O nouă abordare a problemei gravitației cuantice, asupra căreia oamenii de știință s-au luptat de multe decenii, revine la elementele de bază și arată cum „cărămizile” din care sunt construite spațiul și timpul „se adună” unele cu altele.

Cum au apărut spațiul și timpul? Cum au creat golul neted 4D care servește drept fundal pentru lumea noastră fizică? Cum arată ele la o inspecție mai atentă? Întrebări ca acestea apar în fruntea științei moderne și împing explorarea gravitației cuantice - uniunea încă neterminată a teoriei generale a relativității a lui Einstein cu teoria cuantică. Teoria relativității descrie modul în care spațiul și timpul la scară macroscopică pot lua nenumărate forme, creând ceea ce numim gravitație sau gravitație. Teoria cuantică descrie legile fizicii la scara atomică și subatomică, ignorând complet efectele gravitației. Teoria gravitației cuantice trebuie să descrie în legile cuantice natura spațiu-timp pe cele mai mici scale - spațiile dintre cele mai mici particule elementare cunoscute - și, poate, să o explice prin intermediul unor componente fundamentale.

Candidatul principal pentru acest rol este adesea numit teoria superstringurilor, dar încă nu a răspuns la niciuna dintre întrebările arzătoare. Mai mult decât atât, urmând propria sa logică internă, a descoperit straturi și mai profunde de noi componente exotice și relații între ele, ducând la o varietate uluitoare de rezultate posibile.

PRINCIPALE DISPOZIȚII

Este bine cunoscut faptul că teoria cuantică și teoria generală a relativității a lui Einstein nu se potrivesc una cu cealaltă. Fizicienii au încercat de mult să le conecteze într-o singură teorie a gravitației cuantice, dar nu au obținut prea mult succes.

Noua abordare propusă nu introduce nicio prevedere exotică, ci deschide o nouă modalitate de aplicare a legilor cunoscute elementelor individuale ale spațiu-timpului. Aceste elemente intră în acord ca moleculele dintr-un cristal.

Abordarea noastră arată cum spațiu-timpul cu patru dimensiuni pe care îl cunoaștem poate apărea dinamic din componente mai fundamentale. Mai mult, sugerează modul în care acest spațiu-timp la scară microscopică trece treptat de la continuitatea lină la fractalitatea bizară.

În ultimii ani, munca noastră a devenit o alternativă promițătoare la autostrada bine bătută a fizicii teoretice. Urmând cea mai simplă rețetă - luați câteva componente fundamentale, asamblați-le în conformitate cu principiile cuantice binecunoscute (fără niciun fel de exotice), amestecați bine și lăsați să stea - obțineți spațiu-timp cuantic. Procesul este suficient de simplu pentru a fi simulat pe un laptop.

Cu alte cuvinte, dacă, considerând spațiul-timp gol (vidul) ca un fel de substanță nematerială, constând dintr-un număr foarte mare de elemente microscopice fără structură, le permitem să interacționeze între ele în conformitate cu regulile simple ale teoria gravitației și teoria cuantică, atunci aceste elemente se vor organiza spontan într-un singur întreg care în multe privințe va arăta la fel cu universul observabil. Procesul este similar cu modul în care moleculele se organizează într-un solid cristalin sau amorf.

Cu această abordare, spațiu-timp poate arăta mai mult ca o friptură obișnuită mixtă decât un tort de nuntă elaborat. În plus, spre deosebire de alte abordări ale gravitației cuantice, a noastră este foarte stabilă. Când schimbăm detaliile modelului nostru, rezultatul cu greu se schimbă. Această rezistență dă motive să sperăm că suntem pe drumul cel bun. Dacă rezultatul ar fi sensibil la locul în care am plasat fiecare piesă din vastul nostru ansamblu, am ajunge la un număr enorm de forme baroc la fel de probabile, ceea ce ar elimina posibilitatea de a explica de ce universul s-a dovedit a fi așa cum este.

Mecanisme similare de auto-asamblare și auto-organizare funcționează în fizică, biologie și în alte domenii ale științei. Un exemplu frumos este comportamentul stolurilor mari de păsări, cum ar fi graurii. Păsările individuale interacționează doar cu un număr mic de vecini; nu există lider care să le explice ce să facă. Cu toate acestea, haita se formează și se mișcă ca un întreg, posedând proprietăți colective sau derivate care nu apar în comportamentul indivizilor individuali.

O scurtă istorie a gravitației cuantice

Încercările anterioare de a explica structura cuantică a spațiu-timpului ca fiind formată în procesul de apariție spontană nu au avut un succes vizibil. Au venit din gravitația cuantică euclidiană. Programul de cercetare a fost început la sfârșitul anilor 1970. și a devenit popular datorită celei mai vândute cărți Brief History of Time a fizicianului Stephen Hawking. Acest program se bazează pe principiul suprapunerii, care este fundamental pentru mecanica cuantică. Orice obiect, clasic sau cuantic, se află într-o stare, caracterizată, de exemplu, prin poziție și viteză. Dar dacă starea unui obiect clasic poate fi descrisă printr-un set de numere propriu numai acestuia, atunci starea unui obiect cuantic este mult mai bogată: este suma tuturor stărilor clasice posibile.

TEORII ALE GRAVITAȚIEI CUANTICE

TEORIA CORZILOR
Susținută de majoritatea fizicienilor teoreticieni, această teorie se referă nu numai la gravitația cuantică, ci și la toate tipurile de materie și forțe. Se bazează pe ideea că toate particulele (inclusiv cele ipotetice care poartă gravitația) sunt șiruri oscilante.

GRAVITATE CUANTICA BUCLA
Principala alternativă la teoria corzilor. Aceasta implică o nouă metodă de aplicare a regulilor mecanicii cuantice la teoria generală a relativității a lui Einstein. Spațiul este împărțit în „atomi” discreti de volum

EUCLIDAN CUANTUM GRAVITY
O abordare făcută celebră de către fizicianul Stephen Hawking se bazează pe presupunerea că spațiu-timp iese dintr-o medie cuantică comună a tuturor formelor posibile. În această teorie, timpul este considerat egal cu dimensiunile spațiale.

TRIANGULARE DINAMICĂ CAUZALĂ
Această abordare, care face obiectul acestui articol, este o versiune modernă a abordării euclidiene. Se bazează pe aproximarea spațiu-timp printr-un mozaic de triunghiuri cu distincția inițială între spațiu și timp. La scară mică, spațiu-timp capătă o structură fractală

De exemplu, o minge de biliard clasică se mișcă pe o anumită traiectorie, iar poziția și viteza ei pot fi determinate cu precizie în orice moment. În cazul unui electron mult mai mic, lucrurile stau diferit. Mișcarea sa se supune legilor cuantice, conform cărora un electron poate exista simultan în multe locuri și poate avea multe viteze. În absența influențelor externe din punctul A în punctul B, electronul nu se mișcă în linie dreaptă, ci de-a lungul tuturor căilor posibile simultan. O imagine calitativă a tuturor modalităților posibile ale mișcării sale, adunate împreună, se transformă într-o „rețetă” matematică riguroasă pentru suprapunerea cuantică, formulată de laureatul Nobel Richard Feynman, și oferă o medie ponderată a tuturor posibilităților individuale.

Folosind rețeta propusă, se poate calcula probabilitatea de a găsi un electron într-un anumit interval de poziții și viteze, departe de calea directă de-a lungul căreia ar trebui să se miște în conformitate cu legile mecanicii clasice. O proprietate distinctivă a comportamentului mecanic cuantic al unei particule este abaterile de la o singură traiectorie clară, așa-numita. fluctuatii cuantice. Cu cât dimensiunea sistemului fizic considerat este mai mică, cu atât rolul fluctuațiilor cuantice este mai mare.

