Hugh Everett tietysti yritti keskustella "monien maailmojen" teoriastaan ​​muiden fyysikkojen kanssa, mutta sai vastaukseksi vain yllätyksen tai välinpitämättömyyden. Eräs fyysikko, Bryce DeWitt Texasin yliopistosta, jopa vastusti Everettin teoriaa ja sanoi: "En vain voi tuntea olevani jakautunut." Mutta tämä reaktio muistutti Everettiä Galileon kriitikkojen reaktiosta, koska he sanoivat, etteivät he tunteneet Maan liikettä. (Ajan mittaan Devitt loikkasi Everettin puolelle ja hänestä tuli yksi tämän teorian johtavista kannattajista.)

Useiden vuosikymmenten ajan monien maailmojen teoria vaipui hämärässä. Hän vaikutti liian upealta ollakseen totta. John Wheeler, Everettin Princetonin konsultti, päätteli lopulta, että konseptissa oli liikaa "ylimääräistä matkatavaraa". Mutta jossain vaiheessa Everettin teoria tuli yhtäkkiä muotiin ja nyt se nauttii vakavasta kiinnostuksesta fysiikan maailmaan. Tosiasia on, että fyysikot yrittävät tällä hetkellä soveltaa kvanttiteoriaa viimeiselle alueelle, joka on toistaiseksi pysynyt "kvantoimattomana": itse universumiin. Ja yritys soveltaa epävarmuusperiaatetta koko universumiin kokonaisuutena herättää luonnollisesti eloon Multiverse-käsitteen.

Käsite "kvanttikosmologia" näyttää ensi silmäyksellä olevan terminologisesti ristiriitainen: loppujen lopuksi kvanttiteoria käsittelee atomien pientä maailmaa, kun taas kosmologia käsittelee maailmankaikkeutta kokonaisuutena. Mutta harkitse tätä: alkuräjähdyksen aikaan maailmankaikkeus oli paljon pienempi kuin elektroni. Jokainen fyysikko on samaa mieltä siitä, että elektronia tulisi tarkastella kvanttiteorian näkökulmasta; tämä tarkoittaa, että elektroni on kuvattu todennäköisyysaaltoyhtälöllä (Dirac-yhtälö) ja se voi esiintyä useissa rinnakkaisissa tiloissa. Mutta jos elektroni pitäisi kvantisoida ja maailmankaikkeus oli kerran pienempi kuin elektroni, silloin maailmankaikkeus täytyy myös kvantisoida ja esiintyä rinnakkaisissa tiloissa. Tästä syystä tämä teoria johtaa luonnollisesti ajatukseen maailmojen moninaisuudesta.

Niels Bohrin Kööpenhaminan tulkinta, jota sovelletaan koko universumiin, kohtaa kuitenkin vakavia vaikeuksia. Yleisesti ottaen Kööpenhaminan tulkinta, vaikka sitä opetetaan jokaisella kvanttimekaniikan jatkokurssilla, tarvitsee "tarkkailijan", jonka havainnot todella aiheuttavat aaltofunktion romahtamisen. Osoittautuu, että makromaailman kiinnittämiseksi tiettyyn tilaan havainnointiprosessi on ehdottoman välttämätön. Mutta kuinka voi olla maailmankaikkeuden "ulkopuolella" ja tarkkailla universumia ulkopuolelta? Jos universumia kuvataan tietyllä aaltofunktiolla, kuinka "ulkopuolinen" tarkkailija voi määrittää universumin tietyn tilan ja pakottaa tämän funktion romahtamaan? Lisäksi jotkut tutkijat pitävät universumia "ulkopuolelta" mahdottomuus tarkkailla Kööpenhaminan tulkinnan kriittisenä, jopa kohtalokkaana puutteena.

"Monen maailman" käsitteessä tämä ongelma ratkaistaan ​​hyvin yksinkertaisesti: Universumi yksinkertaisesti on olemassa samanaikaisesti useissa rinnakkaisissa tiloissa, jotka määritetään pääaaltofunktiolla, joka tunnetaan universumin aaltofunktiona. Kvanttikosmologian mukaan universumi syntyi tyhjiön kvanttivaihtelusta, ts. kuin pieni tila-aika-vaahtokupla. Useimmat vastasyntyneet avaruus-aika-vaahtouniversumit kokevat alkuräjähdyksen ja sitten välittömästi suuren rysähdyksen. Tämä tarkoittaa, että jopa "tyhjyydessä" lakkaamattoman toiminnan kiehuessa pieniä universumeja ilmaantuu ja heti katoaa, mutta näiden tapahtumien mittakaava on liian pieni karkeille instrumenteillemme. Eräänä päivänä jostain syystä yksi avaruus-aika-vaahtokupista ei romahtanut takaisin ja kadonnut omassa Big Squeezessaan, vaan laajeni edelleen. Tämä oli meidän universumimme. Jos kuuntelet Alan Gutia, käy ilmi, että koko universumimme on yksi suuri ilmaislahja.

Kvanttikosmologiassa fyysikot aloittavat Schrödingerin yhtälön analogilla, joka kuvaa elektronien ja atomien aaltofunktioita. He käyttävät myös DeWitt-Wheeler-yhtälöä, joka vaikuttaa "universumin aaltofunktioon". Yleensä Schrödingerin aaltofunktio määritellään jokaisessa pisteessä tilassa ja ajassa, joten voimme laskea todennäköisyyden löytää elektroni missä tahansa pisteessä tilassa ja ajassa. Mutta "universumin aaltofunktio" on määritelty kaikkien mahdollisten universumien joukossa. Jos käy ilmi, että tämä aaltofunktio tietylle universumille on suuri, se tarkoittaa, että annettu universumi on tässä tilassa suurella todennäköisyydellä.

