Unde am gresit?

Fizica s-a găsit într-o fundătură neplăcută. Deși are propriul său model standard, completat recent de particula Higgs, toate aceste progrese nu fac nimic pentru a explica marile mistere moderne, energia întunecată, materia întunecată, gravitația, asimetriile materie-antimaterie și chiar oscilațiile neutrinilor.

Roberto Unger și Lee Smolin

Lee Smolin, un cunoscut fizician care este menționat de ani de zile drept unul dintre candidații serioși la Premiul Nobel, publicat recent împreună cu filozoful Roberto Ungerem, cartea „Universul singular și realitatea timpului”. În ea, autorii analizează, fiecare din punctul de vedere al disciplinei sale, starea confuză a fizicii moderne. „Știința eșuează atunci când părăsește tărâmul verificării experimentale și a posibilității de negare”, scriu ei. Ei îi îndeamnă pe fizicieni să se întoarcă în timp și să caute un nou început.

Ofertele lor sunt destul de specifice. Smolin și Unger, de exemplu, vor să revenim la concept Un singur univers. Motivul este simplu - experimentăm un singur univers, iar unul dintre ele poate fi investigat științific, în timp ce afirmațiile cu privire la existența pluralității lor sunt neverificabile empiric.. O altă presupunere pe care Smolin și Unger propun să o accepte este următoarea. realitatea timpuluinu pentru a le oferi teoreticienilor şansa de a se îndepărta de esenţa realităţii şi de transformările ei. Și, în sfârșit, autorii îndeamnă să înfrâneze pasiunea pentru matematică, care, în modelele sale „frumoase” și elegante, se desprinde de lumea cu adevărat experimentată și posibilă. verifica experimental.

Cine știe „matematic frumos” teoria corzilor, acesta din urmă își recunoaște cu ușurință critica în postulatele de mai sus. Cu toate acestea, problema este mai generală. Multe declarații și publicații de astăzi cred că fizica a ajuns într-o fundătură. Trebuie să fi făcut o greșeală undeva pe parcurs, recunosc mulți cercetători.

Deci Smolin și Unger nu sunt singuri. Acum câteva luni în „Natura” George Ellis i Joseph Silk a publicat un articol despre protejarea integrității fiziciiprin criticarea celor care sunt din ce în ce mai înclinați să amâne la o perioadă nedeterminată „mâine” experimente pentru a testa diverse teorii cosmologice „la modă”. Ele ar trebui să fie caracterizate prin „suficientă eleganță” și valoare explicativă. „Acest lucru rupe tradiția științifică veche de secole conform căreia cunoașterea științifică este cunoaștere. confirmată empiricoamenii de știință amintesc. Faptele arată clar „impassul experimental” al fizicii moderne.. Cele mai recente teorii despre natura și structura lumii și a Universului, de regulă, nu pot fi verificate prin experimente disponibile pentru omenire.

Analogii de particule supersimetrice - Vizualizare

Prin descoperirea bosonului Higgs, oamenii de știință au „realizat” Model standard. Cu toate acestea, lumea fizicii este departe de a fi satisfăcută. Știm despre toți quarcii și leptonii, dar nu avem idee cum să reconciliăm acest lucru cu teoria gravitației a lui Einstein. Nu știm cum să combinăm mecanica cuantică cu gravitația pentru a crea o teorie coerentă a gravitației cuantice. De asemenea, nu știm ce este Big Bang-ul (sau dacă a existat într-adevăr unul).

În prezent, să-i numim fizicieni de masă, ei văd următorul pas după Modelul Standard în supersimetrie (SUSY), care prezice că fiecare particulă elementară cunoscută de noi are un „partener” simetric. Acest lucru dublează numărul total de blocuri de construcție pentru materie, dar teoria se încadrează perfect în ecuațiile matematice și, mai important, oferă șansa de a dezvălui misterul materiei întunecate cosmice. A rămas doar să așteptăm rezultatele experimentelor de la Large Hadron Collider, care vor confirma existența particulelor supersimetrice.

Cu toate acestea, încă de la Geneva nu s-au auzit astfel de descoperiri. Dacă încă nimic nou nu iese din experimentele LHC, mulți fizicieni cred că teoriile supersimetrice ar trebui retrase în liniște, precum și suprastructurăcare se bazează pe supersimetrie. Există oameni de știință care sunt gata să o apere, chiar dacă nu găsește o confirmare experimentală, pentru că teoria SUSA este „prea frumoasă pentru a fi falsă”. Dacă este necesar, intenționează să-și reevalueze ecuațiile pentru a demonstra că masele de particule supersimetrice sunt pur și simplu în afara domeniului LHC.

