Uma nova abordagem ao problema da gravidade quântica, sobre o qual os cientistas lutam há muitas décadas, retorna ao básico e mostra como os “tijolos” a partir dos quais o espaço e o tempo são construídos “se somam”.

Como surgiu o espaço e o tempo? Como eles criaram o vazio 4D suave que serve como pano de fundo para o nosso mundo físico? Como eles se parecem em uma inspeção mais próxima? Questões como essas surgem na vanguarda da ciência moderna e estão impulsionando a exploração da gravidade quântica, a união ainda inacabada da teoria geral da relatividade de Einstein com a teoria quântica. A teoria da relatividade descreve como o espaço e o tempo em escala macroscópica podem assumir inúmeras formas, criando o que chamamos de gravidade ou gravidade. A teoria quântica descreve as leis da física nas escalas atômica e subatômica, ignorando completamente os efeitos da gravidade. A teoria da gravidade quântica deve descrever em leis quânticas a natureza do espaço-tempo nas menores escalas - os espaços entre as menores partículas elementares conhecidas - e, talvez, explicá-la através de alguns componentes fundamentais.

O principal candidato a esse papel é frequentemente chamado de teoria das supercordas, mas ainda não respondeu a nenhuma das questões candentes. Além disso, seguindo sua própria lógica interna, descobriu camadas ainda mais profundas de novos componentes exóticos e relações entre eles, levando a uma variedade impressionante de resultados possíveis.

PRINCIPAIS DISPOSIÇÕES

É bem sabido que a teoria quântica e a teoria geral da relatividade de Einstein não se encaixam. Os físicos há muito tentam ligá-los em uma única teoria da gravidade quântica, mas não obtiveram muito sucesso.

A nova abordagem proposta não introduz quaisquer disposições exóticas, mas abre uma nova maneira de aplicar leis conhecidas a elementos individuais do espaço-tempo. Esses elementos entram em acordo como moléculas em um cristal.

Nossa abordagem mostra como o espaço-tempo quadridimensional que conhecemos pode emergir dinamicamente de componentes mais fundamentais. Além disso, sugere como esse espaço-tempo em escala microscópica transita gradualmente da continuidade suave para a fractalidade bizarra.

Nos últimos anos, nosso trabalho tornou-se uma alternativa promissora para a estrada bem trilhada da física teórica. Seguindo a receita mais simples - pegue alguns componentes fundamentais, monte-os de acordo com princípios quânticos bem conhecidos (sem nenhum exótico), misture bem e deixe descansar - você obtém o espaço-tempo quântico. O processo é simples o suficiente para ser simulado em um laptop.

Em outras palavras, se, considerando o espaço-tempo vazio (vácuo) como uma espécie de substância imaterial, constituída por um número muito grande de elementos microscópicos sem estrutura, permitimos que eles interajam entre si de acordo com as regras simples de a teoria da gravidade e a teoria quântica, então esses elementos se organizarão espontaneamente em um único todo que, em muitos aspectos, parecerá o mesmo que o universo observável. O processo é semelhante ao modo como as moléculas se organizam em um sólido cristalino ou amorfo.

Com essa abordagem, o espaço-tempo pode parecer mais um assado misto regular do que um bolo de casamento elaborado. Além disso, ao contrário de outras abordagens da gravidade quântica, a nossa é muito estável. Quando alteramos os detalhes do nosso modelo, o resultado dificilmente muda. Essa resiliência dá motivos para ter esperança de que estamos no caminho certo. Se o resultado fosse sensível ao local onde colocamos cada peça do nosso vasto conjunto, teríamos um colossal número de formas barrocas igualmente prováveis, o que eliminaria a possibilidade de explicar por que o universo acabou sendo do jeito que é.

Mecanismos semelhantes de auto-montagem e auto-organização operam na física, biologia e outros campos da ciência. Um belo exemplo é o comportamento de grandes bandos de pássaros, como os estorninhos. Aves individuais interagem apenas com um pequeno número de vizinhos; não há líder que lhes explique o que fazer. No entanto, a matilha se forma e se movimenta como um todo, possuindo propriedades coletivas ou derivadas que não aparecem no comportamento dos indivíduos individuais.

Uma Breve História da Gravidade Quântica

Tentativas anteriores de explicar a estrutura quântica do espaço-tempo como sendo formada no processo de emergência espontânea não trouxeram sucesso notável. Eles vieram da gravidade quântica euclidiana. O programa de pesquisa foi iniciado no final da década de 1970. e tornou-se popular graças ao livro best-seller Breve História do Tempo do físico Stephen Hawking. Este programa é baseado no princípio da superposição, que é fundamental para a mecânica quântica. Qualquer objeto, clássico ou quântico, está em algum estado, caracterizado, por exemplo, pela posição e velocidade. Mas se o estado de um objeto clássico pode ser descrito por um conjunto de números peculiares apenas a ele, então o estado de um objeto quântico é muito mais rico: é a soma de todos os estados clássicos possíveis.

TEORIAS DA GRAVITAÇÃO QUÂNTICA

TEORIA DAS CORDAS
Apoiada pela maioria dos físicos teóricos, essa teoria diz respeito não apenas à gravidade quântica, mas a todos os tipos de matéria e forças. Baseia-se na noção de que todas as partículas (incluindo as hipotéticas que carregam gravidade) são cordas oscilantes

GRAVIDADE QUÂNTICA DE LOOP
A principal alternativa à teoria das cordas. Envolve um novo método de aplicação das regras da mecânica quântica à teoria geral da relatividade de Einstein. O espaço é dividido em "átomos" discretos de volume

GRAVIDADE QUÂNTICA EUCLIDANA
Uma abordagem que ficou famosa pelo físico Stephen Hawking é baseada na suposição de que o espaço-tempo emerge de uma média quântica comum de todas as formas possíveis. Nesta teoria, o tempo é considerado igual às dimensões espaciais.

TRIANGULAÇÃO DINÂMICA CAUSAL
Essa abordagem, objeto deste artigo, é uma versão moderna da abordagem euclidiana. Baseia-se na aproximação do espaço-tempo por um mosaico de triângulos com a distinção inicial entre espaço e tempo. Em pequena escala, o espaço-tempo adquire uma estrutura fractal

Por exemplo, uma bola de bilhar clássica se move ao longo de uma certa trajetória, e sua posição e velocidade podem ser determinadas com precisão a qualquer momento. No caso de um elétron muito menor, as coisas são diferentes. Seu movimento obedece a leis quânticas, segundo as quais um elétron pode existir simultaneamente em muitos lugares e ter muitas velocidades. Na ausência de influências externas do ponto A ao ponto B, o elétron não se move em linha reta, mas ao longo de todos os caminhos possíveis simultaneamente. Um quadro qualitativo de todos os caminhos possíveis de seu movimento, reunidos, se transforma em uma rigorosa "receita" matemática para superposição quântica, formulada pelo prêmio Nobel Richard Feynman (Richard Feynman), e fornece uma média ponderada de todas as possibilidades individuais.

