Kus me valesti läksime?

Füüsika on sattunud ebameeldivasse ummikusse. Kuigi sellel on oma standardmudel, mida hiljuti täiendas Higgsi osake, ei aita kõik need edusammud suurt seletada tänapäeva suuri saladusi, tumeenergiat, tumeainet, gravitatsiooni, aine-antiaine asümmeetriat ja isegi neutriinode võnkumisi.

Roberto Unger ja Lee Smolin

Lee Smolin, tuntud füüsik, keda on aastaid mainitud ühe tõsise Nobeli preemia kandidaadina, avaldati hiljuti koos filosoofiga Roberto Ungerem, raamat “The Singular Universe and the Reality of Time”. Selles analüüsivad autorid igaüks oma distsipliini vaatevinklist kaasaegse füüsika segadust. "Teadus ebaõnnestub, kui see jätab eksperimentaalse kontrolli ja eitamise võimaluse," kirjutavad nad. Nad õhutavad füüsikuid ajas tagasi minema ja uut algust otsima.

Nende pakkumised on üsna konkreetsed. Näiteks Smolin ja Unger tahavad, et me kontseptsiooni juurde tagasi pöörduksime Üks universum. Põhjus on lihtne - kogeme ainult ühte universumit ja ühte neist saab teaduslikult uurida, samas kui väited nende paljususe olemasolu kohta on empiiriliselt kontrollimatud.. Teine oletus, millega Smolin ja Unger nõustuvad, on järgmine. aja reaalsusmitte anda teoreetikutele võimalust reaalsuse olemusest ja selle transformatsioonidest eemalduda. Ja lõpuks soovitavad autorid ohjeldada kirge matemaatika vastu, mis oma "ilusates" ja elegantsetes mudelites murrab lahti tõeliselt kogetud ja võimalikust maailmast. katseliselt kontrollida.

Kes teab "matemaatilist kaunist" stringiteooria, tunneb viimane kergesti ära oma kriitika ülaltoodud postulaatides. Probleem on siiski üldisem. Paljud avaldused ja väljaanded tänapäeval usuvad, et füüsika on jõudnud ummikusse. Paljud uurijad tunnistavad, et oleme kuskil teel vea teinud.

Nii et Smolin ja Unger pole üksi. Paar kuud tagasi "Looduses" George Ellis i Joseph Silk avaldas artikli teemal füüsika terviklikkuse kaitsminekritiseerides neid, kes on üha enam kaldunud määramatusse "homsesse" edasi lükkama katseid erinevate "moekate" kosmoloogiliste teooriate testimiseks. Neid peaks iseloomustama "piisav elegants" ja selgitav väärtus. "See murrab sajanditepikkuse teadusliku traditsiooni, et teaduslik teadmine on teadmine. empiiriliselt kinnitatudteadlased meenutavad. Faktid näitavad selgelt kaasaegse füüsika "eksperimentaalset ummikseisu".. Viimaseid teooriaid maailma ja universumi olemuse ja ehituse kohta ei saa reeglina kontrollida inimkonnale kättesaadavate katsetega.

Supersümmeetriliste osakeste analoogid – visualiseerimine

Higgsi bosoni avastamisega on teadlased "saavutanud" Standardmudel. Füüsikamaailm pole aga kaugeltki rahul. Me teame kõigist kvarkidest ja leptonitest, kuid meil pole aimugi, kuidas seda Einsteini gravitatsiooniteooriaga ühildada. Me ei tea, kuidas ühendada kvantmehaanikat gravitatsiooniga, et luua sidus kvantgravitatsiooni teooria. Me ei tea ka, mis on Suur Pauk (või kas see tõesti oli).

Praegu, nimetagem seda peavoolufüüsikuteks, näevad nad standardmudeli järel järgmist sammu supersümmeetria (SUSY), mis ennustab, et igal meile tuntud elementaarosakel on sümmeetriline "partner". See kahekordistab mateeria ehitusplokkide koguarvu, kuid teooria sobib suurepäraselt matemaatiliste võrranditega ja, mis kõige tähtsam, pakub võimalust lahti harutada kosmilise tumeaine müsteerium. Jäi vaid oodata Suure Hadronipõrgetise katsete tulemusi, mis kinnitavad supersümmeetriliste osakeste olemasolu.