Anomalie anomalie păgână

Impresii - este ușor de spus! Cu toate acestea, când, de exemplu, fizicienii reușesc să pună un muon pe orbită în jurul unui proton, iar protonul „se umflă”, atunci încep să se întâmple lucruri ciudate cu fizica cunoscută nouă. Se creează o versiune mai grea a atomului de hidrogen și se dovedește că nucleul, adică. protonul dintr-un astfel de atom este mai mare (adică are o rază mai mare) decât protonul „obișnuit”.

Fizica așa cum o știm nu poate explica acest fenomen. Muonul, leptonul care înlocuiește electronul din atom, ar trebui să se comporte ca un electron - și se întâmplă, dar de ce această schimbare afectează dimensiunea protonului? Fizicienii nu înțeleg asta. Poate ar putea trece peste asta, dar... stai puțin. Dimensiunea protonului este legată de teoriile fizice actuale, în special de Modelul Standard. Teoreticienii au început să dezvăluie această interacțiune inexplicabilă un nou tip de interacțiune fundamentală. Cu toate acestea, acestea sunt doar speculații până acum. Pe parcurs, au fost efectuate experimente cu atomi de deuteriu, crezând că un neutron din nucleu poate influența efectele. Protonii erau chiar mai mari cu muonii în jur decât cu electronii.

O altă ciudățenie fizică relativ nouă este existența care a apărut ca urmare a cercetărilor efectuate de oamenii de știință de la Trinity College Dublin. noua forma de lumina. Una dintre caracteristicile măsurate ale luminii este momentul său unghiular. Până acum, se credea că în multe forme de lumină, momentul unghiular este un multiplu al constanta lui Planck. Între timp, Dr. Kyle Ballantine si profesor Paul Eastham i John Donegan a descoperit o formă de lumină în care momentul unghiular al fiecărui foton este jumătate din constanta lui Planck.

Această descoperire remarcabilă arată că chiar și proprietățile de bază ale luminii pe care le credeam constante pot fi modificate. Acest lucru va avea un impact real asupra studiului naturii luminii și va găsi aplicații practice, de exemplu, în comunicațiile optice securizate. Începând cu anii 80, fizicienii s-au întrebat cum se comportă particulele atunci când se mișcă în doar două dimensiuni ale spațiului tridimensional. Ei au descoperit că atunci vom avea de-a face cu multe fenomene neobișnuite, inclusiv cu particule ale căror valori cuantice ar fi fracții. Acum a fost dovedit pentru lumină. Acest lucru este foarte interesant, dar înseamnă că multe teorii trebuie încă actualizate. Și acesta este doar începutul conexiunii cu noile descoperiri care aduc fermentația în fizică.

În urmă cu un an, în mass-media au apărut informații pe care fizicienii de la Universitatea Cornell le-au confirmat în experimentul lor. Efect cuantic Zeno – posibilitatea de a opri un sistem cuantic numai prin efectuarea de observații continue. Este numit după filozoful grec antic care a susținut că mișcarea este o iluzie imposibilă în realitate. Conexiunea gândirii antice cu fizica modernă este lucrarea Baidyanatha Egipt i George Sudarshan de la Universitatea din Texas, care a descris acest paradox în 1977. David Wineland, un fizician american și laureat al Premiului Nobel pentru fizică, cu care MT a vorbit în noiembrie 2012, a făcut prima observație experimentală a efectului Zeno, dar oamenii de știință nu au fost de acord dacă experimentul său a confirmat existența fenomenului.

Vizualizarea experimentului Wheeler

Anul trecut a făcut o nouă descoperire Mukund Vengalattorecare, împreună cu echipa sa de cercetare, a efectuat un experiment la laboratorul de ultrarece de la Universitatea Cornell. Oamenii de știință au creat și răcit un gaz de aproximativ un miliard de atomi de rubidiu într-o cameră vid și au suspendat masa dintre fasciculele laser. Atomii s-au organizat și au format un sistem reticulat - se comportau ca și cum ar fi într-un corp cristalin. Pe vreme foarte rece, se puteau muta dintr-un loc în altul cu viteză foarte mică. Fizicienii le-au observat la microscop și le-au iluminat cu un sistem de imagistică laser pentru a le putea vedea. Când laserul a fost oprit sau la intensitate scăzută, atomii au făcut tuneluri libere, dar pe măsură ce fasciculul laser a devenit mai luminos și măsurătorile au fost făcute mai frecvent, rata de penetrare a scăzut brusc.

