კვანტური გრავიტაციის პრობლემისადმი ახალი მიდგომა, რომელსაც მეცნიერები მრავალი ათწლეულის განმავლობაში ებრძოდნენ, უბრუნდება საფუძვლებს და აჩვენებს, თუ როგორ „ერთდებიან“ ერთმანეთს „აგური“, საიდანაც სივრცე და დროა აგებული.

როგორ გაჩნდა სივრცე და დრო? როგორ შექმნეს მათ გლუვი 4D სიცარიელე, რომელიც ემსახურება ჩვენი ფიზიკური სამყაროს ფონს? როგორ გამოიყურებიან ისინი უფრო მჭიდრო შემოწმებისას? მსგავსი კითხვები ჩნდება თანამედროვე მეცნიერების წინა პლანზე და უბიძგებს კვანტური გრავიტაციის კვლევას - აინშტაინის ფარდობითობის ზოგადი თეორიის ჯერ კიდევ დაუმთავრებელი კავშირი კვანტურ თეორიასთან. ფარდობითობის თეორია აღწერს, თუ როგორ შეიძლება მაკროსკოპული მასშტაბის სივრცე და დრო მიიღოს უთვალავი ფორმა, შექმნას რასაც ჩვენ გრავიტაციას ან გრავიტაციას ვუწოდებთ. კვანტური თეორია აღწერს ფიზიკის კანონებს ატომურ და სუბატომურ მასშტაბებზე, სრულიად უგულებელყოფს გრავიტაციის ეფექტებს. კვანტური გრავიტაციის თეორიამ კვანტურ კანონებში უნდა აღწეროს სივრცე-დროის ბუნება უმცირეს მასშტაბებზე - სივრცეები ყველაზე პატარა ცნობილ ელემენტარულ ნაწილაკებს შორის - და, შესაძლოა, ახსნას იგი ზოგიერთი ფუნდამენტური კომპონენტის მეშვეობით.

ამ როლის მთავარ კანდიდატს ხშირად სუპერსიმების თეორიას უწოდებენ, მაგრამ მას ჯერ არ უპასუხა არცერთ მწვავე კითხვას. უფრო მეტიც, საკუთარი შინაგანი ლოგიკის მიყოლებით, მან აღმოაჩინა ახალი ეგზოტიკური კომპონენტების კიდევ უფრო ღრმა ფენები და მათ შორის ურთიერთობები, რამაც გამოიწვია შესაძლო შედეგების განსაცვიფრებელი მრავალფეროვნება.

ძირითადი დებულებები

ცნობილია, რომ კვანტური თეორია და აინშტაინის ფარდობითობის ზოგადი თეორია ერთმანეთს არ ერგება. ფიზიკოსები დიდი ხანია ცდილობდნენ მათ დაკავშირებას კვანტური გრავიტაციის ერთიან თეორიაში, მაგრამ დიდ წარმატებას ვერ მიაღწიეს.

შემოთავაზებული ახალი მიდგომა არ ითვალისწინებს რაიმე ეგზოტიკურ დებულებას, მაგრამ ხსნის ახალ გზას ცნობილი კანონების გამოყენებისათვის სივრცე-დროის ცალკეულ ელემენტებზე. ეს ელემენტები ერთმანეთს ემთხვევა, როგორც მოლეკულები კრისტალში.

ჩვენი მიდგომა გვიჩვენებს, თუ როგორ შეუძლია ოთხგანზომილებიანი სივრცე-დრო, რომელიც ჩვენ ვიცით, დინამიურად წარმოიქმნება უფრო ფუნდამენტური კომპონენტებიდან. უფრო მეტიც, ის გვთავაზობს, თუ როგორ გადადის ეს სივრცე-დრო მიკროსკოპული მასშტაბით გლუვი უწყვეტობიდან უცნაურ ფრაქტალობაზე.

ბოლო წლებში ჩვენი ნამუშევარი გახდა თეორიული ფიზიკის კარგად გავლილი გზატკეცილის პერსპექტიული ალტერნატივა. უმარტივესი რეცეპტის მიხედვით - აიღეთ რამდენიმე ფუნდამენტური კომპონენტი, აკრიფეთ ისინი ცნობილი კვანტური პრინციპების შესაბამისად (ყოველგვარი ეგზოტიკის გარეშე), კარგად აურიეთ და გააჩერეთ - მიიღებთ კვანტურ სივრცე-დროს. პროცესი საკმაოდ მარტივია ლეპტოპ კომპიუტერზე სიმულაციისთვის.

სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, თუ განვიხილავთ ცარიელ სივრცე-დროს (ვაკუუმს), როგორც ერთგვარ არამატერიალურ სუბსტანციას, რომელიც შედგება მიკროსკოპული უსტრუქტურო ელემენტების ძალიან დიდი რაოდენობით, ჩვენ მათ ერთმანეთთან ურთიერთქმედების საშუალებას მივცემთ მარტივი წესების შესაბამისად. გრავიტაციის თეორია და კვანტური თეორია, მაშინ ეს ელემენტები სპონტანურად მოეწყობა ერთიან მთლიანობაში, რომელიც მრავალი თვალსაზრისით გამოიყურება ისეთივე, როგორც დაკვირვებადი სამყარო. პროცესი ჰგავს იმას, თუ როგორ აწყობენ თავს მოლეკულები კრისტალურ ან ამორფულ მყარად.

ამ მიდგომით, სივრცე-დრო შეიძლება უფრო ჩვეულებრივი შერეული შემწვარი იყოს, ვიდრე დახვეწილი საქორწილო ტორტი. უფრო მეტიც, კვანტური გრავიტაციის სხვა მიდგომებისგან განსხვავებით, ჩვენი ძალიან სტაბილურია. როდესაც ჩვენ ვცვლით ჩვენი მოდელის დეტალებს, შედეგი თითქმის არ იცვლება. ეს გამძლეობა იძლევა იმის იმედს, რომ ჩვენ სწორ გზაზე ვართ. თუ შედეგი მგრძნობიარე იქნებოდა, თუ სად განვათავსებდით ჩვენი უზარმაზარი ანსამბლის თითოეულ ნაწილს, ჩვენ მივიღებდით უზარმაზარ რაოდენობას, თანაბრად სავარაუდო ბაროკოს ფორმებს, რაც გამორიცხავს იმის ახსნის შესაძლებლობას, თუ რატომ აღმოჩნდა სამყარო ისეთი, როგორიც არის.

თვითშეკრებისა და თვითორგანიზაციის მსგავსი მექანიზმები მოქმედებს ფიზიკაში, ბიოლოგიაში და მეცნიერების სხვა დარგებში. მშვენიერი მაგალითია ფრინველთა დიდი ფარების ქცევა, როგორიცაა ვარსკვლავები. ცალკეული ფრინველები ურთიერთობენ მეზობლების მხოლოდ მცირე რაოდენობასთან; არ არსებობს ლიდერი, რომელიც აუხსნის მათ რა უნდა გააკეთონ. მიუხედავად ამისა, შეკვრა ყალიბდება და მოძრაობს მთლიანობაში, გააჩნია კოლექტიური ან მიღებული თვისებები, რომლებიც არ ჩანს ცალკეული ინდივიდების ქცევაში.

კვანტური გრავიტაციის მოკლე ისტორია

სპონტანური აღმოცენების პროცესში ჩამოყალიბებული სივრცე-დროის კვანტური სტრუქტურის ახსნის წინა მცდელობებმა შესამჩნევი წარმატება არ მოიტანა. ისინი მოვიდნენ ევკლიდეს კვანტური გრავიტაციიდან. კვლევის პროგრამა 1970-იანი წლების ბოლოს დაიწყო. და პოპულარული გახდა ფიზიკოს სტივენ ჰოკინგის ბესტსელერი წიგნის „დროის მოკლე ისტორია“ წყალობით. ეს პროგრამა ეფუძნება სუპერპოზიციის პრინციპს, რომელიც ფუნდამენტურია კვანტური მექანიკისთვის. ნებისმიერი ობიექტი, კლასიკური თუ კვანტური, არის რაღაც მდგომარეობაში, ხასიათდება, მაგალითად, პოზიციით და სიჩქარით. მაგრამ თუ კლასიკური ობიექტის მდგომარეობა შეიძლება აღწერილი იყოს მხოლოდ მისთვის დამახასიათებელი რიცხვების სიმრავლით, მაშინ კვანტური ობიექტის მდგომარეობა გაცილებით მდიდარია: ეს არის ყველა შესაძლო კლასიკური მდგომარეობის ჯამი.

კვანტური გრავიტაციის თეორიები

სიმების თეორია
თეორიული ფიზიკოსების უმეტესობის მხარდაჭერით, ეს თეორია ეხება არა მხოლოდ კვანტურ გრავიტაციას, არამედ ყველა სახის მატერიას და ძალებს. ის ეფუძნება მოსაზრებას, რომ ყველა ნაწილაკი (მათ შორის ჰიპოთეტური ნაწილაკები, რომლებიც ატარებენ გრავიტაციას) არის რხევადი სიმები.

მარყუჟის კვანტური გრავიტაცია
სიმების თეორიის მთავარი ალტერნატივა. იგი მოიცავს აინშტაინის ფარდობითობის ზოგად თეორიას კვანტური მექანიკის წესების გამოყენების ახალ მეთოდს. სივრცე დაყოფილია მოცულობის დისკრეტულ „ატომებად“.

ევკლიდანის კვანტური გრავიტაცია
ფიზიკოს სტივენ ჰოკინგის მიერ ცნობილი მიდგომა ეფუძნება ვარაუდს, რომ სივრცე დრო გამოდის ყველა შესაძლო ფორმის საერთო კვანტური საშუალოდან. ამ თეორიაში დრო განიხილება სივრცის განზომილებების ტოლი.

მიზეზობრივი დინამიური სამკუთხედი
ეს მიდგომა, რომელიც ამ სტატიის საგანია, არის ევკლიდური მიდგომის თანამედროვე ვერსია. იგი ეფუძნება სივრცე-დროის მიახლოებას სამკუთხედების მოზაიკის მიერ, საწყისი განსხვავება სივრცესა და დროს შორის. მცირე მასშტაბით სივრცე-დრო იძენს ფრაქტალურ სტრუქტურას

მაგალითად, კლასიკური ბილიარდის ბურთი მოძრაობს გარკვეული ტრაექტორიის გასწვრივ და მისი პოზიცია და სიჩქარე შეიძლება ზუსტად განისაზღვროს ნებისმიერ დროს. გაცილებით მცირე ელექტრონის შემთხვევაში, ყველაფერი განსხვავებულია. მისი მოძრაობა ემორჩილება კვანტურ კანონებს, რომლის მიხედვითაც ელექტრონი შეიძლება ერთდროულად არსებობდეს მრავალ ადგილას და ჰქონდეს მრავალი სიჩქარე. A წერტილიდან B წერტილამდე გარე ზემოქმედების არარსებობის შემთხვევაში, ელექტრონი არ მოძრაობს სწორი ხაზით, არამედ ყველა შესაძლო ბილიკზე ერთდროულად. მისი მოძრაობის ყველა შესაძლო ხერხის თვისებრივი სურათი, ერთად შეგროვებული, იქცევა კვანტური სუპერპოზიციის მკაცრ მათემატიკურ „რეცეპტად“, რომელიც ჩამოყალიბებულია ნობელის პრემიის ლაურეატი რიჩარდ ფეინმანის მიერ და იძლევა ყველა ინდივიდუალური შესაძლებლობის შეწონილ საშუალოს.

შემოთავაზებული რეცეპტის გამოყენებით, შეიძლება გამოვთვალოთ ელექტრონის პოვნის ალბათობა პოზიციებისა და სიჩქარის რომელიმე კონკრეტულ დიაპაზონში, პირდაპირი გზიდან, რომლის გასწვრივაც მას მოუწევს გადაადგილება კლასიკური მექანიკის კანონების მიხედვით. ნაწილაკების კვანტური მექანიკური ქცევის გამორჩეული თვისებაა გადახრები ერთი მკაფიო ტრაექტორიიდან, ე.წ. კვანტური რყევები. რაც უფრო მცირეა განხილული ფიზიკური სისტემის ზომა, მით უფრო დიდია კვანტური რყევების როლი.