În gravitația cuantică euclidiană, principiul suprapunerii se aplică întregului univers ca întreg. În acest caz, suprapunerea nu constă din diferite traiectorii ale particulei, ci din posibilele căi de evoluție a universului în timp, în special, formele spațiu-timpului. Pentru a reduce problema la o soluție, fizicienii iau în considerare de obicei doar forma generală și dimensiunea spațiu-timpului și nu orice distorsiune imaginabilă a acestuia (vezi: Jonathan J. Halliwell. Quantum Cosmology and the Creation of the Universe // Scientific American , decembrie 1991 ).

În anii 1980–1990 cercetările în domeniul gravitației cuantice euclidiene au parcurs un drum lung, asociate cu dezvoltarea unor instrumente puternice de simulare pe computer. Modelele utilizate au reprezentat geometriile spațiu-timp curbat folosind „cărămizi” elementare, care, pentru comoditate, erau considerate triunghiulare. Rețelele triunghiulare pot aproxima în mod eficient suprafețele curbe, motiv pentru care sunt adesea folosite în animația pe computer. În cazul modelării spațiu-timp, aceste „blocuri” elementare sunt generalizări ale triunghiurilor în raport cu spațiul cu patru dimensiuni și se numesc 4-simplice. Așa cum lipirea triunghiurilor împreună cu marginile lor creează suprafețe curbate 2D, lipirea „fețelor” simplexelor 4D (care sunt tetraedre 3D) creează un model spațiu-timp 4D.

„Cărămizile” în sine nu au nicio semnificație fizică directă. Dacă spațiu-timp ar putea fi privit la un microscop super-puternic, niciun triunghi nu ar fi vizibil. Sunt doar aproximări. Singura informație care are sens fizic este conținută în comportamentul lor colectiv în noțiunea că fiecare dintre ei s-a micșorat la dimensiunea zero. În această limită, geometria „cărămizilor” (fie ele triunghiulare, cubice, pentagonale sau orice amestec al acestor forme) nu contează.

Insensibilitatea la o varietate de detalii la scară mică este adesea denumită versatilitate. Un fenomen binecunoscut în fizica statistică, care studiază mișcarea moleculelor în gaze și lichide: moleculele se comportă aproape în același mod, indiferent de compoziția lor. Universalitatea este asociată cu proprietățile sistemelor constând dintr-un număr mare de elemente individuale și se manifestă la o scară mult mai mare decât scara unei singure componente. O afirmație similară pentru un stol de păsări este că colorarea, dimensiunea, anvergura aripilor și vârsta păsărilor individuale nu au nimic de-a face cu comportamentul stolului în ansamblu. La scară macroscopică, apar foarte puține detalii microscopice.

înfiorare

Cu ajutorul modelelor computerizate, cercetătorii gravitației cuantice au început să studieze efectele suprapunerii formelor spațiu-timp, care nu pot fi studiate prin metodele relativității clasice, în special, puternic curbate la distanțe foarte mici. Acest așa-numit regim non-perturbator este de cel mai mare interes pentru fizicieni, dar este aproape imposibil de analizat fără utilizarea computerelor.

DESCRIEREA FORMEI SPAȚIULUI

MOZAIC DIN TRIANGURI
Pentru a determina cum se formează spațiul, fizicienii au nevoie mai întâi de o modalitate de a-i descrie forma. Ei îl descriu în termeni de triunghiuri și omologii lor cu dimensiuni mari, al căror mozaic face posibilă aproximarea formelor curbe. Curbura într-un anumit punct este determinată de unghiul total scăzut de triunghiurile care înconjoară acel punct. În cazul unei suprafețe plane, acest unghi este exact de 360°, dar în cazul suprafețelor curbate, acesta poate fi mai mic sau mai mare.

Din păcate, simulările au arătat că gravitația cuantică euclidiană nu ține cont de componente importante ale comportamentului. Toate suprapunerile neperturbatoare din universul cu patru dimensiuni s-au dovedit a fi instabile în principiu. Fluctuațiile cuantice de curbură la scară mică care caracterizează diferitele universuri suprapuse care contribuie la medie nu se anulează, ci se întăresc reciproc, determinând tot spațiul să se micșoreze într-o bilă mică cu un număr infinit de dimensiuni. Într-un astfel de spațiu, distanța dintre oricare două puncte rămâne întotdeauna foarte mică, chiar dacă volumul său este uriaș. În unele cazuri, spațiul merge la cealaltă extremă, devenind extrem de subțire și extins, ca un polimer cu multe ramuri. Niciuna dintre aceste posibilități nu este similară cu universul nostru real.

Înainte de a reveni încă o dată la ipotezele care i-au condus pe fizicieni într-o fundătură, să luăm în considerare o ciudățenie a rezultatului. „Cărămizile” sunt cu patru dimensiuni, dar împreună formează fie un spațiu cu un număr infinit de dimensiuni (un univers care se micșorează), fie un spațiu bidimensional (un univers polimeric). Odată ce presupunerea unor fluctuații cuantice mari în vid a lăsat geniul să iasă din sticlă, a devenit posibilă schimbarea celor mai fundamentale concepte, cum ar fi dimensiunea. Poate că teoria clasică a gravitației, în care numărul de dimensiuni este întotdeauna presupus a fi sigur, nu ar fi putut prevedea un astfel de rezultat.

O consecință poate fi oarecum dezamăgitoare pentru fanii science-fiction. Scriitorii de science fiction folosesc adesea conceptul de tuneluri spațiu-timp, de parcă ar permite ca zonele care sunt îndepărtate unul de celălalt să fie apropiate unele de altele. Ei captivează cu posibilitatea promițătoare de călătorie în timp și de transmitere a semnalelor la viteze care depășesc viteza luminii. În ciuda faptului că nimic de genul acesta nu a fost observat vreodată, fizicienii admit că astfel de tuneluri pot fi reabilitate în cadrul teoriei încă necreate a gravitației cuantice. În lumina rezultatului negativ al simulărilor computerizate ale gravitației cuantice euclidiene, posibilitatea existenței unor astfel de tuneluri pare extrem de improbabilă. Tunelurile spațiu-timp au atât de multe variații încât trebuie să domine suprapunerea, făcând-o instabilă, astfel încât universul cuantic nu poate crește niciodată dincolo de o totalitate mică, dar extrem de interconectată.

APLICAREA REGULI CUANTICE ÎN SPAȚIU-TIMP

IN MEDIE
Spațiul-timp poate lua multe forme diferite. Conform teoriei cuantice, forma pe care este cel mai probabil să o vedem este o suprapunere sau o medie ponderată a tuturor formelor posibile. Atunci când compun forme din triunghiuri, teoreticienii atribuie o pondere fiecăruia dintre ele, în funcție de modul în care aceste triunghiuri sunt conectate atunci când construiesc o formă dată. Autorii au descoperit că, pentru ca media rezultată să fie în concordanță cu Universul real observat, triunghiurile trebuie să respecte anumite reguli, în special, să conțină „săgeți” încorporate care indică direcția timpului.

Care ar putea fi rădăcina necazului? Căutând lacune și „capete libere” în abordarea euclidiană, am venit cu o idee cheie - o componentă care este absolut necesară pentru posibilitatea de a pregăti friptura noastră mixtă: codul universului trebuie să includă principiul cauzalității, adică. structura vidului trebuie să ofere posibilitatea unei distincții clare între cauză și efect. Cauzalitatea este o parte integrantă a teoriilor clasice ale relativității particulare și generale.

Cauzalitatea nu este inclusă în gravitația cuantică euclidiană. Definiția „euclidiană” înseamnă că spațiul și timpul sunt considerate echivalente. Universurile incluse în suprapunerea euclidiană au patru dimensiuni spațiale în loc de una temporală și trei spațiale. Deoarece universurile euclidiene nu au un concept separat de timp, ele nu au o structură care să permită aranjarea evenimentelor într-o anumită ordine. Locuitorii unor astfel de universuri nu pot avea conceptele de „cauză” și „efect”. Hawking și alți oameni de știință euclidieni au spus că „timpul este imaginar” atât în ​​sensul matematic, cât și în cel colocvial. Ei sperau că cauzalitatea va apărea ca o proprietate macroscopică din fluctuațiile cuantice microscopice care nu aveau individual semne ale unei structuri cauzale. Cu toate acestea, simularea pe computer le-a zdrobit speranțele.

