Nový prístup k problému kvantovej gravitácie, s ktorým vedci bojujú už mnoho desaťročí, sa vracia k základom a ukazuje, ako sa „tehly“, z ktorých sa stavia priestor a čas, navzájom „skladajú“.

Ako vznikol priestor a čas? Ako vytvorili hladkú 4D prázdnotu, ktorá slúži ako pozadie nášho fyzického sveta? Ako vyzerajú pri bližšom pohľade? Podobné otázky vznikajú v popredí modernej vedy a posúvajú výskum kvantovej gravitácie - stále nedokončeného spojenia Einsteinovej všeobecnej teórie relativity s kvantovou teóriou. Teória relativity popisuje, ako môže priestor a čas v makroskopickom meradle nadobudnúť nespočetné množstvo podôb a vytvoriť to, čo nazývame gravitačná sila alebo gravitácia. Kvantová teória popisuje fyzikálne zákony na atómovej a subatomárnej úrovni, pričom úplne ignoruje účinky gravitácie. Teória kvantovej gravitácie musí v kvantových zákonoch opísať povahu časopriestoru na najmenších mierkach - priestory medzi najmenšími známymi elementárnymi časticami - a možno ju vysvetliť prostredníctvom niektorých základných komponentov.

Hlavnému kandidátovi na túto rolu sa často hovorí teória superstrun, no zatiaľ nezodpovedá na žiadnu z pálčivých otázok. Navyše, podľa vlastnej vnútornej logiky, odkryl ešte hlbšie vrstvy nových exotických komponentov a vzťahov medzi nimi, čo viedlo k ohromujúcej rozmanitosti možných výsledkov.

HLAVNÉ USTANOVENIA

Je dobre známe, že kvantová teória a Einsteinova všeobecná teória relativity sa k sebe nehodia. Fyzici sa ich už dlho pokúšali spojiť do jedinej teórie kvantovej gravitácie, ale nedosiahli veľký úspech.

Navrhovaný nový prístup neprináša žiadne exotické ustanovenia, ale otvára nový spôsob aplikácie známych zákonitostí na jednotlivé prvky časopriestoru. Tieto prvky sa zhodujú ako molekuly v kryštáli.

Náš prístup ukazuje, ako sa štvorrozmerný časopriestor, ktorý poznáme, môže dynamicky vynárať zo základných komponentov. Navyše naznačuje, ako tento časopriestor v mikroskopickom meradle postupne prechádza z hladkej kontinuity do bizarnej fraktality.

V posledných rokoch sa naša práca stala sľubnou alternatívou k vyšliapanej diaľnici teoretickej fyziky. Podľa najjednoduchšieho receptu - vezmite niekoľko základných komponentov, zostavte ich v súlade so známymi kvantovými princípmi (bez akejkoľvek exotiky), dobre premiešajte a nechajte odstáť - získate kvantový časopriestor. Proces je dostatočne jednoduchý na to, aby sa dal simulovať na prenosnom počítači.

Inými slovami, ak berieme do úvahy prázdny časopriestor (vákuum) ako druh nehmotnej substancie, pozostávajúcej z veľmi veľkého množstva mikroskopických bezštruktúrnych prvkov, umožníme im vzájomnú interakciu v súlade s jednoduchými pravidlami teóriu gravitácie a kvantovú teóriu, potom sa tieto prvky spontánne zorganizujú do jedného celku, ktorý bude v mnohých ohľadoch vyzerať rovnako ako pozorovateľný vesmír. Tento proces je podobný tomu, ako sa molekuly organizujú do kryštalickej alebo amorfnej pevnej látky.

S týmto prístupom môže časopriestor vyzerať skôr ako obyčajná miešaná pečienka než ako prepracovaná svadobná torta. Navyše, na rozdiel od iných prístupov ku kvantovej gravitácii, tá naša je veľmi stabilná. Keď zmeníme detaily nášho modelu, výsledok sa takmer nezmení. Táto odolnosť dáva dôvod dúfať, že sme na správnej ceste. Ak by bol výsledok citlivý na to, kam sme jednotlivé časti nášho rozsiahleho súboru umiestnili, dostali by sme sa k enormnému množstvu rovnako pravdepodobných barokových foriem, čím by sme eliminovali možnosť vysvetliť, prečo vesmír dopadol tak, ako je.