Vengalattore și-a rezumat experimentul după cum urmează: „Acum avem o oportunitate unică de a controla dinamica cuantică numai prin observație”. Au fost gânditorii „idealisti”, de la Zeno la Berkeley, ridiculizati în „epoca rațiunii”, aveau dreptate că obiectele există doar pentru că le privim?

Recent, au apărut adesea diverse anomalii și neconcordanțe cu teoriile (aparent) care s-au stabilizat de-a lungul anilor. Un alt exemplu vine din observațiile astronomice - în urmă cu câteva luni s-a dovedit că universul se extinde mai repede decât sugerează modelele fizice cunoscute. Conform unui articol din aprilie 2016 din Nature, măsurătorile făcute de oamenii de știință de la Universitatea Johns Hopkins au fost cu 8% mai mari decât se aștepta de fizica modernă. Oamenii de știință au folosit o nouă metodă analiza așa-numitelor lumânări standard, adică sursele de lumină sunt considerate stabile. Din nou, comentariile comunității științifice spun că aceste rezultate indică o problemă serioasă cu teoriile actuale.

Unul dintre cei mai remarcabili fizicieni moderni, John Archibald Wheeler, a propus o versiune spațială a experimentului cu dublu fante cunoscut la acea vreme. În designul său mental, lumina dintr-un quasar, la un miliard de ani lumină distanță, trece prin două părți opuse ale galaxiei. Dacă observatorii observă fiecare dintre aceste căi separat, ei vor vedea fotoni. Dacă amândouă deodată, vor vedea valul. Prin urmare Sam actul de a observa schimbă natura luminiicare a părăsit quasarul în urmă cu un miliard de ani.

Potrivit lui Wheeler, cele de mai sus demonstrează că universul nu poate exista în sens fizic, cel puțin în sensul în care suntem obișnuiți să înțelegem „o stare fizică”. Nici în trecut nu se poate întâmpla, până când... nu luăm o măsurătoare. Astfel, dimensiunea noastră actuală influențează trecutul. Deci, cu observațiile, detecțiile și măsurătorile noastre, modelăm evenimentele din trecut, înapoi în timp, până la... începutul Universului!

Rezoluția hologramei se încheie

Fizica găurii negre pare să indice, așa cum sugerează cel puțin unele modele matematice, că universul nostru nu este ceea ce simțurile noastre ne spun să fie, adică tridimensional (a patra dimensiune, timpul, este informată de minte). Realitatea care ne înconjoară poate fi holograma este o proiecție a unui plan îndepărtat în esență bidimensional. Dacă această imagine a universului este corectă, iluzia naturii tridimensionale a spațiu-timpului poate fi risipită de îndată ce instrumentele de cercetare de care dispunem devin suficient de sensibile. Craig Hogan, un profesor de fizică la Fermilab care a dedicat ani de zile studierii structurii fundamentale a universului, sugerează că acest nivel tocmai a fost atins. Dacă universul este o hologramă, poate că am atins limitele rezoluției realității. Unii fizicieni au înaintat ipoteza intrigantă că spațiul-timp în care trăim nu este în cele din urmă continuu, ci, ca o imagine dintr-o fotografie digitală, la nivelul său cel mai de bază constă într-un fel de „granule” sau „pixel”. Dacă da, realitatea noastră trebuie să aibă un fel de „rezoluție” finală. Așa au interpretat unii cercetători „zgomotul” apărut în rezultatele detectorului de unde gravitaționale Geo600 în urmă cu câțiva ani.

Pentru a testa această ipoteză neobișnuită, Craig Hogan și echipa sa au dezvoltat cel mai precis interferometru din lume, numit Holometru Hogancare ar trebui să ne ofere cea mai precisă măsurare a însăși esenței spațiu-timpului. Experimentul, cu numele de cod Fermilab E-990, nu este unul dintre multe altele. Acesta își propune să demonstreze natura cuantică a spațiului însuși și prezența a ceea ce oamenii de știință numesc „zgomot holografic”. Holometrul constă din două interferometre unul lângă altul care trimit fascicule laser de un kilowatt către un dispozitiv care le împarte în două fascicule perpendiculare de 40 de metri. Ele sunt reflectate și returnate la punctul de separare, creând fluctuații în luminozitatea razelor de lumină. Dacă provoacă o anumită mișcare în dispozitivul de divizare, atunci aceasta va fi o dovadă a vibrației spațiului însuși.

Din punctul de vedere al fizicii cuantice, ar putea apărea fără un motiv. orice număr de universuri. Am ajuns în acest anume, care trebuia să îndeplinească o serie de condiții subtile pentru ca o persoană să trăiască în el. Vorbim apoi despre lume antropică. Pentru un credincios este suficient un univers antropic creat de Dumnezeu. Viziunea materialistă asupra lumii nu acceptă acest lucru și presupune că există multe universuri sau că universul actual este doar o etapă în evoluția infinită a multiversului.