O DIMENSIUNE COMPLET NOUĂ ÎN SPAȚIU

În viața obișnuită, dimensiunea spațiului este numărul minim de dimensiuni necesare pentru a determina poziția unui punct, cum ar fi longitudinea, latitudinea și înălțimea. Această definiție se bazează pe presupunerea că spațiul este continuu și supus legilor fizicii clasice. Și dacă spațiul nu se comportă atât de simplu? Ce se întâmplă dacă forma sa este determinată de procese cuantice care nu se manifestă în viața obișnuită? În astfel de cazuri, fizicienii și matematicienii trebuie să dezvolte o noțiune mai sofisticată de dimensiune. Numărul de dimensiuni poate să nu fie neapărat un număr întreg, ca în cazul fractalilor - structuri care au același aspect la toate scările.

DEFINIȚII DIMENSIONALE GENERALIZATE

dimensiunea Hausdorff
Definiţia formulată la începutul secolului al XX-lea. Matematicianul german Felix Hausdorff, pornește din dependența volumului V al regiunii de mărimea sa liniară r. În spațiul tridimensional obișnuit, V este proporțional cu $r^3$. Exponentul în această relație este numărul de măsurători. „Volum” poate fi considerat alți indicatori ai dimensiunii totale, cum ar fi suprafața. În cazul garniturii Sierpinski, V este proporțional cu $r^(1,5850)$. Această împrejurare reflectă faptul că această cifră nu umple întreaga zonă

Dimensiunea spectrală
Această definiție caracterizează răspândirea unui obiect sau fenomen în mediu în timp, fie că este vorba de o picătură de cerneală într-un vas cu apă sau de o boală la o populație. Fiecare moleculă de apă sau individ dintr-o populație are un anumit număr de vecini cei mai apropiați, ceea ce determină rata de difuzie a cernelii sau răspândirea bolii. Într-un mediu 3D, dimensiunea unui nor de cerneală crește proporțional cu timpul până la puterea de 3/2. În tamponul lui Sierpiński, cerneala trebuie să se scurgă prin forma sinuoasă, astfel încât se răspândește mai lent - proporțional cu timpul cu puterea de 0,6826, care corespunde unei dimensiuni spectrale de 1,3652

Aplicarea definițiilor
În cazul general, diferite moduri de calculare a dimensiunii dau numere diferite de dimensiuni, deoarece pornesc de la caracteristici diferite ale geometriei. Pentru unele forme geometrice, numărul de dimensiuni nu este constant. În special, difuzia poate fi o funcție mai complexă decât timpul într-o măsură constantă.
Când se modelează gravitația cuantică, accentul este pus pe dimensiunea spectrală. O cantitate mică de substanță este introdusă într-o cărămidă elementară a modelului cuantic spațiu-timp. Din această cărămidă, se răspândește aleatoriu. Numărul total de cărămizi spațiu-timp la care ajunge această substanță într-o anumită perioadă de timp determină dimensiunea spectrală

În loc să neglijăm cauzalitatea atunci când legăm universuri separate în așteptarea că aceasta va apărea din înțelepciunea colectivă a suprapunerii, am ales să încorporăm cauzalitatea într-un stadiu mult mai devreme. Am numit metoda noastră triangulație dinamică. I-am atribuit fiecărui simplex o săgeată de timp care indică din trecut spre viitor. Apoi am introdus regula cauzală de „lipire”: două simplexuri trebuie lipite în așa fel încât săgețile lor să fie aliniate. Conceptul de timp din simplesurile care trebuie lipite trebuie să fie același: timpul trebuie să curgă cu o viteză constantă în direcția acestor săgeți, fără oprire sau întoarcere niciodată. În decursul timpului, spațiul trebuie să-și păstreze forma generală, să nu se despartă în părți separate și să nu creeze tuneluri spațiu-timp.

După ce am formulat această strategie în 1998, am arătat pe modele extrem de simplificate că regulile de lipire a simplexelor conduc la o formă macroscopică diferită de gravitația cuantică euclidiană. Acest lucru a fost încurajator, dar nu a însemnat că regulile de lipire acceptate erau suficiente pentru a asigura stabilitatea întregului univers cu patru dimensiuni. Așa că ne-am ținut respirația când, în 2004, computerul nostru era aproape gata să ne dea primele calcule ale suprapunerii cauzale a simplexurilor cu patru dimensiuni. Se va comporta acest spațiu-timp la distanțe mari ca un obiect cu patru dimensiuni extinse și nu ca o minge sau un polimer șirbit?

Imaginați-vă bucuria noastră când numărul de dimensiuni ale universului calculat s-a dovedit a fi 4 (mai precis, 4,02 ± 0,1). Aceasta a fost prima dată când numărul de dimensiuni egal cu cel observat a fost dedus din principiile fundamentale. Astăzi, introducerea conceptului de cauzalitate în modelul gravitațional cuantic este singura modalitate cunoscută de a face față instabilităților suprapunerii geometriilor spațiu-timp.

Spațiu-timp în general

Această simulare a fost prima dintr-o serie în curs de experimente de calcul în care încercăm să deducem proprietățile fizice și geometrice ale spațiu-timpului cuantic prin simulări pe computer. Următorul nostru pas a fost să studiem forma spațiului-timp la distanțe mari și să verificăm corespondența acesteia cu lumea reală, de exemplu. predicții ale teoriei generale a relativității. În cazul modelelor neperturbative ale gravitației cuantice, care nu conțin o presupunere a priori despre forma spațiu-timpului, un astfel de test este foarte dificil - atât de mult încât în ​​majoritatea abordărilor gravitației cuantice, inclusiv în teoria corzilor, cu excepția cazurilor speciale , succesul obținut este insuficient pentru a o duce la îndeplinire.

Aprofundarea în spațiu-timp

Conform calculelor autorilor, dimensiunea spectrală a spațiu-timpului scade de la patru (în limita unei scări mari) la două (în limita unei scări mici), iar spațiu-timpul continuu se rupe, transformându-se într-un fractal ramificat. Fizicienii nu sunt încă capabili să înțeleagă dacă această concluzie înseamnă că, în cele din urmă, spațiu-timp constă din „atomi” localizați sau dacă este construit din structuri microscopice care sunt foarte vag legate de conceptul obișnuit de geometrie.

După cum sa dovedit, pentru ca modelul nostru să funcționeze, este necesar de la bun început să introducem așa-numita constantă cosmologică - o substanță invizibilă și nematerială conținută în spațiu chiar și în absența oricăror alte forme de materie și energie. Această nevoie este o veste bună, deoarece cosmologii au găsit confirmarea experimentală a existenței acestei constante. Mai mult decât atât, forma obținută de spațiu-timp corespundea geometriei de Sitter, i.e. rezolvarea ecuațiilor lui Einstein pentru un univers care nu conține altceva decât constanta cosmologică. Este cu adevărat remarcabil că asamblarea unui ansamblu de „cărămizi” microscopice într-un mod aproape aleatoriu - fără nicio presupunere de simetrie sau de structură geometrică preferată - a condus la un spațiu-timp care are, la scară largă, forma extrem de simetrică a universul de Sitter.