Podobné mechanizmy sebausporiadania a sebaorganizácie fungujú vo fyzike, biológii a iných oblastiach vedy. Krásnym príkladom je správanie veľkých kŕdľov vtákov, napríklad škorcov. Jednotlivé vtáky interagujú len s malým počtom susedov; neexistuje vodca, ktorý by im vysvetlil, čo majú robiť. Napriek tomu sa svorka formuje a pohybuje ako celok, pričom má kolektívne alebo odvodené vlastnosti, ktoré sa neobjavujú v správaní jednotlivých jedincov.

Stručná história kvantovej gravitácie

Predchádzajúce pokusy vysvetliť kvantovú štruktúru časopriestoru ako vznikajúceho v procese spontánneho vzniku nepriniesli znateľný úspech. Pochádzali z euklidovskej kvantovej gravitácie. Výskumný program sa začal koncom 70. rokov 20. storočia. a stal sa populárnym vďaka bestselleru Stručná história času od fyzika Stephena Hawkinga. Tento program je založený na princípe superpozície, ktorý je základom kvantovej mechaniky. Akýkoľvek objekt, klasický alebo kvantový, je v nejakom stave, charakterizovaný napríklad polohou a rýchlosťou. Ale ak stav klasického objektu možno opísať množinou čísel, ktoré sú mu vlastné, potom je stav kvantového objektu oveľa bohatší: je to súčet všetkých možných klasických stavov.

TEÓRIE KVANTOVEJ GRAVITÁCIE

TEÓRIA STRÚN
Táto teória podporovaná väčšinou teoretických fyzikov sa týka nielen kvantovej gravitácie, ale všetkých druhov hmoty a síl. Vychádza z predstavy, že všetky častice (vrátane hypotetických, ktoré nesú gravitáciu) sú oscilujúce struny

SLUČKOVÁ KVANTOVÁ GRAVITA
Hlavná alternatíva k teórii strún. Zahŕňa novú metódu aplikácie pravidiel kvantovej mechaniky na Einsteinovu všeobecnú teóriu relativity. Priestor je rozdelený na diskrétne "atómy" objemu

EUCLIDAN KVANTOVÁ GRAVITA
Prístup, ktorý preslávil fyzik Stephen Hawking, je založený na predpoklade, že časopriestor vzniká zo spoločného kvantového priemeru všetkých možných tvarov. V tejto teórii sa čas považuje za rovný priestorovým rozmerom.

KAUZÁLNA DYNAMICKÁ TRIANGULÁCIA
Tento prístup, ktorý je predmetom tohto článku, je modernou verziou euklidovského prístupu. Je založená na aproximácii časopriestoru mozaikou trojuholníkov s počiatočným rozlíšením medzi priestorom a časom. V malom meradle nadobúda časopriestor fraktálovú štruktúru

Napríklad klasická biliardová guľa sa pohybuje po určitej dráhe a jej polohu a rýchlosť je možné kedykoľvek presne určiť. V prípade oveľa menšieho elektrónu je všetko inak. Jeho pohyb sa riadi kvantovými zákonmi, podľa ktorých môže elektrón existovať súčasne na mnohých miestach a mať veľa rýchlostí. Pri absencii vonkajších vplyvov z bodu A do bodu B sa elektrón nepohybuje po priamke, ale po všetkých možných dráhach súčasne. Kvalitatívny obraz všetkých možných spôsobov jeho pohybu, zhromaždený dohromady, sa mení na prísny matematický „recept“ na kvantovú superpozíciu, ktorý sformuloval nositeľ Nobelovej ceny Richard Feynman, a poskytuje vážený priemer všetkých individuálnych možností.

Pomocou navrhovaného receptu je možné vypočítať pravdepodobnosť nájdenia elektrónu v akomkoľvek konkrétnom rozsahu polôh a rýchlostí mimo priamej dráhy, po ktorej by sa musel pohybovať podľa zákonov klasickej mechaniky. Výraznou vlastnosťou kvantovo mechanického správania častice sú odchýlky od jednej jasnej trajektórie, tzv. kvantové fluktuácie. Čím menšia je veľkosť uvažovaného fyzikálneho systému, tým väčšia je úloha kvantových fluktuácií.

V euklidovskej kvantovej gravitácii platí princíp superpozície pre celý vesmír ako celok. V tomto prípade superpozícia nepozostáva z rôznych trajektórií častice, ale z možných ciest vývoja vesmíru v čase, najmä z foriem časopriestoru. Aby sa problém zredukoval na riešenie, fyzici zvyčajne berú do úvahy iba všeobecný tvar a veľkosť časopriestoru a nie každé jeho skreslenie (pozri: Jonathan J. Halliwell. Quantum Cosmology and the Creation of the Universe // Scientific American, december 1991 ).

