
Однако все же есть места, идеальные для нашего существования.
Чтобы понять, как мы попали в это место, необходимо понять изменчивость законов физики – насколько велик диапазон изменения законов и как область пространства может изменить свой характер.
Это подводит к главному вопросу книги – Пейзаж.
Пейзаж – это пространство возможностей.
Пейзаж не ограничивается тремя измерениями, он простирается на сотни и даже тысячи измерений.
Это не настоящее место.
Это математическая конструкция и каждая ее точка отражает определенный набор возможностей среды, или возможных вакуум .
Обычно словом «вакуум» обозначают пространство, из которого удален воздух и любое другое вещество.
Но в теоретической физике «вакуум» относится к своего рода сцене, на которой происходят физические действия и потенциально содержит все, что может произойти на этой стадии.
Это все элементарные частицы и фундаментальные физические константы, которые можно измерить в экспериментах, проводимых в этом вакууме.
Ведь это среда, в которой законы физики принимают определённую форму.
Каждый отдельный вакуум означает разные законы физики.
Каждая точка Ландшафта представляет собой совокупность законов, которые могут существенно отличаться друг от друга.
И наша стандартная модель — лишь одна из таких точек на ландшафте возможностей.
Идея вселенных с альтернативными законами природы кажется фантастической.
Но она более реальна, чем кажется.
Возьмем, к примеру, МРТ (магнитно-резонансную томографию).
Эффект магнитного поля обнаруживается в виде небольших изменений энергетических уровней атомов и отражается на спектре излучения.
Конечно, магнитное поле аппарата МРТ слабое, чтобы существенно влиять на движение заряженных частиц.
Но в очень сильном поле человек будет чувствовать себя некомфортно и воздействие может стать фатальным, ведь изменение свойств атомов приведет к страшным последствиям для химических и биологических процессов.
Однако, с одной стороны, можно сказать, что фундаментальные законы природы не изменились, а изменилась физическая среда, в которой присутствует сильное магнитное поле.
С другой стороны, правила расчета изменились.
В результате правильнее сказать, что законы физики определяются окружающей средой .
Поля
Поля — это особые невидимые свойства, влияющие на поведение объектов.Типичным примером является магнитное поле.
Многие помнят эксперимент с железными опилками, формировавшими вокруг магнита узор, повторяющий линии магнитного поля .
Менее известное из опыта, электрическое поле тесно связано с магнитным полем.
Он не оказывает заметного воздействия на железные предметы, но отвечает за притяжение мелких кусочков бумаги наэлектризованным предметом.
При трении предметов электроны перемещаются от одного к другому и тем самым приобретают противоположные знаки электрического заряда.
Такие тела создают вокруг себя электрическое поле.
В результате законы физики оказываются изменчивыми, поскольку они определяются полями, а поля могут меняться.
Помимо магнитного и электрического полей, существуют и другие способы модификации вакуума.
Например, вы можете использовать гравитационное поле.
Во второй половине 20 в.
открыл новые элементарные частицы, новые виды взаимодействия и, как следствие, новые поля и все они будут влиять на обычную материю.
Однако Поле Хиггса более интересен с точки зрения изучения Пейзажа.
Поле Хиггса не было открыто в обычном, экспериментальном смысле.
Без этого поля стандартная модель была несовместимой.
В конце 1960-х — начале 1970-х гг.
теоретики показали, что способ «исправить» стандартную модель — это добавить к ней частицу Хиггса.
Однако какая связь заставляет давать одинаковые имена частице и полю? Идея поля впервые появилась в середине 19 века.
и считалось, что оно имеет вид плавных возмущений в пространстве, влияющих на движение частиц, но само поле из них не состоит. Но в 1905 году Эйнштейн, исследуя излучение черного тела, выдвинул утверждение, что электромагнитное поле состоит из большого количества частиц, которые он назвал фотонами или квантами.
Когда их мало, они проявляют себя как частицы.
Но когда огромное количество квантов движутся согласованно, они ведут себя как поле.
квантовое поле .
Эта связь между частицами и полями оказалась универсальной.
Каждая частица имеет свое поле и наоборот. Поэтому их называют одними и теми же именами.
Электромагнитное поле можно назвать фотонное поле .
Отсюда следует, что частица Хиггса тоже имеет поле.