Apariția dinamică a unui univers cu patru dimensiuni de formă geometrică aproape regulată din principiile de bază a devenit o realizare centrală a modelării noastre. Întrebarea dacă acest rezultat remarcabil poate fi înțeles în cadrul ideilor despre interacțiunea unor „atomi” încă nestabiliți ai spațiu-timpului este scopul cercetării noastre în curs. Din moment ce am văzut că modelul nostru de gravitație cuantică a trecut o serie de teste clasice, este timpul să ne întoarcem la experimente de alt fel - pentru a dezvălui structura cuantică distinctivă a spațiu-timpului pe care teoria clasică a lui Einstein nu a putut-o dezvălui. Într-unul dintre aceste experimente, am modelat procesul de difuzie: am introdus un analog adecvat al unei picături de cerneală într-o suprapunere de universuri și am observat cum se propagă și este perturbat de fluctuațiile cuantice. Găsirea dimensiunii norului de cerneală în timp ne-a permis să determinăm numărul de dimensiuni în spațiu (vezi bara laterală).

Rezultatul a fost uluitor: numărul de măsurători depinde de scară. Cu alte cuvinte, dacă difuzia a continuat pentru o perioadă scurtă de timp, atunci numărul de dimensiuni ale spațiu-timp s-a dovedit a fi diferit de atunci când procesul de difuzie a continuat o lungă perioadă de timp. Chiar și cei dintre noi care s-au specializat în gravitația cuantică cu greu ne-am putut imagina cum s-ar putea schimba în mod continuu numărul de dimensiuni ale spațiului-timp în funcție de rezoluția „microscopului” nostru. Evident, spațiu-timp pentru obiectele mici este foarte diferit de cel pentru cele mari. Pentru obiectele mici, universul este ca o structură fractală - un tip neobișnuit de spațiu în care conceptul de dimensiune pur și simplu nu există. Este auto-similar, adică arată la fel la toate scalele. Aceasta înseamnă că nu există obiecte de dimensiuni caracteristice care ar putea servi ca o bară de scară.

Cât de mic este „mic”? Până la o dimensiune de aproximativ $10^(–34)$m, universul cuantic în ansamblu este bine descris de geometria clasică de Sitter cu patru dimensiuni, deși rolul fluctuațiilor cuantice crește odată cu scăderea distanței. Faptul că aproximarea clasică rămâne valabilă până la distanțe atât de mici este surprinzător. Din aceasta decurg consecințe foarte importante atât pentru primele etape ale istoriei universului, cât și pentru viitorul său foarte îndepărtat. În ambele aceste limite, universul este practic gol. La început, fluctuațiile cuantice au fost atât de mari încât materia era abia detectabilă. Era o plută mică pe un ocean ondulat. Miliarde de ani după noi, din cauza expansiunii rapide a Universului, materia va fi atât de rarefiată încât va juca un rol foarte mic sau chiar nu va juca deloc. Abordarea noastră ne permite să explicăm forma spațiului în ambele cazuri limitative.

CE ESTE CAUZA?

Cauzalitatea este principiul conform căruia evenimentele au loc într-o anumită secvență în timp și nu în dezordine, ceea ce face posibilă distingerea dintre cauză și efect. În abordarea gravitației cuantice adoptată de autori, diferența dintre cauză și efect apare ca o proprietate fundamentală în natură, și nu o proprietate derivată.

La o scară și mai mică, fluctuațiile cuantice ale spațiu-timp cresc atât de mult încât intuițiile clasice despre geometrie își pierd complet sensul. Numărul de dimensiuni este redus de la cele patru clasice la aproximativ două. Totuși, din câte putem spune, spațiu-timp rămâne continuu și nu conține niciun tunel. Nu este la fel de exotică precum spuma spațio-temporală clocotită pe care fizicianul John Wheeler și mulți alții au văzut-o. Geometria spațiului-timp se supune unor legi neobișnuite și neclasice, dar conceptul de distanță rămâne aplicabil. Acum încercăm să pătrundem într-o zonă și mai mică. O posibilitate este ca universul să devină auto-similar și să arate la fel la toate scările sub o anumită limită. Dacă da, atunci universul nu este alcătuit din șiruri sau atomi de spațiu-timp, ci este o lume a plictiselii nesfârșite: o structură care se găsește chiar sub prag, pe măsură ce pătrunde mai adânc într-o regiune de dimensiuni tot mai mici, se va repeta pur și simplu. în sine la infinit.

Este greu de imaginat cum se pot descurca fizicienii cu mai puține componente și mijloace tehnice decât am folosit pentru a construi un univers cuantic cu proprietăți realiste. Mai avem o mulțime de teste și experimente de făcut, de exemplu, pentru a înțelege comportamentul materiei în univers și influența acesteia asupra formei sale generale. Scopul nostru principal, ca și în cazul oricărei teorii a gravitației cuantice, este de a prezice consecințele observabile ale structurii cuantice microscopice. Acesta va fi criteriul decisiv pentru corectitudinea modelului nostru ca teorie a gravitației cuantice.

Traducere: I.E. Satsevici

LITERATURA SUPLIMENTARE

• Nașterea planckiană a unui univers Quantum de Sitter. J. Ambjorn, A. Gorlich, J. Jurkiewicz și R. Loll în Physical Review Letters, voi. 100, articolul nr. 091304; 7 martie 2008. Preprint disponibil
• Ghidul complet al idiotului pentru teoria corzilor. George Musser. Alpha, 2008.
• Apariția spațiului timpului sau a gravitației cuantice pe desktopul dvs. R. Loll în Gravitația clasică și cuantică, voi. 25, nr. 11, articolul nr. 114006; 7 iunie 2008. Preprint disponibil
• Site-ul Renata Loll

Jan Ambjorn, Renate Lollși Jerzy Jurkewiczși-au dezvoltat abordarea asupra problemei gravitației cuantice în 1998. Ambjorn este membru al Academiei Regale Daneze, profesor la Institutul Niels Bohr din Copenhaga și la Universitatea Utrecht din Țările de Jos. El este cunoscut ca un maestru al bucătăriei thailandeze - o circumstanță pe care editorii tind să o observe mai întâi. Renata Loll este profesor la Universitatea din Utrecht, unde conduce una dintre cele mai mari echipe de cercetare gravitațională cuantică din Europa. Anterior, a lucrat la Institutul Max Planck pentru fizica gravitațională din Holm (Germania). În rarele ore libere, se cântă muzică de cameră. Jerzy Yurkiewicz este șeful Departamentului de Teoria Sistemelor Complexe de la Institutul de Fizică al Universității Jagiellonian din Cracovia. Printre joburile sale anterioare se numără Institutul Niels Bohr din Copenhaga, unde a fost captivat de frumusețea navigației.

Doi fizicieni englezi, dintre care unul studiază particulele elementare (Brian Cox), iar celălalt este profesor la Departamentul de Fizică Teoretică de la Universitatea din Manchester (Jeff Forshaw), ne prezintă modelul fundamental al lumii.

Folosind un limbaj accesibil, numeroase desene și analogii bune, autorii au putut explica conceptele de fizică cuantică greu de înțeles.

Brian Cox, Jeff Forshaw:

Scopul acestei cărți este de a demistifica teoria cuantică, o construcție teoretică care a derutat prea mulți, inclusiv chiar și pe pionierii industriei. Intenționăm să folosim o perspectivă modernă, folosind lecțiile învățate de-a lungul secolelor de retrospectivă și dezvoltare a teoriei. Cu toate acestea, la începutul călătoriei, vom fi transportați la începutul secolului al XX-lea și vom explora unele dintre problemele care i-au forțat pe fizicieni să se abată radical de la ceea ce anterior era considerat curentul principal al științei.

1. Urmează ceva ciudat

Teoria cuantică este poate cel mai bun exemplu al modului în care infinit greu de înțeles de către majoritatea oamenilor devine extrem de util. Este greu de înțeles deoarece descrie o lume în care o particulă poate fi de fapt în mai multe locuri în același timp și se poate muta dintr-un loc în altul, explorând astfel întregul Univers. Am descoperit că totul este format din multe particule minuscule care se mișcă în conformitate cu legile teoriei cuantice. Aceste legi sunt atât de simple încât pot fi scrise pe spatele unui plic. Iar faptul că o bibliotecă întreagă nu este necesară pentru a explica natura profundă a lucrurilor este în sine unul dintre cele mai mari mistere ale lumii.