Usando a receita proposta, é possível calcular a probabilidade de encontrar um elétron em qualquer faixa particular de posições e velocidades longe do caminho direto ao longo do qual ele teria que se mover de acordo com as leis da mecânica clássica. Uma propriedade distintiva do comportamento da mecânica quântica de uma partícula são os desvios de uma única trajetória clara, a chamada. flutuações quânticas. Quanto menor o tamanho do sistema físico considerado, maior o papel das flutuações quânticas.

Na gravidade quântica euclidiana, o princípio da superposição se aplica a todo o universo como um todo. Nesse caso, a superposição não consiste em diferentes trajetórias da partícula, mas nos caminhos possíveis da evolução do universo no tempo, em particular, as formas do espaço-tempo. Para reduzir o problema a uma solução, os físicos geralmente consideram apenas a forma geral e o tamanho do espaço-tempo, e não todas as distorções concebíveis dele (ver: Jonathan J. Halliwell. Quantum Cosmology and the Creation of the Universe // Scientific American, dezembro de 1991 ).

Nos anos 1980-1990 a pesquisa no campo da gravidade quântica euclidiana percorreu um longo caminho, associada ao desenvolvimento de poderosas ferramentas de simulação computacional. Os modelos utilizados representaram as geometrias do espaço-tempo curvo utilizando "tijolos" elementares, que, por conveniência, foram considerados triangulares. Malhas triangulares podem efetivamente aproximar superfícies curvas, e é por isso que elas são frequentemente usadas em animação por computador. No caso da modelagem espaço-temporal, esses "blocos de construção" elementares são generalizações de triângulos em relação ao espaço quadridimensional e são chamados de 4-simplices. Assim como a colagem de triângulos com suas bordas cria superfícies 2D curvas, colar as "faces" de simplics 4D (que são tetraedros 3D) cria um modelo de espaço-tempo 4D.

Os próprios "tijolos" não têm significado físico direto. Se o espaço-tempo pudesse ser visto sob um microscópio superpoderoso, nenhum triângulo seria visível. São apenas aproximações. A única informação que faz sentido físico está contida em seu comportamento coletivo na noção de que cada um deles encolheu para o tamanho zero. Nesse limite, a geometria dos "tijolos" (sejam eles triangulares, cúbicos, pentagonais ou qualquer mistura dessas formas) não importa.

A insensibilidade a uma variedade de detalhes de pequena escala é muitas vezes referida como versatilidade. Um fenômeno bem conhecido na física estatística, que estuda o movimento das moléculas em gases e líquidos: as moléculas se comportam quase da mesma maneira, qualquer que seja sua composição. A universalidade está associada às propriedades dos sistemas constituídos por um grande número de elementos individuais e se manifesta em uma escala muito maior do que a escala de um único componente. Uma afirmação semelhante para um bando de pássaros é que a coloração, tamanho, envergadura e idade de pássaros individuais não têm nada a ver com o comportamento do bando como um todo. Em uma escala macroscópica, muito poucos detalhes microscópicos aparecem.

Vergonhoso

Com a ajuda de modelos de computador, os pesquisadores da gravidade quântica começaram a estudar os efeitos da superposição de formas espaço-temporais que não são passíveis de estudo pelos métodos da relatividade clássica, em particular, fortemente curvadas a distâncias muito pequenas. Esse chamado regime não perturbador é de maior interesse para os físicos, mas é quase impossível de analisar sem o uso de computadores.

DESCRIÇÃO DA FORMA DO ESPAÇO

MOSAICO DE TRIÂNGULOS
Para determinar como o espaço se molda, os físicos precisam primeiro de uma maneira de descrever sua forma. Eles o descrevem em termos de triângulos e suas contrapartes de alta dimensão, cujo mosaico permite aproximar formas curvas. A curvatura em um determinado ponto é determinada pelo ângulo total subtraído pelos triângulos que circundam esse ponto. No caso de uma superfície plana, esse ângulo é exatamente 360°, mas no caso de superfícies curvas, pode ser menor ou maior.

Infelizmente, simulações mostraram que a gravidade quântica euclidiana não leva em consideração componentes importantes do comportamento. Todas as superposições não perturbadoras no universo quadridimensional revelaram-se instáveis ​​em princípio. As flutuações quânticas de pequena escala na curvatura que caracterizam os vários universos sobrepostos que contribuem para a média não se cancelam, mas reforçam-se mutuamente, fazendo com que todo o espaço se encolha em uma pequena bola com um número infinito de dimensões. Em tal espaço, a distância entre quaisquer dois pontos sempre permanece muito pequena, mesmo que seu volume seja enorme. Em alguns casos, o espaço vai para o outro extremo, tornando-se extremamente fino e extenso, como um polímero com muitas ramificações. Nenhuma dessas possibilidades é semelhante ao nosso universo real.

Antes de voltarmos mais uma vez às suposições que levaram os físicos a um beco sem saída, vamos considerar uma estranheza do resultado. Os "tijolos" são quadridimensionais, mas juntos eles formam um espaço com um número infinito de dimensões (um universo encolhendo) ou um espaço bidimensional (um universo polimérico). Uma vez que a suposição de grandes flutuações quânticas no vácuo deixou o gênio sair da garrafa, tornou-se possível mudar os conceitos mais fundamentais, como dimensão. Talvez a teoria clássica da gravidade, na qual o número de dimensões é sempre assumido como certo, não pudesse prever tal resultado.

Uma consequência pode ser um tanto decepcionante para os fãs de ficção científica. Escritores de ficção científica costumam usar o conceito de túneis espaço-tempo, como se eles permitissem que áreas distantes fossem aproximadas umas das outras. Eles cativam com a promissora possibilidade de viagem no tempo e transmissão de sinais em velocidades superiores à velocidade da luz. Apesar do fato de que nada parecido com isso já foi observado, os físicos admitem que tais túneis podem ser reabilitados no âmbito da ainda não criada teoria da gravidade quântica. À luz do resultado negativo das simulações computacionais da gravidade quântica euclidiana, a possibilidade da existência de tais túneis parece extremamente improvável. Os túneis espaço-temporais têm tantas variações que deveriam dominar a superposição, tornando-a instável, para que o universo quântico nunca possa crescer além de uma pequena, mas altamente interconectada totalidade.

APLICAÇÃO DE REGRAS QUÂNTICAS AO ESPAÇO-TEMPO

MÉDIA
O espaço-tempo pode assumir muitas formas diferentes. De acordo com a teoria quântica, a forma que mais provavelmente veremos é uma superposição, ou uma média ponderada de todas as formas possíveis. Ao compor formas a partir de triângulos, os teóricos atribuem um peso a cada uma delas, dependendo da maneira específica como esses triângulos são conectados ao construir uma determinada forma. Os autores descobriram que para que a média resultante seja consistente com o universo real observado, os triângulos devem obedecer a certas regras, em particular, conter "setas" embutidas indicando a direção do tempo

Qual poderia ser a raiz do problema? Procurando lacunas e “pontas soltas” na abordagem euclidiana, chegamos a uma ideia-chave – um ingrediente absolutamente necessário para a possibilidade de preparar nossa torra mista: o código do universo deve incluir o princípio da causalidade, ou seja, a estrutura do vácuo deve fornecer a possibilidade de uma distinção inequívoca entre causa e efeito. A causalidade é parte integrante das teorias clássicas particulares e gerais da relatividade.