V 80. – 90. rokoch 20. storočia výskum v oblasti euklidovskej kvantovej gravitácie prešiel dlhou cestou spojenou s vývojom výkonných počítačových simulačných nástrojov. Použité modely reprezentovali geometrie zakriveného časopriestoru pomocou elementárnych „tehál“, ktoré boli pre pohodlie považované za trojuholníkové. Trojuholníkové siete dokážu efektívne aproximovať zakrivené povrchy, a preto sa často používajú v počítačovej animácii. V prípade časopriestorového modelovania sú tieto elementárne „stavebné bloky“ zovšeobecneniami trojuholníkov aplikovaných na štvorrozmerný priestor a nazývajú sa 4-zjednodušenia. Tak ako zlepenie trojuholníkov spolu s ich okrajmi vytvára zakrivené 2D plochy, zlepenie „tvárí“ 4D simplices (čo sú 3D štvorsteny) vytvorí 4D časopriestorový model.

Samotné "tehly" nemajú žiadny priamy fyzický význam. Ak by bolo možné pozorovať časopriestor pod supervýkonným mikroskopom, neboli by viditeľné žiadne trojuholníky. Sú to len približné hodnoty. Jediná informácia, ktorá dáva fyzický zmysel, je obsiahnutá v ich kolektívnom správaní v predstave, že každý z nich sa zmenšil na veľkosť nula. V tomto limite nezáleží na geometrii „tehál“ (či už sú to trojuholníkové, kubické, päťuholníkové alebo akákoľvek zmes týchto tvarov).

Necitlivosť voči rôznym drobným detailom sa často označuje ako všestrannosť. Známy jav v štatistickej fyzike, ktorý študuje pohyb molekúl v plynoch a kvapalinách: molekuly sa správajú takmer rovnako, bez ohľadu na ich zloženie. Univerzálnosť je spojená s vlastnosťami systémov pozostávajúcich z veľkého počtu jednotlivých prvkov a prejavuje sa v meradle oveľa väčšom ako je škála jedného komponentu. Podobné tvrdenie pre kŕdeľ vtákov je, že sfarbenie, veľkosť, rozpätie krídel a vek jednotlivých vtákov nemajú nič spoločné so správaním kŕdľa ako celku. V makroskopickom meradle sa zobrazuje veľmi málo mikroskopických detailov.

krčiť sa

Výskumníci kvantovej gravitácie začali pomocou počítačových modelov študovať účinky superpozície časopriestorových foriem, ktoré nie sú prístupné metódam klasickej relativity, najmä silne zakrivených na veľmi malé vzdialenosti. Tento takzvaný nerušivý režim je predmetom najväčšieho záujmu fyzikov, ale je takmer nemožné ho analyzovať bez použitia počítačov.

POPIS PODOBY PRIESTORU

MOZAIKA Z TROJUHOLNÍKOV
Aby fyzici určili, ako sa priestor formuje, najprv potrebujú spôsob, ako opísať jeho tvar. Opisujú ho ako trojuholníky a ich vysokorozmerné náprotivky, ktorých mozaika umožňuje aproximovať zakrivené tvary. Zakrivenie v konkrétnom bode je určené celkovým uhlom odčítaným od trojuholníkov, ktoré tento bod obklopujú. V prípade rovnej plochy je tento uhol presne 360°, no v prípade zakrivených plôch môže byť menší alebo väčší.

Bohužiaľ, simulácie ukázali, že euklidovská kvantová gravitácia neberie do úvahy dôležité zložky správania. Všetky nerušivé superpozície v štvorrozmernom vesmíre sa ukázali byť v princípe nestabilné. Kvantové fluktuácie zakrivenia v malom meradle, ktoré charakterizujú rôzne superponované vesmíry, ktoré prispievajú k priemeru, sa nerušia, ale vzájomne sa posilňujú, čo spôsobuje, že sa celý priestor zmršťuje do malej gule s nekonečným počtom rozmerov. V takomto priestore zostáva vzdialenosť medzi akýmikoľvek dvoma bodmi vždy veľmi malá, aj keď je jeho objem obrovský. V niektorých prípadoch ide priestor do druhého extrému, stáva sa extrémne tenkým a predĺženým, ako polymér s mnohými vetvami. Žiadna z týchto možností nie je podobná nášmu skutočnému vesmíru.

