Где мы ошиблись?

Физика оказалась в неприятном тупике. Хотя у него есть собственная Стандартная модель, недавно дополненная частицей Хиггса, все эти достижения мало помогают в объяснении великих современных загадок, темной энергии, темной материи, гравитации, асимметрии материи и антиматерии и даже нейтринных осцилляций.

Роберто Унгер и Ли Смолин

Ли Смолин, известного физика, годами упоминавшегося как одного из серьезных кандидатов на Нобелевскую премию, недавно опубликованного вместе с философом Роберто Унгерем, книга “Сингулярная Вселенная и реальность времени”. В ней авторы анализируют, каждый с точки зрения своей дисциплины, запутанное состояние современной физики. «Наука терпит неудачу, когда она покидает область экспериментальной проверки и возможности отрицания», — пишут они. Они призывают физиков вернуться в прошлое и искать новое начало.

Их предложения достаточно специфичны. Смолин и Унгер, например, хотят, чтобы мы вернулись к концепции Одна вселенная. Причина проста – мы переживаем только одну вселенную, и одна из них может быть исследована научно, в то время как утверждения о существовании их множественности эмпирически не поддаются проверке.. Еще одно предположение, которое предлагают принять Смолин и Унгер, состоит в следующем. реальность временичтобы не дать теоретикам шанса уйти от сути реальности и ее трансформаций. И, наконец, авторы призывают сдерживать увлечение математикой, которая в своих «красивых» и изящных моделях отрывается от реально переживаемого и возможного мира. экспериментально проверить.

Кто знает “математически красиво” струнная теория, последняя легко распознает ее критику в вышеприведенных постулатах. Однако проблема более общая. Многие заявления и публикации сегодня считают, что физика зашла в тупик. Должно быть, где-то на этом пути мы допустили ошибку, признают многие исследователи.

Так что Смолин и Унгер не одиноки. Несколько месяцев назад в «Природе» Джордж Эллис i Джозеф Шелк опубликовал статью о защита целостности физикипутем критики тех, кто все более и более склонен откладывать на неопределенное «завтра» эксперименты по проверке различных «модных» космологических теорий. Они должны характеризоваться «достаточной элегантностью» и объяснительной ценностью. «Это ломает многовековую научную традицию, согласно которой научное знание есть знание. эмпирически подтвержденный— напоминают ученые. Факты ясно показывают «экспериментальный тупик» современной физики.. Новейшие теории о природе и строении мира и Вселенной, как правило, не поддаются проверке доступными человечеству экспериментами.

Суперсимметричные аналоги частиц – визуализация

Открыв бозон Хиггса, ученые «добились» Стандартная модель. Однако мир физики далеко не удовлетворен. Мы знаем обо всех кварках и лептонах, но понятия не имеем, как совместить это с теорией гравитации Эйнштейна. Мы не знаем, как объединить квантовую механику с гравитацией, чтобы создать последовательную теорию квантовой гравитации. Мы также не знаем, что такое Большой взрыв (и был ли он на самом деле).

В настоящее время, назовем это мейнстримными физиками, они видят следующий шаг после Стандартной модели в суперсимметрия (SUSY), который предсказывает, что каждая известная нам элементарная частица имеет симметричного «партнера». Это удваивает общее количество строительных блоков для материи, но теория прекрасно вписывается в математические уравнения и, что важно, дает шанс разгадать тайну космической темной материи. Оставалось только дождаться результатов экспериментов на Большом адронном коллайдере, которые подтвердят существование суперсимметричных частиц.

Однако из Женевы о подобных открытиях пока ничего не слышно. Если ничего нового из экспериментов на БАК по-прежнему не возникнет, многие физики считают, что суперсимметричные теории следует потихоньку изымать, как и суперстрункоторый основан на суперсимметрии. Есть ученые, готовые защищать ее, даже если она не находит экспериментального подтверждения, ведь теория SUSA «слишком красива, чтобы быть неправдой». При необходимости они намерены переоценить свои уравнения, чтобы доказать, что массы суперсимметричных частиц просто находятся за пределами диапазона LHC.