A causalidade não está incluída na gravidade quântica euclidiana. A definição de "euclidiano" significa que espaço e tempo são considerados equivalentes. Os universos incluídos na superposição euclidiana têm quatro dimensões espaciais em vez de uma temporal e três espaciais. Como os universos euclidianos não possuem um conceito separado de tempo, eles não possuem uma estrutura que permita que os eventos sejam organizados em uma determinada ordem. Os habitantes de tais universos não podem ter os conceitos de "causa" e "efeito". Hawking e outros cientistas euclidianos disseram que "o tempo é imaginário" nos sentidos matemático e coloquial. Eles esperavam que a causalidade surgisse como uma propriedade macroscópica de flutuações quânticas microscópicas que não tivessem individualmente sinais de uma estrutura causal. No entanto, a simulação de computador frustrou suas esperanças.

UMA DIMENSÃO COMPLETAMENTE NOVA NO ESPAÇO

Na vida comum, a dimensão do espaço é o número mínimo de dimensões necessárias para determinar a posição de um ponto, como longitude, latitude e altura. Esta definição é baseada na suposição de que o espaço é contínuo e sujeito às leis da física clássica. E se o espaço não se comportar de forma tão simples? E se sua forma for determinada por processos quânticos que não se manifestam na vida comum? Nesses casos, físicos e matemáticos devem desenvolver uma noção mais sofisticada de dimensão. O número de dimensões pode nem ser necessariamente um número inteiro, como no caso dos fractais - estruturas que têm a mesma aparência em todas as escalas.

DEFINIÇÕES DIMENSIONAIS GENERALIZADAS

Dimensão Hausdorff
A definição formulada no início do século XX. O matemático alemão Felix Hausdorff, procede da dependência do volume V da região em seu tamanho linear r. No espaço tridimensional comum, V é proporcional a $r^3$. O expoente nesta relação é o número de medições. "Volume" pode ser considerado outros indicadores do tamanho total, como área. No caso da junta Sierpinski, V é proporcional a $r^(1,5850)$. Esta circunstância reflecte o facto de este valor não preencher toda a área

Dimensão espectral
Essa definição caracteriza a propagação de um objeto ou fenômeno no ambiente ao longo do tempo, seja uma gota de tinta em um recipiente com água ou uma doença em uma população. Cada molécula de água ou indivíduo em uma população tem um certo número de vizinhos mais próximos, o que determina a taxa de difusão da tinta ou propagação da doença. Em um ambiente 3D, o tamanho de uma nuvem de tinta cresce proporcionalmente ao tempo à potência de 3/2. Na almofada de Sierpiński, a tinta deve penetrar na forma sinuosa, para que se espalhe mais lentamente - proporcional ao tempo à potência de 0,6826, que corresponde a uma dimensão espectral de 1,3652

Aplicação de definições
No caso geral, diferentes formas de calcular a dimensão dão diferentes números de dimensões, uma vez que partem de diferentes características da geometria. Para algumas formas geométricas, o número de dimensões não é constante. Em particular, a difusão pode ser uma função mais complexa do que o tempo em algum grau constante.
Ao modelar a gravidade quântica, a ênfase está na dimensão espectral. Uma pequena quantidade de alguma substância é introduzida em um tijolo elementar do modelo quântico de espaço-tempo. A partir deste tijolo, ele se espalha aleatoriamente. O número total de tijolos espaço-temporais que essa substância atinge em um determinado período de tempo determina a dimensão espectral

Em vez de negligenciar a causalidade ao ligar universos separados na expectativa de que ela emergiria da sabedoria coletiva da superposição, optamos por incluir a causalidade em um estágio muito anterior. Chamamos nosso método de triangulação dinâmica. Atribuímos a cada simplex uma seta de tempo apontando do passado para o futuro. Em seguida, introduzimos a regra de “colação” causal: dois simplexes devem ser colados de tal forma que suas setas fiquem alinhadas. O conceito de tempo nos simplices a serem colados deve ser o mesmo: o tempo deve fluir com velocidade constante na direção dessas setas, nunca parando ou voltando atrás. Com o passar do tempo, o espaço deve manter sua forma geral, não se dividir em partes separadas e não criar túneis espaço-temporais.

Tendo formulado essa estratégia em 1998, mostramos em modelos extremamente simplificados que as regras para colagem de simplices levam a uma forma macroscópica diferente da gravidade quântica euclidiana. Isso era encorajador, mas não significava que as regras de colagem aceitas fossem suficientes para garantir a estabilidade de todo o universo quadridimensional. Então, prendemos a respiração quando, em 2004, nosso computador estava quase pronto para nos dar os primeiros cálculos da superposição causal dos simples quadridimensionais. Esse espaço-tempo se comportará a grandes distâncias como um objeto quadridimensional estendido, e não como uma bola ou polímero enrugado?

Imagine nossa alegria quando o número de dimensões do universo calculado acabou sendo 4 (mais precisamente, 4,02 ± 0,1). Esta foi a primeira vez que o número de dimensões igual ao observado foi deduzido dos fundamentos. Hoje, a introdução do conceito de causalidade no modelo de gravidade quântica é a única maneira conhecida de lidar com as instabilidades da superposição de geometrias espaço-temporais.

Espaço-tempo em geral

Essa simulação foi a primeira de uma série contínua de experimentos computacionais em que tentamos deduzir as propriedades físicas e geométricas do espaço-tempo quântico por meio de simulações de computador. Nosso próximo passo foi estudar a forma do espaço-tempo em grandes distâncias e verificar sua correspondência com o mundo real, ou seja, previsões da teoria geral da relatividade. No caso de modelos não perturbativos de gravidade quântica, que não contêm uma suposição a priori sobre a forma do espaço-tempo, tal teste é muito difícil - tanto que na maioria das abordagens da gravidade quântica, incluindo a teoria das cordas, exceto em casos especiais , o sucesso alcançado é insuficiente para realizá-lo.

APROFUNDANDO O ESPAÇO-TEMPO

De acordo com os cálculos dos autores, a dimensão espectral do espaço-tempo diminui de quatro (no limite de uma grande escala) para dois (no limite de uma pequena escala), e o espaço-tempo contínuo se rompe, transformando-se em um fractal ramificado. Os físicos ainda não são capazes de entender se essa conclusão significa que o espaço-tempo é, em última análise, composto de "átomos" localizados ou se é construído a partir de estruturas microscópicas que são muito vagamente relacionadas ao conceito usual de geometria.

Como se viu, para que nosso modelo funcione, é necessário desde o início introduzir a chamada constante cosmológica - uma substância invisível e imaterial contida no espaço mesmo na ausência de quaisquer outras formas de matéria e energia. Essa necessidade é uma boa notícia, pois os cosmólogos encontraram confirmação experimental da existência dessa constante. Além disso, a forma de espaço-tempo obtida correspondia à geometria de Sitter, ou seja, resolvendo as equações de Einstein para um universo contendo nada além da constante cosmológica. É verdadeiramente notável que a montagem de um conjunto de "tijolos" microscópicos de forma quase aleatória - sem qualquer suposição de simetria ou estrutura geométrica preferida - tenha levado a um espaço-tempo que tem, em larga escala, a forma altamente simétrica de o universo de Sitter.