Genfist pole aga veel selliseid avastusi kuulda olnud. Kui LHC katsetest ikka midagi uut välja ei tule, siis paljude füüsikute arvates tuleks supersümmeetrilised teooriad vaikselt tagasi võtta, samuti pealisehitusmis põhineb supersümmeetrial. On teadlasi, kes on valmis seda kaitsma, isegi kui see ei leia eksperimentaalset kinnitust, sest SUSA teooria on "liiga ilus, et olla vale". Vajadusel kavatsevad nad oma võrrandid ümber hinnata, et tõestada, et supersümmeetrilised osakeste massid on lihtsalt väljaspool LHC vahemikku.

Anomaalia paganlik anomaalia

Muljed – lihtne öelda! Kui aga näiteks füüsikutel õnnestub prootoni ümber orbiidile panna müüon ja prooton "paisub", siis hakkab meile tuntud füüsikaga juhtuma kummalisi asju. Vesinikuaatomist luuakse raskem versioon ja selgub, et tuum, s.o. sellises aatomis olev prooton on suurem (st suurema raadiusega) kui "tavaline" prooton.

Füüsika, nagu me seda teame, ei suuda seda nähtust seletada. Müon, lepton, mis asendab elektroni aatomis, peaks käituma nagu elektron – ja käitubki, aga miks see muutus prootoni suurust mõjutab? Füüsikud ei saa sellest aru. Võib-olla saavad nad sellest üle, aga... oota natuke. Prootoni suurus on seotud praeguste füüsikateooriate, eriti standardmudeliga. Teoreetikud on hakanud seda seletamatut vastasmõju välja ajama uut tüüpi fundamentaalne interaktsioon. See on aga seni vaid oletus. Samal ajal viidi läbi katseid deuteeriumi aatomitega, uskudes, et tuumas olev neutron võib mõju mõjutada. Prootonid olid ümbritsevate müüonidega isegi suuremad kui elektronidega.

Teine suhteliselt uus füüsiline veidrus on olemasolu, mis ilmnes Dublini Trinity College'i teadlaste uurimistöö tulemusena. valguse uus vorm. Üks valguse mõõdetavaid omadusi on selle nurkimment. Seni arvati, et paljude valguse vormide puhul on nurkimment mitmekordne Plancki konstant. Vahepeal Dr. Kyle Ballantine ja professor Paul Eastham i John Donegan avastas valguse vormi, mille puhul iga footoni nurkimment on pool Plancki konstandist.

See tähelepanuväärne avastus näitab, et isegi valguse põhiomadusi, mida me pidasime konstantseks, saab muuta. Sellel on tõeline mõju valguse olemuse uurimisele ja see leiab praktilisi rakendusi näiteks turvalises optilises sides. Alates 80. aastatest on füüsikud mõelnud, kuidas osakesed käituvad, kui nad liiguvad kolmemõõtmelise ruumi ainult kahes mõõtmes. Nad leidsid, et me tegeleme siis paljude ebatavaliste nähtustega, sealhulgas osakestega, mille kvantväärtused oleksid murdosad. Nüüd on see valguse jaoks tõestatud. See on väga huvitav, kuid see tähendab, et paljud teooriad vajavad veel värskendamist. Ja see on alles algus seosele uute avastustega, mis toovad füüsikasse käärimise.

Aasta tagasi ilmus meediasse info, mida Cornelli ülikooli füüsikud oma katses kinnitasid. Quantum Zeno efekt – võimalus kvantsüsteemi peatada ainult pidevate vaatluste abil. See on nime saanud Vana-Kreeka filosoofi järgi, kes väitis, et liikumine on illusioon, mis on tegelikkuses võimatu. Iidse mõtte seos tänapäeva füüsikaga on teos Baidyanatha Egiptus i George Sudarshan Texase ülikoolist, kes kirjeldas seda paradoksi 1977. aastal. David Wineland, Ameerika füüsik ja Nobeli füüsikapreemia laureaat, kellega MT rääkis 2012. aasta novembris, tegi Zeno efekti esimese eksperimentaalse vaatluse, kuid teadlased ei nõustunud, kas tema katse kinnitas nähtuse olemasolu.