ევკლიდეს კვანტურ გრავიტაციაში სუპერპოზიციის პრინციპი ვრცელდება მთელ სამყაროზე, როგორც მთლიანზე. ამ შემთხვევაში, სუპერპოზიცია შედგება არა ნაწილაკების სხვადასხვა ტრაექტორიებისაგან, არამედ სამყაროს დროში ევოლუციის შესაძლო ბილიკებისგან, კერძოდ, სივრცე-დროის ფორმებისგან. პრობლემის გადაწყვეტამდე დასაყვანად, ფიზიკოსები ჩვეულებრივ განიხილავენ სივრცე-დროის მხოლოდ ზოგად ფორმასა და ზომას, და არა მის ყოველგვარ წარმოდგენას დამახინჯებას (იხ.: Jonathan J. Halliwell. Quantum Cosmology and the Creation of the Univers // Scientific American, დეკემბერი 1991 წ. ).

1980-1990-იან წლებში ევკლიდეს კვანტური გრავიტაციის სფეროში კვლევამ დიდი გზა გაიარა, რაც დაკავშირებულია მძლავრი კომპიუტერული სიმულაციური ხელსაწყოების შემუშავებასთან. გამოყენებული მოდელები წარმოადგენდნენ მრუდი სივრცე-დროის გეომეტრიას ელემენტარული „აგურის“ გამოყენებით, რომლებიც მოხერხებულობისთვის სამკუთხედად ითვლებოდა. სამკუთხა ბადეებს შეუძლიათ ეფექტურად დააახლოონ მოხრილი ზედაპირები, რის გამოც ისინი ხშირად გამოიყენება კომპიუტერულ ანიმაციაში. სივრცე-დროის მოდელირების შემთხვევაში, ეს ელემენტარული „სამშენებლო ბლოკები“ წარმოადგენს სამკუთხედების განზოგადებას ოთხგანზომილებიან სივრცესთან მიმართებაში და ეწოდება 4-სიმარტივები. ისევე, როგორც სამკუთხედების წებოვნება მათ კიდეებთან ერთად ქმნის მოხრილ 2D ზედაპირებს, 4D სიმარტივის „სახეების“ წებოვნება (რომლებიც არის 3D ტეტრაედრები) ქმნის 4D სივრცე-დროის მოდელს.

თავად „აგურებს“ არ აქვთ პირდაპირი ფიზიკური მნიშვნელობა. თუ სივრცე-დროს ზემძლავრი მიკროსკოპით შევხედავთ, სამკუთხედები არ იქნება ხილული. ისინი მხოლოდ მიახლოებებია. ერთადერთი ინფორმაცია, რომელსაც აქვს ფიზიკური აზრი, შეიცავს მათ კოლექტიურ ქცევას იმ მოსაზრებაში, რომ თითოეული მათგანი შემცირდა ნულამდე. ამ ზღვარში „აგურის“ გეომეტრიას (იქნება ეს სამკუთხა, კუბური, ხუთკუთხა თუ ამ ფორმების რაიმე ნაზავი) მნიშვნელობა არ აქვს.

უგრძნობლობას სხვადასხვა მცირე ზომის დეტალების მიმართ ხშირად უწოდებენ მრავალფეროვნებას. სტატისტიკურ ფიზიკაში კარგად ცნობილი ფენომენი, რომელიც სწავლობს მოლეკულების მოძრაობას აირებსა და სითხეებში: მოლეკულები თითქმის ერთნაირად იქცევიან, როგორიც არ უნდა იყოს მათი შემადგენლობა. უნივერსალურობა ასოცირდება სისტემების თვისებებთან, რომლებიც შედგება დიდი რაოდენობით ინდივიდუალური ელემენტებისაგან და ვლინდება ბევრად უფრო დიდი მასშტაბით, ვიდრე ერთი კომპონენტის მასშტაბი. მსგავსი განცხადება ფრინველთა ფარისთვის არის ის, რომ ცალკეული ფრინველების შეფერილობა, ზომა, ფრთების სიგრძე და ასაკი საერთო ფარის მთლიანობაში ქცევასთან არ არის დაკავშირებული. მაკროსკოპული მასშტაბით, ძალიან ცოტა მიკროსკოპული დეტალი ჩანს.

შეჭმუხნული

კომპიუტერული მოდელების დახმარებით, კვანტური გრავიტაციის მკვლევარებმა დაიწყეს სივრცე-დროის ფორმების სუპერპოზიციის ეფექტის შესწავლა, რომელთა შესწავლა შეუძლებელია კლასიკური ფარდობითობის მეთოდებით, კერძოდ, ძალიან მცირე დისტანციებზე ძლიერად მოხრილი. ეს ეგრეთ წოდებული შემაშფოთებელი რეჟიმი ყველაზე მეტად აინტერესებს ფიზიკოსებს, მაგრამ კომპიუტერების გამოყენების გარეშე ანალიზი თითქმის შეუძლებელია.

სივრცის ფორმის აღწერა

მოზაიკა სამკუთხედებიდან
იმის დასადგენად, თუ როგორ აყალიბებს სივრცე საკუთარ თავს, ფიზიკოსებს ჯერ სჭირდებათ მისი ფორმის აღწერის გზა. ისინი აღწერენ მას სამკუთხედებით და მათი მაღალგანზომილებიანი ანალოგებით, რომელთა მოზაიკა შესაძლებელს ხდის მოხრილი ფორმების მიახლოებას. გამრუდება კონკრეტულ წერტილში განისაზღვრება მთლიანი კუთხით, რომელიც გამოკლებულია ამ წერტილის გარშემო მყოფი სამკუთხედებით. ბრტყელი ზედაპირის შემთხვევაში, ეს კუთხე არის ზუსტად 360°, მაგრამ მოხრილი ზედაპირების შემთხვევაში ის შეიძლება იყოს უფრო მცირე ან უფრო დიდი.

სამწუხაროდ, სიმულაციებმა აჩვენა, რომ ევკლიდეს კვანტური გრავიტაცია არ ითვალისწინებს ქცევის მნიშვნელოვან კომპონენტებს. ოთხგანზომილებიანი სამყაროს ყველა არასტაბილური სუპერპოზიცია პრინციპში არასტაბილური აღმოჩნდა. მრუდის მცირე ზომის კვანტური რყევები, რომლებიც ახასიათებს სხვადასხვა ზედაპირულ სამყაროებს, რომლებიც ხელს უწყობენ საშუალოს, არ ანადგურებენ, არამედ ორმხრივად აძლიერებენ ერთმანეთს, რის შედეგადაც მთელი სივრცე იკუმშება პატარა ბურთად, უსასრულო რაოდენობის განზომილებით. ასეთ სივრცეში მანძილი ნებისმიერ ორ წერტილს შორის ყოველთვის რჩება ძალიან მცირე, თუნდაც მისი მოცულობა დიდი იყოს. ზოგიერთ შემთხვევაში, სივრცე გადადის მეორე უკიდურესობაში, ხდება უკიდურესად თხელი და გაფართოებული, როგორც პოლიმერი მრავალი ტოტით. არცერთი ეს შესაძლებლობა არ ჰგავს ჩვენს რეალურ სამყაროს.

სანამ კიდევ ერთხელ დავუბრუნდებით იმ ვარაუდებს, რომლებმაც ფიზიკოსები ჩიხში მიიყვანა, მოდით განვიხილოთ შედეგის ერთი უცნაურობა. "აგური" ოთხგანზომილებიანია, მაგრამ ერთად ისინი ქმნიან ან სივრცეს განზომილებების უსასრულო რაოდენობით (მცირდება სამყარო) ან ორგანზომილებიან სივრცეს (პოლიმერული სამყარო). მას შემდეგ, რაც ვაკუუმში დიდი კვანტური რყევების დაშვებამ გამოუშვა ჯინი ბოთლიდან, შესაძლებელი გახდა ყველაზე ფუნდამენტური ცნებების შეცვლა, როგორიცაა განზომილება. შესაძლოა, გრავიტაციის კლასიკურ თეორიას, რომელშიც განზომილებების რაოდენობა ყოველთვის გარკვეულად არის მიჩნეული, ვერ ითვალისწინებდა ასეთ შედეგს.

ერთი შედეგი შეიძლება იყოს გარკვეულწილად იმედგაცრუებული სამეცნიერო ფანტასტიკის მოყვარულთათვის. სამეცნიერო ფანტასტიკის მწერლები ხშირად იყენებენ სივრცე-დროის გვირაბების ცნებას, თითქოს ისინი აძლევენ საშუალებას ერთმანეთისგან შორს მდებარე ტერიტორიების ერთმანეთთან დაახლოებას. ისინი იპყრობენ დროში მოგზაურობის და სიგნალების გადაცემის პერსპექტიული შესაძლებლობით სინათლის სიჩქარეზე მეტი სიჩქარით. მიუხედავად იმისა, რომ მსგავსი არაფერი დაფიქსირებულა, ფიზიკოსები აღიარებენ, რომ ასეთი გვირაბების რეაბილიტაცია შესაძლებელია კვანტური გრავიტაციის ჯერ კიდევ შეუქმნელი თეორიის ფარგლებში. ევკლიდეს კვანტური გრავიტაციის კომპიუტერული სიმულაციების უარყოფითი შედეგის გათვალისწინებით, ასეთი გვირაბების არსებობის შესაძლებლობა უკიდურესად ნაკლებად სავარაუდოა. სივრცე-დროის გვირაბებს აქვთ იმდენი ვარიაცია, რომ მათ უნდა დომინირებდეს სუპერპოზიციაზე, რაც მას არასტაბილურს ხდის, ისე რომ კვანტური სამყარო ვერასოდეს გაიზარდოს მცირე, მაგრამ უაღრესად ურთიერთდაკავშირებულ მთლიანობაზე.

კვანტური წესების გამოყენება სივრცე-დროზე

საშუალო
სივრცე-დრომ შეიძლება მრავალი განსხვავებული ფორმა მიიღოს. კვანტური თეორიის მიხედვით, ფორმა, რომელსაც ჩვენ ვხედავთ, არის სუპერპოზიცია, ანუ ყველა შესაძლო ფორმის საშუალო შეწონილი. სამკუთხედებიდან ფორმების შედგენისას, თეორეტიკოსები თითოეულ მათგანს ანიჭებენ წონას, იმის მიხედვით, თუ როგორ არის დაკავშირებული ეს სამკუთხედები მოცემული ფორმის აგებისას. ავტორებმა დაადგინეს, რომ იმისათვის, რომ მიღებული საშუალო შეესაბამებოდეს დაკვირვებულ რეალურ სამყაროს, სამკუთხედები უნდა დაემორჩილონ გარკვეულ წესებს, კერძოდ, შეიცავდეს ჩაშენებულ „ისრებს“, რომლებიც მიუთითებენ დროის მიმართულებაზე.

რა შეიძლება იყოს უბედურების საფუძველი? ევკლიდეს მიდგომაში ხარვეზებისა და „ფხვიერი ბოლოების“ ძიებაში მივიღეთ მთავარი იდეა - ერთი კომპონენტი, რომელიც აბსოლუტურად აუცილებელია ჩვენი შერეული შემწვარი მომზადების შესაძლებლობისთვის: სამყაროს კოდი უნდა შეიცავდეს მიზეზობრიობის პრინციპს, ე.ი. ვაკუუმის სტრუქტურამ უნდა უზრუნველყოს მიზეზსა და შედეგს შორის ცალსახა გამიჯვნის შესაძლებლობა. მიზეზობრიობა ფარდობითობის კლასიკური კონკრეტული და ზოგადი თეორიების განუყოფელი ნაწილია.