Hawking tukee juuri tätä näkemystä. Hän väittää, että universumimme on erityinen, ainutlaatuinen ja erilainen kuin kaikki muut universumit. Jos universumimme aaltofunktio on suuri, niin suurimmalle osalle loput se on melkein nolla. Osoittautuu, että on olemassa nollasta poikkeava, mutta hyvin pieni todennäköisyys, että muita kuin meidän maailmankaikkeuksia voi olla Multiversessa, mutta meidän universumimme on olemassa suurimmalla todennäköisyydellä. Yleisesti ottaen Hawking yrittää loogisesti perustella inflaatioilmiötä tällä tavalla. Tässä maailmankuvassa universumi, jossa inflaatioprosessi alkaa, on yksinkertaisesti todennäköisempi kuin universumi, jossa ei tapahdu mitään vastaavaa, joten universumissamme tällainen prosessi tapahtui.

Teoria universumimme alkuperästä aika-avaruusvaahdon "tyhjyydestä" näyttää ensi silmäyksellä täysin todentamattomalta; kuitenkin se yhtyy muutamiin yksinkertaisiin huomioihin. Ensinnäkin monet fyysikot ovat huomauttaneet hämmästyttävästä tosiasiasta, että positiivisten ja negatiivisten sähkövarausten summa universumissamme on nolla - ainakin kokeellisen virheen sisällä. Meistä tuntuu luonnolliselta, että painovoima on hallitseva voima avaruudessa, mutta tämä johtuu vain siitä, että negatiiviset ja positiiviset varaukset kumoavat täsmälleen toisensa. Jos maapallolla olisi pienintäkään epätasapainoa positiivisten ja negatiivisten varausten välillä, sähkövoimat voisivat hyvinkin todennäköisesti voittaa gravitaatiovoimat, jotka sitovat maapallon yhteen ja repivät planeettamme erilleen. Tarkka tasapaino positiivisten ja negatiivisten kokonaisvarausten välillä on helposti selitettävissä erityisesti sillä tosiasialla, että maailmankaikkeus syntyi "ei mistään" ja "ei-millään" on nolla sähkövaraus.

Toiseksi, universumissamme on nolla spin. Kurt Gödel yritti monien vuosien ajan todistaa, että universumimme pyörii analysoimalla ja summaamalla eri galaksien spinejä, mutta nykyään tähtitieteilijät ovat vakuuttuneita siitä, että universumimme kokonaisspin on nolla. Tämä tosiasia voidaan jälleen selittää helposti sillä tosiasialla, että maailmankaikkeus syntyi "ei mistään" ja "ei-millään" on nolla spin. Kolmanneksi Universumin syntyminen tyhjästä auttaisi selittämään, miksi energia-aineen kokonaissisältö siinä on niin pieni ja ehkä jopa yhtä suuri kuin nolla. Jos lasket yhteen aineen positiivisen energian ja painovoimaan liittyvän negatiivisen energian, ne ilmeisesti kumoavat toisensa. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan, jos universumi on suljettu ja äärellinen, siinä olevan aineen-energian kokonaismäärän tulisi olla täsmälleen nolla. (Jos maailmankaikkeus on avoin ja ääretön, tämä ei välttämättä pidä paikkaansa, mutta inflaatioteoria osoittaa silti, että aineen-energian kokonaismäärä universumissamme on erittäin pieni.)

Kaikki tämä jättää avoimeksi yhden mielenkiintoisen kysymyksen. Jos fyysikot eivät voi sulkea pois mahdollisuutta useiden rinnakkaisten universumien olemassaoloon, niin onko niihin mahdollista saada yhteys? Vierailla heillä? Tai ehkä olentoja muista universumeista on jo ollut maailmassamme?

Kosketus muiden kvanttiuniversumien kanssa, jotka eivät ole synkronoitu meidän kanssamme, vaikuttaa erittäin epätodennäköiseltä. Syy siihen, että universumimme on menettänyt synkronoinnin muiden universumien kanssa, on se, että atomimme törmäävät jatkuvasti ympäröivän maailman muiden atomien kanssa. Joka kerta kun atomin aaltofunktio törmää, se kutistuu hieman; mikä tarkoittaa, että rinnakkaisten universumien määrä vähenee. Jokainen törmäys vähentää mahdollisten vaihtoehtojen määrää. Triljoonia tällaisia ​​atomien "mini-romahtamia" luo illuusion, että kaikki kehomme atomit ovat täysin romahtaneet ja jäätyneet tiettyyn tilaan. Einsteinin "objektiivinen todellisuus" on vain illuusio, joka johtuu siitä tosiasiasta, että valtava määrä atomeja kehossamme törmää jatkuvasti toisiinsa; ja jokaisen tällaisen törmäyksen myötä mahdollisten universumien määrä vähenee.

Tätä tilannetta voidaan verrata kameran linssissä olevaan epätarkenneeseen kuvaan. Samoin mikrokosmosessa kaikki näyttää muuttuvalta ja epävarmalta. Mutta heti kun hieman korjaat kameran tarkennusta, kuvaan ilmestyy uusia yksityiskohtia; jokaisella säädöllä koko kuvasta tulee terävämpi ja terävämpi. Joten biljoonat pienet atomien törmäykset viereisten atomien kanssa yhä uudelleen ja uudelleen vähentävät mahdollisten universumien määrää. Siten olemme siirtymässä sujuvasti muuttuvasta mikrokosmosta vakaaseen makrokosmoseen.

Siksi vuorovaikutuksen todennäköisyys toisen, samanlaisen kvanttiuniversumin kanssa, jos se ei ole nolla, putoaa nopeasti kehosi atomien määrän lisääntyessä. Mutta jokaisessa meissä on biljoonia ja biljoonia atomeja, joten mahdollisuus muodostaa yhteys toiseen maailmankaikkeuteen, jossa on dinosauruksia tai muukalaisia, on äärettömän pieni. Voidaan laskea, että tällaisen tapahtuman odottaminen kestää paljon kauemmin kuin maailmankaikkeus on olemassa.