Wheeleri eksperimendi visualiseerimine

Eelmisel aastal tegi ta uue avastuse Mukund Vengalatorekes koos oma uurimisrühmaga viis läbi katse Cornelli ülikooli ülikülma laboris. Teadlased lõid ja jahutasid vaakumkambris umbes miljardi rubiidiumi aatomiga gaasi ning suspendeerisid massi laserkiirte vahele. Aatomid organiseerusid ja moodustasid võresüsteemi – nad käitusid nii, nagu oleksid nad kristalses kehas. Väga külma ilmaga võisid nad väga väikese kiirusega ühest kohast teise liikuda. Füüsikud jälgisid neid mikroskoobi all ja valgustasid neid laserkujutise süsteemiga, et nad saaksid neid näha. Kui laser oli välja lülitatud või madala intensiivsusega, tunnelesid aatomid vabalt, kuid laserkiire heledamaks muutudes ja mõõtmisi tehti sagedamini, läbitungimismäär langes järsult.

Vengalattore võttis oma katse kokku järgmiselt: "Nüüd on meil ainulaadne võimalus kontrollida kvantdünaamikat ainult vaatluse kaudu." Kas "mõistuse ajastul" naeruvääristati "idealistlikke" mõtlejaid Zenost Berkeleyni, kas neil oli õigus, et objektid eksisteerivad ainult sellepärast, et me neid vaatame?

Viimasel ajal on sageli ilmnenud erinevad anomaaliad ja ebakõlad (ilmselt) teooriatega, mis on aastate jooksul stabiliseerunud. Teine näide pärineb astronoomilistest vaatlustest – paar kuud tagasi selgus, et universum paisub kiiremini, kui teadaolevad füüsikalised mudelid eeldavad. 2016. aasta aprillis avaldatud Nature artikli kohaselt olid Johns Hopkinsi ülikooli teadlaste mõõtmised 8% kõrgemad, kui tänapäeva füüsika eeldas. Teadlased kasutasid uut meetodit nn standardküünalde analüüs, st. valgusallikaid peetakse stabiilseteks. Jällegi ütlevad teadlaskonna kommentaarid, et need tulemused viitavad praeguste teooriate tõsisele probleemile.

Üks silmapaistvamaid kaasaegseid füüsikuid, John Archibald Wheeler, pakkus välja tol ajal tuntud topeltpiluga katse kosmoseversiooni. Tema vaimse kujunduse kohaselt läbib miljardi valgusaasta kaugusel asuva kvasari valgus galaktika kahte vastaskülge. Kui vaatlejad jälgivad kõiki neid teid eraldi, näevad nad footoneid. Kui mõlemad korraga, näevad nad lainet. Seega Sam vaatlemine muudab valguse olemustmis lahkus kvasarist miljard aastat tagasi.

Wheeleri sõnul tõestab eelnev, et universum ei saa eksisteerida füüsilises mõttes, vähemalt mitte selles mõttes, milles me oleme harjunud mõistma "füüsilist olekut". Ka varem ei saa see nii olla, kuni... oleme mõõtu võtnud. Seega mõjutab meie praegune mõõde minevikku. Seega kujundame oma vaatluste, tuvastamiste ja mõõtmistega minevikusündmusi ajas tagasi kuni ... universumi alguseni!