მიზეზობრიობა არ შედის ევკლიდეს კვანტურ გრავიტაციაში. „ევკლიდეს“ განმარტება ნიშნავს, რომ სივრცე და დრო ექვივალენტურად ითვლება. ევკლიდეს სუპერპოზიციაში შემავალ სამყაროებს აქვთ ოთხი სივრცითი განზომილება ერთი დროითი და სამი სივრცულის ნაცვლად. ვინაიდან ევკლიდეს სამყაროებს არ გააჩნიათ დროის ცალკეული კონცეფცია, მათ არ აქვთ სტრუქტურა, რომელიც საშუალებას აძლევს მოვლენების დალაგებას გარკვეული თანმიმდევრობით. ასეთი სამყაროს ბინადრებს არ შეიძლება ჰქონდეთ „მიზეზის“ და „შედეგის“ ცნებები. ჰოკინგმა და სხვა ევკლიდეს მეცნიერებმა თქვეს, რომ „დრო წარმოსახვითია“ როგორც მათემატიკური, ისე სასაუბრო გაგებით. ისინი იმედოვნებდნენ, რომ მიზეზობრიობა წარმოიქმნებოდა, როგორც მაკროსკოპული თვისება მიკროსკოპული კვანტური რყევებიდან, რომლებსაც ცალკე არ გააჩნდათ მიზეზობრივი სტრუქტურის ნიშნები. თუმცა, კომპიუტერულმა სიმულაციამ მათი იმედები გაანადგურა.

სრულიად ახალი განზომილება სივრცეში

ჩვეულებრივ ცხოვრებაში, სივრცის განზომილება არის განზომილებების მინიმალური რაოდენობა, რომელიც საჭიროა წერტილის პოზიციის დასადგენად, როგორიცაა განედი, გრძედი და სიმაღლე. ეს განმარტება ემყარება იმ ვარაუდს, რომ სივრცე უწყვეტია და ექვემდებარება კლასიკური ფიზიკის კანონებს. და თუ სივრცე ასე მარტივად არ იქცევა? რა მოხდება, თუ მისი ფორმა განისაზღვრება კვანტური პროცესებით, რომლებიც არ ვლინდება ჩვეულებრივ ცხოვრებაში? ასეთ შემთხვევებში ფიზიკოსებმა და მათემატიკოსებმა უნდა განავითარონ განზომილების უფრო დახვეწილი ცნება. განზომილებების რაოდენობა შეიძლება სულაც არ იყოს მთელი რიცხვი, როგორც ეს ხდება ფრაქტალების შემთხვევაში - სტრუქტურები, რომლებსაც აქვთ იგივე გარეგნობა ყველა მასშტაბით.

განზოგადებული განზომილებიანი განმარტებები

ჰაუსდორფის განზომილება
მე-20 საუკუნის დასაწყისში ჩამოყალიბებული განმარტება. გერმანელი მათემატიკოსი ფელიქს ჰაუსდორფი, გამომდინარეობს რეგიონის V მოცულობის დამოკიდებულებიდან მის ხაზოვან ზომაზე r. ჩვეულებრივ სამგანზომილებიან სივრცეში V პროპორციულია $r^3$-ის. ამ ურთიერთობის მაჩვენებელი არის გაზომვების რაოდენობა. "მოცულობა" შეიძლება ჩაითვალოს მთლიანი ზომის სხვა მაჩვენებლებად, როგორიცაა ფართობი. სიერპინსკის შუასადენის შემთხვევაში V პროპორციულია $r^(1.5850)$-ის. ეს გარემოება ასახავს იმ ფაქტს, რომ ეს მაჩვენებელი არ ავსებს მთელ ტერიტორიას

სპექტრული განზომილება
ეს განსაზღვრება ახასიათებს ობიექტის ან ფენომენის გავრცელებას გარემოში დროთა განმავლობაში, იქნება ეს მელნის წვეთი წყალთან ერთად ჭურჭელში თუ დაავადება პოპულაციაში. წყლის თითოეულ მოლეკულას ან ინდივიდს პოპულაციაში აქვს უახლოესი მეზობლების გარკვეული რაოდენობა, რაც განსაზღვრავს მელნის დიფუზიის ან დაავადების გავრცელების სიჩქარეს. 3D გარემოში, მელნის ღრუბლის ზომა იზრდება დროის პროპორციულად 3/2-ის სიმძლავრემდე. სიერპინსკის ბალიშში, მელანი უნდა გაიჟღინთოს მოციმციმე ფორმაში, ასე რომ ის უფრო ნელა ვრცელდება - დროის პროპორციულად 0,6826 სიმძლავრის მიმართ, რაც შეესაბამება სპექტრულ განზომილებას 1,3652.

განმარტებების გამოყენება
ზოგადად, განზომილების გამოთვლის სხვადასხვა გზა იძლევა განზომილებების სხვადასხვა რაოდენობას, რადგან ისინი იწყება გეომეტრიის სხვადასხვა მახასიათებლებიდან. ზოგიერთი გეომეტრიული ფორმისთვის, ზომების რაოდენობა არ არის მუდმივი. კერძოდ, დიფუზია შეიძლება იყოს უფრო რთული ფუნქცია, ვიდრე დრო გარკვეული მუდმივი ხარისხით.
კვანტური გრავიტაციის მოდელირებისას აქცენტი კეთდება სპექტრულ განზომილებაზე. გარკვეული ნივთიერების მცირე რაოდენობა შეჰყავთ კვანტური სივრცე-დროის მოდელის ერთ ელემენტარულ აგურში. ამ აგურიდან ის შემთხვევით ვრცელდება. სივრცე-დროის აგურის ჯამური რაოდენობა, რომელსაც ეს ნივთიერება აღწევს დროის გარკვეულ მონაკვეთში, განსაზღვრავს სპექტრულ განზომილებას

იმის ნაცვლად, რომ უგულებელვყოთ მიზეზობრიობა ცალკეული სამყაროების დაკავშირებისას იმ მოლოდინით, რომ იგი წარმოიქმნებოდა სუპერპოზიციის კოლექტიური სიბრძნიდან, ჩვენ ავირჩიეთ მიზეზობრიობის ჩართვა ბევრად უფრო ადრეულ ეტაპზე. ჩვენ მეთოდს დინამიური სამკუთხედი ვუწოდეთ. თითოეულ სიმპლექსს მივუთითეთ დროის ისარი, რომელიც მიუთითებს წარსულიდან მომავალზე. შემდეგ შემოვიღეთ მიზეზობრივი „წებოვნების“ წესი: ორი მარტივი უნდა იყოს წებოვანი ისე, რომ მათი ისრები გასწორდეს. დროის კონცეფცია შესაკრავ სიმარტივეებში უნდა იყოს იგივე: დრო უნდა მიედინებოდეს მუდმივი სიჩქარით ამ ისრების მიმართულებით, არასოდეს ჩერდებოდეს და არ დაბრუნდეს უკან. დროთა განმავლობაში სივრცემ უნდა შეინარჩუნოს საერთო ფორმა, არ დაიშალოს ცალკეულ ნაწილებად და არ შექმნას სივრცე-დროის გვირაბები.

1998 წელს ამ სტრატეგიის ჩამოყალიბების შემდეგ, უკიდურესად გამარტივებულ მოდელებზე ვაჩვენეთ, რომ სიმარტივის წებოვნების წესები იწვევს მაკროსკოპულ ფორმას, რომელიც განსხვავდება ევკლიდეს კვანტური გრავიტაციისგან. ეს გამამხნევებელი იყო, მაგრამ არ ნიშნავდა, რომ მიღებული წებოვანი წესები საკმარისი იყო მთელი ოთხგანზომილებიანი სამყაროს სტაბილურობის უზრუნველსაყოფად. ასე რომ, ჩვენ შევინარჩუნეთ სუნთქვა, როდესაც 2004 წელს ჩვენი კომპიუტერი თითქმის მზად იყო მოგვცეს ოთხგანზომილებიანი სიმარტივეების მიზეზობრივი სუპერპოზიციის პირველი გამოთვლები. იქცევა თუ არა ეს სივრცე-დრო დიდ დისტანციებზე, როგორც გაფართოებული ოთხგანზომილებიანი ობიექტი და არა როგორც გახეხილი ბურთი ან პოლიმერი?

წარმოიდგინეთ ჩვენი სიამოვნება, როდესაც გამოთვლილი სამყაროს განზომილებების რაოდენობა აღმოჩნდა 4 (უფრო ზუსტად, 4,02 ± 0,1). ეს იყო პირველი შემთხვევა, როდესაც ფუნდამენტური პრინციპებიდან გამოიყვანეს დაკვირვების ტოლი განზომილებების რაოდენობა. დღეს, მიზეზობრიობის კონცეფციის დანერგვა კვანტური გრავიტაციის მოდელში ერთადერთი ცნობილი გზაა სივრცე-დროის გეომეტრიების სუპერპოზიციის არასტაბილურობასთან გამკლავებისთვის.

სივრცე-დრო ზოგადად

ეს სიმულაცია პირველი იყო გამოთვლითი ექსპერიმენტების მიმდინარე სერიიდან, რომელშიც ჩვენ ვცდილობთ გამოვიტანოთ კვანტური სივრცის დროის ფიზიკური და გეომეტრიული თვისებები კომპიუტერული სიმულაციების საშუალებით. ჩვენი შემდეგი ნაბიჯი იყო დიდ დისტანციებზე სივრცე-დროის ფორმის შესწავლა და რეალურ სამყაროსთან მისი შესაბამისობის შემოწმება, ე.ი. ფარდობითობის ზოგადი თეორიის პროგნოზები. კვანტური გრავიტაციის არაპერტურბაციური მოდელების შემთხვევაში, რომლებიც არ შეიცავს აპრიორულ ვარაუდს დროის სივრცის ფორმის შესახებ, ასეთი ტესტი ძალიან რთულია - იმდენად, რომ კვანტური გრავიტაციის უმეტეს მიდგომებში, სიმების თეორიის ჩათვლით, გარდა განსაკუთრებული შემთხვევებისა. , მიღწეული წარმატება არასაკმარისია მისი განსახორციელებლად.

ჩაღრმავება სივრცე-დროში

ავტორების გამოთვლებით, სივრცე-დროის სპექტრული განზომილება მცირდება ოთხიდან (დიდი მასშტაბის ზღვრით) ორამდე (მცირე მასშტაბის ზღვარზე), ხოლო უწყვეტი სივრცე-დრო იშლება და გადაიქცევა განშტოებული ფრაქტალი. ფიზიკოსებს ჯერ არ შეუძლიათ გაიგონ, ნიშნავს თუ არა ეს დასკვნა, რომ საბოლოოდ სივრცე-დრო შედგება ლოკალიზებული „ატომებისგან“, თუ იგი აგებულია მიკროსკოპული სტრუქტურებისგან, რომლებიც ძალიან თავისუფლად არიან დაკავშირებული გეომეტრიის ჩვეულ კონცეფციასთან.

როგორც აღმოჩნდა, იმისთვის, რომ ჩვენმა მოდელმა იმუშაოს, თავიდანვე საჭიროა შემოვიტანოთ ეგრეთ წოდებული კოსმოლოგიური მუდმივი - უხილავი და არამატერიალური სუბსტანცია, რომელიც შეიცავს სივრცეში მატერიის სხვა ფორმების არარსებობის შემთხვევაშიც კი. ენერგია. ეს საჭიროება კარგი ამბავია, რადგან კოსმოლოგებმა აღმოაჩინეს ამ მუდმივის არსებობის ექსპერიმენტული დადასტურება. უფრო მეტიც, სივრცე-დროის მიღებული ფორმა შეესაბამებოდა დე სიტერის გეომეტრიას, ე.ი. აინშტაინის განტოლებების ამოხსნა სამყაროსთვის, რომელიც არაფერს შეიცავს, გარდა კოსმოლოგიური მუდმივისა. მართლაც საყურადღებოა, რომ მიკროსკოპული „აგურის“ ანსამბლის თითქმის შემთხვევითი შეკრება - სიმეტრიის ან სასურველი გეომეტრიული სტრუქტურის ყოველგვარი ვარაუდის გარეშე - განაპირობებდა სივრცე-დროს, რომელსაც აქვს, დიდი მასშტაბით, უაღრესად სიმეტრიული ფორმა. დე სიტერის სამყარო.