Emme siis voi täysin sulkea pois kontaktia rinnakkaisten kvanttiuniversumien kanssa, mutta on selvää, että tämä tapahtuma tulee olemaan erittäin harvinainen - loppujen lopuksi universumimme on menettänyt koherenssinsa niiden kanssa. Mutta kosmologiassa kohtaamme myös toisen tyyppisen rinnakkaisuniversumin: Multiversen, joka koostuu universumeista, jotka elävät rinnakkain toistensa kanssa kuin saippuakuplia kuplakylvyssä. Kosketus toisen universumin kanssa Multiversessa on täysin erilainen tarina. Tämä on varmasti vaikea ongelma, mutta on mahdollista, että sivilisaatio pystyy ratkaisemaan sen.

Kuten olemme jo käsitelleet, avaruuden aukon avaamiseksi tai aika-avaruusvaahdon lisäämiseksi tarvitaan energiaa, joka on suuruusluokaltaan verrattavissa Planckin energiaan, jossa kaikki tunnetut fysikaaliset lait yleensä romahtavat. Tila ja aika tässä energiassa ovat epävakaita, mikä avaa mahdollisuuden lähteä universumistamme (olettaen tietysti, että muita universumeja on olemassa, emmekä kuole siirtymäprosessissa).

Tätä kysymystä ei yleisesti ottaen voida kutsua puhtaasti akateemiseksi, koska jonain päivänä älykäs elämä universumissa kohtaa väistämättä maailmankaikkeuden kuoleman ongelman. Loppujen lopuksi Multiverse-teoria voi osoittautua säästäväksi kaikelle älykkäälle elämälle universumissamme.. Äskettäin WMAP-satelliitista saadut tiedot vahvistavat sen tosiasian, että universumi laajenee kiihtyvällä vauhdilla, ja on mahdollista, että jonain päivänä me kaikki olla uhattu kuolemalla niin kutsutun suuren pakkasen muodossa. Ajan myötä koko universumi muuttuu mustaksi; kaikki taivaan tähdet sammuvat ja vain kuolleet tähdet, neutronitähdet ja mustat aukot jäävät universumiin. Jopa kehomme atomit voivat alkaa rapistua. Lämpötilat laskevat lähelle absoluuttista nollaa ja elämästä tulee mahdotonta.

Maailmankaikkeuden lähestyessä tätä kohtaa kehittynyt sivilisaatio, joka kohtaa maailmansa lopullisen kuoleman, saattaa hyvinkin harkita siirtymistä toiseen universumiin. Näillä olennoilla ei ole juurikaan valinnanvaraa - jäätyä kuoliaaksi tai lähteä tästä maailmasta. Fysiikan lait ovat kuolemantuomio mille tahansa älykkäälle elämälle - mutta nämä samat lait voivat myös tarjota älykkäille olennoille kapean porsaanreiän.

Tällaisen sivilisaation on valjastettava jättimäisten kiihdytinten ja lasersäteiden energia, joka vastaa teholtaan koko aurinkokuntaa tai jopa tähtijoukkoa, ja keskitettävä se yhteen pisteeseen saadakseen legendaarisen Planck-energian. Ehkä tämä riittää avaamaan madonreiän tai polun toiseen universumiin. On mahdollista, että sivilisaatio käyttää alamaansa valtavaa energiaa madonreiän luomiseen ja sen kautta toiseen universumiin jättäen oman universuminsa kuolemaan ja aloittaen uuden elämän uudessa talossa.

Riippuen näkökulmasta, kvanttiteoria on joko todistus tieteen valtavasta edistyksestä tai symboli ihmisen intuition rajoituksista, jotka joutuvat kamppailemaan subatomien alueen omituisuuksia vastaan. Fyysikolle kvanttimekaniikka on yksi kolmesta suuresta pilarista, joille luonnon ymmärtäminen perustuu (yhdessä Einsteinin yleisten ja erityisten suhteellisuusteorioiden kanssa). Niille, jotka ovat aina halunneet ymmärtää ainakin jotain maailman rakenteen perusmallista, tutkijat Brian Cox ja Jeff Forshaw selittävät kirjassaan "The Quantum Universe", jonka julkaisi MIF. T & P julkaisee lyhyen katkelman kvantin olemuksesta ja teorian alkuperästä.

Einsteinin teoriat käsittelevät tilan ja ajan luonnetta ja painovoimaa. Kvanttimekaniikka huolehtii kaikesta muusta, ja voidaan sanoa, että riippumatta siitä, kuinka emotionaalisesti houkutteleva, hämmentävä tai kiehtova se on, se on vain fysikaalinen teoria, joka kuvaa kuinka luonto todellisuudessa käyttäytyy. Mutta vaikka tällä hyvin pragmaattisella kriteerillä mitataan, se on hämmästyttävä tarkkuudeltaan ja selittävältä voimaltaan. Kvanttielektrodynamiikan alalta on yksi kokeilu, joka on vanhin ja parhaiten ymmärretty nykyaikaisista kvanttiteorioista. Se mittaa elektronin käyttäytymistä magneetin lähellä. Teoreettiset fyysikot työskentelivät kovasti vuosia kynän ja paperin sekä myöhemmin tietokoneiden kanssa ennustaakseen tarkalleen, mitä tällaiset tutkimukset paljastaisivat. Ammatinharjoittajat keksivät ja järjestivät kokeita saadakseen lisätietoja luonnosta. Molemmat leirit, toisistaan ​​riippumatta, antoivat tulokset samanlaisella tarkkuudella kuin Manchesterin ja New Yorkin välisen etäisyyden mittaaminen muutaman senttimetrin virheellä. On huomionarvoista, että kokeilijoiden saamat luvut vastasivat täysin teoreetikkojen laskelmien tuloksia; mittaukset ja laskelmat olivat täysin samaa mieltä.