Hologrammi eraldusvõime lõpeb

Musta augu füüsika näib osutavat, nagu vähemalt mõned matemaatilised mudelid viitavad, et meie universum ei ole see, mida meie meeled meile ütlevad, st kolmemõõtmeline (neljandat dimensiooni, aega, teavitab mõistus). Reaalsus, mis meid ümbritseb, võib olla hologramm on sisuliselt kahemõõtmelise kaugtasandi projektsioon. Kui see pilt universumist on õige, võib illusioon aegruumi kolmemõõtmelisusest hajutada niipea, kui meie käsutuses olevad uurimisvahendid muutuvad piisavalt tundlikuks. Craig Hogan, Fermilabi füüsikaprofessor, kes on aastaid uurinud universumi põhistruktuuri, viitab sellele, et see tase on just saavutatud. Kui universum on hologramm, siis võib-olla oleme jõudnud reaalsuse eraldusvõime piiridesse. Mõned füüsikud esitavad intrigeeriva hüpoteesi, et aegruum, milles me elame, ei ole lõppkokkuvõttes pidev, vaid nagu pilt digifotol, koosneb kõige põhilisemal tasemel mingist "terast" või "pikslist". Kui jah, siis peab meie reaalsusel olema mingisugune lõplik "resolutsioon". Nii tõlgendasid mõned teadlased mõne aasta eest Geo600 gravitatsioonilainete detektori tulemustes ilmnenud "müra".

Selle ebatavalise hüpoteesi kontrollimiseks töötas Craig Hogan ja tema meeskond välja maailma kõige täpsema interferomeetri, nn. Hogani holomeetermis peaks andma meile aegruumi olemuse kõige täpsema mõõtmise. Katse, koodnimega Fermilab E-990, ei ole üks paljudest teistest. Selle eesmärk on demonstreerida kosmose enda kvantloomust ja selle olemasolu, mida teadlased nimetavad "holograafiliseks müraks". Holomeeter koosneb kahest kõrvuti asetsevast interferomeetrist, mis saadavad ühe kilovatise laserkiire seadmesse, mis jagab need kaheks risti asetsevaks 40-meetriseks kiireks. Need peegelduvad ja naasevad eralduspunkti, tekitades valguskiirte heleduse kõikumisi. Kui need põhjustavad jaotusseadmes teatud liikumise, annab see tunnistust ruumi enda vibratsioonist.

Kvantfüüsika seisukohalt võiks see tekkida ilma põhjuseta. suvaline arv universumeid. Leidsime end sellesse konkreetsesse, mis pidi vastama mitmetele peentele tingimustele, et inimene saaks selles elada. Räägime siis sellest antroopiline maailm. Usklikule piisab ühest Jumala loodud antroopsest universumist. Materialistlik maailmavaade seda ei aktsepteeri ja eeldab, et universumeid on palju või et praegune universum on vaid üks etapp multiversumi lõpmatus arengus.

Kaasaegse versiooni autor Universumi hüpoteesid kui simulatsioon (hologrammiga seotud mõiste) on teoreetik Niklas Bostrum. Selles öeldakse, et reaalsus, mida me tajume, on lihtsalt simulatsioon, millest me teadlikud pole. Teadlane pakkus välja, et kui suudate piisavalt võimsa arvuti abil luua usaldusväärse simulatsiooni tervest tsivilisatsioonist või isegi kogu universumist ja simuleeritud inimesed saavad kogeda teadvust, on väga tõenäoline, et selliseid olendeid on palju. arenenud tsivilisatsioonide loodud simulatsioonid – ja me elame ühes neist, milleski sarnases "Matrixiga".

Aeg ei ole lõpmatu

Ehk on aeg murda paradigmasid? Nende paljastamine pole teaduse ja füüsika ajaloos midagi eriti uut. Lõppude lõpuks oli võimalik õõnestada geotsentrism, arusaam ruumist kui passiivsest etapist ja universaalsest ajast, usust, et universum on staatiline, usust mõõtmise halastamatusse ...