A emergência dinâmica de um universo quadridimensional de forma geométrica quase regular a partir dos princípios básicos tornou-se a conquista central de nossa modelagem. A questão de saber se esse resultado notável pode ser entendido dentro do quadro de ideias sobre a interação de alguns "átomos" do espaço-tempo ainda não estabelecidos é o objetivo de nossa pesquisa em andamento. Uma vez que verificamos que nosso modelo de gravidade quântica passou em vários testes clássicos, é hora de nos voltarmos para experimentos de um tipo diferente - para revelar a estrutura quântica distinta do espaço-tempo que a teoria clássica de Einstein não conseguiu revelar. Em um desses experimentos, modelamos o processo de difusão: introduzimos um análogo adequado de uma gota de tinta em uma superposição de universos e observamos como ela se propaga e é perturbada por flutuações quânticas. Encontrar o tamanho da nuvem de tinta ao longo do tempo nos permitiu determinar o número de dimensões no espaço (veja a barra lateral).

O resultado foi impressionante: o número de medições depende da escala. Em outras palavras, se a difusão continuou por um curto período de tempo, então o número de dimensões do espaço-tempo acabou sendo diferente do que quando o processo de difusão continuou por um longo tempo. Mesmo aqueles de nós que se especializaram em gravidade quântica dificilmente poderiam imaginar como o número de dimensões do espaço-tempo poderia mudar continuamente dependendo da resolução do nosso "microscópio". Obviamente, o espaço-tempo para objetos pequenos é muito diferente daquele para objetos grandes. Para objetos pequenos, o universo é como uma estrutura fractal - um tipo incomum de espaço no qual o conceito de tamanho simplesmente não existe. É auto-semelhante, ou seja, parece o mesmo em todas as escalas. Isso significa que não há objetos de tamanho característico que possam servir como algo como uma barra de escala.

Quão pequeno é "pequeno"? Até um tamanho de cerca de $10^(–34)$m, o universo quântico como um todo é bem descrito pela geometria quadridimensional clássica de Sitter, embora o papel das flutuações quânticas aumente com a diminuição da distância. O fato de a aproximação clássica permanecer válida para distâncias tão pequenas é surpreendente. Consequências muito importantes fluem dele tanto para os primeiros estágios da história do universo quanto para seu futuro muito distante. Em ambos os limites, o universo está praticamente vazio. No início, as flutuações quânticas eram tão grandes que a matéria mal era detectável. Ela era uma pequena jangada em um oceano ondulante. Bilhões de anos depois de nós, devido à rápida expansão do Universo, a matéria será tão rarefeita que desempenhará um papel muito pequeno ou até mesmo não desempenhará nenhum papel. Nossa abordagem nos permite explicar a forma do espaço em ambos os casos limites.

O QUE É CAUSA?

A causalidade é o princípio de que os eventos ocorrem em uma certa sequência no tempo, e não em desordem, o que permite distinguir entre causa e efeito. Na abordagem da gravidade quântica adotada pelos autores, a diferença entre causa e efeito aparece como uma propriedade fundamental da natureza, e não uma propriedade derivada.

Em escalas ainda menores, as flutuações quânticas do espaço-tempo aumentam tanto que as intuições clássicas sobre geometria perdem completamente seu significado. O número de dimensões é reduzido das quatro clássicas para aproximadamente duas. No entanto, até onde sabemos, o espaço-tempo permanece contínuo e não contém túneis. Não é tão exótico quanto a espuma borbulhante do espaço-tempo que o físico John Wheeler e muitos outros viram. A geometria do espaço-tempo obedece a leis incomuns e não clássicas, mas o conceito de distância permanece aplicável. Agora estamos tentando penetrar em uma área ainda menor. Uma possibilidade é que o universo se torne auto-semelhante e pareça o mesmo em todas as escalas abaixo de um certo limite. Se assim for, então o universo não é feito de cordas ou átomos de espaço-tempo, mas é um mundo de tédio sem fim: uma estrutura encontrada logo abaixo do limiar simplesmente se repetirá ad infinitum à medida que se aprofunda em uma região cada vez menor. dimensões.

É difícil imaginar como os físicos podem lidar com menos componentes e meios técnicos do que usamos para construir um universo quântico com propriedades realistas. Ainda temos muitos testes e experimentos a fazer, por exemplo, para entender o comportamento da matéria no universo e sua influência em sua forma geral. Nosso principal objetivo, como no caso de qualquer teoria da gravidade quântica, é prever consequências observáveis ​​derivadas da estrutura quântica microscópica. Este será o critério decisivo para a correção do nosso modelo como teoria da gravidade quântica.

Tradução: I.E. Satsevich

LITERATURA ADICIONAL

• Nascimento Planckiano de um Universo Quantum de Sitter. J. Ambjorn, A. Gorlich, J. Jurkiewicz e R. Loll em Physical Review Letters, Vol. 100, artigo n. 091304; 7 de março de 2008. Pré-impressão disponível
• O Guia Completo do Idiota para a Teoria das Cordas. Jorge Musser. Alfa, 2008.
• O surgimento do espaço-tempo, ou gravidade quântica em sua área de trabalho. R. Loll in Classical and Quantum Gravity, Vol. 25, não. 11, artigo n. 114006; 7 de junho de 2008. Pré-impressão disponível
• Site Renata Loll

Jan Ambjorn, Renate Loll e Jerzy Jurkewicz desenvolveram sua abordagem para o problema da gravidade quântica em 1998. Ambjorn é membro da Academia Real Dinamarquesa, professor do Instituto Niels Bohr em Copenhague e da Universidade de Utrecht, na Holanda. Ele é conhecido como um mestre da culinária tailandesa - uma circunstância que os editores tendem a notar primeiro. Renata Loll é professora da Universidade de Utrecht, onde lidera uma das maiores equipes de pesquisa de gravidade quântica da Europa. Anteriormente, ela trabalhou no Instituto Max Planck de Física da Gravidade em Holm (Alemanha). Nas raras horas de lazer, toca-se música de câmara. Jerzy Yurkiewicz é o chefe do Departamento de Teoria de Sistemas Complexos do Instituto de Física da Universidade Jagiellonian em Cracóvia. Entre seus empregos anteriores está o Instituto Niels Bohr em Copenhague, onde foi cativado pela beleza da vela.

Dois físicos ingleses, um dos quais estuda partículas elementares (Brian Cox), e o outro é professor do Departamento de Física Teórica da Universidade de Manchester (Jeff Forshaw), nos apresentam o modelo fundamental do mundo.

Usando linguagem acessível, inúmeros desenhos e boas analogias, os autores conseguiram explicar os conceitos da física quântica que são difíceis de entender.

Brian Cox, Jeff Forshaw:

O objetivo deste livro é desmistificar a teoria quântica, uma construção teórica que confundiu muitos, inclusive os pioneiros da indústria. Pretendemos usar uma perspectiva moderna, usando as lições aprendidas ao longo dos séculos de retrospectiva e desenvolvimento teórico. No entanto, no início da jornada, avançaremos rapidamente para o início do século 20 e exploraremos alguns dos problemas que forçaram os físicos a se desviarem radicalmente do que antes era considerado o mainstream da ciência.