2. În două locuri în același timp

Cele mai neobișnuite predicții ale teoriei cuantice apar de obicei în comportamentul obiectelor mici. Dar, deoarece obiectele mari sunt formate din obiecte mici, în anumite circumstanțe este necesară fizica cuantică pentru a explica proprietățile unuia dintre cele mai mari obiecte din univers, stelele.

3. Ce este o particulă?

După ce am stabilit că descrierea electronului imită comportamentul undelor în multe privințe, trebuie să dezvoltăm concepte mai precise ale undelor în sine. Să începem prin a descrie ce se întâmplă într-un rezervor de apă atunci când două valuri se întâlnesc, se amestecă și interferează unul cu celălalt. Să reprezentăm valorile maxime ale valurilor ca ceasuri cu mâna de la ora 12, iar cele joase ca ceasuri cu mâna de la ora 6. De asemenea, putem reprezenta pozițiile undelor intermediare între minim și maxim desenând ceasuri cu timpi intermediari, ca în cazul a fazelor dintre luna nouă și luna plină.

4. Tot ceea ce se poate întâmpla se întâmplă cu adevărat

Principiul incertitudinii Heisenberg

În lucrarea sa originală, Heisenberg a reușit să aprecieze relația dintre acuratețea măsurării poziției și impulsului unei particule. Principiul incertitudinii Heisenberg este una dintre părțile cele mai greșit înțelese ale teoriei cuantice, calea pe care tot felul de șarlatani și purtători de prostii își împing prostiile filozofice.

Derivarea principiului incertitudinii Heisenberg din teoria fețelor ceasului

Trei cadrane, care arată aceeași oră și situate pe aceeași linie, descriu particula, care la momentul inițial se află undeva în zona acestor cadrane. Ne interesează care sunt șansele de a găsi o particulă în punctul X la un moment ulterior.

O scurtă istorie a constantei lui Planck

Planck a distrus primele pietre din fundamentul conceptului de lumină al lui Maxwell, arătând că energia luminii emisă de un corp încălzit poate fi descrisă doar dacă este emisă în cuante.

Înapoi la principiul incertitudinii Heisenberg

Teoria mecanicii cuantice pe care am dezvoltat-o ​​sugerează că, dacă plasezi un grăunte de nisip la un moment dat, acesta poate ajunge mai târziu oriunde altundeva în univers. Dar este evident că acest lucru nu se întâmplă cu firele de nisip adevărate. Prima întrebare la care trebuie să răspundem este: de câte ori se vor întoarce acționările ceasului dacă mișcăm o particulă cu masa unui grăunte de nisip pe o distanță de, să zicem, 0,001 mm într-o secundă?

5. Mișcarea ca iluzie

După ce am stabilit grupul inițial cu ajutorul ceasurilor care arată diferit și nu același timp, am ajuns la descrierea unei particule în mișcare. Interesant este că putem face o legătură foarte importantă între ceasurile deplasate și comportamentul undelor.

Pachete Wave

O particulă cu un impuls bine-cunoscut este descrisă de un grup mare de cadrane. Mai precis, o particulă cu impuls exact cunoscut va fi descrisă de un grup de ceasuri infinit lung, ceea ce înseamnă un pachet de undă infinit lung.

6. Muzica atomilor

Acum putem aplica cunoștințele noastre acumulate pentru a rezolva întrebarea care i-a derutat pe Rutherford, Bohr și alți oameni de știință în primele decenii ale secolului XX: ce se întâmplă exact în interiorul atomului? …Aici vom încerca pentru prima dată cu ajutorul teoriei noastre să explicăm fenomenele din lumea reală.

cutie atomică

Se pare că am elaborat o viziune corectă asupra atomilor. Dar totuși, ceva nu este în regulă. Lipsește ultima piesă a puzzle-ului, fără de care este imposibil de explicat structura atomilor mai grei decât hidrogenul. Mai prozaic, nu reușim să explicăm de ce nu cădem de fapt prin pământ, ceea ce creează probleme minunatei noastre teorii a naturii.

7. Universul pe un cap de ac (și de ce nu cădem prin pământ)

Materia poate fi stabilă doar dacă electronii respectă așa-numitul principiu Pauli, unul dintre cele mai uimitoare fenomene din universul nostru cuantic.

8. Interdependență

Până acum, am acordat o atenție deosebită fizicii cuantice a particulelor și atomilor izolați. Cu toate acestea, experiența noastră fizică este conectată cu percepția multor atomi grupați împreună și, prin urmare, este timpul să începem să înțelegem ce se întâmplă atunci când atomii se grupează împreună.

9. Lumea modernă

Tranzistorul este cea mai importantă invenție din ultimii 100 de ani: lumea modernă este construită și modelată de tehnologia semiconductoarelor.

10. Interacțiune

Să începem cu formularea legilor primei teorii a câmpului cuantic deschis - electrodinamica cuantică, abreviată QED. Originile acestei teorii datează din anii 1920, când Dirac a avut un succes deosebit în a pune teoria electromagnetică a lui Maxwell pe o bază cuantică.

Problema măsurării în teoria cuantică

Putem merge mai departe crezând că lumea s-a schimbat ireversibil ca urmare a măsurătorii, chiar dacă nu s-a întâmplat nimic de acest fel. Dar toate acestea nu sunt atât de importante când vine vorba de sarcina serioasă de a calcula probabilitatea ca ceva să se întâmple atunci când se realizează un experiment.

antimaterie

Electronii care se deplasează înapoi în timp arată ca „electroni cu sarcină pozitivă”. Astfel de particule există și sunt numite „pozitroni”.

11. Spațiul gol nu este atât de gol.

Aspiratorul este un loc foarte interesant, plin de posibilități și obstacole în calea particulelor.

Modelul standard al fizicii particulelor

Modelul standard conține un remediu pentru boala cu mare probabilitate, iar acest remediu este cunoscut sub numele de mecanismul Higgs. Dacă este adevărat, atunci Large Hadron Collider ar trebui să detecteze o altă particulă naturală, bosonul Higgs, după care părerile noastre despre conținutul spațiului gol ar trebui să se schimbe dramatic.

Originea masei

Întrebarea despre originea masei este deosebit de remarcabilă prin faptul că răspunsul la aceasta este valoros dincolo de dorința noastră evidentă de a ști ce este masa. Să încercăm să explicăm mai detaliat această propoziție destul de misterioasă și construită ciudat.

Epilog: Moartea stelelor

Pe măsură ce mor, multe stele ajung ca bile superdense de materie nucleară împletite cu mulți electroni. Acestea sunt așa-numitele pitice albe. Aceasta va fi soarta Soarelui nostru când va rămâne fără combustibil nuclear în aproximativ 5 miliarde de ani.

Pentru citiri suplimentare

Am folosit multe alte lucrări în pregătirea acestei cărți, iar unele dintre ele merită o mențiune și recomandare specială.

Cox B., Forshaw D. Universul cuantic.
Cum de nu putem vedea. M.: CIM. 2016.

Brian Cox, Jeff Forshaw

univers cuantic. Cum de nu putem vedea

Editorii științifici Vyacheslav Maracha și Mihail Pavlov

Publicat cu permisiunea Apollo's Children Ltd și Jeff Forshow și Diane Banks Associates Ltd.

Suportul juridic pentru editura este oferit de firma de avocatura Vegas Lex.