Autorul versiunii moderne Ipotezele universului ca simulare (un concept înrudit al hologramei) este un teoretician Niklas Bostrum. Afirmă că realitatea pe care o percepem este doar o simulare de care nu suntem conștienți. Omul de știință a sugerat că, dacă poți crea o simulare fiabilă a unei întregi civilizații sau chiar a întregului univers folosind un computer suficient de puternic, iar oamenii simulați pot experimenta conștiința, este foarte probabil să existe un număr mare de astfel de creaturi. simulări create de civilizații avansate - și trăim într-una dintre ele, în ceva asemănător cu „Matricea”.

Timpul nu este infinit

Deci poate este timpul să spargem paradigmele? Dezmințirea lor nu este nimic deosebit de nou în istoria științei și fizicii. La urma urmei, a fost posibilă subminarea geocentrismului, noțiunea de spațiu ca etapă inactivă și timp universal, din credința că Universul este static, din credința în nemilosirea măsurării...

paradigmă locală nu mai este atât de bine informat, dar și el este mort. Erwin Schrödinger si alti creatori ai mecanicii cuantice au observat ca inainte de actul masurarii, fotonul nostru, ca si celebra pisica asezata intr-o cutie, nu se afla inca intr-o anumita stare, fiind polarizat pe verticala si orizontala in acelasi timp. Ce s-ar putea întâmpla dacă plasăm doi fotoni încâlciți foarte depărtați unul de celălalt și le examinăm separat starea? Acum știm că dacă fotonul A este polarizat orizontal, atunci fotonul B trebuie să fie polarizat vertical, chiar dacă l-am plasat cu un miliard de ani lumină mai devreme. Ambele particule nu au o stare exactă înainte de măsurare, dar după deschiderea uneia dintre cutii, cealaltă „știe” imediat ce proprietate ar trebui să aibă. Este vorba de o comunicare extraordinară care are loc în afara timpului și spațiului. Conform noii teorii a încurcăturii, localitatea nu mai este o certitudine, iar două particule aparent separate se pot comporta ca un cadru de referință, ignorând detalii precum distanța.

Întrucât știința se ocupă de paradigme diferite, de ce nu ar trebui să spargă opiniile fixe care persistă în mintea fizicienilor și se repetă în cercurile de cercetare? Poate că va fi suprasimetria menționată mai sus, poate credința în existența energiei și materiei întunecate, sau poate ideea Big Bang-ului și a expansiunii Universului?

Până acum, opinia predominantă a fost că universul se extinde într-un ritm din ce în ce mai mare și probabil că va continua să o facă la nesfârșit. Cu toate acestea, există unii fizicieni care au observat că teoria expansiunii eterne a universului, și mai ales concluzia ei că timpul este infinit, prezintă o problemă în calcularea probabilității ca un eveniment să se producă. Unii oameni de știință susțin că în următoarele 5 miliarde de ani, probabil că timpul se va epuiza din cauza unui fel de catastrofe.

Fizician Rafael Busso de la Universitatea din California și colegii săi au publicat un articol pe arXiv.org în care explică că într-un univers etern, chiar și cele mai incredibile evenimente se vor întâmpla mai devreme sau mai târziu - și în plus, se vor întâmpla. de un număr infinit de ori. Deoarece probabilitatea este definită în termeni de numărul relativ de evenimente, nu are sens să enunțăm vreo probabilitate în eternitate, deoarece fiecare eveniment va fi la fel de probabil. „Inflația perpetuă are consecințe profunde”, scrie Busso. „Orice eveniment care are o probabilitate diferită de zero de a se produce va avea loc de nenumărate ori, cel mai adesea în regiuni îndepărtate care nu au fost niciodată în contact.” Acest lucru subminează baza predicțiilor probabilistice din experimentele locale: dacă un număr infinit de observatori din tot universul câștigă la loterie, atunci pe ce bază poți spune că este puțin probabil să câștigi la loterie? Bineînțeles, există și infinit de necâștigători, dar în ce sens sunt mai mulți dintre ei?

O soluție la această problemă, explică fizicienii, este să presupunem că timpul se va epuiza. Apoi va exista un număr finit de evenimente și evenimentele improbabile vor avea loc mai puțin frecvent decât cele probabile.