1. Algo estranho está chegando

A teoria quântica é talvez o melhor exemplo de como o infinitamente difícil de entender pela maioria das pessoas se torna extremamente útil. É difícil de entender porque descreve um mundo em que uma partícula pode realmente estar em vários lugares ao mesmo tempo e se mover de um lugar para outro, explorando assim todo o Universo. Descobrimos que tudo é composto de muitas partículas minúsculas que se movem de acordo com as leis da teoria quântica. Essas leis são tão simples que podem ser escritas no verso de um envelope. E o fato de não ser necessária uma biblioteca inteira para explicar a natureza profunda das coisas é em si um dos maiores mistérios do mundo.

2. Em dois lugares ao mesmo tempo

As previsões mais incomuns da teoria quântica geralmente aparecem no comportamento de pequenos objetos. Mas como objetos grandes são compostos de pequenos, sob certas circunstâncias a física quântica é necessária para explicar as propriedades de um dos maiores objetos do universo, as estrelas.

3. O que é uma partícula?

Tendo estabelecido que a descrição do elétron imita o comportamento das ondas em muitos aspectos, devemos desenvolver conceitos mais precisos das próprias ondas. Vamos começar descrevendo o que acontece em um tanque de água quando duas ondas se encontram, se misturam e interferem uma na outra. Vamos representar os altos das ondas como relógios com ponteiro de 12 horas e os baixos como relógios com ponteiro de 6 horas. Também podemos exibir posições de onda intermediárias entre o mínimo e o máximo desenhando relógios com tempos intermediários, como no caso de fases entre a lua nova e a lua cheia.

4. Tudo o que pode acontecer realmente acontece

Princípio da incerteza de Heisenberg

Em seu trabalho original, Heisenberg foi capaz de apreciar a relação entre a precisão de medir a posição e o momento de uma partícula. O Princípio da Incerteza de Heisenberg é uma das partes mais incompreendidas da teoria quântica, o caminho pelo qual todos os tipos de charlatães e fornecedores de absurdos empurram seus absurdos filosóficos.

Derivação do Princípio da Incerteza de Heisenberg da Teoria da Face do Relógio

Três mostradores, mostrando a mesma hora e localizados na mesma linha, descrevem a partícula, que no momento inicial está em algum lugar na área desses mostradores. Estamos interessados ​​em quais são as chances de encontrar uma partícula no ponto X em algum momento subsequente.

Uma Breve História da Constante de Planck

Planck destruiu as primeiras pedras na fundação do conceito de luz de Maxwell, mostrando que a energia da luz emitida por um corpo aquecido só pode ser descrita se for emitida em quanta.

De volta ao Princípio da Incerteza de Heisenberg

A teoria da mecânica quântica que desenvolvemos sugere que, se você colocar um grão de areia em algum ponto, ele pode acabar em qualquer outro lugar do universo. Mas é óbvio que isso não acontece com grãos de areia reais. A primeira pergunta a ser respondida é: quantas vezes os ponteiros do relógio irão girar se movermos uma partícula com a massa de um grão de areia a uma distância de, digamos, 0,001 mm em um segundo?

5. Movimento como ilusão

Tendo definido o grupo inicial com a ajuda de relógios que mostram diferentes e não a mesma hora, chegamos à descrição de uma partícula em movimento. Curiosamente, podemos fazer uma conexão muito importante entre os relógios deslocados e o comportamento das ondas.

Pacotes de ondas

Uma partícula com um momento bem conhecido é descrita por um grande grupo de mostradores. Mais precisamente, uma partícula com momento exatamente conhecido será descrita por um grupo de relógios infinitamente longo, o que significa um pacote de ondas infinitamente longo.

6. Música de átomos

Agora podemos aplicar nosso conhecimento acumulado para resolver a questão que desconcertou Rutherford, Bohr e outros cientistas nas primeiras décadas do século 20: o que exatamente acontece dentro do átomo? …Aqui vamos tentar pela primeira vez com a ajuda de nossa teoria explicar os fenômenos do mundo real.

caixa atômica

Parece que chegamos a uma visão correta dos átomos. Mas ainda assim, algo não está certo. Falta a última peça do quebra-cabeça, sem a qual é impossível explicar a estrutura dos átomos mais pesados ​​que o hidrogênio. Mais prosaicamente, também deixamos de explicar por que não caímos no chão, o que cria problemas para nossa maravilhosa teoria da natureza.

7. O universo em uma cabeça de alfinete (e por que não caímos no chão)

A matéria só pode ser estável se os elétrons obedecerem ao chamado princípio de Pauli, um dos fenômenos mais surpreendentes do nosso universo quântico.

8. Interdependência

Até agora, prestamos muita atenção à física quântica de partículas e átomos isolados. No entanto, nossa experiência física está ligada à percepção de muitos átomos agrupados e, portanto, é hora de começar a entender o que acontece quando os átomos se agrupam.

9. Mundo moderno

O transistor é a invenção mais importante dos últimos 100 anos: o mundo moderno é construído e moldado pela tecnologia de semicondutores.

10. Interação

Vamos começar com a formulação das leis da primeira teoria quântica de campos abertos - a eletrodinâmica quântica, abreviada como QED. As origens dessa teoria remontam à década de 1920, quando Dirac foi particularmente bem-sucedido em colocar a teoria eletromagnética de Maxwell em uma base quântica.

O problema da medição na teoria quântica

Podemos seguir em frente acreditando que o mundo mudou irreversivelmente como resultado da medição, mesmo que nada do tipo tenha realmente acontecido. Mas tudo isso não é tão importante quando se trata da tarefa séria de calcular a probabilidade de que algo aconteça ao montar um experimento.

antimatéria

Os elétrons que se movem para trás no tempo parecem "elétrons com carga positiva". Tais partículas existem e são chamadas de "pósitrons".

11. O espaço vazio não é tão vazio.

O vácuo é um lugar muito interessante, cheio de possibilidades e obstáculos no caminho das partículas.

Modelo Padrão de Física de Partículas

O Modelo Padrão contém uma cura para a doença de alta probabilidade, e essa cura é conhecida como mecanismo de Higgs. Se for verdade, então o Grande Colisor de Hádrons deve detectar outra partícula natural, o bóson de Higgs, após o qual nossas opiniões sobre o conteúdo do espaço vazio devem mudar drasticamente.

origem da massa

A questão da origem da massa é especialmente notável porque a resposta a ela é valiosa além do nosso desejo óbvio de saber o que é a massa. Vamos tentar explicar com mais detalhes essa frase bastante misteriosa e estranhamente construída.

Epílogo: A Morte das Estrelas

À medida que morrem, muitas estrelas acabam como bolas superdensas de matéria nuclear entrelaçadas com muitos elétrons. São as chamadas anãs brancas. Este será o destino do nosso Sol quando ficar sem combustível nuclear em cerca de 5 bilhões de anos.

Para mais leitura

Usamos muitos outros trabalhos na preparação deste livro, e alguns deles merecem menção e recomendação especiais.

Cox B., Forshaw D. O universo quântico.
Como é que não podemos ver. M.: MIF. 2016.

Brian Cox, Jeff Forshaw

universo quântico. Como é que não podemos ver

Editores científicos Vyacheslav Maracha e Mikhail Pavlov

Publicado com permissão de Apollo's Children Ltd e Jeff Forshow e Diane Banks Associates Ltd.