© Brian Cox și Jeff Forshaw, 2011

© Traducere în rusă, ediție în rusă, design. SRL „Mann, Ivanov și Ferber”, 2016

* * *

1. Urmează ceva ciudat

Cuantic. Acest cuvânt face apel simultan la simțuri, derutează și fascinează. În funcție de punctul de vedere, aceasta este fie o dovadă a vastelor progrese ale științei, fie un simbol al limitărilor intuiției umane, care este forțată să lupte cu ciudățenia inevitabilă a tărâmului subatomic. Pentru un fizician, mecanica cuantică este unul dintre cei trei mari piloni pe care se sprijină înțelegerea naturii (ceilalți doi sunt teoriile relativității generale și speciale ale lui Einstein). Teoriile lui Einstein se ocupă de natura spațiului și a timpului și de forța gravitației. Mecanica cuantică are grijă de orice altceva și se poate spune că, oricât de atrăgătoare, confuză sau fascinantă din punct de vedere emoțional, este doar o teorie fizică care descrie modul în care natura se comportă de fapt. Dar chiar dacă este măsurat după acest criteriu foarte pragmatic, este izbitor prin acuratețea și puterea sa explicativă. Există un experiment din domeniul electrodinamicii cuantice, cel mai vechi și cel mai bine înțeles dintre teoriile cuantice moderne. Măsoară modul în care un electron se comportă în apropierea unui magnet. Fizicienii teoreticieni au muncit din greu ani de zile cu pixul și hârtie, iar mai târziu cu computerele, pentru a prezice exact ce ar dezvălui astfel de studii. Practicanții au inventat și au pus bazele experimentelor pentru a afla mai multe detalii din natură. Ambele tabere, independent una de cealaltă, au dat rezultate cu o acuratețe asemănătoare cu măsurarea distanței dintre Manchester și New York cu o eroare de câțiva centimetri. Este de remarcat faptul că cifrele obținute de experimentatori corespundeau pe deplin cu rezultatele calculelor teoreticienilor; măsurătorile și calculele erau în total acord.

Acest lucru nu este doar impresionant, ci și surprinzător și, dacă construirea de modele ar fi singura preocupare a teoriei cuantice, ați putea întreba pe bună dreptate care este problema. Știința nu trebuie să fie neapărat utilă, desigur, dar multe dintre schimbările tehnologice și sociale care ne-au revoluționat viețile au venit din cercetările fundamentale conduse de oamenii de știință moderni care sunt conduși doar de dorința de a înțelege mai bine lumea din jurul lor. Datorită acestor descoperiri motivate de curiozitate din toate ramurile științei, ne-am extins durata de viață, călătoriile internaționale cu avionul, ne-am eliberat de nevoia de a cultiva pentru propria noastră supraviețuire și ne-am bucurat de o imagine largă, inspirată și revelatoare a locului nostru într-o zonă nesfârșită. mare de stele. Dar toate acestea sunt, într-un fel, produse secundare. Explorăm din curiozitate, nu pentru că dorim să înțelegem mai bine realitatea sau să dezvoltăm bibelouri mai bune.

Teoria cuantică este poate cel mai bun exemplu al modului în care ceea ce este infinit de greu de înțeles pentru majoritatea oamenilor devine extrem de util. Este greu de înțeles deoarece descrie o lume în care o particulă poate fi de fapt în mai multe locuri în același timp și se poate muta dintr-un loc în altul, explorând astfel întregul Univers. Este util pentru că înțelegerea comportamentului celor mai mici blocuri de construcție ale universului întărește înțelegerea tuturor celorlalte. Ne pune o limită aroganței, pentru că lumea este mult mai complexă și mai diversă decât părea. În ciuda acestei complexități, am descoperit că totul este format din multe particule minuscule care se mișcă în conformitate cu legile teoriei cuantice. Aceste legi sunt atât de simple încât pot fi scrise pe spatele unui plic. Iar faptul că o bibliotecă întreagă nu este necesară pentru a explica natura profundă a lucrurilor este în sine unul dintre cele mai mari mistere ale lumii.

Deci, cu cât învățăm mai multe despre natura elementară a universului, cu atât ni se pare mai simplu. Treptat, vom ajunge să înțelegem toate legile și modul în care aceste mici blocuri interacționează pentru a forma lumea. Dar oricât de fascinați suntem de simplitatea care stă la baza universului, trebuie să ne amintim că, deși regulile de bază ale jocului sunt simple, consecințele lor nu sunt întotdeauna ușor de calculat. Experiența noastră zilnică de cunoaștere a lumii este determinată de relațiile multor miliarde de atomi și ar fi pur și simplu stupid să încercăm să deducem principiile comportamentului oamenilor, animalelor și plantelor din nuanțele comportamentului acestor atomi. Recunoscând acest lucru, nu îi diminuăm importanța: în spatele tuturor fenomenelor, în cele din urmă, se ascunde fizica cuantică a particulelor microscopice.

Imaginează-ți lumea din jurul nostru. Țineți în mână o carte din hârtie - pastă de lemn măcinată. Copacii sunt mașini capabile să preia atomi și molecule, să le descompună și să le reorganizeze în colonii de miliarde de bucăți individuale. Ei fac acest lucru datorită unei molecule cunoscute sub numele de clorofilă, care este alcătuită din peste o sută de atomi de carbon, hidrogen și oxigen, care sunt curbați într-un mod special și legați de câțiva atomi de magneziu și hidrogen. O astfel de combinație de particule este capabilă să capteze lumina care a zburat la 150.000.000 km de stea noastră - o cameră nucleară cu un volum de un milion de planete precum Pământul - și să transporte această energie adânc în celule, unde creează noi molecule din dioxid de carbon și apa si elibereaza o dare viata noastra este oxigen.

Aceste lanțuri moleculare sunt cele care formează suprastructura care ține împreună copacii, lucrarea din această carte și toată viața. Ești capabil să citești o carte și să înțelegi cuvintele pentru că ai ochi care pot transforma lumina împrăștiată din pagini în impulsuri electrice care pot fi interpretate de creier, cea mai complexă structură din univers despre care știm. Am descoperit că toate lucrurile din lume nu sunt altceva decât o colecție de atomi, iar cea mai mare varietate de atomi este formată din doar trei particule - electroni, protoni și neutroni. Știm, de asemenea, că protonii și neutronii înșiși sunt alcătuiți din entități mai mici numite quarci și aici se termină totul - cel puțin asta credem acum. Toate acestea se bazează pe teoria cuantică.

Astfel, fizica modernă desenează o imagine a Universului în care trăim cu o simplitate excepțională; fenomene elegante apar undeva unde nu pot fi văzute, dând naștere diversității macrocosmosului. Poate că aceasta este cea mai remarcabilă realizare a științei moderne - reducerea complexității incredibile a lumii, inclusiv a oamenilor înșiși, la o descriere a comportamentului unui număr mic de particule subatomice minuscule și a patru forțe care acționează între ele. Cele mai bune descrieri a trei dintre aceste patru forțe - forțele nucleare puternice și slabe care există în interiorul nucleului atomic și forța electromagnetică care ține atomii și moleculele împreună - sunt oferite de teoria cuantică. Doar forța gravitației - cea mai slabă, dar poate cea mai familiară forță dintre toate - nu are în prezent o descriere cuantică satisfăcătoare.

Trebuie să recunoaștem că teoria cuantică are o reputație oarecum ciudată și multe prostii reale sunt acoperite de numele ei. Pisicile pot fi atât vii, cât și moarte în același timp; particulele sunt în două locuri în același timp; Heisenberg susține că totul este incert. Toate acestea sunt într-adevăr adevărate, dar concluziile care decurg adesea din aceasta - deoarece ceva ciudat se întâmplă în microcosmos, atunci suntem învăluiți într-o ceață de ceață - sunt cu siguranță greșite. Percepție extrasenzorială, vindecări mistice, brățări vibrante care protejează împotriva radiațiilor și cine știe ce altceva se strecoară în mod regulat în panteonul posibilului sub masca cuvântului „cuantic”. Această prostie este cauzată de incapacitatea de a gândi clar, de auto-amăgire, de neînțelegere autentică sau prefăcută sau de o combinație deosebit de nefericită a tuturor celor de mai sus. Teoria cuantică descrie cu acuratețe lumea cu legi matematice la fel de specifice precum cele folosite de Newton sau Galileo. Acesta este motivul pentru care putem calcula câmpul magnetic al unui electron cu o acuratețe incredibilă. Teoria cuantică oferă o descriere a naturii care, după cum vom afla, are o putere predictivă și explicativă extraordinară și se extinde la orice, de la cipuri de siliciu la stele.