Acest moment „tăiat” definește un set de anumite evenimente permise. Așa că fizicienii au încercat să calculeze probabilitatea ca timpul să expire. Sunt date cinci metode diferite de încheiere a timpului. În cele două scenarii, există o șansă de 50% ca acest lucru să se întâmple în 3,7 miliarde de ani. Celelalte două au o șansă de 50% în 3,3 miliarde de ani. A mai rămas foarte puțin timp în al cincilea scenariu (ora Planck). Cu un grad mare de probabilitate, el poate chiar să fie în ... următoarea secundă.

Nu a mers?

Din fericire, aceste calcule prevăd că majoritatea observatorilor sunt așa-numiții Copii Boltzmann, care ies din haosul fluctuațiilor cuantice din universul timpuriu. Pentru că majoritatea dintre noi nu sunt, fizicienii au respins acest scenariu.

„Granița poate fi privită ca un obiect cu atribute fizice, inclusiv temperatura”, scriu autorii în lucrarea lor. „După ce a întâlnit sfârșitul timpului, materia va atinge echilibrul termodinamic cu orizontul. Aceasta este similară cu descrierea materiei care cade într-o gaură neagră, făcută de un observator din exterior.”

Inflația cosmică și multiversul

Prima presupunere este că Universul se extinde constant la infinitcare este o consecință a teoriei generale a relativității și este bine confirmată de datele experimentale. A doua presupunere este că probabilitatea se bazează pe frecvența relativă a evenimentelor. În cele din urmă, a treia presupunere este că, dacă spațiu-timp este cu adevărat infinit, atunci singura modalitate de a determina probabilitatea unui eveniment este să vă limitați atenția. o submulțime finită a multiversului infinit.

Va avea sens?

Argumentele lui Smolin și Unger, care stau la baza acestui articol, sugerează că nu putem explora universul decât experimental, respingând noțiunea de multivers. Între timp, o analiză a datelor culese de telescopul spațial european Planck a relevat prezența unor anomalii care pot indica o interacțiune de lungă durată între universul nostru și altul. Astfel, simpla observare și experiment indică alte universuri.

Anomalii descoperite de Observatorul Planck

Unii fizicieni speculează acum că, dacă există o ființă numită Multivers și toate universurile sale constitutive, au apărut într-un singur Big Bang, atunci s-ar fi putut întâmpla între ei. ciocniri. Potrivit cercetărilor echipei Observatorului Planck, aceste ciocniri ar fi oarecum asemănătoare cu ciocnirea a două bule de săpun, lăsând urme pe suprafața exterioară a universurilor, care teoretic ar putea fi înregistrate ca anomalii în distribuția radiației de fond cu microunde. Interesant este că semnalele înregistrate de telescopul Planck par să sugereze că un fel de Univers apropiat de noi este foarte diferit de al nostru, deoarece diferența dintre numărul de particule subatomice (barioni) și fotoni din el poate fi chiar de zece ori mai mare decât „ Aici". . Aceasta ar însemna că principiile fizice de bază pot diferi de ceea ce știm.

Semnalele detectate provin probabil dintr-o epocă timpurie a universului - așa-numita recombinarecând protonii și electronii au început să se contopească pentru a forma atomi de hidrogen (probabilitatea unui semnal din surse relativ apropiate este de aproximativ 30%). Prezența acestor semnale poate indica o intensificare a procesului de recombinare după ciocnirea Universului nostru cu altul, cu o densitate mai mare de materie barionică.

Într-o situație în care se acumulează presupuneri contradictorii și de cele mai multe ori pur teoretice, unii oameni de știință își pierd vizibil răbdarea. Acest lucru este evidențiat de o declarație puternică a lui Neil Turok de la Perimeter Institute din Waterloo, Canada, care, într-un interviu din 2015 cu NewScientist, a fost enervat că „nu suntem capabili să înțelegem ceea ce descoperim”. El a adăugat: „Teoria devine din ce în ce mai complexă și mai sofisticată. Aruncăm probleme succesive câmpuri, măsurători și simetrii, chiar și cu o cheie, dar nu putem explica cele mai simple fapte. Mulți fizicieni sunt în mod evident enervați de faptul că călătoriile mentale ale teoreticienilor moderni, cum ar fi raționamentul de mai sus sau teoria superstringurilor, nu au nimic de-a face cu experimentele care se desfășoară în prezent în laboratoare și nu există nicio dovadă că acestea pot fi testate. experimental. .

Este într-adevăr o fundătură și este necesar să ieșim din ea, așa cum sugerează Smolin și prietenul său, filozoful? Sau poate vorbim despre confuzie și confuzie înainte de un fel de descoperire epocală care ne va aștepta în curând?

Vă invităm să vă familiarizați cu Subiectul problemei în.