Аномалия языческая аномалия

Впечатления – легко сказать! Однако когда, например, физикам удается вывести мюон на орбиту вокруг протона, и протон «распухает», то с известной нам физикой начинают происходить странные вещи. Создается более тяжелая версия атома водорода и оказывается, что ядро, т.е. протон в таком атоме, крупнее (т.е. имеет больший радиус), чем «обычный» протон.

Физика, которую мы знаем, не может объяснить это явление. Мюон, лептон, который заменяет электрон в атоме, должен вести себя как электрон — и ведет себя, но почему это изменение влияет на размер протона? Физики этого не понимают. Может быть, они могли бы преодолеть это, но… подождите минутку. Размер протона связан с текущими физическими теориями, особенно со Стандартной моделью. Теоретики начали вентилировать это необъяснимое взаимодействие новый вид фундаментального взаимодействия. Однако пока это только предположения. Попутно проводились эксперименты с атомами дейтерия, полагая, что нейтрон в ядре может влиять на эффекты. Протоны были еще больше с мюонами вокруг, чем с электронами.

Еще одна относительно новая физическая странность — это существование, появившееся в результате исследований ученых из Тринити-колледжа в Дублине. новая форма света. Одной из измеряемых характеристик света является его угловой момент. До сих пор считалось, что во многих формах света угловой момент кратен постоянная Планка. Между тем, д-р Кайл Баллантайн и профессора Пол Истхэм i Джон Донеган открыл форму света, в которой угловой момент каждого фотона равен половине постоянной Планка.

Это замечательное открытие показывает, что даже основные свойства света, которые мы считали постоянными, могут быть изменены. Это окажет реальное влияние на исследования природы света и найдет практическое применение, например, в безопасной оптической связи. С 80-х годов физики задавались вопросом, как ведут себя частицы, движущиеся только в двух измерениях трехмерного пространства. Они обнаружили, что тогда мы будем иметь дело со многими необычными явлениями, в том числе с частицами, квантовые значения которых будут дробями. Теперь это было доказано для света. Это очень интересно, но это означает, что многие теории еще нуждаются в обновлении. И это только начало связи с новыми открытиями, вносящими брожение в физику.

Год назад в СМИ появилась информация, которую физики из Корнельского университета подтвердили в своем эксперименте. Квантовый эффект Зенона – возможность остановки квантовой системы только путем проведения непрерывных наблюдений. Он назван в честь древнегреческого философа, утверждавшего, что движение — это иллюзия, невозможная в реальности. Связь древней мысли с современной физикой — это работа Байдьянатха Мисри i Джорджа Сударшана из Техасского университета, описавшего этот парадокс в 1977 году. Дэвид Уайнленд, американский физик и лауреат Нобелевской премии по физике, с которым «МТ» общался в ноябре 2012 года, сделал первое экспериментальное наблюдение эффекта Зенона, но ученые разошлись во мнениях, подтвердил ли его эксперимент существование явления.

Визуализация эксперимента Уиллера

В прошлом году он сделал новое открытие Мукунд Венгалатторекоторый вместе со своей исследовательской группой провел эксперимент в ультрахолодовой лаборатории Корнельского университета. Ученые создали и охладили газ из примерно одного миллиарда атомов рубидия в вакуумной камере и подвесили массу между лазерными лучами. Атомы организовались и образовали решетчатую систему — они вели себя так, как если бы находились в кристаллическом теле. В очень холодную погоду они могли перемещаться с места на место на очень низкой скорости. Физики наблюдали за ними под микроскопом и подсвечивали их с помощью системы лазерной визуализации, чтобы они могли их увидеть. Когда лазер был выключен или светил малой интенсивностью, атомы свободно туннелировали, но по мере того, как лазерный луч становился ярче и измерения проводились чаще, скорость проходки резко снизилась.

Венгалатторе резюмировал свой эксперимент следующим образом: «Теперь у нас есть уникальная возможность управлять квантовой динамикой исключительно посредством наблюдения». Высмеивались ли «идеалистические» мыслители, от Зенона до Беркли, в «эпоху разума», были ли они правы в том, что объекты существуют только потому, что мы смотрим на них?