Kvanttiteoria on ehkä paras esimerkki siitä, kuinka useimpien ihmisten äärettömän vaikea ymmärtää tulee erittäin hyödylliseksi. Sitä on vaikea ymmärtää, koska se kuvaa maailmaa, jossa hiukkanen voi itse asiassa olla useassa paikassa samanaikaisesti ja liikkua paikasta toiseen tutkien siten koko maailmankaikkeutta. Siitä on hyötyä, koska universumin pienimpien rakennuspalikoiden käyttäytymisen ymmärtäminen vahvistaa ymmärrystä kaikesta muusta. Se asettaa rajan ylimielisyydellemme, koska maailma on paljon monimutkaisempi ja monipuolisempi kuin miltä se näytti. Kaikesta tästä monimutkaisuudesta huolimatta huomasimme, että kaikki koostuu monista pienistä hiukkasista, jotka liikkuvat kvanttiteorian lakien mukaisesti. Nämä lait ovat niin yksinkertaisia, että ne voidaan kirjoittaa kirjekuoren kääntöpuolelle. Ja se, että koko kirjastoa ei vaadita selittämään asioiden syvällisyyttä, on sinänsä yksi maailman suurimmista mysteereistä.

Kuvittele maailma ympärillämme. Oletetaan, että pidät kädessäsi paperista tehtyä kirjaa - hiottua puumassaa. Puut ovat koneita, jotka pystyvät ottamaan atomeja ja molekyylejä, hajottamaan ne ja järjestämään ne uudelleen miljardien yksittäisten kappaleiden pesäkkeiksi. He tekevät tämän klorofylliksi tunnetun molekyylin ansiosta, joka koostuu yli sadasta hiili-, vety- ja happiatomista, jotka ovat kaarevia erityisellä tavalla ja sitoutuneet muutamaan magnesium- ja vetyatomiin. Tällainen hiukkasten yhdistelmä pystyy vangitsemaan valoa, joka on lentänyt 150 000 000 km päässä tähdestämme - ydinkammiosta, jonka tilavuus on miljoona planeettaa kuin Maan - ja kuljettaa tämän energian syvälle soluihin, missä se luo uusia molekyylejä hiilidioksidista. ja vesi ja päästöt antavat elämällemme happea.

Juuri nämä molekyyliketjut muodostavat ylärakenteen, joka pitää yhdessä puita, tämän kirjan paperia ja kaikkea elämää. Pystyt lukemaan kirjaa ja ymmärtämään sanat, koska sinulla on silmät, jotka voivat muuttaa sivuilta sironneen valon sähköimpulsseiksi, joita aivot voivat tulkita, maailmankaikkeuden monimutkaisin rakenne, jonka tiedämme. Olemme havainneet, että kaikki asiat maailmassa eivät ole muuta kuin atomien kokoelma ja laajin atomivalikoima koostuu vain kolmesta hiukkasesta - elektroneista, protoneista ja neutroneista. Tiedämme myös, että itse protonit ja neutronit koostuvat pienemmistä kokonaisuuksista, joita kutsutaan kvarkeiksi, ja ne ovat kaiken loppu - ainakin näin ajattelemme nyt. Kaikki tämä perustuu kvanttiteoriaan.

Siten moderni fysiikka piirtää kuvan universumista, jossa elämme, poikkeuksellisen yksinkertaisella tavalla; elegantteja ilmiöitä esiintyy jossain, missä niitä ei voi nähdä, mikä synnyttää makrokosmoksen monimuotoisuuden. Ehkä tämä on modernin tieteen merkittävin saavutus - maailman, mukaan lukien ihmiset itse, uskomattoman monimutkaisuuden pelkistyminen kuvaukseksi kourallisen pienten subatomisten hiukkasten ja neljän niiden välillä vaikuttavan voiman käyttäytymisestä. Parhaat kuvaukset kolmesta näistä neljästä voimasta - atomiytimen sisällä olevista vahvoista ja heikoista ydinvoimista sekä atomeja ja molekyylejä yhdessä pitävästä sähkömagneettisesta voimasta - tarjoavat kvanttiteoria. Vain painovoimalla - heikoimmalla, mutta ehkä tutuimmalla voimalla - ei tällä hetkellä ole tyydyttävää kvanttikuvausta.

Meidän on myönnettävä, että kvanttiteorialla on hieman outo maine, ja sen nimi peittää paljon todellista hölynpölyä. Kissat voivat olla sekä eläviä että kuolleita samanaikaisesti; hiukkaset ovat kahdessa paikassa samaan aikaan; Heisenberg väittää, että kaikki on epävarmaa. Kaikki tämä on todellakin totta, mutta tästä usein seuraavat johtopäätökset - kun mikrokosmuksessa tapahtuu jotain outoa, sitten olemme sumun sumussa - ovat ehdottomasti vääriä. Ekstrasensorinen havainto, mystisiä parannuksia, värähteleviä rannekoruja, jotka suojaavat säteilyltä, ja kuka tietää mitä muuta säännöllisesti livahtaa mahdollisen panteoniin sanan "kvantti" varjolla. Tämä hölynpöly johtuu kyvyttömyydestä ajatella selkeästi, itsepetoksesta, aidosta tai teeskennellystä väärinkäsityksestä tai jostain erityisen valitettavasta yhdistelmästä kaikkea edellä mainittua. Kvanttiteoria kuvaa tarkasti maailmaa matemaattisilla laeilla, jotka ovat yhtä tarkkoja kuin Newtonin tai Galileon käyttämät. Tästä syystä voimme laskea elektronin magneettikentän uskomattomalla tarkkuudella. Kvanttiteoria tarjoaa kuvauksen luonnosta, jolla, kuten opimme, on valtava ennustus- ja selitysvoima ja se ulottuu kaikkeen piisiruista tähtiin.