kohalik paradigma ta ei ole enam nii hästi informeeritud, aga ka tema on surnud. Erwin Schrödinger ja teised kvantmehaanika loojad märkasid, et enne mõõtmisakti ei ole meie footon, nagu kuulus kassis kasti pandud, veel kindlas olekus, olles polariseeritud nii vertikaalselt kui ka horisontaalselt samal ajal. Mis võib juhtuda, kui asetame kaks takerdunud footoni üksteisest väga kaugele ja uurime nende olekut eraldi? Nüüd teame, et kui footon A on horisontaalselt polariseeritud, siis footon B peab olema vertikaalselt polariseeritud, isegi kui me paigutasime selle miljard valgusaastat varem. Mõlemal osakesel pole mõõtmiseelset täpset olekut, kuid pärast ühe karbi avamist "teab" teine ​​kohe, millise omaduse ta peaks omandama. See puudutab mõnda erakordset suhtlust, mis toimub väljaspool aega ja ruumi. Uue takerdumise teooria kohaselt ei ole lokaalsus enam kindlus ja kaks näiliselt eraldiseisvat osakest võivad käituda tugiraamistikuna, jättes tähelepanuta sellised üksikasjad nagu kaugus.

Kuna teadus tegeleb erinevate paradigmadega, siis miks ei võiks see lõhkuda fikseeritud seisukohti, mis püsivad füüsikute peas ja korduvad teadusringkondades? Võib-olla on see ülalmainitud supersümmeetria, võib-olla usk tumeenergia ja mateeria olemasolusse või võib-olla idee Suurest Paugust ja Universumi paisumisest?

Seni on valitsenud seisukoht, et universum paisub aina kiiremas tempos ja ilmselt jätkub seda ka lõputult. Siiski on mõned füüsikud, kes on märkinud, et universumi igavese paisumise teooria ja eriti selle järeldus, et aeg on lõpmatu, kujutab endast probleemi sündmuse toimumise tõenäosuse arvutamisel. Mõned teadlased väidavad, et järgmise 5 miljardi aasta jooksul saab aeg tõenäoliselt mingi katastroofi tõttu otsa.

Füüsik Rafael Busso California ülikoolist ja kolleegidest avaldasid arXiv.org artikli, milles selgitatakse, et igaveses universumis juhtuvad varem või hiljem isegi kõige uskumatumad sündmused – ja lisaks juhtuvad need lõpmatu arv kordi. Kuna tõenäosus on defineeritud sündmuste suhtelise arvu kaudu, ei ole mõtet öelda mingit tõenäosust igavikus, kuna iga sündmus on võrdselt tõenäoline. "Pideval inflatsioonil on sügavad tagajärjed," kirjutab Busso. "Iga sündmus, mille toimumise tõenäosus on nullist erinev, toimub lõpmatult palju kordi, kõige sagedamini kaugemates piirkondades, mis pole kunagi kokku puutunud." See õõnestab kohalike eksperimentide tõenäosuslike ennustuste alust: kui loterii võidab lõpmatu arv vaatlejaid kogu universumis, siis mille põhjal saate väita, et loterii võitmine on ebatõenäoline? Muidugi on ka lõpmata palju mittevõitjaid, aga mis mõttes neid rohkem on?

Üks lahendus sellele probleemile, selgitavad füüsikud, on eeldada, et aeg saab otsa. Siis on sündmusi piiratud arv ja ebatõenäolised sündmused toimuvad harvemini kui tõenäolised.

See "lõigatud" hetk määratleb teatud lubatud sündmuste komplekti. Nii püüdsid füüsikud välja arvutada tõenäosuse, et aeg otsa saab. Antud on viis erinevat ajalõpu meetodit. Kahe stsenaariumi korral on 50-protsendiline tõenäosus, et see juhtub 3,7 miljardi aasta pärast. Ülejäänud kahel on 50% tõenäosus 3,3 miljardi aasta jooksul. Viiendas stsenaariumis (Plancki aeg) on ​​jäänud väga vähe aega. Suure tõenäosusega võib ta olla isegi ... järgmisel sekundil.

Kas see ei õnnestunud?

Õnneks ennustavad need arvutused, et enamik vaatlejaid on niinimetatud Boltzmanni lapsed, kes tõusevad esile varajase universumi kvantkõikumiste kaosest. Kuna enamik meist ei ole, on füüsikud selle stsenaariumi kõrvale heitnud.

"Piiri saab vaadelda kui füüsiliste omadustega objekti, sealhulgas temperatuuri, " kirjutavad autorid oma töös. "Pärast aegade lõppu saavutab aine horisondiga termodünaamilise tasakaalu. See sarnaneb välisvaatleja kirjeldusega, kuidas aine langeb musta auku.