თითქმის რეგულარული გეომეტრიული ფორმის ოთხგანზომილებიანი სამყაროს დინამიური გაჩენა ძირითადი პრინციპებიდან გახდა ჩვენი მოდელირების ცენტრალურ მიღწევად. კითხვა, შეიძლება თუ არა ეს გამორჩეული შედეგის გაგება სივრცე-დროის ზოგიერთი ჯერ კიდევ ჩამოუყალიბებელი „ატომების“ ურთიერთქმედების შესახებ იდეების ჩარჩოებში, არის ჩვენი მიმდინარე კვლევის მიზანი. ვინაიდან ჩვენ დავინახეთ, რომ კვანტური გრავიტაციის ჩვენმა მოდელმა გაიარა მრავალი კლასიკური ტესტი, დროა მივმართოთ სხვა სახის ექსპერიმენტებს - გამოვავლინოთ სივრცე-დროის გამორჩეული კვანტური სტრუქტურა, რომელიც აინშტაინის კლასიკურმა თეორიამ ვერ გამოავლინა. ერთ-ერთ ამ ექსპერიმენტში ჩვენ მოვახდინეთ დიფუზიის პროცესის მოდელირება: ჩვენ შევიტანეთ მელნის წვეთების შესაფერისი ანალოგი სამყაროების სუპერპოზიციაში და დავაკვირდით, თუ როგორ ვრცელდება იგი და არღვევს კვანტურ რყევებს. დროთა განმავლობაში მელნის ღრუბლის ზომის პოვნამ საშუალება მოგვცა განვსაზღვროთ ზომების რაოდენობა სივრცეში (იხ. გვერდითი ზოლი).

შედეგი იყო განსაცვიფრებელი: გაზომვების რაოდენობა დამოკიდებულია მასშტაბზე. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, თუ დიფუზია გაგრძელდა ხანმოკლე დროით, მაშინ სივრცე-დროის განზომილებების რაოდენობა სხვაგვარი აღმოჩნდა, ვიდრე დიფუზიის პროცესი დიდი ხნის განმავლობაში მიმდინარეობდა. ჩვენც კი, ვინც სპეციალიზირებულია კვანტურ გრავიტაციაში, ვერ წარმოიდგენდა, თუ როგორ შეიძლებოდა დრო-სივრცის განზომილებების რაოდენობა განუწყვეტლივ შეიცვალოს ჩვენი „მიკროსკოპის“ გარჩევადობიდან გამომდინარე. ცხადია, პატარა ობიექტების სივრცე-დრო ძალიან განსხვავდება დიდი ობიექტებისგან. მცირე ობიექტებისთვის სამყარო ჰგავს ფრაქტალ სტრუქტურას - უჩვეულო სახის სივრცე, რომელშიც ზომის ცნება უბრალოდ არ არსებობს. თავისთავადი მსგავსია, ე.ი. ყველა მასშტაბში ერთნაირად გამოიყურება. ეს ნიშნავს, რომ არ არსებობს დამახასიათებელი ზომის ობიექტები, რომლებიც შეიძლება გახდეს მასშტაბის ზოლის მსგავსი.

რამდენად პატარაა "პატარა"? დაახლოებით $10^(–34)$m ზომამდე, მთლიანობაში კვანტური სამყარო კარგად არის აღწერილი კლასიკური ოთხგანზომილებიანი დე სიტერის გეომეტრიით, თუმცა კვანტური რყევების როლი იზრდება მანძილის კლებასთან ერთად. გასაკვირია ის ფაქტი, რომ კლასიკური მიახლოება მოქმედებს ასეთ მცირე დისტანციებზე. მისგან ძალიან მნიშვნელოვანი შედეგები მომდინარეობს როგორც სამყაროს ისტორიის ადრეულ ეტაპებზე, ასევე მის ძალიან შორეულ მომავალზე. ორივე ამ საზღვრებში სამყარო პრაქტიკულად ცარიელია. თავიდანვე კვანტური რყევები იმდენად დიდი იყო, რომ მატერია ძლივს შესამჩნევი იყო. ის იყო პაწაწინა ჯოხი ტალღოვან ოკეანეში. ჩვენგან მილიარდობით წლის შემდეგ, სამყაროს სწრაფი გაფართოების გამო, მატერია იმდენად იშვიათი იქნება, რომ ის ძალიან მცირე როლს შეასრულებს ან საერთოდ არ ითამაშებს. ჩვენი მიდგომა საშუალებას გვაძლევს ავხსნათ სივრცის ფორმა ორივე შემზღუდველ შემთხვევაში.

რა არის მიზეზი?

მიზეზობრიობა არის პრინციპი, რომ მოვლენები ხდება დროის გარკვეული თანმიმდევრობით და არა უწესრიგოდ, რაც შესაძლებელს ხდის განასხვავოს მიზეზი და შედეგი. ავტორების მიერ მიღებული კვანტური გრავიტაციისადმი მიდგომაში, განსხვავება მიზეზსა და ეფექტს შორის ჩნდება როგორც ფუნდამენტური თვისება ბუნებაში და არა მიღებული თვისება.

კიდევ უფრო მცირე მასშტაბებში, სივრცე-დროის კვანტური რყევები იმდენად იზრდება, რომ კლასიკური ინტუიცია გეომეტრიის შესახებ სრულიად კარგავს თავის მნიშვნელობას. ზომების რაოდენობა მცირდება კლასიკური ოთხიდან დაახლოებით ორამდე. თუმცა, რამდენადაც შეგვიძლია ვთქვათ, სივრცე-დრო რჩება უწყვეტი და არ შეიცავს გვირაბებს. ეს არ არის ისეთი ეგზოტიკური, როგორც ადუღებული სივრცე-დროის ქაფი, რომელიც ფიზიკოსმა ჯონ უილერმა და ბევრმა სხვამ ნახეს. სივრცე-დროის გეომეტრია ემორჩილება უჩვეულო და არაკლასიკურ კანონებს, მაგრამ მანძილის ცნება კვლავ გამოიყენება. ახლა ჩვენ ვცდილობთ შევიღოთ კიდევ უფრო მცირე ტერიტორიაზე. ერთი შესაძლებლობა არის ის, რომ სამყარო ხდება საკუთარი თავის მსგავსი და ერთნაირად გამოიყურება ყველა მასშტაბით გარკვეული ზღვრის ქვემოთ. თუ ასეა, მაშინ სამყარო არ შედგება სიმებისაგან ან სივრცე-დროის ატომებისგან, არამედ არის გაუთავებელი მოწყენილობის სამყარო: სტრუქტურა, რომელიც ნაპოვნია ზღურბლის ქვემოთ, რაც უფრო ღრმად მიდის უფრო მცირე განზომილებების რეგიონში, უბრალოდ განმეორდება. თავად უსასრულოდ.

ძნელი წარმოსადგენია, როგორ ახერხებენ ფიზიკოსები ნაკლები კომპონენტითა და ტექნიკური საშუალებებით, ვიდრე ჩვენ ვიყენებდით რეალისტური თვისებების მქონე კვანტური სამყაროს ასაშენებლად. ჩვენ ჯერ კიდევ ბევრი ტესტი და ექსპერიმენტი გვაქვს გასაკეთებელი, მაგალითად, იმისათვის, რომ გავიგოთ მატერიის ქცევა სამყაროში და მისი გავლენა მის მთლიან ფორმაზე. ჩვენი მთავარი მიზანი, როგორც კვანტური გრავიტაციის ნებისმიერი თეორიის შემთხვევაში, არის მიკროსკოპული კვანტური სტრუქტურის დაკვირვებადი შედეგების პროგნოზირება. ეს იქნება ჩვენი მოდელის, როგორც კვანტური გრავიტაციის თეორიის სისწორის გადამწყვეტი კრიტერიუმი.

თარგმანი: ი.ე. საცევიჩი

დამატებითი ლიტერატურა

• პლანკის კვანტური სამყაროს დაბადება. J. Ambjorn, A. Gorlich, J. Jurkiewicz and R. Loll in Physical Review Letters, ტ. 100, მუხლი No. 091304; მარტი 7, 2008. წინასწარი ბეჭდვა ხელმისაწვდომია
• სრული იდიოტის გზამკვლევი სიმების თეორიისთვის. ჯორჯ მუსერი. ალფა, 2008 წ.
• კოსმოსური დროის, ან კვანტური გრავიტაციის გაჩენა თქვენს სამუშაო მაგიდაზე. რ.ლოლი კლასიკურ და კვანტურ გრავიტაციაში, ტ. 25, არა. 11, მუხლი No. 114006; 2008 წლის 7 ივნისი. ხელმისაწვდომია წინასწარი ბეჭდვა
• რენატა ლოლის ვებსაიტი

იან ამბიორნი, რენატე ლოლიდა იერჟი იურკევიჩიკვანტური გრავიტაციის პრობლემისადმი მიდგომა შეიმუშავეს 1998 წელს. ამბიორნი არის დანიის სამეფო აკადემიის წევრი, კოპენჰაგენის ნილს ბორის ინსტიტუტისა და ნიდერლანდების უტრეხტის უნივერსიტეტის პროფესორი. ის ცნობილია როგორც ტაილანდური სამზარეულოს ოსტატი - გარემოება, რომელსაც გამომცემლები პირველ რიგში აღნიშნავენ. რენატა ლოლი უტრეხტის უნივერსიტეტის პროფესორია, სადაც ხელმძღვანელობს ევროპაში კვანტური გრავიტაციის ერთ-ერთ უდიდეს ჯგუფს. მანამდე იგი მუშაობდა მაქს პლანკის გრავიტაციული ფიზიკის ინსტიტუტში ჰოლმში (გერმანია). იშვიათ დასვენების დროს კამერული მუსიკა უკრავს. იერჟი იურკევიჩი არის კრაკოვის იაგელონის უნივერსიტეტის ფიზიკური ინსტიტუტის რთული სისტემების თეორიის დეპარტამენტის ხელმძღვანელი. მის წინა სამუშაოებს შორისაა ნილს ბორის ინსტიტუტი კოპენჰაგენში, სადაც ის მოხიბლული იყო ნაოსნობის სილამაზით.

ორი ინგლისელი ფიზიკოსი, რომელთაგან ერთი ელემენტარულ ნაწილაკებს სწავლობს (ბრაიან კოქსი), მეორე კი მანჩესტერის უნივერსიტეტის თეორიული ფიზიკის კათედრის პროფესორი (ჯეფ ფორშოუ), გვაცნობს მსოფლიოს ფუნდამენტურ მოდელს.

ხელმისაწვდომი ენის, მრავალი ნახატისა და კარგი ანალოგიების გამოყენებით ავტორებმა შეძლეს აეხსნათ კვანტური ფიზიკის ძნელად გასაგები ცნებები.

ბრაიან კოქსი, ჯეფ ფორშოუ:

ამ წიგნის მიზანია კვანტური თეორიის დემისტიფიკაცია, თეორიული კონსტრუქცია, რომელმაც ძალიან ბევრი დააბნია, მათ შორის, ინდუსტრიის პიონერებიც კი. ჩვენ განზრახული გვაქვს გამოვიყენოთ თანამედროვე პერსპექტივა, გამოვიყენოთ საუკუნეების მანძილზე მიმოხილვისა და თეორიის განვითარების გაკვეთილები. თუმცა, მოგზაურობის დასაწყისში, ჩვენ გადავიყვანთ მე-20 საუკუნის დასაწყისში და გამოვიკვლევთ ზოგიერთ პრობლემას, რამაც აიძულა ფიზიკოსები რადიკალურად გადაეხვიათ იმისგან, რაც მანამდე მეცნიერების მთავარ ნაკადად ითვლებოდა.

1. რაღაც უცნაური მოდის

კვანტური თეორია ალბათ საუკეთესო მაგალითია იმისა, თუ როგორ ხდება უსასრულოდ ძნელი გასაგები ადამიანების უმეტესობისთვის უკიდურესად სასარგებლო. ძნელი გასაგებია, რადგან ის აღწერს სამყაროს, რომელშიც ნაწილაკი რეალურად შეიძლება იყოს რამდენიმე ადგილას ერთდროულად და გადავიდეს ერთი ადგილიდან მეორეზე, რითაც გამოიკვლიოს მთელი სამყარო. ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ ყველაფერი შედგება მრავალი პაწაწინა ნაწილაკებისგან, რომლებიც მოძრაობენ კვანტური თეორიის კანონების მიხედვით. ეს კანონები იმდენად მარტივია, რომ მათი დაწერა შესაძლებელია კონვერტის უკანა მხარეს. და ის ფაქტი, რომ მთელ ბიბლიოთეკას არ მოეთხოვება საგნების ღრმა ბუნების ახსნა, თავისთავად არის მსოფლიოს ერთ-ერთი უდიდესი საიდუმლო.