Стандартная модель без частицы Хиггса математически правильна, если все частицы движутся со скоростью света, как фотоны.
Такие частицы не могут иметь массу, поэтому физики утверждают, что поле Хиггса придает элементарным частицам массу.
Если бы поле Хиггса можно было включать и выключать так же легко, как магнитные поля, то, например, массу частиц можно было бы изменять по своему желанию.
Увеличение массы электронов заставит их вращаться ближе к ядру атома, что, в свою очередь, радикально изменит химию.
Или если полностью лишить электрон массы, он не сможет оставаться внутри ядра.
Такие изменения в Законах Физики будут фатальными.
Всякий раз, когда математики или физики сталкиваются с проблемой, содержащей несколько переменных, они думают о пространстве, содержащем возможные значения этих переменных.
Например, возьмем температуру, давление или влажность.
Все возможные значения каждого из этих параметров можно представить как одномерное пространство, содержащее возможные значения.
Если измерить сразу три параметра, состояние погоды будет иметь вид точки в трехмерном пространстве.
Их комбинация дает больше информации о погоде, чем каждый из них по отдельности.
Законы Физики — это своего рода «погода в вакууме», только вместо температуры, атмосферного давления и влажности эта погода определяется величиной полей.
И так же, как привычная погода определяет природу капель воды в воздухе, вакуумная погода определяет список элементарных частиц и их свойства.
Однако сколько таких полей? Некоторые из них мы уже знаем – электромагнитное поле и поле Хиггса.
Однако для того, чтобы другие области стали известны, необходимо узнать о фундаментальных законах природы больше, чем дает Стандартная модель.
На данный момент основная ставка на открытие такого универсального закона делается на теорию струн.
Независимо от количества полей принцип остается тем же.
Представим себе математическое пространство, каждому измерению которого соответствует отдельное поле.
Если полей десять, пространство будет десятимерным.
Это пространство — пейзаж.
Точка на таком ландшафте определяет значения всех полей – состояние вакуумной погоды.
Это состояние определяет набор элементарных частиц, их массы и законы взаимодействия.
Холмы и долины
Карта реальной местности является неполной, если на ней не указана высота определенных точек над уровнем моря.Представим себе модель местности, изображающую горы, долины и равнины в миниатюре.
Давайте позволим маленькому шарику кататься в случайном месте.
Он будет катиться вниз, пока не остановится на дне какой-нибудь долины.
Почему это так? Физики предлагают следующее объяснение: шар обладает потенциальной энергией, которая зависит от высоты.
Чем выше высота, тем больше потенциальная энергия.
Шарик стремится скатиться туда, где его потенциальная энергия наименьшая, или местный наименьшее значение.
Из этого следует, что для физика, изучающего движение шара, карта такой модели дает информацию об изменении потенциальной энергии.
В Космической местности также есть холмы, долины, горы и равнины.
Лишь места шаров на этом ландшафте заняты карманными вселенными.
Это как если бы в сводке погоды говорилось, что конкретный город занимает по температурной шкале область минус пять градусов.
Высота точки на таком ландшафте представляет собой потенциальную энергию карманной вселенной.
И подобно шару, Вселенная стремится перейти в состояние с наименьшей потенциальной энергией.
Давайте вернемся к законам физики в аппарате МРТ.
Если магнитное поле — единственное поле внутри корабля, ландшафт будет одномерным.
Магнитное поле не возникнет само по себе.
Соответственно, где есть поля, там есть энергия.
Например, энергия, содержащаяся в электромагнитном поле светового луча, нагревает освещаемые им холодные предметы.
Магнитное поле аппарата МРТ также содержит энергию.
Однако достаточно будет вскипятить лишь полстакана воды.
Добавив вертикальную ось к одномерному ландшафту, вы можете графически отобразить энергию в каждой точке.
Энергия магнитного поля пропорциональна квадрату его напряженности, поэтому график будет иметь форму параболы.
Наличие двух полей, например, электрического и магнитного, вносит в ландшафт еще больше разнообразия.
Поскольку электрическое поле тоже обладает энергией, «высота» ландшафта изменится в двух горизонтальных измерениях.
Поскольку электрические и магнитные поля по-разному влияют на поведение электрона, их движения будут описываться более сложными траекториями, чем в каждом из полей в отдельности.