O suporte jurídico para a editora é fornecido pelo escritório de advocacia Vegas Lex.

Copyright © 2011 Brian Cox e Jeff Forshaw

© Tradução para o russo, edição em russo, design. LLC "Mann, Ivanov e Ferber", 2016

* * *

1. Algo estranho está chegando

Quântico. Esta palavra simultaneamente apela aos sentidos, confunde e fascina. Dependendo do ponto de vista, isso é evidência dos vastos avanços da ciência ou um símbolo das limitações da intuição humana, que é forçada a lutar com a inevitável estranheza do reino subatômico. Para um físico, a mecânica quântica é um dos três grandes pilares sobre os quais repousa a compreensão da natureza (os outros dois são as teorias da relatividade geral e especial de Einstein). As teorias de Einstein tratam da natureza do espaço e do tempo e da força da gravidade. A mecânica quântica cuida de todo o resto, e pode-se dizer que, não importa quão emocionalmente atraente, confuso ou fascinante, é apenas uma teoria física que descreve como a natureza realmente se comporta. Mas mesmo se medido por esse critério muito pragmático, é impressionante em sua precisão e poder explicativo. Existe um experimento no campo da eletrodinâmica quântica, o mais antigo e melhor compreendido das teorias quânticas modernas. Ele mede como um elétron se comporta perto de um ímã. Os físicos teóricos trabalharam arduamente durante anos com caneta e papel, e mais tarde com computadores, para prever exatamente o que esses estudos revelariam. Os praticantes inventaram e montaram experimentos para descobrir mais detalhes da natureza. Ambos os campos, independentemente um do outro, deram resultados com uma precisão semelhante à medição da distância entre Manchester e Nova York com um erro de alguns centímetros. Vale ressaltar que os números obtidos pelos experimentadores corresponderam integralmente aos resultados dos cálculos dos teóricos; medições e cálculos estavam em total concordância.

Isso não é apenas impressionante, mas incrível, e se a construção de modelos fosse a única preocupação da teoria quântica, você poderia perguntar qual é o problema. A ciência não precisa ser útil, é claro, mas muitas das mudanças tecnológicas e sociais que revolucionaram nossas vidas vieram da pesquisa fundamental realizada por cientistas modernos que são movidos apenas pelo desejo de entender melhor o mundo ao redor. eles. Graças a essas descobertas motivadas pela curiosidade em todos os ramos da ciência, estendemos a expectativa de vida, viagens aéreas internacionais, liberdade da necessidade de cultivar para nossa própria sobrevivência e uma imagem ampla, inspiradora e reveladora de nosso lugar em um mundo sem fim. mar de estrelas. Mas tudo isso é, em certo sentido, subprodutos. Exploramos por curiosidade, não porque queremos entender melhor a realidade ou desenvolver bugigangas melhores.

A teoria quântica é talvez o melhor exemplo de como o que é infinitamente difícil para a maioria das pessoas entender se torna extremamente útil. É difícil de entender porque descreve um mundo em que uma partícula pode realmente estar em vários lugares ao mesmo tempo e se mover de um lugar para outro, explorando assim todo o Universo. É útil porque entender o comportamento dos menores blocos de construção do universo fortalece a compreensão de todo o resto. Coloca um limite à nossa arrogância, porque o mundo é muito mais complexo e diverso do que parecia. Apesar de toda essa complexidade, descobrimos que tudo é composto de muitas partículas minúsculas que se movem de acordo com as leis da teoria quântica. Essas leis são tão simples que podem ser escritas no verso de um envelope. E o fato de não ser necessária uma biblioteca inteira para explicar a natureza profunda das coisas é em si um dos maiores mistérios do mundo.

Assim, quanto mais aprendemos sobre a natureza elementar do universo, mais simples nos parece. Gradualmente, vamos entender todas as leis e como esses pequenos blocos de construção interagem para formar o mundo. Mas, por mais fascinados que estejamos pela simplicidade subjacente ao universo, devemos lembrar que, embora as regras básicas do jogo sejam simples, suas consequências nem sempre são fáceis de calcular. Nossa experiência diária de conhecer o mundo é determinada pelas relações de muitos bilhões de átomos, e seria simplesmente estúpido tentar deduzir os princípios do comportamento das pessoas, animais e plantas a partir das nuances do comportamento desses átomos. Tendo reconhecido isso, não diminuímos sua importância: por trás de todos os fenômenos, no final, está a física quântica das partículas microscópicas.

Imagine o mundo ao nosso redor. Você está segurando um livro feito de papel - polpa de madeira moída. As árvores são máquinas capazes de pegar átomos e moléculas, decompô-los e reorganizá-los em colônias de bilhões de peças individuais. Eles fazem isso graças a uma molécula conhecida como clorofila, que é composta por mais de cem átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio que são curvados de maneira especial e ligados a mais alguns átomos de magnésio e hidrogênio. Essa combinação de partículas é capaz de capturar a luz que voou a 150 milhões de quilômetros de nossa estrela - uma câmara nuclear com volume de um milhão de planetas como a Terra - e transportar essa energia para dentro das células, onde cria novas moléculas de dióxido de carbono e água e libera um dando nossa vida é oxigênio.

São essas cadeias moleculares que formam a superestrutura que mantém unidas as árvores, o papel deste livro e toda a vida. Você é capaz de ler um livro e entender as palavras porque tem olhos que podem transformar a luz dispersa das páginas em impulsos elétricos que podem ser interpretados pelo cérebro, a estrutura mais complexa do universo que conhecemos. Descobrimos que todas as coisas no mundo nada mais são do que uma coleção de átomos, e a maior variedade de átomos consiste em apenas três partículas - elétrons, prótons e nêutrons. Também sabemos que prótons e nêutrons são compostos de entidades menores chamadas quarks, e é aí que tudo termina - pelo menos é o que pensamos agora. Tudo isso é baseado na teoria quântica.

Assim, a física moderna desenha com excepcional simplicidade o universo em que vivemos; fenômenos elegantes ocorrem em algum lugar onde não podem ser vistos, dando origem à diversidade do macrocosmo. Talvez esta seja a conquista mais notável da ciência moderna - a redução da incrível complexidade do mundo, incluindo os próprios humanos, a uma descrição do comportamento de um punhado de minúsculas partículas subatômicas e quatro forças agindo entre elas. As melhores descrições de três dessas quatro forças — as forças nucleares fortes e fracas que existem dentro do núcleo atômico e a força eletromagnética que mantém os átomos e as moléculas juntos — são fornecidas pela teoria quântica. Apenas a força da gravidade - a mais fraca, mas talvez a mais familiar de todas - não possui atualmente uma descrição quântica satisfatória.