2. ორ ადგილას ერთდროულად

კვანტური თეორიის ყველაზე უჩვეულო პროგნოზები ჩვეულებრივ ვლინდება მცირე ობიექტების ქცევაში. მაგრამ რადგან დიდი ობიექტები შედგება პატარაებისგან, გარკვეულ პირობებში საჭიროა კვანტური ფიზიკა სამყაროს ერთ-ერთი უდიდესი ობიექტის, ვარსკვლავების თვისებების ასახსნელად.

3. რა არის ნაწილაკი?

მას შემდეგ, რაც დავადგინეთ, რომ ელექტრონის აღწერა მრავალი თვალსაზრისით მიბაძავს ტალღების ქცევას, ჩვენ უნდა განვავითაროთ უფრო ზუსტი ცნებები თავად ტალღების შესახებ. დავიწყოთ იმით, თუ რა ხდება წყლის ავზში, როდესაც ორი ტალღა ერთმანეთს ხვდება, ერევა და ერევა. მოდით წარმოვადგინოთ ტალღების სიმაღლეები, როგორც საათი 12 საათის ისრით და დაბალი, როგორც საათი 6 საათის ისრით. ასევე შეგვიძლია წარმოვადგინოთ ტალღების პოზიციები მინიმალურ და მაქსიმუმს შორის შუალედური დროებით საათების დახატვით, როგორც ამ შემთხვევაში. ფაზები ახალ და სავსე მთვარეს შორის.

4. ყველაფერი, რაც შეიძლება მოხდეს, ნამდვილად ხდება

ჰაიზენბერგის გაურკვევლობის პრინციპი

თავის თავდაპირველ ნაშრომში ჰაიზენბერგმა შეძლო შეეფასებინა ურთიერთობა ნაწილაკების პოზიციისა და იმპულსის გაზომვის სიზუსტეს შორის. ჰაიზენბერგის გაურკვევლობის პრინციპი კვანტური თეორიის ერთ-ერთი ყველაზე გაუგებარი ნაწილია, გზა, რომლისკენაც ყველანაირი შარლატანი და სისულელეების გამყიდველი უბიძგებს მათ ფილოსოფიურ სისულელეს.

ჰაიზენბერგის გაურკვევლობის პრინციპის წარმოშობა საათის სახეების თეორიიდან

სამი აკრიფეთ, რომელიც აჩვენებს ერთსა და იმავე დროს და მდებარეობს იმავე ხაზზე, აღწერს ნაწილაკს, რომელიც საწყის მომენტში არის სადღაც ამ ციფერბლატის მიდამოში. ჩვენ გვაინტერესებს, რა არის შანსები X წერტილში ნაწილაკის პოვნის შემდეგ დროში.

პლანკის მუდმივის მოკლე ისტორია

პლანკმა გაანადგურა მაქსველის სინათლის კონცეფციის საფუძველში არსებული პირველი ქვები, რაც აჩვენა, რომ გახურებული სხეულის მიერ გამოსხივებული სინათლის ენერგია შეიძლება აღწერილი იყოს მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ ის გამოიყოფა კვანტებში.

დაუბრუნდით ჰაიზენბერგის გაურკვევლობის პრინციპს

კვანტური მექანიკის თეორია, რომელიც ჩვენ შევიმუშავეთ, ვარაუდობს, რომ თუ ქვიშის მარცვალს მოათავსებთ რაღაც მომენტში, ის მოგვიანებით შეიძლება დასრულდეს სამყაროს სხვაგან. მაგრამ აშკარაა, რომ ეს არ ხდება ქვიშის ნამდვილ მარცვლებთან. პირველ კითხვაზე პასუხი უნდა გასცეს: რამდენჯერ შემობრუნდება საათის ისრები, თუ ქვიშის მარცვლის მასის მქონე ნაწილაკს გადავაადგილებთ, ვთქვათ, 0,001 მმ მანძილზე ერთ წამში?

5. მოძრაობა, როგორც ილუზია

საწყისი ჯგუფის დაყენების შემდეგ, საათების დახმარებით, რომლებიც აჩვენებენ განსხვავებულ და არა ერთსა და იმავე დროს, მივედით მოძრავი ნაწილაკების აღწერამდე. საინტერესოა, რომ ჩვენ შეგვიძლია ძალიან მნიშვნელოვანი კავშირი დავამყაროთ გადაადგილებულ საათებსა და ტალღის ქცევას შორის.

ტალღის პაკეტები

ცნობილი იმპულსის მქონე ნაწილაკი აღწერილია ციფერბლატების დიდი ჯგუფით. უფრო ზუსტად, ზუსტად ცნობილი იმპულსის მქონე ნაწილაკი აღწერილი იქნება საათების უსასრულოდ გრძელი ჯგუფის მიერ, რაც ნიშნავს უსასრულოდ გრძელი ტალღის პაკეტს.

6. ატომების მუსიკა

ახლა ჩვენ შეგვიძლია გამოვიყენოთ ჩვენი დაგროვილი ცოდნა იმ კითხვის გადასაჭრელად, რომელიც აწუხებდა რეზერფორდს, ბორს და სხვა მეცნიერებს მე-20 საუკუნის პირველ ათწლეულებში: კონკრეტულად რა ხდება ატომის შიგნით? ...აქ ჩვენ პირველად შევეცდებით ჩვენი თეორიის დახმარებით ავხსნათ რეალური სამყაროს ფენომენები.

ატომური ყუთი

როგორც ჩანს, ჩვენ შევიმუშავეთ ატომების სწორი შეხედულება. მაგრამ მაინც, რაღაც არ არის კარგად. დაკარგულია თავსატეხის ბოლო ნაწილი, რომლის გარეშეც შეუძლებელია წყალბადზე მძიმე ატომების სტრუქტურის ახსნა. უფრო პროზაულად, ჩვენ ასევე ვერ ავხსნით, თუ რატომ არ ვვარდებით მიწაში, რაც პრობლემებს უქმნის ბუნების ჩვენს მშვენიერ თეორიას.

7. სამყარო ქინძისთავის თავზე (და რატომ არ ვვარდებით მიწაში)

მატერია შეიძლება იყოს სტაბილური მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ ელექტრონები დაემორჩილებიან ეგრეთ წოდებულ პაულის პრინციპს, ერთ-ერთ ყველაზე გასაოცარ ფენომენს ჩვენს კვანტურ სამყაროში.

8. ურთიერთდამოკიდებულება

აქამდე ჩვენ დიდ ყურადღებას ვაქცევდით იზოლირებული ნაწილაკების და ატომების კვანტურ ფიზიკას. თუმცა, ჩვენი ფიზიკური გამოცდილება დაკავშირებულია ერთად დაჯგუფებული მრავალი ატომის აღქმასთან და, შესაბამისად, დროა დავიწყოთ იმის გაგება, თუ რა ხდება ატომების გაერთიანებისას.

9. თანამედროვე სამყარო

ტრანზისტორი არის ყველაზე მნიშვნელოვანი გამოგონება ბოლო 100 წლის განმავლობაში: თანამედროვე სამყარო აგებულია და ყალიბდება ნახევარგამტარულ ტექნოლოგიაზე.

10. ურთიერთქმედება

დავიწყოთ პირველი ღია კვანტური ველის თეორიის - კვანტური ელექტროდინამიკის კანონების ფორმულირებით, შემოკლებით QED. ამ თეორიის წარმოშობა თარიღდება 1920-იანი წლებით, როდესაც დირაკმა განსაკუთრებით წარმატებული იყო მაქსველის ელექტრომაგნიტური თეორიის კვანტურ ბაზაზე დაყენება.

გაზომვის პრობლემა კვანტურ თეორიაში

ჩვენ შეგვიძლია წინსვლა მივიჩნიოთ იმის დაჯერებით, რომ სამყარო შეუქცევად შეიცვალა გაზომვის შედეგად, მიუხედავად იმისა, რომ მსგავსი არაფერი მომხდარა. მაგრამ ეს ყველაფერი არც ისე მნიშვნელოვანია, როდესაც საქმე ეხება ექსპერიმენტის დაყენებისას რაიმეს ალბათობის გაანგარიშების სერიოზულ ამოცანას.

ანტიმატერია

დროში უკან მოძრავი ელექტრონები "დადებითი მუხტის მქონე ელექტრონებს" ჰგავს. ასეთი ნაწილაკები ნამდვილად არსებობს და მათ "პოზიტრონებს" უწოდებენ.

11. ცარიელი ადგილი არც ისე ცარიელია.

ვაკუუმი ძალიან საინტერესო ადგილია, სავსეა შესაძლებლობებითა და დაბრკოლებებით ნაწილაკების გზაზე.

ნაწილაკების ფიზიკის სტანდარტული მოდელი

სტანდარტული მოდელი შეიცავს დიდი ალბათობით დაავადების განკურნებას და ეს განკურნება ცნობილია როგორც ჰიგსის მექანიზმი. თუ ეს მართალია, მაშინ დიდმა ადრონულმა კოლაიდერმა უნდა აღმოაჩინოს კიდევ ერთი ბუნებრივი ნაწილაკი, ჰიგსის ბოზონი, რის შემდეგაც ჩვენი შეხედულებები ცარიელი სივრცის შემცველობაზე მკვეთრად უნდა შეიცვალოს.

მასის წარმოშობა

მასის წარმოშობის საკითხი განსაკუთრებით საყურადღებოა იმით, რომ მასზე პასუხი ღირებულია ჩვენი აშკარა სურვილის მიღმა ვიცოდეთ რა არის მასა. შევეცადოთ უფრო დეტალურად ავხსნათ ეს საკმაოდ იდუმალი და უცნაურად აგებული წინადადება.

ეპილოგი: ვარსკვლავების სიკვდილი

როდესაც ისინი იღუპებიან, ბევრი ვარსკვლავი მთავრდება, როგორც ბირთვული მატერიის სუპერმკვრივი ბურთები, რომლებიც გადახლართულია მრავალ ელექტრონთან. ეს არის ეგრეთ წოდებული თეთრი ჯუჯები. ეს იქნება ჩვენი მზის ბედი, როდესაც მას ბირთვული საწვავი ამოიწურება დაახლოებით 5 მილიარდ წელიწადში.

შემდგომი წაკითხვისთვის

ამ წიგნის მომზადებისას სხვა მრავალი ნაშრომი გამოვიყენეთ და ზოგიერთი მათგანი განსაკუთრებულ აღნიშვნასა და რეკომენდაციას იმსახურებს.

Cox B., Forshaw D. კვანტური სამყარო.
როგორ არის ის, რასაც ვერ ვხედავთ. M.: MIF. 2016 წელი.

ბრაიან კოქსი, ჯეფ ფორშოუ

კვანტური სამყარო. როგორ არის ის, რასაც ვერ ვხედავთ

სამეცნიერო რედაქტორები ვიაჩესლავ მარაჩა და მიხაილ პავლოვი

გამოქვეყნებულია Apollo's Children Ltd-ისა და Jeff Forshow and Diane Banks Associates Ltd-ის ნებართვით.

გამომცემლობის იურიდიულ მხარდაჭერას უწევს იურიდიული ფირმა Vegas Lex.