Skôr než sa ešte raz vrátime k predpokladom, ktoré viedli fyzikov do slepej uličky, pouvažujme nad jednou zvláštnosťou výsledku. „Tehly“ sú štvorrozmerné, no spolu tvoria buď priestor s nekonečným počtom rozmerov (zmenšujúci sa vesmír), alebo dvojrozmerný priestor (polymérový vesmír). Akonáhle predpoklad veľkých kvantových výkyvov vo vákuu vypustil džina z fľaše, bolo možné zmeniť najzákladnejšie pojmy, ako je dimenzia. Možno klasická teória gravitácie, v ktorej sa počet rozmerov vždy považuje za istý, takýto výsledok nemohla predvídať.

Jeden dôsledok môže byť pre fanúšikov sci-fi trochu sklamaním. Spisovatelia sci-fi často používajú koncept časopriestorových tunelov, ako keby umožňovali priblíženie oblastí, ktoré sú od seba vzdialené. Upútajú sľubnou možnosťou cestovania v čase a prenosu signálov rýchlosťou presahujúcou rýchlosť svetla. Napriek tomu, že nič také nebolo nikdy pozorované, fyzici pripúšťajú, že takéto tunely môžu byť sanované v rámci ešte nevytvorenej teórie kvantovej gravitácie. Vo svetle negatívneho výsledku počítačových simulácií euklidovskej kvantovej gravitácie sa možnosť existencie takýchto tunelov javí ako krajne nepravdepodobná. Časopriestorové tunely majú toľko variácií, že musia dominovať superpozícii, čím ju robia nestabilnou, takže kvantový vesmír nikdy nemôže prerásť za malý, ale vysoko prepojený celok.

APLIKÁCIA KVANTOVÝCH PRAVIDIEL NA PRIESTOROČAS

PRIEMERNÝ
Časopriestor môže mať mnoho rôznych podôb. Podľa kvantovej teórie je tvar, ktorý s najväčšou pravdepodobnosťou vidíme, superpozícia alebo vážený priemer všetkých možných tvarov. Pri skladaní tvarov z trojuholníkov teoretici priraďujú každému z nich váhu v závislosti od konkrétneho spôsobu spájania týchto trojuholníkov pri konštrukcii daného tvaru. Autori zistili, že na to, aby bol výsledný priemer v súlade s pozorovaným skutočným vesmírom, musia trojuholníky spĺňať určité pravidlá, najmä musia obsahovať zabudované „šípky“ označujúce smer času.

Čo môže byť koreňom problémov? Pri hľadaní medzier a „voľných koncov“ v euklidovskom prístupe sme prišli s kľúčovou myšlienkou – jednou zložkou, ktorá je absolútne nevyhnutná pre možnosť prípravy našej miešanej pečienky: kód vesmíru musí obsahovať princíp kauzality, t.j. štruktúra vákua musí poskytovať možnosť jednoznačného rozlíšenia medzi príčinou a následkom. Kauzalita je neoddeliteľnou súčasťou klasických partikulárnych a všeobecných teórií relativity.

Kauzalita nie je zahrnutá v euklidovskej kvantovej gravitácii. Definícia „euklidovského“ znamená, že priestor a čas sa považujú za ekvivalentné. Vesmíry zahrnuté v euklidovskej superpozícii majú štyri priestorové dimenzie namiesto jednej časovej a troch priestorových. Keďže euklidovské vesmíry nemajú samostatnú koncepciu času, nemajú štruktúru, ktorá by umožňovala usporiadať udalosti v určitom poradí. Obyvatelia takýchto vesmírov nemôžu mať pojmy „príčina“ a „následok“. Hawking a ďalší euklidovskí vedci povedali, že „čas je imaginárny“ v matematickom aj hovorovom zmysle. Dúfali, že kauzalita vznikne ako makroskopická vlastnosť z mikroskopických kvantových fluktuácií, ktoré jednotlivo nemajú znaky kauzálnej štruktúry. Počítačová simulácia však zmarila ich nádeje.

ÚPLNE NOVÁ DIMENZIA VO VESMÍRE

V bežnom živote je rozmer priestoru minimálny počet rozmerov potrebných na určenie polohy bodu, ako je zemepisná dĺžka, zemepisná šírka a výška. Táto definícia je založená na predpoklade, že priestor je spojitý a podlieha zákonom klasickej fyziky. A ak sa priestor nechová tak jednoducho? Čo ak jej podobu určujú kvantové procesy, ktoré sa v bežnom živote neprejavujú? V takýchto prípadoch musia fyzici a matematici vyvinúť sofistikovanejší pojem dimenzie. Počet dimenzií dokonca nemusí byť nevyhnutne celé číslo, ako v prípade fraktálov - štruktúr, ktoré majú rovnaký vzhľad vo všetkých mierkach.