В последнее время часто появляются различные аномалии и нестыковки с годами стабилизировавшимися (по-видимому) теориями. Другой пример исходит из астрономических наблюдений — несколько месяцев назад выяснилось, что Вселенная расширяется быстрее, чем предполагают известные физические модели. Согласно статье в журнале Nature за апрель 2016 года, измерения, проведенные учеными Университета Джона Хопкинса, оказались на 8% выше, чем ожидалось современной физикой. Ученые использовали новый метод анализ так называемого стандартные свечи, т.е. источники света считаются стабильными. Опять же, комментарии научного сообщества говорят, что эти результаты указывают на серьезную проблему с текущими теориями.

Один из выдающихся современных физиков, Джон Арчибальд Уилер, предложил космическую версию известного в то время эксперимента с двумя щелями. В его мысленной конструкции свет от квазара, находящегося в миллиарде световых лет от нас, проходит по двум противоположным сторонам галактики. Если наблюдатели будут наблюдать каждый из этих путей отдельно, они увидят фотоны. Если оба сразу, то они увидят волну. Следовательно Сэм акт наблюдения изменяет природу светакоторый покинул квазар миллиард лет назад.

Согласно Уилеру, вышеизложенное доказывает, что Вселенная не может существовать в физическом смысле, по крайней мере, в том смысле, в каком мы привыкли понимать «физическое состояние». Такого не может быть и в прошлом, пока… мы не провели измерение. Таким образом, наше текущее измерение влияет на прошлое. Итак, своими наблюдениями, обнаружениями и измерениями мы формируем события прошлого, назад во времени, вплоть до… начала Вселенной!

Разрешение голограммы заканчивается

Физика черных дыр, кажется, указывает, как предполагают, по крайней мере, некоторые математические модели, что наша Вселенная не такая, как говорят нам наши чувства, то есть трехмерная (четвертое измерение — время — сообщается разумом). Реальность, которая нас окружает, может быть голограмма – проекция существенно двумерной, дальней плоскости. Если эта картина Вселенной верна, иллюзия трехмерной природы пространства-времени может быть развеяна, как только имеющиеся в нашем распоряжении исследовательские инструменты станут адекватно чувствительными. Крейг Хоган, профессор физики Фермилаба, посвятивший годы изучению фундаментальной структуры Вселенной, предполагает, что этот уровень только что был достигнут. Если Вселенная — голограмма, возможно, мы достигли пределов разрешения реальности. Некоторые физики выдвигают интригующую гипотезу о том, что пространство-время, в котором мы живем, не является в конечном счете непрерывным, а, подобно изображению на цифровой фотографии, на самом базовом уровне состоит из некоего «зерна» или «пикселя». Если это так, наша реальность должна иметь какое-то окончательное «разрешение». Именно так некоторые исследователи интерпретировали «шум», появившийся в результатах детектора гравитационных волн Geo600 несколько лет назад.

Чтобы проверить эту необычную гипотезу, Крейг Хоган и его команда разработали самый точный в мире интерферометр, названный голометр Хоганакоторый должен дать нам наиболее точное измерение самой сущности пространства-времени. Эксперимент под кодовым названием Fermilab E-990 не является одним из многих других. Он призван продемонстрировать квантовую природу самого пространства и наличие того, что ученые называют «голографическим шумом». Голометр состоит из двух расположенных рядом интерферометров, которые посылают лазерные лучи мощностью один киловатт на устройство, которое разделяет их на два перпендикулярных 40-метровых луча. Они отражаются и возвращаются к точке разделения, создавая колебания яркости световых лучей. Если они вызовут определенное движение в устройстве деления, то это будет свидетельством вибрации самого пространства.

С точки зрения квантовой физики он мог возникнуть без причины. любое количество вселенных. Мы оказались в этом конкретном, который должен был соответствовать ряду тонких условий, чтобы в нем жил человек. Мы тогда говорим о антропный мир. Для верующего достаточно одной антропной Вселенной, созданной Богом. Материалистическое мировоззрение этого не принимает и предполагает, что существует множество вселенных или что нынешняя вселенная является лишь стадией в бесконечной эволюции мультивселенной.