Kuten usein tapahtuu, kvanttiteorian syntyminen provosoi luonnonilmiöiden löytämisen, joita ei voitu kuvata tuon ajan tieteellisillä paradigmoilla. Kvanttiteorian kannalta tällaisia ​​löytöjä oli monia, ja lisäksi ne olivat luonteeltaan erilaisia. Sarja selittämättömiä tuloksia synnytti jännitystä ja hämmennystä, ja lopulta sai aikaan kokeellisen ja teoreettisen innovaation ajanjakson, joka todella ansaitsee suositun termin "kultainen aika". Päähenkilöiden nimet ovat ikuisesti juurtuneet jokaisen fysiikan opiskelijan mieleen ja mainitaan useammin kuin muut yliopiston kursseilla tähän päivään asti: Rutherford, Bohr, Planck, Einstein, Pauli, Heisenberg, Schrödinger, Dirac. Ehkä historiassa ei enää koskaan tule ajanjaksoa, jolloin niin monet nimet yhdistetään tieteen suuruuteen samalla kun edetään kohti yhtä päämäärää - uuden teorian luomista fyysistä maailmaa hallitsevista atomeista ja voimista. Vuonna 1924 katsellessaan taaksepäin kvanttiteorian aikaisempia vuosikymmeniä Ernest Rutherford, uusiseelantilainen fyysikko, joka löysi atomiytimen, kirjoitti: "Vuosi 1896 … merkitsi alkua sille, mitä on varsin osuvasti kutsuttu fysiikan tieteen sankarikaudeksi. Koskaan aiemmin fysiikan historiassa ei ole ollut tällaista kuumeisen toiminnan jaksoa, jonka aikana jotkin perustavanlaatuiset löydöt ovat korvanneet toiset huimaa vauhtia.

Vain 30. kesäkuuta asti T&P:n lukijat saavat alennusta kirjan paperi- ja sähköisistä versioista. Alennukset aktivoituvat, kun napsautat linkkejä.

Termi "kvantti" ilmestyi fysiikkaan vuonna 1900 Max Planckin työn ansiosta. Hän yritti teoreettisesti kuvata kuumennettujen kappaleiden lähettämää säteilyä - niin sanottua "täysin mustan kappaleen säteilyä". Muuten, tiedemiehen palkkasi tähän tarkoitukseen sähkövalaistusta harjoittava yritys: näin universumin ovet joskus avautuvat proosallisimmista syistä. Planck havaitsi, että mustan kappaleen säteilyn ominaisuudet voidaan selittää vain olettaen, että valo säteilee pieninä osina energiaa, jota hän kutsui kvanteiksi. Sana itsessään tarkoittaa "paketteja" tai "erillistä". Aluksi hän ajatteli, että se oli vain matemaattinen temppu, mutta Albert Einsteinin vuonna 1905 tekemä työ valosähköisestä vaikutuksesta tuki kvanttihypoteesia. Tulokset olivat vakuuttavia, koska pienet energiamäärät voivat olla synonyymejä hiukkasille.

Ajatus siitä, että valo koostuu pienten luotien virrasta, on pitkä ja kuuluisa historia, joka juontaa juurensa Isaac Newtonista ja modernin fysiikan syntymästä. Kuitenkin vuonna 1864 skotlantilainen fyysikko James Clark Maxwell näytti lopulta hälventävän kaikki olemassa olevat epäilykset teoksissa, joita Albert Einstein myöhemmin kuvaili "syvimmäksi ja hedelmällisimmäksi, jonka fysiikka on tuntenut Newtonin jälkeen". Maxwell osoitti, että valo on sähkömagneettinen aalto, joka etenee avaruudessa, joten ajatus valosta aaltona oli moitteeton ja näennäisesti kiistaton alkuperä. Kuitenkin sarjassa kokeita, joita Arthur Compton ja hänen kollegansa suorittivat Washingtonin yliopistossa St. Louisissa, he onnistuivat erottamaan valokvantit elektroneista. Molemmat käyttäytyivät enemmän kuin biljardipallot, mikä vahvisti selvästi, että Planckin teoreettisilla olettamuksilla oli vankka perusta todellisessa maailmassa. Vuonna 1926 valokvantteja kutsuttiin fotoneiksi. Todisteet olivat kiistattomat: valo käyttäytyy sekä aallona että hiukkasena. Tämä merkitsi klassisen fysiikan loppua - ja kvanttiteorian muodostumisajan loppua.

Jo kolmen vuoden ikäisenä Michael Talbot yllätti vanhempansa. Hän puhui pitkään ja kieltäytyi kutsumasta herra ja rouva Talbotia isäksi ja äidiksi. Ihana lapsi ei halunnut mehuja; soodaa tai maitoa ja... vahvaa mustaa teetä. Hän istui lattialla lootusasennossa ja siemaili teetä kulhosta.

Michael "harrasteli" selvänäköisyyttä, matkusti ulos kehosta, kommunikoi ulkomaalaisten kanssa. Hän muisteli: ”Opiskellessani yliopistossa ajoin eräänä päivänä autoa ja näin lentävän lautasen. Pysähdyin, menin tielle ja tuijotin avaruusalusta noin viisi minuuttia. Sitten jatkoin. Yleensä tie paikasta, jossa näin Ufon, taloon kesti puoli tuntia. Kuvittele kuinka yllättynyt olin, kun perheeni hyökkäsi kimppuuni: "Mihin olet mennyt?!". Kävi ilmi, että melkein koko päivä oli kulunut!