Scopul acestei cărți este de a demistifica teoria cuantică, o construcție teoretică care a derutat prea mulți, inclusiv chiar și pe pionierii industriei. Intenționăm să folosim o perspectivă modernă, folosind lecțiile învățate de-a lungul secolelor de retrospectivă și dezvoltare a teoriei. Cu toate acestea, la începutul călătoriei, vom fi transportați la începutul secolului al XX-lea și vom explora unele dintre problemele care i-au forțat pe fizicieni să se abată radical de la ceea ce anterior era considerat curentul principal al științei.

În funcție de punctul de vedere, teoria cuantică este fie o mărturie a vastelor progrese ale științei, fie un simbol al limitărilor intuiției umane, care este forțată să se lupte cu ciudățenia tărâmului subatomic. Pentru un fizician, mecanica cuantică este unul dintre cei trei mari piloni pe care se bazează înțelegerea naturii (împreună cu teoriile generale și speciale ale relativității ale lui Einstein). Pentru cei care și-au dorit întotdeauna să înțeleagă măcar ceva în modelul fundamental al lumii, oamenii de știință Brian Cox și Jeff Forshaw explică în cartea lor „The Quantum Universe”, care a fost publicată de MIF. T & P publică un scurt pasaj despre esența cuantii și originile teoriei.

Teoriile lui Einstein se ocupă de natura spațiului și a timpului și de forța gravitației. Mecanica cuantică are grijă de orice altceva și se poate spune că oricât de atrăgătoare, confuză sau fascinantă din punct de vedere emoțional, este doar o teorie fizică care descrie modul în care natura se comportă de fapt. Dar chiar dacă este măsurat după acest criteriu foarte pragmatic, este izbitor prin acuratețea și puterea sa explicativă. Există un experiment din domeniul electrodinamicii cuantice, cel mai vechi și cel mai bine înțeles dintre teoriile cuantice moderne. Măsoară modul în care un electron se comportă în apropierea unui magnet. Fizicienii teoreticieni au muncit din greu ani de zile cu pixul și hârtie, iar mai târziu cu computerele, pentru a prezice exact ce ar dezvălui astfel de studii. Practicanții au inventat și au pus bazele experimentelor pentru a afla mai multe detalii din natură. Ambele tabere, independent una de cealaltă, au dat rezultate cu o acuratețe asemănătoare cu măsurarea distanței dintre Manchester și New York cu o eroare de câțiva centimetri. Este de remarcat faptul că cifrele obținute de experimentatori corespundeau pe deplin cu rezultatele calculelor teoreticienilor; măsurătorile și calculele erau în total acord.

Teoria cuantică este poate cel mai bun exemplu al modului în care infinit de greu de înțeles pentru majoritatea oamenilor devine extrem de util. Este greu de înțeles deoarece descrie o lume în care o particulă poate fi de fapt în mai multe locuri în același timp și se poate muta dintr-un loc în altul, explorând astfel întregul Univers. Este util pentru că înțelegerea comportamentului celor mai mici blocuri de construcție ale universului întărește înțelegerea tuturor celorlalte. Ne pune o limită aroganței, pentru că lumea este mult mai complexă și mai diversă decât părea. În ciuda acestei complexități, am descoperit că totul este format din multe particule minuscule care se mișcă în conformitate cu legile teoriei cuantice. Aceste legi sunt atât de simple încât pot fi scrise pe spatele unui plic. Iar faptul că o bibliotecă întreagă nu este necesară pentru a explica natura profundă a lucrurilor este în sine unul dintre cele mai mari mistere ale lumii.

Imaginează-ți lumea din jurul nostru. Să presupunem că țineți în mână o carte din hârtie - pastă de lemn măcinată. Copacii sunt mașini capabile să preia atomi și molecule, să le descompună și să le reorganizeze în colonii de miliarde de bucăți individuale. Ei fac acest lucru datorită unei molecule cunoscute sub numele de clorofilă, care este alcătuită din peste o sută de atomi de carbon, hidrogen și oxigen, care sunt curbați într-un mod special și legați de câțiva atomi de magneziu și hidrogen. O astfel de combinație de particule este capabilă să capteze lumina care a zburat la 150.000.000 km de stea noastră - o cameră nucleară cu un volum de un milion de planete precum Pământul - și să transporte această energie adânc în celule, unde creează noi molecule din dioxid de carbon. iar apa si eliberarile care ne dau viata este oxigenul.

Aceste lanțuri moleculare sunt cele care formează suprastructura care ține împreună copacii, lucrarea din această carte și toată viața. Ești capabil să citești o carte și să înțelegi cuvintele pentru că ai ochi și aceștia pot transforma lumina împrăștiată din pagini în impulsuri electrice care pot fi interpretate de creier, cea mai complexă structură din univers despre care chiar știm. Am descoperit că toate lucrurile din lume nu sunt altceva decât o colecție de atomi, iar cea mai mare varietate de atomi este formată din doar trei particule - electroni, protoni și neutroni. De asemenea, știm că protonii și neutronii înșiși sunt alcătuiți din entități mai mici numite quarci și sunt sfârșitul tuturor - cel puțin asta credem acum. Toate acestea se bazează pe teoria cuantică.

Astfel, fizica modernă desenează o imagine a Universului în care trăim cu o simplitate excepțională; fenomene elegante apar undeva unde nu pot fi văzute, dând naștere diversității macrocosmosului. Poate că aceasta este cea mai remarcabilă realizare a științei moderne - reducerea complexității incredibile a lumii, inclusiv a oamenilor înșiși, la o descriere a comportamentului unui număr mic de particule subatomice minuscule și a patru forțe care acționează între ele. Teoria cuantică oferă cele mai bune descrieri a trei dintre aceste patru forțe - forțele nucleare puternice și slabe care există în interiorul nucleului atomic și forța electromagnetică care ține atomii și moleculele împreună. Doar forța gravitației - cea mai slabă, dar poate cea mai familiară forță dintre toate - nu are în prezent o descriere cuantică satisfăcătoare.

Trebuie să recunoaștem că teoria cuantică are o reputație oarecum ciudată și multe prostii reale sunt acoperite de numele ei. Pisicile pot fi atât vii, cât și moarte în același timp; particulele sunt în două locuri în același timp; Heisenberg susține că totul este incert. Toate acestea sunt într-adevăr adevărate, dar concluziile care decurg adesea din aceasta - odată ce se întâmplă ceva ciudat în microcosmos, atunci suntem învăluiți într-o ceață de ceață - sunt cu siguranță greșite. Percepție extrasenzorială, vindecări mistice, brățări vibrante care protejează împotriva radiațiilor și cine știe ce altceva se strecoară în mod regulat în panteonul posibilului sub masca cuvântului „cuantic”. Această prostie este cauzată de incapacitatea de a gândi clar, de auto-amăgire, de neînțelegere autentică sau prefăcută sau de o combinație deosebit de nefericită a tuturor celor de mai sus. Teoria cuantică descrie cu acuratețe lumea cu legi matematice la fel de specifice precum cele folosite de Newton sau Galileo. Acesta este motivul pentru care putem calcula câmpul magnetic al unui electron cu o acuratețe incredibilă. Teoria cuantică oferă o descriere a naturii care, după cum vom afla, are o putere predictivă și explicativă extraordinară și se extinde la orice, de la cipuri de siliciu la stele.