Если бы все пространство было равномерно заполнено этими двумя полями, можно было бы утверждать, что законы физики зависят от «расположения» Вселенной на двумерном ландшафте.
Полей в природе, конечно, больше, но общий принцип не меняется: каждой точке ландшафта, или, другими словами, каждой комбинации полей соответствует определенное значение плотности энергии.
Если представить, что поля расположены в горизонтальной плоскости, нам нужно добавить к ландшафту одну ось для представления энергии.
Эту ось можно назвать «высотой» и мы получаем пейзаж с равнинами, холмами, горами и долинами.
Полем Хиггса, в отличие от магнитного поля, манипулировать непропорционально сложнее.
Чтобы изменить даже самую незначительную величину, требуется огромное количество энергии.
Однако если бы это было реально, то можно было бы по своему усмотрению изменять массы всех элементарных частиц, кроме тех, у которых ее просто нет, например, фотонов.
Из опыта известно, что все частицы определенного типа имеют одинаковую массу.
Именно поэтому, когда речь идет о массе, например, электрона, не уточняется, какая из них имеется в виду.
Фотоны являются исключением, когда дело касается их массы.
Масса определяется ускорением тела, когда тело начинает двигаться из состояния покоя.
Фотоны всегда движутся и с одинаковой скоростью.
Фотоны, по Эйнштейну, являются частицами света, а свет всегда движется со скоростью.
скорость света .
Это означает, что масса фотона равна нулю.
И в принципе любая частица, способная двигаться со скоростью света, должна быть безмассовой.
Из всех экспериментально открытых частиц только фотон не имеет массы.
Однако есть основания полагать, что есть как минимум еще один.
Массивные объекты, движущиеся относительно друг друга, нарушают гравитационное поле, что приводит к излучению гравитационных волн.
Эти гравитационные волны слишком слабы, чтобы их можно было обнаружить на Земле.
Но иногда во Вселенной могут происходить грандиозные события, порождающие мощное гравитационное излучение.
Примером таких событий является слияние черных дыр.
Если теория верна, то эти волны распространяются в пространстве со скоростью света, поэтому разумно предположить, что они состоят из безмассовых частиц — гравитонов.
Хотя ранее было сказано, что массы частиц одного типа одинаковы, здесь есть одна тонкость.
Масса частиц зависит от величины поля Хиггса в той точке, где в данный момент находится частица.
Соответственно, если бы можно было изменить значение поля Хиггса, то масса частиц зависела бы от их местоположения.
В нормальном состоянии вакуума величина большинства известных полей равна нулю.
Поля, конечно, могут флуктуировать из-за квантовых эффектов, но среднее значение поля остаётся нулевым.
Создание ненулевого поля требует энергии.
Но поле Хиггса другое.
Его среднее значение в вакууме отлично от нуля.
Как мы можем объяснить, что поле Хиггса придает частицам массу? Автор книги, не вдаваясь в дебри математики Стандартной модели, пытается изложить основную идею следующим образом.
Как говорилось ранее, без поля Хиггса (или частицы) квантовая теория поля, описывающая Стандартную модель, была бы математически корректной, если бы все частицы были безмассовыми.
Фактически, масса частиц возникает, когда они движутся через «жидкость», состоящую из частиц Хиггса.
Выглядит так, будто эта «жидкость» сопротивляется движению частиц.
Только это не похоже на обычное трение, замедляющее частицу.
Вместо этого жидкость Хиггса сопротивляется изменениям скорости частиц.
Давайте посмотрим на диаграмму Фейнмана.
Если бы в какой-то области можно было создать нулевое поле Хиггса, это оказало бы разрушительное воздействие на атомы.
Жизнь, какой мы ее знаем, не возникла бы в такой области.
Однако для этого требуется невероятное количество энергии.
Например, чтобы очистить один кубический сантиметр пространства от частиц Хиггса, потребуется около 10 40 джоули, что равно излучаемой энергии Солнца за миллион лет. Почему поле Хиггса так отличается от других полей? Ответ скрыт в Пейзаже.
Представим себе одномерный ландшафт только с одним полем Хиггса.
График, описывающий такой ландшафт, интереснее простой параболы.