Hän toivoi löytävänsä rationaalisen selityksen häntä kummitteleville paranormaaleille ilmiöille, joten hän kääntyi tieteeseen. Michael etsi vastauksia epätavallisella tavalla: ”Terveisen järjen sijaan käytin syvempiä intuitiivisia kykyjä. Vaelsin päämäärättömästi kirjaston hyllyjen ohi ensi silmäyksellä. Odotin, että oikea kirja "soitti" minut. Ja tunsin todella halua lopettaa. Käteni nousi ylös, otin kirjan hyllystä ja avasin sen jostain keskeltä. Vasta sen jälkeen katsoin otsikkoa – se oli Physics Today -lehden tiedosto, syyskuun 1970 numero, jossa oli fyysikko Bruce de Wittin artikkeli "Kvanttimekaniikka ja todellisuus".

Artikkelissa todistettiin tuttu teesi: ympärillämme oleva maailma on materialisoitunutta maailmaamme, näemme vain sen, mitä ajattelemme, mitä haluamme nähdä. De Witt kirjoitti, että kvanttifysiikka oli havainnut todellisuuden riippuvuuden ihmismielestä. Julkaisu kosketti Talbotia, ja hänestä tuli todellinen kvanttifysiikan fani, joka tutkii subatomisia hiukkasia - kvantteja. Nämä samat kvantit kommunikoivat keskenään hämmästyttävällä tavalla, kuten kaksoset, jotka tuntevat toisensa suuren etäisyyden päästä, tieto välittyy kvantista kvanttiin välittömästi! Kun ilmiö vahvistettiin, fyysikot melkein kukistivat idolinsa, Einsteinin, jalustalta, koska suhteellisuusteorian mukaan maailmassa ei ole mitään, mikä voisi liikkua valon nopeutta nopeammin, mutta "hetkellä" tarkoittaa vain "nopeampaa". kuin valon nopeus"!

Fyysikko David Bohm ratkaisi ristiriidan. Hän osoitti, että kvantit eivät välitä tietoa ajan ja tilan kautta, ne vain elävät ulottuvuudessa, jossa tietoa on kaikkialla ja samanaikaisesti, eli tieto ei ole paikallista, vaan päinvastoin kokonaisvaltaista, kattavaa. Bohm esitti sensaatiomaisen ehdotuksen, että kvanttien käyttäytyminen liittyy jollain salaperäisellä tavalla... tiedemiesten ja niitä tarkkailevien ajatteluun. Kvantat käyttäytyvät säännöllisesti, "kunnollisesti" sillä hetkellä, kun niitä tarkkaillaan, mutta heti kun tutkija on hetkeksi hajamielinen, ikiaikainen kaaos palaa subatomisten hiukkasten maailmaan! David Bohmin mukaan todellisten kvanttien näkeminen on yhtä mahdotonta kuin todellisen itsensä näkeminen peilistä. Loppujen lopuksi peiliin lähestyttäessä ihminen alitajuisesti valmistautuu kohtaamaan heijastuksensa ja sen seurauksena heijastuu sellaiseksi, kuin hän odottaa näkevänsä itsensä.

Mutta kuinka kvantit onnistuvat ennustamaan kokeilijoita? Tähän Bohm vastaa näin: myös tiedemiesten ja kaikkien muiden ihmisten aivot (sekä kaikki universumissa yleensä) koostuvat subatomisista hiukkasista. Kvantit elävät kokonaisinformaation maailmassa, joten niille, joita tarkkaillaan, ei maksa mitään saada selville mitä kvantit haluavat heiltä, ​​jotka muodostavat tarkkailijan aivot :)

Subatomiset hiukkaset antoivat fyysikoille toisen yllätyksen. Kävi ilmi, että kun ne ryhmitellään suuria määriä, he lakkaavat käyttäytymästä yksilöinä ja osoittavat todellista kollektiivista tietoisuutta.

Bohm tuli siihen tulokseen, että samat tiedot on koodattu jokaiseen kvanttiin ja se riittää toistamaan koko maailmankaikkeuden! Toisin sanoen maailmankaikkeus kokonaisuutena on taitettuna jokaisen sen mikroskooppisesti pienen osan sisällä (mukaan lukien jokaisen ihmisen DNA). Jotain samanlaista sanoi Buddha ja ilmaisi lyyrisessä muodossa 1700-luvun romanttinen runoilija William Blake:

Yhdessä hetkessä - nähdä ikuisuus,

Laaja maailma on hiekanjyvässä,

Yhdessä kourallisessa - ääretön

Ja taivas on kukkakuppissa..

Kvanttiteoria kuvaa maailmankaikkeutta, jossa hiukkanen voi olla useissa paikoissa samanaikaisesti ja siirtyä hetkessä paikasta toiseen. Tämä käsite asettaa rajan ylimielisyydellemme, koska maailma on paljon monimutkaisempi ja monipuolisempi kuin miltä se näytti. Kvanttiteorian lait ovat kuitenkin niin yksinkertaisia, että ne voidaan kirjoittaa kirjekuoren taakse.

Kuinka äänen pakkaus toimii

Aallon hajoaminen sen siniaalloiksi on äänenpakkaustekniikan perusta. Kuvittele ääniaallot muodostavan suosikkikappaleesi. Tämä monimutkainen aalto voidaan jakaa osiinsa. Alkuperäisen äänen ehdottoman tarkka toisto vaatii monia yksittäisiä siniaaltoja, mutta monet niistä voidaan hylätä, mikä ei vaikuta äänitallenteen laadun käsitykseen ollenkaan.

"Tyhjät" atomit

Sisältä katsottuna atomi on jotain outoa. Jos seisot protonilla ja katsot sieltä atominsisäiseen tilaan, näet vain tyhjyyden. Elektronit ovat liian pieniä nähdäkseen, vaikka ne olisivat käsivarren etäisyydellä, mutta tämäkään on epätodennäköistä. Jos seisot "protonilla" Englannin rannikolla, atomin epämääräiset rajat sijaitsevat jonnekin Pohjois-Ranskan maatiloilla.