După cum se întâmplă adesea, apariția teoriei cuantice a provocat descoperirea unor fenomene naturale care nu puteau fi descrise de paradigmele științifice ale vremii. Pentru teoria cuantică, au existat multe astfel de descoperiri, de altfel, de natură diversă. O serie de rezultate inexplicabile au generat entuziasm și confuzie și, în cele din urmă, au declanșat o perioadă de inovație experimentală și teoretică care merită cu adevărat termenul popular „epoca de aur”. Numele personajelor principale sunt pentru totdeauna înrădăcinate în mintea oricărui student la fizică și sunt menționate mai des decât alții în cursurile universitare până astăzi: Rutherford, Bohr, Planck, Einstein, Pauli, Heisenberg, Schrödinger, Dirac. Poate că nu va mai exista niciodată o perioadă în istorie în care atât de multe nume vor fi asociate cu măreția științei în timp ce se vor îndrepta către un singur scop - crearea unei noi teorii a atomilor și a forțelor care guvernează lumea fizică. În 1924, uitându-se înapoi la deceniile anterioare de teorie cuantică, Ernest Rutherford, fizicianul născut în Noua Zeelandă care a descoperit nucleul atomic, scria: „1896... a marcat începutul a ceea ce a fost numit pe bună dreptate epoca eroică a științei fizice. Niciodată în istoria fizicii nu a existat o astfel de perioadă de activitate febrilă, în care unele descoperiri fundamental semnificative au fost înlocuite cu altele cu o viteză vertiginoasă.

Doar până pe 30 iunie, cititorii T&P au o reducere la versiunile pe hârtie și electronice ale cărții. Reducerile sunt activate atunci când dați clic pe linkuri.

Termenul „cuantic” a apărut în fizică în 1900 datorită lucrării lui Max Planck. El a încercat să descrie teoretic radiația emisă de corpurile încălzite - așa-numita „radiație a unui corp complet negru”. Apropo, omul de știință a fost angajat în acest scop de o companie angajată în iluminatul electric: așa se deschid uneori ușile universului din cele mai prozaice motive. Planck a descoperit că proprietățile radiației corpului negru pot fi explicate doar presupunând că lumina este emisă în porțiuni mici de energie, pe care el a numit-o cuante. Cuvântul în sine înseamnă „pachete” sau „discret”. Inițial, el a crezut că este doar un truc matematic, dar lucrarea lui Albert Einstein din 1905 asupra efectului fotoelectric a susținut ipoteza cuantică. Rezultatele au fost convingătoare, deoarece cantități mici de energie ar putea fi sinonime cu particule.

Ideea că lumina este alcătuită dintr-un flux de gloanțe mici are o istorie lungă și ilustră, datând de la Isaac Newton și de la nașterea fizicii moderne. Cu toate acestea, în 1864, fizicianul scoțian James Clark Maxwell părea să risipească în cele din urmă toate îndoielile existente într-o serie de lucrări pe care Albert Einstein le-a descris mai târziu drept „cele mai profunde și mai fructuoase pe care le-a cunoscut fizica de la Newton”. Maxwell a arătat că lumina este o undă electromagnetică care se propagă în spațiu, așa că ideea luminii ca undă a avut o origine ireproșabilă și aparent de netăgăduit. Cu toate acestea, într-o serie de experimente pe care Arthur Compton și colegii săi le-au condus la Universitatea Washington din St. Louis, au reușit să separe cuante de lumină de electroni. Ambele s-au comportat mai degrabă ca niște mingi de biliard, ceea ce a confirmat în mod clar că ipotezele teoretice ale lui Planck aveau o bază solidă în lumea reală. În 1926, cuantele de lumină au fost numite fotoni. Dovezile erau de necontestat: lumina se comportă atât ca undă, cât și ca o particulă. Aceasta a însemnat sfârșitul fizicii clasice - și sfârșitul perioadei de formare a teoriei cuantice.

În această carte, oamenii de știință cu autoritate Brian Cox și Jeff Forshaw îi prezintă pe cititori în mecanica cuantică - modelul fundamental al lumii. Ei spun ce observații i-au condus pe fizicieni la teoria cuantică, cum a fost dezvoltată și de ce oamenii de știință, în ciuda toată ciudatenia ei, sunt atât de încrezători în ea. Cartea este destinată tuturor celor care sunt interesați de fizica cuantică și de structura universului.

Urmează ceva ciudat.
Cuantic. Acest cuvânt face apel simultan la simțuri, derutează și fascinează. În funcție de punctul de vedere, aceasta este fie o dovadă a vastelor progrese ale științei, fie un simbol al limitărilor intuiției umane, care este forțată să lupte cu ciudățenia inevitabilă a tărâmului subatomic. Pentru un fizician, mecanica cuantică este unul dintre cei trei mari piloni pe care se sprijină înțelegerea naturii (ceilalți doi sunt teoriile relativității generale și speciale ale lui Einstein). Teoriile lui Einstein se ocupă de natura spațiului și a timpului și de forța gravitației. Mecanica cuantică are grijă de orice altceva și se poate spune că, oricât de atrăgătoare, confuză sau fascinantă din punct de vedere emoțional, este doar o teorie fizică care descrie modul în care natura se comportă de fapt. Dar chiar dacă este măsurat după acest criteriu foarte pragmatic, este izbitor prin acuratețea și puterea sa explicativă. Există un experiment din domeniul electrodinamicii cuantice, cel mai vechi și cel mai bine înțeles dintre teoriile cuantice moderne. Măsoară modul în care un electron se comportă în apropierea unui magnet. Fizicienii teoreticieni au muncit din greu ani de zile cu pixul și hârtie, iar mai târziu cu computerele, pentru a prezice exact ce ar dezvălui astfel de studii. Practicanții au inventat și au pus bazele experimentelor pentru a afla mai multe detalii din natură. Ambele tabere, independent una de cealaltă, au dat rezultate cu o acuratețe asemănătoare cu măsurarea distanței dintre Manchester și New York cu o eroare de câțiva centimetri. Este de remarcat faptul că cifrele obținute de experimentatori corespundeau pe deplin cu rezultatele calculelor teoreticienilor; măsurătorile și calculele erau în total acord.
Acest lucru nu este doar impresionant, ci și surprinzător și, dacă construirea de modele ar fi singura preocupare a teoriei cuantice, ați putea întreba pe bună dreptate care este problema. Știința, desigur, nu trebuie să fie utilă, dar multe dintre schimbările tehnologice și sociale care ne-au revoluționat viața au rezultat din cercetările fundamentale conduse de oamenii de știință moderni, care sunt ghidați doar de dorința de a înțelege mai bine lumea din jurul lor. . Datorită acestor descoperiri motivate de curiozitate din toate ramurile științei, ne-am extins durata de viață, călătoriile internaționale cu avionul, ne-am eliberat de nevoia de a cultiva pentru propria noastră supraviețuire și ne-am bucurat de o imagine largă, inspirată și revelatoare a locului nostru într-o zonă nesfârșită. mare de stele. Dar toate acestea sunt, într-un fel, produse secundare. Explorăm din curiozitate, nu pentru că dorim să înțelegem mai bine realitatea sau să dezvoltăm bibelouri mai bune.

Conţinut
Urmează ceva ciudat
În două locuri în același timp
Ce este o particulă?
Tot ce se poate întâmpla se întâmplă cu adevărat
Mișcarea ca iluzie
Muzica atomilor
Universul pe un cap de ac (și de ce nu cădem prin pământ)
Interdependenţă
Lumea modernă
Interacţiune
Spațiul gol nu este atât de gol Epilog: Moartea stelelor
Pentru citiri suplimentare.

Descărcați gratuit cărți electronice într-un format convenabil, vizionați și citiți:
Descarcă cartea The Quantum Universe, How What We Can't See Works, Cox B., Forshaw J., 2016 - fileskachat.com, descărcare rapidă și gratuită.

Descărcați epub
Mai jos puteți cumpăra această carte la cel mai bun preț redus cu livrare în toată Rusia.