© ბრაიან კოქსი და ჯეფ ფორშოუ, 2011 წ

© თარგმანი რუსულად, გამოცემა რუსულ ენაზე, დიზაინი. შპს "მანი, ივანოვი და ფერბერი", 2016 წ

* * *

1. რაღაც უცნაური მოდის

კვანტური. ეს სიტყვა ერთდროულად მიმართავს გრძნობებს, აბნევს და ხიბლავს. ადამიანის თვალსაზრისიდან გამომდინარე, ეს არის ან მეცნიერების უზარმაზარი მიღწევების მტკიცებულება, ან სიმბოლოა ადამიანის ინტუიციის შეზღუდვისა, რომელიც იძულებულია ებრძოლოს სუბატომური სფეროს გარდაუვალ უცნაურობას. ფიზიკოსისთვის კვანტური მექანიკა არის ერთ-ერთი იმ სამი დიდი საყრდენიდან, რომლებზეც ბუნების გაგება ეყრდნობა (დანარჩენი ორი არის აინშტაინის ფარდობითობის ზოგადი და სპეციალური თეორიები). აინშტაინის თეორიები ეხება სივრცისა და დროის ბუნებას და მიზიდულობის ძალას. კვანტური მექანიკა ყველაფერზე ზრუნავს და შეიძლება ითქვას, რომ რაც არ უნდა იყოს ემოციურად მიმზიდველი, დამაბნეველი თუ მომხიბვლელი, ეს მხოლოდ ფიზიკური თეორიაა, რომელიც აღწერს, თუ როგორ იქცევა ბუნება რეალურად. მაგრამ ამ პრაგმატული კრიტერიუმითაც რომ გავზომოთ, ის გასაოცარია თავისი სიზუსტითა და ახსნა-განმარტებით. არსებობს ერთი ექსპერიმენტი კვანტური ელექტროდინამიკის სფეროდან, ყველაზე ძველი და ყველაზე კარგად გაგებული თანამედროვე კვანტურ თეორიებში. ის ზომავს, თუ როგორ იქცევა ელექტრონი მაგნიტის მახლობლად. თეორიული ფიზიკოსები წლების განმავლობაში ბევრს მუშაობდნენ კალმით და ქაღალდით, შემდეგ კი კომპიუტერებით, რათა წინასწარ განსაზღვრონ, თუ რას გამოავლენს ასეთი კვლევები. პრაქტიკოსებმა გამოიგონეს და მოაწყვეს ექსპერიმენტები ბუნებისგან მეტი დეტალების გასარკვევად. ორივე ბანაკი, ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად, აძლევდა შედეგებს ისეთი სიზუსტით, როგორიც მანჩესტერსა და ნიუ-იორკს შორის მანძილის გაზომვა რამდენიმე სანტიმეტრის შეცდომით. აღსანიშნავია, რომ ექსპერიმენტატორების მიერ მიღებული მაჩვენებლები სრულად შეესაბამებოდა თეორეტიკოსთა გამოთვლების შედეგებს; გაზომვები და გამოთვლები სრულ თანხმობაში იყო.

ეს არა მხოლოდ შთამბეჭდავია, არამედ გასაოცარიც, და თუ მოდელის შექმნა კვანტური თეორიის ერთადერთი საზრუნავი იყო, თქვენ შეიძლება სამართლიანად იკითხოთ, რა არის პრობლემა. მეცნიერება არ უნდა იყოს სასარგებლო, რა თქმა უნდა, მაგრამ ბევრი ტექნოლოგიური და სოციალური ცვლილება, რომელმაც რევოლუცია მოახდინა ჩვენს ცხოვრებაში, მომდინარეობს თანამედროვე მეცნიერების მიერ ჩატარებული ფუნდამენტური კვლევის შედეგად, რომლებსაც მხოლოდ ირგვლივ სამყაროს უკეთ გაცნობის სურვილი აქვთ ამოძრავებული. მეცნიერების ყველა დარგში ამ ცნობისმოყვარეობით გამოწვეული აღმოჩენების წყალობით, ჩვენ გვქონდა გახანგრძლივებული სიცოცხლის ხანგრძლივობა, საერთაშორისო საჰაერო მოგზაურობა, თავისუფლება საკუთარი გადარჩენისთვის მეურნეობის საჭიროებისგან და ჩვენი ადგილის ფართო, შთამაგონებელი და თვალისმომჭრელი სურათი უსასრულოდ. ვარსკვლავების ზღვა. მაგრამ ეს ყველაფერი, გარკვეული გაგებით, ქვეპროდუქტია. ჩვენ ვიკვლევთ ცნობისმოყვარეობის გამო და არა იმიტომ, რომ გვსურს რეალობის უკეთ გაგება ან უკეთესი წვრილმანების შემუშავება.

კვანტური თეორია, ალბათ, საუკეთესო მაგალითია იმისა, თუ როგორ ხდება ის, რაც უსასრულოდ რთული გასაგებია ადამიანების უმეტესობისთვის, ძალზე სასარგებლო ხდება. ძნელი გასაგებია, რადგან ის აღწერს სამყაროს, რომელშიც ნაწილაკი რეალურად შეიძლება იყოს რამდენიმე ადგილას ერთდროულად და გადავიდეს ერთი ადგილიდან მეორეზე, რითაც გამოიკვლიოს მთელი სამყარო. ეს სასარგებლოა, რადგან სამყაროს უმცირესი სამშენებლო ბლოკების ქცევის გაგება აძლიერებს ყველაფრის გაგებას. ეს ჩვენს ამპარტავნებას საზღვარს აყენებს, რადგან სამყარო გაცილებით რთული და მრავალფეროვანია, ვიდრე ჩანდა. მიუხედავად მთელი ამ სირთულისა, ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ ყველაფერი შედგება მრავალი პაწაწინა ნაწილაკებისგან, რომლებიც მოძრაობენ კვანტური თეორიის კანონების შესაბამისად. ეს კანონები იმდენად მარტივია, რომ მათი დაწერა შესაძლებელია კონვერტის უკანა მხარეს. და ის ფაქტი, რომ მთელ ბიბლიოთეკას არ მოეთხოვება საგნების ღრმა ბუნების ახსნა, თავისთავად არის მსოფლიოს ერთ-ერთი უდიდესი საიდუმლო.

ასე რომ, რაც უფრო მეტს ვიგებთ სამყაროს ელემენტარულ ბუნებაზე, მით უფრო მარტივი გვეჩვენება. თანდათანობით, ჩვენ გავიგებთ ყველა კანონს და როგორ ურთიერთქმედებენ ეს პატარა სამშენებლო ბლოკები სამყაროს შესაქმნელად. მაგრამ რამდენადაც ჩვენ მოხიბლული ვართ სამყაროს საფუძვლად არსებული სიმარტივით, უნდა გვახსოვდეს, რომ მიუხედავად იმისა, რომ თამაშის ძირითადი წესები მარტივია, მათი შედეგების გამოთვლა ყოველთვის ადვილი არ არის. სამყაროს შეცნობის ჩვენი ყოველდღიური გამოცდილება განისაზღვრება მრავალი მილიარდი ატომის ურთიერთობით და უბრალოდ სისულელე იქნება ამ ატომების ქცევის ნიუანსებიდან ადამიანების, ცხოველების და მცენარეების ქცევის პრინციპების დასკვნის მცდელობა. ამას რომ ვაღიარებთ, ჩვენ არ ვამცირებთ მის მნიშვნელობას: ყველა ფენომენის მიღმა, საბოლოოდ, მიკროსკოპული ნაწილაკების კვანტური ფიზიკა იმალება.

წარმოიდგინეთ სამყარო ჩვენს ირგვლივ. ხელში გიჭირავთ ქაღალდისგან დამზადებული წიგნი - დაფქული ხის რბილობი. ხეები არის მანქანები, რომლებსაც შეუძლიათ მიიღონ ატომები და მოლეკულები, დაარღვიონ ისინი და გადააკეთონ ისინი მილიარდობით ცალკეული ნაწილის კოლონიებად. ისინი ამას აკეთებენ ქლოროფილის სახელით ცნობილი მოლეკულის წყალობით, რომელიც შედგება ასზე მეტი ნახშირბადის, წყალბადის და ჟანგბადის ატომისგან, რომლებიც მრუდია სპეციალური გზით და უკავშირდება კიდევ რამდენიმე მაგნიუმის და წყალბადის ატომს. ნაწილაკების ასეთ კომბინაციას შეუძლია დაიჭიროს შუქი, რომელიც გაფრინდა 150 000 000 კმ ჩვენი ვარსკვლავიდან - ბირთვული კამერა, რომლის მოცულობაც მილიონი პლანეტაა, როგორც დედამიწა - და გადაიტანოს ეს ენერგია უჯრედებში ღრმად, სადაც ის ქმნის ახალ მოლეკულებს ნახშირორჟანგიდან და წყალი და ათავისუფლებს ჩვენი სიცოცხლის მომცემი არის ჟანგბადი.

სწორედ ეს მოლეკულური ჯაჭვები ქმნიან ზედა სტრუქტურას, რომელიც აერთიანებს ხეებს, ამ წიგნის ქაღალდს და მთელ სიცოცხლეს. თქვენ შეგიძლიათ წაიკითხოთ წიგნი და გაიგოთ სიტყვები, რადგან თქვენ გაქვთ თვალები, რომლებსაც შეუძლიათ გვერდებიდან გაფანტული შუქი გადააქციონ ელექტრულ იმპულსებად, რომელთა ინტერპრეტაცია შესაძლებელია ტვინის მიერ, სამყაროს ყველაზე რთული სტრუქტურის შესახებ, რომელიც ჩვენ ვიცით. ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ სამყაროში ყველაფერი სხვა არაფერია, თუ არა ატომების ერთობლიობა და ატომების ყველაზე ფართო არჩევანი მხოლოდ სამი ნაწილაკისგან შედგება - ელექტრონები, პროტონები და ნეიტრონები. ჩვენ ასევე ვიცით, რომ პროტონები და ნეიტრონები თავად შედგებიან უფრო მცირე არსებებისაგან, რომლებსაც კვარკები უწოდებენ და აქ მთავრდება ყველაფერი - ყოველ შემთხვევაში, ასე ვფიქრობთ ახლა. ეს ყველაფერი კვანტურ თეორიას ეფუძნება.

ამრიგად, თანამედროვე ფიზიკა ასახავს სამყაროს სურათს, რომელშიც ჩვენ ვცხოვრობთ განსაკუთრებული სიმარტივით; ელეგანტური ფენომენი ხდება სადღაც, სადაც მათი დანახვა შეუძლებელია, რაც იწვევს მაკროკოსმოსის მრავალფეროვნებას. შესაძლოა, ეს არის თანამედროვე მეცნიერების ყველაზე თვალსაჩინო მიღწევა - სამყაროს წარმოუდგენელი სირთულის შემცირება, მათ შორის თავად ადამიანები, მცირე ზომის სუბატომური ნაწილაკების ქცევისა და მათ შორის მოქმედი ოთხი ძალის ქცევის აღწერამდე. ამ ოთხი ძალიდან სამის საუკეთესო აღწერა - ძლიერი და სუსტი ბირთვული ძალები, რომლებიც არსებობენ ატომის ბირთვში, და ელექტრომაგნიტური ძალა, რომელიც ატომებსა და მოლეკულებს ერთმანეთთან აკავებს - მოცემულია კვანტური თეორიით. მხოლოდ გრავიტაციის ძალას - ყველაზე სუსტ, მაგრამ ალბათ ყველაზე ნაცნობ ძალას - ამჟამად არ აქვს დამაკმაყოფილებელი კვანტური აღწერა.

უნდა ვაღიაროთ, რომ კვანტურ თეორიას ცოტა უცნაური რეპუტაცია აქვს და მის სახელს ბევრი რეალური სისულელე ფარავს. კატები შეიძლება იყვნენ ერთდროულად ცოცხალიც და მკვდარიც; ნაწილაკები ერთდროულად ორ ადგილას არიან; ჰაიზენბერგი ამტკიცებს, რომ ყველაფერი გაურკვეველია. ეს ყველაფერი მართლაც ასეა, მაგრამ დასკვნები, რომლებიც ხშირად აქედან გამომდინარეობს - ვინაიდან რაღაც უცნაური ხდება მიკროსამყაროში, მაშინ ჩვენ ნისლის ბურუსში ვართ გახვეული - ნამდვილად არასწორია. ექსტრასენსორული აღქმა, მისტიური განკურნება, ვიბრაციული სამაჯურები, რომლებიც იცავს რადიაციისგან და ვინ იცის, კიდევ რა რეგულარულად იპარება შესაძლებელის პანთეონში სიტყვა „კვანტურის“ საფარქვეშ. ეს სისულელე გამოწვეულია მკაფიოდ აზროვნების უუნარობით, თავის მოტყუებით, ნამდვილი ან მოჩვენებითი გაუგებრობით ან ყოველივე ზემოთქმულის განსაკუთრებით სამწუხარო კომბინაციით. კვანტური თეორია ზუსტად აღწერს სამყაროს მათემატიკური კანონებით ისეთივე სპეციფიკური, როგორც ნიუტონის ან გალილეოს მიერ გამოყენებული. სწორედ ამიტომ შეგვიძლია წარმოუდგენელი სიზუსტით გამოვთვალოთ ელექტრონის მაგნიტური ველი. კვანტური თეორია გვთავაზობს ბუნების აღწერას, რომელსაც, როგორც გავიგებთ, აქვს უზარმაზარი პროგნოზირებადი და ახსნის ძალა და ვრცელდება ყველაფერზე, სილიკონის ჩიპებიდან ვარსკვლავებამდე.