Temos que admitir que a teoria quântica tem uma reputação um tanto estranha, e muito absurdo real é coberto por seu nome. Os gatos podem estar vivos e mortos ao mesmo tempo; partículas estão em dois lugares ao mesmo tempo; Heisenberg diz que tudo é incerto. Tudo isso é verdade, mas as conclusões que muitas vezes se seguem disso - já que algo estranho acontece no microcosmo, então estamos envoltos em uma névoa de neblina - estão definitivamente erradas. Percepção extra-sensorial, curas místicas, pulseiras vibrantes que protegem contra a radiação e quem sabe o que mais se infiltra regularmente no panteão do possível sob o disfarce da palavra "quântica". Esse absurdo é causado pela incapacidade de pensar com clareza, auto-engano, mal-entendido genuíno ou fingido, ou alguma combinação particularmente infeliz de todos os itens acima. A teoria quântica descreve com precisão o mundo com leis matemáticas tão específicas quanto as usadas por Newton ou Galileu. É por isso que podemos calcular o campo magnético de um elétron com incrível precisão. A teoria quântica oferece uma descrição da natureza que, como aprenderemos, tem um tremendo poder preditivo e explicativo e se estende a tudo, de chips de silício a estrelas.

O objetivo deste livro é desmistificar a teoria quântica, uma construção teórica que confundiu muitos, inclusive os pioneiros da indústria. Pretendemos usar uma perspectiva moderna, usando as lições aprendidas ao longo dos séculos de retrospectiva e desenvolvimento teórico. No entanto, no início da jornada, avançaremos rapidamente para o início do século 20 e exploraremos alguns dos problemas que forçaram os físicos a se desviarem radicalmente do que antes era considerado o mainstream da ciência.

Dependendo do ponto de vista de cada um, a teoria quântica é um testemunho dos vastos avanços da ciência ou um símbolo das limitações da intuição humana, que é forçada a lidar com a estranheza do reino subatômico. Para um físico, a mecânica quântica é um dos três grandes pilares em que se baseia a compreensão da natureza (junto com as teorias da relatividade geral e especial de Einstein). Para aqueles que sempre quiseram entender pelo menos algo no modelo fundamental da estrutura do mundo, os cientistas Brian Cox e Jeff Forshaw explicam em seu livro "The Quantum Universe", publicado pelo MIF. T&P publicam uma breve passagem sobre a essência do quantum e as origens da teoria.

As teorias de Einstein tratam da natureza do espaço e do tempo e da força da gravidade. A mecânica quântica cuida de todo o resto, e pode-se dizer que não importa quão emocionalmente atraente, confuso ou fascinante, é apenas uma teoria física que descreve como a natureza realmente se comporta. Mas mesmo se medido por esse critério muito pragmático, é impressionante em sua precisão e poder explicativo. Existe um experimento no campo da eletrodinâmica quântica, o mais antigo e melhor compreendido das teorias quânticas modernas. Ele mede como um elétron se comporta perto de um ímã. Os físicos teóricos trabalharam arduamente durante anos com caneta e papel, e mais tarde com computadores, para prever exatamente o que esses estudos revelariam. Os praticantes inventaram e montaram experimentos para descobrir mais detalhes da natureza. Ambos os campos, independentemente um do outro, deram resultados com uma precisão semelhante à medição da distância entre Manchester e Nova York com um erro de alguns centímetros. Vale ressaltar que os números obtidos pelos experimentadores corresponderam integralmente aos resultados dos cálculos dos teóricos; medições e cálculos estavam em total concordância.

A teoria quântica é talvez o melhor exemplo de como o que é infinitamente difícil para a maioria das pessoas entender se torna extremamente útil. É difícil de entender porque descreve um mundo em que uma partícula pode realmente estar em vários lugares ao mesmo tempo e se mover de um lugar para outro, explorando assim todo o Universo. É útil porque entender o comportamento dos menores blocos de construção do universo fortalece a compreensão de todo o resto. Coloca um limite à nossa arrogância, porque o mundo é muito mais complexo e diverso do que parecia. Apesar de toda essa complexidade, descobrimos que tudo é composto de muitas partículas minúsculas que se movem de acordo com as leis da teoria quântica. Essas leis são tão simples que podem ser escritas no verso de um envelope. E o fato de não ser necessária uma biblioteca inteira para explicar a natureza profunda das coisas é em si um dos maiores mistérios do mundo.

Imagine o mundo ao nosso redor. Digamos que você esteja segurando um livro feito de papel - polpa de madeira moída. As árvores são máquinas capazes de pegar átomos e moléculas, decompô-los e reorganizá-los em colônias de bilhões de pedaços individuais. Eles fazem isso graças a uma molécula conhecida como clorofila, que é composta por mais de cem átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio que são curvados de maneira especial e ligados a mais alguns átomos de magnésio e hidrogênio. Essa combinação de partículas é capaz de capturar a luz que voou a 150 milhões de quilômetros de nossa estrela - uma câmara nuclear com volume de um milhão de planetas como a Terra - e transportar essa energia para dentro das células, onde cria novas moléculas a partir do dióxido de carbono e água e libera um dando nossa vida é oxigênio.

São essas cadeias moleculares que formam a superestrutura que mantém unidas as árvores, o papel deste livro e toda a vida. Você é capaz de ler um livro e entender as palavras porque tem olhos que podem transformar a luz dispersa das páginas em impulsos elétricos que podem ser interpretados pelo cérebro, a estrutura mais complexa do universo que conhecemos. Descobrimos que todas as coisas no mundo nada mais são do que uma coleção de átomos, e a maior variedade de átomos consiste em apenas três partículas - elétrons, prótons e nêutrons. Também sabemos que os próprios prótons e nêutrons são compostos de entidades menores chamadas quarks, e são o fim de tudo - pelo menos é o que pensamos agora. Tudo isso é baseado na teoria quântica.

Assim, a física moderna desenha com excepcional simplicidade o universo em que vivemos; fenômenos elegantes ocorrem em algum lugar onde não podem ser vistos, dando origem à diversidade do macrocosmo. Talvez esta seja a conquista mais notável da ciência moderna - a redução da incrível complexidade do mundo, incluindo os próprios humanos, a uma descrição do comportamento de um punhado de minúsculas partículas subatômicas e quatro forças agindo entre elas. As melhores descrições de três dessas quatro forças - as forças nucleares fortes e fracas que existem dentro do núcleo atômico e a força eletromagnética que mantém os átomos e as moléculas juntos - são fornecidas pela teoria quântica. Apenas a força da gravidade - a mais fraca, mas talvez a mais familiar de todas - não possui atualmente uma descrição quântica satisfatória.

Temos que admitir que a teoria quântica tem uma reputação um tanto estranha, e muito absurdo real é coberto por seu nome. Os gatos podem estar vivos e mortos ao mesmo tempo; partículas estão em dois lugares ao mesmo tempo; Heisenberg diz que tudo é incerto. Tudo isso é de fato verdade, mas as conclusões que muitas vezes se seguem disso - uma vez que algo estranho acontece no microcosmo, então estamos envoltos em uma névoa de neblina - estão definitivamente erradas. Percepção extra-sensorial, curas místicas, pulseiras vibrantes que protegem contra a radiação e quem sabe o que mais se infiltra regularmente no panteão do possível sob o disfarce da palavra "quântica". Esse absurdo é causado pela incapacidade de pensar com clareza, auto-engano, mal-entendido genuíno ou fingido, ou alguma combinação particularmente infeliz de todos os itens acima. A teoria quântica descreve com precisão o mundo com leis matemáticas tão específicas quanto as usadas por Newton ou Galileu. É por isso que podemos calcular o campo magnético de um elétron com incrível precisão. A teoria quântica oferece uma descrição da natureza que, como aprenderemos, tem um tremendo poder preditivo e explicativo e se estende a tudo, de chips de silício a estrelas.