Он состоит из двух глубоких впадин, разделенных высокой горной вершиной.
Никто до конца не понимает, почему это так.
Это еще один эмпирический факт, который следует принять как должное.
Вершина горы — это точка, где поле Хиггса равно нулю.
Этот пик представляет собой среду с огромной плотностью энергии.
Это смертельная среда.
Наш уголок Вселенной безопасен.
Плотность его энергии минимальна.
В этой долине поле Хиггса отлично от нуля, поэтому частицы имеют массу.
Полный ландшафт теории струн лишь напоминает описанный, но он бесконечно богаче самыми неблагоприятными возможностями для существования жизни.
Дружелюбные обитаемые долины — редкое исключение.
Прокатиться по ландшафту
Из четырехмерной (3 пространственных измерения и 1 время) картины мира следует, что если Законы Физики могут меняться от одной точки пространства к другой, то они также должны меняться и во времени.Поэтому законы природы могут меняться внезапно и постепенно.
Представим себе очень длинную радиоволну (возмущение электромагнитного поля), например, 2 световых года.
В этом случае, когда оно проходит через физическую лабораторию и измеряется поле, то в течение шести месяцев значение будет увеличиваться по величине (каждый цикл колебаний начинается с нуля), затем в течение следующих шести месяцев оно уменьшится до нуль.
Медленно меняющиеся поля приведут к тому, что поведение электронов также изменится с течением времени.
Может ли поле Хиггса меняться со временем? Допустим, есть вал Хиггса.
Это ландшафт с высокой вершиной, разделяющей две глубокие впадины.
Вселенная будет вести себя как балансирующий шарик на острие ножа; это состояние неустойчиво, и малейшее возмущение отправит мяч в одну из долин.
Если поверхность ландшафта совершенно гладкая и трения нет, то шарик будет продолжать двигаться бесконечно, то падая в долину, то поднимаясь наверх.
Но если небольшое трение все же останется, то шарик в конце концов остановится на дне одной из долин.
Примечание.Поле Хиггса ведет себя аналогичным образом.Когда Вселенная находилась на вершине горы, энергия вакуума заставляла ее расширяться, проявляясь как космологическая постоянная (многим этот термин знаком как темная энергия).
Расширение Вселенной приводит к появлению своеобразного сопротивления, называемого космическим трением.
Вселенная «катится» по Ландшафту, пока не остановится в одной из долин, образуя обыкновенный вакуум.
Дно долины, в которой покоится Вселенная, не обязательно должно быть самой низкой точкой Ландшафта.
Однако пока Вселенная находится на дне определенной долины, она там и останется.
Такая точка называется математическим термином локальный минимум.
Таким образом, мы можем прийти к важному фундаментальному факту: возможный стабильный вакуум, или, что также возможно, неизменные законы физики, соответствует локальному минимуму Ландшафта.
Физики полагают, что на самых ранних стадиях эволюции Вселенной, сразу после Большого взрыва, когда температура и давление были чрезвычайно высокими, энергии было достаточно, чтобы заставить поле Хиггса стать равным нулю.
Следовательно, Вселенная находилась на вершине горы.
Остыв, Вселенная скатилась по склону в долину, где мы сейчас живем.
Вал Хиггса имеет небольшое количество локальных минимумов, и вероятность того, что в одном из минимумов плотность энергии будет не более 10 -120 (это примерная плотность энергии вакуума в нашей Вселенной) очень мала.
Однако ландшафт теории струн гораздо более сложен и разнообразен.
Попробуем представить себе пространство с 500 измерениями, топография которого содержит около 10 500 локальные минимумы, каждый из которых имеет свои физические законы.
Это будет сложно, такая цифра лежит далеко за пределами нашего понимания.
Однако среди такого огромного набора возможностей обязательно найдется вариант, в котором плотность энергии вакуума равна 10 -119 .
Буду очень рад, если вам понравилась эта статья.
Рекомендую всем, кому интересен материал, прочитать книгу самостоятельно, поскольку в аннотации я затронул лишь малую ее часть.
Теги: #Популярная наука #физика #конспект
-
Подключение Gprs Интернета В Деревне
19 Oct, 24 -
Итальянский След В Криптографии
19 Oct, 24 -
Урок 1. Знакомство С Ext.net
19 Oct, 24