Kosmiline inflatsioon ja multiversum

Esimene oletus on see Universum paisub pidevalt lõpmatusenimis on üldrelatiivsusteooria tagajärg ja mida katseandmed hästi kinnitavad. Teine eeldus on, et tõenäosus põhineb suhteline sündmuste sagedus. Lõpuks on kolmas eeldus, et kui aegruum on tõesti lõpmatu, siis ainus viis sündmuse tõenäosuse kindlaksmääramiseks on piirata oma tähelepanu lõpmatu multiversumi piiratud alamhulk.

Kas sellel on mõtet?

Smolini ja Ungeri argumendid, mis on selle artikli aluseks, viitavad sellele, et saame oma universumit uurida ainult eksperimentaalselt, lükates tagasi multiversumi mõiste. Vahepeal on Euroopa Plancki kosmoseteleskoobi kogutud andmete analüüs paljastanud kõrvalekaldeid, mis võivad viidata meie universumi ja teise universumi pikaajalisele koostoimele. Seega osutavad pelgalt vaatlus ja katsed teistele universumitele.

Plancki observatooriumi avastatud kõrvalekalded

Mõned füüsikud oletavad nüüd, et kui on olemas olend nimega Multiversum ja kõik selle moodustavad universumid tekkisid ühe Suure Pauguga, siis oleks see võinud juhtuda nende vahel. kokkupõrked. Plancki observatooriumi meeskonna uuringute kohaselt sarnaneksid need kokkupõrked mõneti kahe seebimulli kokkupõrkega, jättes universumite välispinnale jäljed, mida teoreetiliselt võiks registreerida kui anomaaliaid mikrolaine taustkiirguse jaotuses. Huvitaval kombel näivad Plancki teleskoobi salvestatud signaalid viitavat sellele, et mingisugune meile lähedane universum erineb meie omast vägagi, kuna selles olevate subatomiliste osakeste (barüonite) ja footonite arvu erinevus võib olla isegi kümme korda suurem kui " siin". . See tähendaks, et aluseks olevad füüsilised põhimõtted võivad erineda sellest, mida me teame.

Avastatud signaalid pärinevad tõenäoliselt universumi varasest ajastust – nn rekombinatsioonkui prootonid ja elektronid hakkasid esimest korda ühinema, moodustades vesinikuaatomeid (suhteliselt lähedal asuvatest allikatest pärineva signaali tõenäosus on ca 30%). Nende signaalide olemasolu võib viidata rekombinatsiooniprotsessi intensiivistumisele pärast meie Universumi kokkupõrget teise, suurema barüoonse aine tihedusega universumiga.

Olukorras, kus kuhjuvad vastuolulised ja enamasti puhtteoreetilised oletused, kaotavad mõned teadlased märgatavalt kannatuse. Seda tõendab Kanada Waterloos asuva Perimeter Institute'i esindaja Neil Turoki jõuline avaldus, kes 2015. aastal NewScientistile antud intervjuus oli nördinud, et "me ei suuda mõista, mida me leidsime". Ta lisas: "Teooria muutub üha keerukamaks ja keerukamaks. Me viskame probleemile järjestikused väljad, mõõtmised ja sümmeetriad isegi mutrivõtmega, kuid me ei suuda seletada kõige lihtsamaid fakte. Paljusid füüsikuid ärritab ilmselgelt tõsiasi, et kaasaegsete teoreetikute vaimsetel rännakutel, nagu ülaltoodud arutluskäik või superstringiteooria, pole midagi pistmist praegu laborites läbiviidavate katsetega ja puuduvad tõendid selle kohta, et neid saaks testida. eksperimentaalselt. .

Kas see on tõesti ummiktee ja sellest on vaja välja tulla, nagu soovitasid Smolin ja tema sõber filosoof? Või äkki räägime segadusest ja segadusest enne mingisugust epohhiloovat avastust, mis meid peagi ees ootab?

Kutsume teid tutvuma väljaande teemaga.