Автор современной версии Гипотезы Вселенной как симуляция (родственное понятие голограммы) является теоретиком Никлас Бострём. В нем говорится, что реальность, которую мы воспринимаем, является всего лишь симуляцией, о которой мы не знаем. Ученый предположил, что если можно создать достоверную симуляцию целой цивилизации или даже всей вселенной с помощью достаточно мощного компьютера, а смоделированные люди смогут испытать сознание, весьма вероятно, что таких существ будет большое количество. симуляции, созданные развитыми цивилизациями — и мы живем в одной из них, в чем-то сродни «Матрице».

Время не бесконечно

Так может пора ломать парадигмы? В их развенчании нет ничего особенно нового в истории науки и физики. Ведь можно было ниспровергнуть геоцентризм, представление о пространстве как бездействующей сцене и универсальном времени, от веры в то, что Вселенная статична, от веры в безжалостность измерения…

Местная парадигма он уже не так хорошо информирован, но он тоже умер. Эрвин Шредингер и другие создатели квантовой механики заметили, что до акта измерения наш фотон, подобно знаменитому коту, помещенному в коробку, еще не находится в определенном состоянии, будучи поляризованным вертикально и горизонтально одновременно. Что может произойти, если мы поместим два запутанных фотона очень далеко друг от друга и будем исследовать их состояние по отдельности? Теперь мы знаем, что если фотон А оказывается горизонтально поляризованным, то фотон В должен быть поляризован вертикально, даже если мы поместили его раньше за миллиард световых лет. Обе частицы не имеют точного состояния до измерения, но после открытия одной из коробок другая сразу «знает», какое свойство она должна принять. Дело доходит до некоего экстраординарного общения, происходящего вне времени и пространства. Согласно новой теории запутанности, локальность больше не является чем-то определенным, и две кажущиеся отдельными частицы могут вести себя как система координат, игнорирующая такие детали, как расстояние.

Поскольку наука имеет дело с различными парадигмами, почему бы ей не разрушить устоявшиеся взгляды, которые сохраняются в умах физиков и повторяются в исследовательских кругах? Может быть, это будет вышеупомянутая суперсимметрия, может быть, вера в существование темной энергии и материи, а может быть, идея Большого Взрыва и расширения Вселенной?

До сих пор преобладала точка зрения, согласно которой Вселенная расширяется все более быстрыми темпами и, вероятно, будет делать это бесконечно. Однако есть некоторые физики, которые отметили, что теория вечного расширения Вселенной, и особенно ее вывод о том, что время бесконечно, представляет проблему при вычислении вероятности наступления события. Некоторые ученые утверждают, что в ближайшие 5 миллиардов лет время, вероятно, истечет из-за какой-то катастрофы.

Физик Рафаэль Буссо из Калифорнийского университета и коллеги опубликовали на портале arXiv.org статью, объясняющую, что в вечной вселенной даже самые невероятные события рано или поздно произойдут — и вдобавок они будут происходить бесконечное количество раз. Поскольку вероятность определяется в терминах относительного числа событий, в вечности не имеет смысла указывать какую-либо вероятность, поскольку каждое событие будет равновероятным. «Вечная инфляция имеет глубокие последствия», — пишет Буссо. «Любое событие, имеющее ненулевую вероятность возникновения, будет происходить бесконечно много раз, чаще всего в отдаленных регионах, между которыми никогда не было контакта». Это подрывает основу вероятностных предсказаний в локальных экспериментах: если в лотерею выигрывает бесконечное число наблюдателей по всей Вселенной, то на каком основании можно говорить, что выигрыш в лотерею маловероятен? Конечно, не победителей тоже бесконечно много, но в каком смысле их больше?

Одно из решений этой проблемы, объясняют физики, состоит в том, чтобы предположить, что время истечет. Тогда будет конечное число событий, и маловероятные события будут происходить реже, чем вероятные.

Этот «разрезной» момент определяет набор определенных разрешенных событий. Поэтому физики пытались вычислить вероятность того, что время истечет. Даны пять различных методов окончания времени. В двух сценариях есть 50-процентная вероятность того, что это произойдет через 3,7 миллиарда лет. В двух других вероятность 50% в течение 3,3 миллиарда лет. В пятом сценарии осталось очень мало времени (время Планка). С большой долей вероятности он может оказаться даже в… следующую секунду.