ამ წიგნის მიზანია კვანტური თეორიის დემისტიფიკაცია, თეორიული კონსტრუქცია, რომელმაც ძალიან ბევრი დააბნია, მათ შორის ინდუსტრიის პიონერებიც კი. ჩვენ განზრახული გვაქვს გამოვიყენოთ თანამედროვე პერსპექტივა, გამოვიყენოთ საუკუნეების მანძილზე მიმოხილვისა და თეორიის განვითარების გაკვეთილები. თუმცა, მოგზაურობის დასაწყისში, ჩვენ გადავიყვანთ მე-20 საუკუნის დასაწყისში და გამოვიკვლევთ ზოგიერთ პრობლემას, რამაც აიძულა ფიზიკოსები რადიკალურად გადაეხვიათ იმისგან, რაც მანამდე მეცნიერების მთავარ ნაკადად ითვლებოდა.

ადამიანის თვალსაზრისიდან გამომდინარე, კვანტური თეორია ან მეცნიერების უზარმაზარი მიღწევების დასტურია, ან სიმბოლოა ადამიანის ინტუიციის შეზღუდვისა, რომელიც იძულებულია შეებრძოლოს სუბატომური სფეროს უცნაურობას. ფიზიკოსისთვის კვანტური მექანიკა არის ერთ-ერთი იმ სამი დიდი საყრდენიდან, რომელზედაც დაფუძნებულია ბუნების გაგება (აინშტაინის ფარდობითობის ზოგად და სპეციალურ თეორიებთან ერთად). მათთვის, ვისაც ყოველთვის სურდა რაღაცის გაგება მაინც სამყაროს სტრუქტურის ფუნდამენტურ მოდელში, მეცნიერები ბრაიან კოქსი და ჯეფ ფორშოუ განმარტავენ თავიანთ წიგნში "კვანტური სამყარო", რომელიც გამოქვეყნდა MIF-ის მიერ. T&P აქვეყნებს მოკლე პასაჟს კვანტის არსისა და თეორიის წარმოშობის შესახებ.

აინშტაინის თეორიები ეხება სივრცისა და დროის ბუნებას და მიზიდულობის ძალას. კვანტური მექანიკა ყველაფერზე ზრუნავს და შეიძლება ითქვას, რომ რაც არ უნდა იყოს ემოციურად მიმზიდველი, დამაბნეველი ან მომხიბვლელი, ეს მხოლოდ ფიზიკური თეორიაა, რომელიც აღწერს, თუ როგორ იქცევა ბუნება რეალურად. მაგრამ ამ პრაგმატული კრიტერიუმითაც რომ გავზომოთ, ის გასაოცარია თავისი სიზუსტითა და ახსნა-განმარტებით. არსებობს ერთი ექსპერიმენტი კვანტური ელექტროდინამიკის სფეროდან, ყველაზე ძველი და ყველაზე კარგად გაგებული თანამედროვე კვანტურ თეორიებში. ის ზომავს, თუ როგორ იქცევა ელექტრონი მაგნიტის მახლობლად. თეორიული ფიზიკოსები წლების განმავლობაში ბევრს მუშაობდნენ კალმით და ქაღალდით, შემდეგ კი კომპიუტერებით, რათა წინასწარ განსაზღვრონ, თუ რას გამოავლენს ასეთი კვლევები. პრაქტიკოსებმა გამოიგონეს და მოაწყვეს ექსპერიმენტები ბუნებისგან მეტი დეტალების გასარკვევად. ორივე ბანაკი, ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად, აძლევდა შედეგებს ისეთი სიზუსტით, როგორიც მანჩესტერსა და ნიუ-იორკს შორის მანძილის გაზომვა რამდენიმე სანტიმეტრის შეცდომით. აღსანიშნავია, რომ ექსპერიმენტატორების მიერ მიღებული მაჩვენებლები სრულად შეესაბამებოდა თეორეტიკოსთა გამოთვლების შედეგებს; გაზომვები და გამოთვლები სრულ თანხმობაში იყო.

კვანტური თეორია, ალბათ, საუკეთესო მაგალითია იმისა, თუ როგორ ხდება ის, რაც უსასრულოდ რთული გასაგებია ადამიანების უმეტესობისთვის, ძალზე სასარგებლო ხდება. ძნელი გასაგებია, რადგან ის აღწერს სამყაროს, რომელშიც ნაწილაკი რეალურად შეიძლება იყოს რამდენიმე ადგილას ერთდროულად და გადავიდეს ერთი ადგილიდან მეორეზე, რითაც გამოიკვლიოს მთელი სამყარო. ეს სასარგებლოა, რადგან სამყაროს უმცირესი სამშენებლო ბლოკების ქცევის გაგება აძლიერებს ყველაფრის გაგებას. ეს ჩვენს ამპარტავნებას საზღვარს აყენებს, რადგან სამყარო გაცილებით რთული და მრავალფეროვანია, ვიდრე ჩანდა. მიუხედავად მთელი ამ სირთულისა, ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ ყველაფერი შედგება მრავალი პაწაწინა ნაწილაკებისგან, რომლებიც მოძრაობენ კვანტური თეორიის კანონების შესაბამისად. ეს კანონები იმდენად მარტივია, რომ მათი დაწერა შესაძლებელია კონვერტის უკანა მხარეს. და ის ფაქტი, რომ მთელ ბიბლიოთეკას არ მოეთხოვება საგნების ღრმა ბუნების ახსნა, თავისთავად არის მსოფლიოს ერთ-ერთი უდიდესი საიდუმლო.

წარმოიდგინეთ სამყარო ჩვენს ირგვლივ. ვთქვათ, ხელში გიჭირავთ ქაღალდისგან დამზადებული წიგნი - დაფქული ხის რბილობი. ხეები არის მანქანები, რომლებსაც შეუძლიათ მიიღონ ატომები და მოლეკულები, დაარღვიონ ისინი და გადააკეთონ ისინი მილიარდობით ცალკეული ნაწილის კოლონიებად. ისინი ამას აკეთებენ ქლოროფილის სახელით ცნობილი მოლეკულის წყალობით, რომელიც შედგება ასზე მეტი ნახშირბადის, წყალბადის და ჟანგბადის ატომისგან, რომლებიც მრუდია სპეციალური გზით და უკავშირდება კიდევ რამდენიმე მაგნიუმის და წყალბადის ატომს. ნაწილაკების ასეთ კომბინაციას შეუძლია დაიჭიროს შუქი, რომელიც გაფრინდა 150 000 000 კმ ჩვენი ვარსკვლავიდან - ბირთვული კამერა, რომლის მოცულობაც მილიონი პლანეტაა, როგორც დედამიწა - და გადაიტანოს ეს ენერგია უჯრედებში, სადაც ის ქმნის ახალ მოლეკულებს ნახშირორჟანგისგან. წყალი და გამონაბოლქვი, რომელიც გვაძლევს სიცოცხლეს, არის ჟანგბადი.

სწორედ ეს მოლეკულური ჯაჭვები ქმნიან ზედა სტრუქტურას, რომელიც აერთიანებს ხეებს, ამ წიგნის ქაღალდს და მთელ სიცოცხლეს. თქვენ შეგიძლიათ წაიკითხოთ წიგნი და გაიგოთ სიტყვები, რადგან თქვენ გაქვთ თვალები, რომლებსაც შეუძლიათ გვერდებიდან გაფანტული შუქი გადააქციონ ელექტრულ იმპულსებად, რომელთა ინტერპრეტაცია შესაძლებელია ტვინის მიერ, სამყაროს ყველაზე რთული სტრუქტურის შესახებ, რომელიც ჩვენ ვიცით. ჩვენ აღმოვაჩინეთ, რომ სამყაროში ყველაფერი სხვა არაფერია, თუ არა ატომების ერთობლიობა და ატომების ყველაზე ფართო არჩევანი მხოლოდ სამი ნაწილაკისგან შედგება - ელექტრონები, პროტონები და ნეიტრონები. ჩვენ ასევე ვიცით, რომ თავად პროტონები და ნეიტრონები შედგებიან უფრო მცირე ერთეულებისგან, რომლებსაც კვარკები ჰქვია და ისინი ყველაფრის დასასრულია - ყოველ შემთხვევაში, ასე ვფიქრობთ ახლა. ეს ყველაფერი კვანტურ თეორიას ეფუძნება.

ამრიგად, თანამედროვე ფიზიკა ასახავს სამყაროს სურათს, რომელშიც ჩვენ ვცხოვრობთ განსაკუთრებული სიმარტივით; ელეგანტური ფენომენი ხდება სადღაც, სადაც მათი დანახვა შეუძლებელია, რაც იწვევს მაკროკოსმოსის მრავალფეროვნებას. შესაძლოა, ეს არის თანამედროვე მეცნიერების ყველაზე თვალსაჩინო მიღწევა - სამყაროს წარმოუდგენელი სირთულის შემცირება, მათ შორის თავად ადამიანები, მცირე ზომის სუბატომური ნაწილაკების ქცევისა და მათ შორის მოქმედი ოთხი ძალის ქცევის აღწერამდე. ამ ოთხი ძალიდან სამის საუკეთესო აღწერა - ძლიერი და სუსტი ბირთვული ძალები, რომლებიც არსებობენ ატომის ბირთვში და ელექტრომაგნიტური ძალა, რომელიც ატომებსა და მოლეკულებს ერთმანეთთან აკავებს - მოცემულია კვანტური თეორიით. მხოლოდ გრავიტაციის ძალას - ყველაზე სუსტ, მაგრამ ალბათ ყველაზე ნაცნობ ძალას - ამჟამად არ აქვს დამაკმაყოფილებელი კვანტური აღწერა.

უნდა ვაღიაროთ, რომ კვანტურ თეორიას ცოტა უცნაური რეპუტაცია აქვს და მის სახელს ბევრი რეალური სისულელე ფარავს. კატები შეიძლება იყვნენ ერთდროულად ცოცხალიც და მკვდარიც; ნაწილაკები ერთდროულად ორ ადგილას არიან; ჰაიზენბერგი ამტკიცებს, რომ ყველაფერი გაურკვეველია. ეს ყველაფერი მართლაც ასეა, მაგრამ დასკვნები, რომლებიც ხშირად აქედან გამომდინარეობს - ვინაიდან რაღაც უცნაური ხდება მიკროსამყაროში, მაშინ ჩვენ ნისლის ბურუსში ვართ გახვეული - ნამდვილად არასწორია. ექსტრასენსორული აღქმა, მისტიკური განკურნება, ვიბრაციული სამაჯურები, რომლებიც იცავს რადიაციისგან და ვინ იცის, კიდევ რა რეგულარულად იპარება შესაძლებლის პანთეონში სიტყვა „კვანტურის“ საფარქვეშ. ეს სისულელე გამოწვეულია მკაფიოდ აზროვნების უუნარობით, თავის მოტყუებით, ჭეშმარიტი ან მოჩვენებითი გაუგებრობით ან ყოველივე ზემოთქმულის განსაკუთრებით სამწუხარო კომბინაციით. კვანტური თეორია ზუსტად აღწერს სამყაროს მათემატიკური კანონებით ისეთივე სპეციფიკური, როგორც ნიუტონის ან გალილეოს მიერ გამოყენებული. ამიტომ ჩვენ შეგვიძლია გამოვთვალოთ ელექტრონის მაგნიტური ველი წარმოუდგენელი სიზუსტით. კვანტური თეორია გვთავაზობს ბუნების აღწერას, რომელსაც, როგორც გავიგებთ, აქვს უზარმაზარი პროგნოზირებადი და ახსნის ძალა და ვრცელდება ყველაფერზე, სილიკონის ჩიპებიდან ვარსკვლავებამდე.