Greipin kokoinen universumi

Mukava bonus työskennellessäsi aineen alkeisfragmenttien kanssa, joilla ei ole mitään kokoa, on se, että voimme helposti kuvitella, että koko näkyvä maailmankaikkeus puristettiin kerran greipin tai jopa neulanpään kokoiseksi esineeksi. Niin huimausta kuin tällaiset ajatukset ovatkin, ei ole mitään syytä julistaa tällaista pakkausta mahdottomaksi.

Aikahyppy

Kuvittele, että laitamme elektronin 1 atomiin 1 ja elektronin 2 atomiin 2. Jonkin ajan kuluttua lauseesta "elektroni 1 on edelleen atomissa 1" ei ole järkeä. Se voi olla myös atomissa 2, koska aina on mahdollista, että elektroni on tehnyt kvanttihypyn. Kaikki mitä voi tapahtua, tapahtuu, ja elektronit voisivat hyvinkin lentää koko maailmankaikkeuden ympäri hetkessä.

Higgsin bosonit

Peter Higgs ehdotti, että tyhjä tila on täynnä hiukkasia. Ne ovat jatkuvasti, ilman lepoa, vuorovaikutuksessa kaikkien maailmankaikkeuden massiivisten hiukkasten kanssa hidastaen valikoivasti niiden liikettä ja luoden massaa. Tavallisen aineen ja Higgs-hiukkasilla täytetyn tyhjiön välisen vuorovaikutuksen seurauksena muodottomasta maailmasta tulee monimuotoinen, tähdet, galaksit ja ihmiset asuttamaksi.

Kaksi englantilaista fyysikkoa, joista toinen tutkii alkuainehiukkasia (Brian Cox) ja toinen on Manchesterin yliopiston teoreettisen fysiikan laitoksen professori (Jeff Forshaw), tutustuttavat meidät maailman perusmalliin.

Esteettömän kielen, lukuisten piirustusten ja hyvien analogioiden avulla kirjoittajat pystyivät selittämään vaikeasti ymmärrettäviä kvanttifysiikan käsitteitä.

Brian Cox, Jeff Forshaw:

Tämän kirjan tavoitteena on purkaa kvanttiteoria, teoreettinen rakennelma, joka on hämmentänyt liian monia, mukaan lukien jopa alan pioneerit. Aiomme käyttää nykyaikaista näkökulmaa hyödyntäen vuosisatojen jälkikäteen ja teoriakehityksen aikana saatuja opetuksia. Matkan alussa meidät kuitenkin siirretään 1900-luvun alkuun ja tutkitaan joitain ongelmia, jotka pakottivat fyysikot poikkeamaan radikaalisti siitä, mitä aiemmin pidettiin tieteen valtavirtana.

1. Jotain outoa on tulossa

Kvanttiteoria on kenties paras esimerkki siitä, kuinka useimmille ihmisille äärettömän vaikeasti ymmärrettävästä tulee erittäin hyödyllistä. Sitä on vaikea ymmärtää, koska se kuvaa maailmaa, jossa hiukkanen voi itse asiassa olla useassa paikassa samanaikaisesti ja liikkua paikasta toiseen tutkien siten koko maailmankaikkeutta. Huomasimme, että kaikki koostuu monista pienistä hiukkasista, jotka liikkuvat kvanttiteorian lakien mukaan. Nämä lait ovat niin yksinkertaisia, että ne voidaan kirjoittaa kirjekuoren kääntöpuolelle. Ja se, että koko kirjastoa ei vaadita selittämään asioiden syvällisyyttä, on sinänsä yksi maailman suurimmista mysteereistä.

2. Kahdessa paikassa samaan aikaan

Kvanttiteorian epätavallisimmat ennusteet näkyvät yleensä pienten esineiden käyttäytymisessä. Mutta koska suuret esineet koostuvat pienistä, tietyissä olosuhteissa kvanttifysiikkaa tarvitaan selittämään yhden maailmankaikkeuden suurimmista esineistä, tähtien, ominaisuudet.

3. Mikä on hiukkanen?

Todettuamme, että elektronin kuvaus jäljittelee aaltojen käyttäytymistä monessa suhteessa, meidän on kehitettävä tarkempia käsitteitä itse aalloista. Aloitetaan kuvaamalla, mitä tapahtuu vesisäiliössä, kun kaksi aaltoa kohtaavat, sekoittuvat ja häiritsevät toisiaan. Esitetään aallonkorkeudet kelloina kello 12-osoittimella ja pohjat kelloina kello 6. Voimme myös näyttää aaltojen paikat minimin ja maksimin välissä piirtämällä kelloja väliajoilla, kuten tässä tapauksessa uuden ja täysikuun välisistä vaiheista.

4. Kaikki mitä voi tapahtua todella tapahtuu

Heisenbergin epävarmuusperiaate

Alkuperäisessä työssään Heisenberg pystyi arvostamaan hiukkasen sijainnin mittaustarkkuuden ja liikemäärän välistä suhdetta. Heisenbergin epävarmuusperiaate on yksi kvanttiteorian väärinymmärretyimmistä osista, polku, jota pitkin kaikenlaiset sharlataanit ja hölynpölyn toimittajat ajavat filosofista hölynpölyään.

Heisenbergin epävarmuusperiaatteen johtaminen kellotaulujen teoriasta

Kolme kellotaulua, jotka näyttävät samaa aikaa ja sijaitsevat samalla rivillä, kuvaavat hiukkasta, joka on alkuhetkellä jossain näiden kellojen alueella. Olemme kiinnostuneita siitä, mitkä ovat mahdollisuudet löytää hiukkanen pisteestä X jossain myöhemmässä vaiheessa.

Lyhyt historia Planckin vakiosta

Planck tuhosi ensimmäiset kivet Maxwellin valokäsitteen perustalta osoittaen, että kuumennetun kappaleen lähettämän valon energiaa voidaan kuvata vain, jos se säteilee kvanteissa.