Это не сработало?

К счастью, эти расчеты предсказывают, что большинство наблюдателей являются так называемыми Дети Больцмана, появляющиеся из хаоса квантовых флуктуаций ранней Вселенной. Поскольку большинство из нас таковыми не являются, физики отвергли этот сценарий.

«Границу можно рассматривать как объект с физическими атрибутами, включая температуру», — пишут авторы в своей статье. «Встретив конец времени, материя достигнет термодинамического равновесия с горизонтом. Это похоже на описание падения материи в черную дыру, сделанное сторонним наблюдателем».

Космическая инфляция и мультивселенная

Первое предположение состоит в том, что Вселенная постоянно расширяется до бесконечностичто является следствием общей теории относительности и хорошо подтверждается экспериментальными данными. Второе предположение состоит в том, что вероятность основана на относительная частота событий. Наконец, третье допущение заключается в том, что если пространство-время действительно бесконечно, то единственный способ определить вероятность события — это ограничить свое внимание конечное подмножество бесконечной мультивселенной.

Будет ли это иметь смысл?

Аргументы Смолина и Унгера, составляющие основу этой статьи, предполагают, что мы можем только экспериментально исследовать нашу вселенную, отвергая понятие мультивселенной. Между тем анализ данных, собранных европейским космическим телескопом «Планк», выявил наличие аномалий, которые могут указывать на давнее взаимодействие между нашей Вселенной и другой. Таким образом, просто наблюдение и эксперимент указывают на другие вселенные.

Аномалии, обнаруженные обсерваторией Планка

В настоящее время некоторые физики предполагают, что если существует существо, называемое Мультивселенная, и все составляющие его вселенные возникли в результате одного Большого взрыва, то это могло произойти между ними. столкновения. Согласно исследованиям группы обсерватории Планка, эти столкновения были бы чем-то похожи на столкновение двух мыльных пузырей, оставляя следы на внешней поверхности вселенных, которые теоретически можно было бы зарегистрировать как аномалии в распределении реликтового микроволнового излучения. Интересно, что сигналы, зафиксированные телескопом «Планк», как бы предполагают, что какая-то близкая к нам Вселенная сильно отличается от нашей, ведь разница между количеством субатомных частиц (барионов) и фотонов в ней может быть даже в десять раз больше, чем «здесь». . Это означало бы, что основные физические принципы могут отличаться от того, что мы знаем.

Обнаруженные сигналы, вероятно, исходят из ранней эры Вселенной — так называемого рекомбинациякогда протоны и электроны впервые начали сливаться вместе с образованием атомов водорода (вероятность сигнала от относительно близких источников составляет ок. 30%). Наличие этих сигналов может свидетельствовать об усилении процесса рекомбинации после столкновения нашей Вселенной с другой, с более высокой плотностью барионного вещества.

В ситуации, когда накапливаются противоречивые и чаще всего чисто теоретические домыслы, некоторые ученые заметно теряют терпение. Об этом свидетельствует резкое заявление Нила Турока из Института периметра в Ватерлоо, Канада, который в интервью NewScientist в 2015 году был раздражен тем, что «мы не в состоянии осмыслить то, что обнаруживаем». Он добавил: «Теория становится все более и более сложной и изощренной. Мы бросаем в задачу последовательные поля, измерения и симметрии, даже гаечным ключом, но не можем объяснить простейшие факты». Многих физиков явно раздражает тот факт, что современные мысленные путешествия теоретиков, такие как рассуждения выше или теория суперструн, не имеют ничего общего с экспериментами, которые в настоящее время проводятся в лабораториях, и нет никаких доказательств того, что их можно проверить экспериментально. .

Неужели это тупик и из него надо выйти, как предлагают Смолин и его друг философ? А может быть, речь идет о смятении и неразберихе перед каким-то эпохальным открытием, которое скоро нас ожидает?

Предлагаем вам ознакомиться с Темой номера в .