Como muitas vezes acontece, o surgimento da teoria quântica provocou a descoberta de fenômenos naturais que não podiam ser descritos pelos paradigmas científicos da época. Para a teoria quântica, houve muitas dessas descobertas, além disso, de natureza diversa. Uma série de resultados inexplicáveis ​​gerou excitação e confusão e, eventualmente, desencadeou um período de inovação experimental e teórica que realmente merece o termo popular "idade de ouro". Os nomes dos personagens principais estão para sempre enraizados na mente de qualquer estudante de física e são mencionados com mais frequência do que outros em cursos universitários até hoje: Rutherford, Bohr, Planck, Einstein, Pauli, Heisenberg, Schrödinger, Dirac. Talvez nunca mais haja um período na história em que tantos nomes sejam associados à grandeza da ciência enquanto caminham em direção a um único objetivo - a criação de uma nova teoria de átomos e forças que governam o mundo físico. Em 1924, olhando para as décadas anteriores da teoria quântica, Ernest Rutherford, o físico neozelandês que descobriu o núcleo atômico, escreveu: “1896... Nunca antes na história da física houve um período de atividade tão febril, durante o qual algumas descobertas fundamentalmente significativas foram substituídas por outras a uma velocidade vertiginosa.

Somente até 30 de junho, os leitores do T&P têm desconto nas versões impressa e eletrônica do livro. Os descontos são ativados quando você clica nos links.

O termo "quântico" apareceu na física em 1900 graças ao trabalho de Max Planck. Ele tentou descrever teoricamente a radiação emitida por corpos aquecidos - a chamada "radiação de um corpo completamente negro". A propósito, o cientista foi contratado para esse fim por uma empresa de iluminação elétrica: é assim que as portas do universo às vezes se abrem pelos motivos mais prosaicos. Planck descobriu que as propriedades da radiação do corpo negro só podem ser explicadas assumindo que a luz é emitida em pequenas porções de energia, que ele chamou de quanta. A própria palavra significa "pacotes", ou "discreto". Inicialmente, ele pensou que era apenas um truque matemático, mas o trabalho de Albert Einstein em 1905 sobre o efeito fotoelétrico apoiou a hipótese quântica. Os resultados foram convincentes porque pequenas quantidades de energia podem ser sinônimo de partículas.

A ideia de que a luz é composta por um fluxo de pequenas balas tem uma longa e ilustre história, que remonta a Isaac Newton e ao nascimento da física moderna. No entanto, em 1864, o físico escocês James Clark Maxwell parecia ter finalmente dissipado todas as dúvidas existentes em uma série de trabalhos que Albert Einstein mais tarde descreveu como "os mais profundos e frutíferos que a física conheceu desde Newton". Maxwell mostrou que a luz é uma onda eletromagnética que se propaga no espaço, então a ideia da luz como onda teve uma origem irrepreensível e aparentemente inegável. No entanto, em uma série de experimentos que Arthur Compton e seus colegas conduziram na Universidade de Washington em St. Louis, eles conseguiram separar os quanta de luz dos elétrons. Ambos se comportavam mais como bolas de bilhar, o que confirmava claramente que as suposições teóricas de Planck tinham uma base sólida no mundo real. Em 1926, os quanta de luz eram chamados de fótons. A evidência era irrefutável: a luz se comporta tanto como onda quanto como partícula. Isso significou o fim da física clássica - e o fim do período formativo da teoria quântica.

Neste livro, os cientistas renomados Brian Cox e Jeff Forshaw apresentam aos leitores a mecânica quântica - o modelo fundamental do mundo. Eles contam quais observações levaram os físicos à teoria quântica, como ela foi desenvolvida e por que os cientistas, apesar de toda a sua estranheza, estão tão confiantes nela. O livro destina-se a todos os interessados ​​em física quântica e na estrutura do universo.

Algo estranho está chegando.
Quântico. Esta palavra simultaneamente apela aos sentidos, confunde e fascina. Dependendo do ponto de vista, isso é evidência dos vastos avanços da ciência ou um símbolo das limitações da intuição humana, que é forçada a lutar com a inevitável estranheza do reino subatômico. Para um físico, a mecânica quântica é um dos três grandes pilares sobre os quais repousa a compreensão da natureza (os outros dois são as teorias da relatividade geral e especial de Einstein). As teorias de Einstein tratam da natureza do espaço e do tempo e da força da gravidade. A mecânica quântica cuida de todo o resto, e pode-se dizer que, não importa quão emocionalmente atraente, confuso ou fascinante, é apenas uma teoria física que descreve como a natureza realmente se comporta. Mas mesmo se medido por esse critério muito pragmático, é impressionante em sua precisão e poder explicativo. Existe um experimento no campo da eletrodinâmica quântica, o mais antigo e melhor compreendido das teorias quânticas modernas. Ele mede como um elétron se comporta perto de um ímã. Os físicos teóricos trabalharam arduamente durante anos com caneta e papel, e mais tarde com computadores, para prever exatamente o que esses estudos revelariam. Os praticantes inventaram e montaram experimentos para descobrir mais detalhes da natureza. Ambos os campos, independentemente um do outro, deram resultados com uma precisão semelhante à medição da distância entre Manchester e Nova York com um erro de alguns centímetros. Vale ressaltar que os números obtidos pelos experimentadores corresponderam integralmente aos resultados dos cálculos dos teóricos; medições e cálculos estavam em total concordância.
Isso não é apenas impressionante, mas incrível, e se a construção de modelos fosse a única preocupação da teoria quântica, você poderia perguntar qual é o problema. A ciência, é claro, não precisa ser útil, mas muitas das mudanças tecnológicas e sociais que revolucionaram nossas vidas vieram de pesquisas fundamentais conduzidas por cientistas modernos, que são guiados apenas pelo desejo de entender melhor o mundo ao seu redor. . Graças a essas descobertas motivadas pela curiosidade em todos os ramos da ciência, estendemos a expectativa de vida, viagens aéreas internacionais, liberdade da necessidade de cultivar para nossa própria sobrevivência e uma imagem ampla, inspiradora e reveladora de nosso lugar em um mundo sem fim. mar de estrelas. Mas tudo isso é, em certo sentido, subprodutos. Exploramos por curiosidade, não porque queremos entender melhor a realidade ou desenvolver bugigangas melhores.

Contente
Algo estranho está chegando
Em dois lugares ao mesmo tempo
O que é uma partícula?
Tudo o que pode acontecer realmente acontece
Movimento como ilusão
Música de átomos
O universo em uma cabeça de alfinete (e por que não caímos no chão)
Interdependência
Mundo moderno
Interação
Espaço vazio não é tão vazio Epílogo: Morte das Estrelas
Para leitura adicional.

Faça o download gratuito do e-book em um formato conveniente, assista e leia:
Baixe o livro The Quantum Universe, How What We Can't See Works, Cox B., Forshaw J., 2016 - fileskachat.com, download rápido e gratuito.

Baixar epub
Abaixo, você pode comprar este livro com o melhor preço com desconto com entrega em toda a Rússia.