როგორც ხშირად ხდება, კვანტური თეორიის გაჩენამ გამოიწვია ბუნებრივი ფენომენების აღმოჩენა, რომელთა აღწერა არ შეიძლებოდა იმდროინდელი სამეცნიერო პარადიგმებით. კვანტური თეორიისთვის ბევრი ასეთი აღმოჩენა იყო, უფრო მეტიც, მრავალფეროვანი ხასიათისა. აუხსნელი შედეგების სერიამ გამოიწვია მღელვარება და დაბნეულობა და საბოლოოდ გამოიწვია ექსპერიმენტული და თეორიული ინოვაციების პერიოდი, რომელიც ნამდვილად იმსახურებს პოპულარულ ტერმინს „ოქროს ხანა“. მთავარი გმირების სახელები სამუდამოდ არის ფესვგადგმული ნებისმიერი ფიზიკოსის გონებაში და დღემდე უფრო ხშირად მოიხსენიება, ვიდრე სხვები უნივერსიტეტის კურსებზე: რეზერფორდი, ბორი, პლანკი, აინშტაინი, პაული, ჰაიზენბერგი, შრედინგერი, დირაკი. შესაძლოა, ისტორიაში აღარასოდეს დადგეს პერიოდი, როდესაც ამდენი სახელი ასოცირდება მეცნიერების სიდიადესთან ერთი მიზნისკენ სვლისას - ატომებისა და ძალების ახალი თეორიის შექმნა, რომლებიც მართავენ ფიზიკურ სამყაროს. 1924 წელს, კვანტური თეორიის წინა ათწლეულების გადახედვისას, ერნესტ რეზერფორდმა, ახალზელანდიელმა ფიზიკოსმა, რომელმაც აღმოაჩინა ატომის ბირთვი, დაწერა: „1896 წ. ფიზიკის ისტორიაში არასდროს ყოფილა ასეთი ციებ-ცხელების პერიოდი, რომლის დროსაც ზოგიერთი ფუნდამენტურად მნიშვნელოვანი აღმოჩენები სხვებით შეიცვალა საშინელი სისწრაფით.

მხოლოდ 30 ივნისამდე T&P-ის მკითხველს აქვს ფასდაკლება წიგნის ქაღალდზე და ელექტრონულ ვერსიებზე. ფასდაკლებები აქტიურდება ბმულებზე დაწკაპუნებისას.

ტერმინი „კვანტი“ ფიზიკაში 1900 წელს მაქს პლანკის ნაშრომის წყალობით გამოჩნდა. ის ცდილობდა თეორიულად აღეწერა გახურებული სხეულების მიერ გამოსხივებული გამოსხივება – ე.წ. „სრულიად შავი სხეულის გამოსხივება“. სხვათა შორის, მეცნიერი ამ მიზნით დაიქირავა ელექტრო განათებით დაკავებულმა კომპანიამ: ასე იხსნება ხოლმე სამყაროს კარები ყველაზე პროზაული მიზეზების გამო. პლანკმა აღმოაჩინა, რომ შავი სხეულის გამოსხივების თვისებები შეიძლება აიხსნას მხოლოდ იმ დაშვებით, რომ სინათლე გამოიყოფა ენერგიის მცირე ნაწილით, რომელსაც მან კვანტები უწოდა. თავად სიტყვა ნიშნავს "პაკეტებს", ან "დისკრეტულ". თავდაპირველად მას ეგონა, რომ ეს მხოლოდ მათემატიკური ხრიკი იყო, მაგრამ ალბერტ აინშტაინის 1905 წელს ნამუშევარი ფოტოელექტრული ეფექტის შესახებ კვანტურ ჰიპოთეზას უჭერდა მხარს. შედეგები დამაჯერებელი იყო, რადგან ენერგიის მცირე რაოდენობა შეიძლება იყოს ნაწილაკების სინონიმი.

იდეას, რომ სინათლე შედგება პატარა ტყვიების ნაკადისგან, აქვს გრძელი და თვალსაჩინო ისტორია, რომელიც თარიღდება ისააკ ნიუტონით და თანამედროვე ფიზიკის დაბადებიდან. თუმცა, 1864 წელს შოტლანდიელმა ფიზიკოსმა ჯეიმს კლარკ მაქსველმა, როგორც ჩანს, საბოლოოდ გააქარწყლა ყველა არსებული ეჭვი ნაშრომების სერიაში, რომლებიც მოგვიანებით ალბერტ აინშტაინმა აღწერა, როგორც "ყველაზე ღრმა და ნაყოფიერი, რაც ფიზიკას იცოდა ნიუტონის შემდეგ". მაქსველმა აჩვენა, რომ სინათლე არის ელექტრომაგნიტური ტალღა, რომელიც ვრცელდება სივრცეში, ამიტომ სინათლის, როგორც ტალღის იდეას ჰქონდა უსაყვედურო და ერთი შეხედვით უდაო წარმოშობა. თუმცა, ექსპერიმენტების სერიაში, რომელიც არტურ კომპტონმა და მისმა კოლეგებმა ჩაატარეს ვაშინგტონის უნივერსიტეტში, სენტ-ლუისში, მათ მოახერხეს სინათლის კვანტების ელექტრონების გამოყოფა. ორივე უფრო ბილიარდის ბურთებივით იქცეოდა, რაც აშკარად ადასტურებდა, რომ პლანკის თეორიულ ვარაუდებს მყარი საფუძველი ჰქონდა რეალურ სამყაროში. 1926 წელს სინათლის კვანტებს ეწოდა ფოტონები. მტკიცებულება უტყუარი იყო: სინათლე იქცევა როგორც ტალღა და როგორც ნაწილაკი. ეს ნიშნავდა კლასიკური ფიზიკის დასასრულს - და კვანტური თეორიის ფორმირების პერიოდის დასასრულს.

ამ წიგნში ავტორიტეტული მეცნიერები ბრაიან კოქსი და ჯეფ ფორშოუ მკითხველს აცნობენ კვანტურ მექანიკას - მსოფლიოს ფუნდამენტურ მოდელს. ისინი ყვებიან, თუ რა დაკვირვებებმა მიიყვანა ფიზიკოსები კვანტურ თეორიამდე, როგორ განვითარდა იგი და რატომ არიან მეცნიერები, მიუხედავად მისი უცნაურობისა, ასე დარწმუნებულნი მასში. წიგნი განკუთვნილია ყველასთვის, ვინც დაინტერესებულია კვანტური ფიზიკითა და სამყაროს სტრუქტურით.

რაღაც უცნაური მოდის.
კვანტური. ეს სიტყვა ერთდროულად მიმართავს გრძნობებს, აბნევს და ხიბლავს. ადამიანის თვალსაზრისიდან გამომდინარე, ეს არის ან მეცნიერების უზარმაზარი მიღწევების მტკიცებულება, ან სიმბოლოა ადამიანის ინტუიციის შეზღუდვისა, რომელიც იძულებულია ებრძოლოს სუბატომური სფეროს გარდაუვალ უცნაურობას. ფიზიკოსისთვის კვანტური მექანიკა არის ერთ-ერთი იმ სამი დიდი საყრდენიდან, რომლებზეც ბუნების გაგება ეყრდნობა (დანარჩენი ორი არის აინშტაინის ფარდობითობის ზოგადი და სპეციალური თეორიები). აინშტაინის თეორიები ეხება სივრცისა და დროის ბუნებას და მიზიდულობის ძალას. კვანტური მექანიკა ყველაფერზე ზრუნავს და შეიძლება ითქვას, რომ რაც არ უნდა იყოს ემოციურად მიმზიდველი, დამაბნეველი თუ მომხიბვლელი, ეს მხოლოდ ფიზიკური თეორიაა, რომელიც აღწერს, თუ როგორ იქცევა ბუნება რეალურად. მაგრამ ამ პრაგმატული კრიტერიუმითაც რომ გავზომოთ, ის გასაოცარია თავისი სიზუსტითა და ახსნა-განმარტებით. არსებობს ერთი ექსპერიმენტი კვანტური ელექტროდინამიკის სფეროდან, ყველაზე ძველი და ყველაზე კარგად გაგებული თანამედროვე კვანტურ თეორიებში. ის ზომავს, თუ როგორ იქცევა ელექტრონი მაგნიტის მახლობლად. თეორიული ფიზიკოსები წლების განმავლობაში ბევრს მუშაობდნენ კალმით და ქაღალდით, შემდეგ კი კომპიუტერებით, რათა წინასწარ განსაზღვრონ, თუ რას გამოავლენს ასეთი კვლევები. პრაქტიკოსებმა გამოიგონეს და მოაწყვეს ექსპერიმენტები ბუნებისგან მეტი დეტალების გასარკვევად. ორივე ბანაკი, ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად, აძლევდა შედეგებს ისეთი სიზუსტით, როგორიც მანჩესტერსა და ნიუ-იორკს შორის მანძილის გაზომვა რამდენიმე სანტიმეტრის შეცდომით. აღსანიშნავია, რომ ექსპერიმენტატორების მიერ მიღებული მაჩვენებლები სრულად შეესაბამებოდა თეორეტიკოსთა გამოთვლების შედეგებს; გაზომვები და გამოთვლები სრულ თანხმობაში იყო.
ეს არა მხოლოდ შთამბეჭდავია, არამედ გასაოცარიც, და თუ მოდელის შექმნა კვანტური თეორიის ერთადერთი საზრუნავი იყო, თქვენ შეიძლება სამართლიანად იკითხოთ, რა არის პრობლემა. მეცნიერება, რა თქმა უნდა, არ უნდა იყოს სასარგებლო, მაგრამ ბევრი ტექნოლოგიური და სოციალური ცვლილება, რომელმაც რევოლუცია მოახდინა ჩვენს ცხოვრებაში, მომდინარეობს თანამედროვე მეცნიერების მიერ ჩატარებული ფუნდამენტური კვლევის შედეგად, რომლებიც ხელმძღვანელობენ მხოლოდ მათ გარშემო არსებული სამყაროს უკეთ გაგების სურვილით. . მეცნიერების ყველა დარგში ამ ცნობისმოყვარეობით გამოწვეული აღმოჩენების წყალობით, ჩვენ გვქონდა გახანგრძლივებული სიცოცხლის ხანგრძლივობა, საერთაშორისო საჰაერო მოგზაურობა, თავისუფლება საკუთარი გადარჩენისთვის მეურნეობის საჭიროებისგან და ჩვენი ადგილის ფართო, შთამაგონებელი და თვალისმომჭრელი სურათი უსასრულოდ. ვარსკვლავების ზღვა. მაგრამ ეს ყველაფერი, გარკვეული გაგებით, ქვეპროდუქტია. ჩვენ ვიკვლევთ ცნობისმოყვარეობის გამო და არა იმიტომ, რომ გვსურს რეალობის უკეთ გაგება ან უკეთესი წვრილმანების შემუშავება.

შინაარსი
რაღაც უცნაური მოდის
ორ ადგილას ერთდროულად
რა არის ნაწილაკი?
ყველაფერი, რაც შეიძლება მოხდეს, ნამდვილად ხდება
მოძრაობა, როგორც ილუზია
ატომების მუსიკა
სამყარო ქინძისთავის თავზე (და რატომ არ ვეცემით მიწას)
ურთიერთდამოკიდებულება
თანამედროვე სამყარო
ურთიერთქმედება
ცარიელი სივრცე არც ისე ცარიელია ეპილოგი: ვარსკვლავების სიკვდილი
შემდგომი კითხვისთვის.

უფასო ჩამოტვირთვა ელექტრონული წიგნი მოსახერხებელ ფორმატში, უყურეთ და წაიკითხეთ:
ჩამოტვირთეთ წიგნი The Quantum Universe, How What We Can't See Works, Cox B., Forshaw J., 2016 - fileskachat.com, სწრაფი და უფასო ჩამოტვირთვა.

ჩამოტვირთეთ epub
ქვემოთ შეგიძლიათ შეიძინოთ ეს წიგნი საუკეთესო ფასდაკლებულ ფასად რუსეთში მიტანით.