Takaisin Heisenbergin epävarmuusperiaatteeseen

Kehittämämme kvanttimekaniikan teoria ehdottaa, että jos asetat hiekkajyvän jossain vaiheessa, se voi myöhemmin päätyä mihin tahansa muualle universumissa. Mutta on selvää, että näin ei tapahdu oikeilla hiekanjyvillä. Ensimmäinen kysymys, johon vastataan, on: kuinka monta kertaa kellon osoittimet kääntyvät, jos siirrämme hiekanhiekan massaisen hiukkasen esimerkiksi 0,001 mm:n etäisyydelle sekunnissa?

5. Liike illuusiona

Asetettuamme alkuryhmän erilaista, ei samaa aikaa näyttävien kellojen avulla, pääsimme liikkuvan hiukkasen kuvaukseen. Mielenkiintoista on, että voimme tehdä erittäin tärkeän yhteyden siirtyneiden kellojen ja aaltojen käyttäytymisen välille.

Aaltopakkaukset

Hiukkasta, jolla on hyvin tunnettu vauhti, kuvaa suuri joukko kelloja. Tarkemmin sanottuna hiukkasta, jolla on täsmälleen tiedossa oleva liikemäärä, kuvataan äärettömän pitkällä kelloryhmällä, mikä tarkoittaa äärettömän pitkää aaltopakettia.

6. Atomien musiikki

Nyt voimme soveltaa kertynyttä tietoamme ratkaistaksemme kysymyksen, joka hämmentyi Rutherfordia, Bohria ja muita tiedemiehiä 1900-luvun ensimmäisinä vuosikymmeninä: mitä atomin sisällä oikein tapahtuu? …Tässä yritämme ensimmäistä kertaa teoriamme avulla selittää todellisen maailman ilmiöitä.

atomi laatikko

Näyttää siltä, ​​että olemme laatineet oikean näkemyksen atomeista. Mutta silti, jokin ei ole aivan kohdallaan. Palapelin viimeinen pala puuttuu, jota ilman on mahdotonta selittää vetyä raskaampien atomien rakennetta. Proosallisemmin emme myöskään pysty selittämään, miksi emme itse asiassa putoa maan läpi, mikä aiheuttaa ongelmia upealle luontoteoriallemme.

7. Universumi neulanpäässä (ja miksi emme putoa maan läpi)

Aine voi olla stabiili vain, jos elektronit noudattavat niin kutsuttua Paulin periaatetta, joka on yksi kvanttiuniversumimme hämmästyttävimmistä ilmiöistä.

8. Keskinäinen riippuvuus

Tähän asti olemme kiinnittäneet erityistä huomiota eristettyjen hiukkasten ja atomien kvanttifysiikkaan. Fyysinen kokemuksemme liittyy kuitenkin monien ryhmittyneiden atomien havaitsemiseen, ja siksi on aika alkaa ymmärtää, mitä tapahtuu, kun atomit ryhmittyvät yhteen.

9. Moderni maailma

Transistori on viimeisten 100 vuoden tärkein keksintö: nykymaailma rakentuu puolijohdetekniikalle ja on sen muovaama.

10. Vuorovaikutus

Aloitetaan ensimmäisen avoimen kvanttikentän teorian - kvanttielektrodynamiikan, lyhennettynä QED, lakien muotoilulla. Tämän teorian alkuperä juontaa juurensa 1920-luvulle, jolloin Dirac onnistui erityisesti asettamaan Maxwellin sähkömagneettisen teorian kvanttiperustalle.

Mittausongelma kvanttiteoriassa

Voimme mennä eteenpäin uskoen, että maailma on muuttunut peruuttamattomasti mittauksen seurauksena, vaikka mitään sellaista ei todellisuudessa tapahtunutkaan. Mutta kaikki tämä ei ole niin tärkeää, kun on kyse vakavasta tehtävästä laskea todennäköisyys, että jotain tapahtuu koetta asetettaessa.

antimateriaa

Ajassa taaksepäin liikkuvat elektronit näyttävät "elektroneilta, joilla on positiivinen varaus". Tällaisia ​​hiukkasia on olemassa ja niitä kutsutaan "positroneiksi".

11. Tyhjä tila ei ole niin tyhjä.

Tyhjiö on erittäin mielenkiintoinen paikka, täynnä mahdollisuuksia ja esteitä hiukkasten tiellä.

Hiukkasfysiikan vakiomalli

Standardimalli sisältää suuren todennäköisyyden parannuskeinon sairauteen, ja tämä parannuskeino tunnetaan Higgsin mekanismina. Jos se on totta, Large Hadron Colliderin pitäisi havaita toinen luonnollinen hiukkanen, Higgsin bosoni, jonka jälkeen näkemyksemme tyhjän tilan sisällöstä muuttuu dramaattisesti.

Massan alkuperä

Kysymys massan alkuperästä on erityisen merkittävä siinä mielessä, että vastaus siihen on arvokas yli ilmeisen halumme tietää, mitä massa on. Yritetään selittää tämä melko mystinen ja oudosti rakennettu lause tarkemmin.

Epilogi: Tähtien kuolema

Kuollessaan monet tähdet päätyvät supertiheiksi ydinainepalloiksi, jotka on kietoutunut moniin elektroneihin. Nämä ovat niin sanottuja valkoisia kääpiöitä. Tämä tulee olemaan aurinkomme kohtalo, kun sen ydinpolttoaine loppuu noin 5 miljardin vuoden kuluttua.

Lisälukemista varten

Olemme käyttäneet monia muita teoksia tämän kirjan valmistelussa, ja osa niistä ansaitsee erityismaininnan ja suosituksen.

Cox B., Forshaw D. Kvanttiuniversumi.
Miten emme voi nähdä. M.: MIF. 2016.