VŠEOBECNÉ DEFINÍCIE ROZMEROV

Hausdorffov rozmer
Definícia sformulovaná na začiatku 20. storočia. Nemecký matematik Felix Hausdorff, vychádza zo závislosti objemu V oblasti od jej lineárnej veľkosti r. V bežnom trojrozmernom priestore je V úmerné $r^3$. Exponentom v tomto vzťahu je počet meraní. "Objem" možno považovať za ďalšie ukazovatele celkovej veľkosti, ako je plocha. V prípade Sierpinského tesnenia je V úmerné $r^(1,5850)$. Táto okolnosť odráža skutočnosť, že tento údaj nevypĺňa celú plochu

Spektrálny rozmer
Táto definícia charakterizuje šírenie predmetu alebo javu v prostredí v čase, či už ide o kvapku atramentu v nádobe s vodou alebo o chorobu v populácii. Každá molekula vody alebo jednotlivec v populácii má určitý počet najbližších susedov, čo určuje rýchlosť šírenia atramentu alebo šírenia choroby. V 3D prostredí narastá veľkosť atramentového mraku úmerne s časom k sile 3/2. V Sierpińského podložke musí atrament presakovať cez kľukatý tvar, takže sa šíri pomalšie – úmerne času k mocnine 0,6826, čo zodpovedá spektrálnemu rozmeru 1,3652

Aplikácia definícií
Vo všeobecnom prípade rôzne spôsoby výpočtu rozmeru dávajú rôzne počty rozmerov, pretože vychádzajú z rôznych charakteristík geometrie. Pre niektoré geometrické tvary nie je počet rozmerov konštantný. Najmä difúzia môže byť do určitej konštantnej miery komplexnejšou funkciou ako čas.
Pri modelovaní kvantovej gravitácie sa kladie dôraz na spektrálny rozmer. Do jednej elementárnej tehly kvantového časopriestorového modelu sa vnesie malé množstvo nejakej látky. Z tejto tehly sa šíri náhodne. Celkový počet časopriestorových tehál, ktoré táto látka dosiahne v určitom časovom úseku, určuje spektrálny rozmer

Namiesto zanedbania kauzality pri spájaní samostatných vesmírov v očakávaní, že sa vynorí z kolektívnej múdrosti superpozície, sme sa rozhodli zahrnúť kauzalitu v oveľa skoršom štádiu. Našu metódu sme nazvali dynamická triangulácia. Ku každému simplexu sme priradili šípku času smerujúcu z minulosti do budúcnosti. Potom sme zaviedli kauzálne pravidlo „lepenia“: dva simplexy musia byť zlepené tak, aby ich šípky boli zarovnané. Koncepcia času v simplicoch, ktoré sa majú zlepiť, musí byť rovnaká: čas musí plynúť konštantnou rýchlosťou v smere týchto šípok, nikdy sa nezastavovať ani nevracať späť. Priestor si v priebehu času musí zachovať svoj celkový tvar, nerozpadať sa na samostatné časti a nevytvárať časopriestorové tunely.

Po sformulovaní tejto stratégie v roku 1998 sme na extrémne zjednodušených modeloch ukázali, že pravidlá lepenia simplicov vedú k makroskopickej forme odlišnej od euklidovskej kvantovej gravitácie. To bolo povzbudzujúce, ale neznamenalo to, že prijaté pravidlá lepenia postačujú na zabezpečenie stability celého štvorrozmerného vesmíru. A tak sme zatajili dych, keď v roku 2004 bol náš počítač takmer pripravený poskytnúť nám prvé výpočty kauzálnej superpozície štvorrozmerných zjednodušení. Bude sa tento časopriestor správať na veľké vzdialenosti ako predĺžený štvorrozmerný objekt a nie ako scvrknutá guľa alebo polymér?

Predstavte si našu radosť, keď počet rozmerov vypočítaného vesmíru vyšiel na 4 (presnejšie 4,02 ± 0,1). Bolo to po prvýkrát, čo bol zo základných údajov odvodený počet rozmerov rovný pozorovaným. Dnes je zavedenie konceptu kauzality do modelu kvantovej gravitácie jediným známym spôsobom, ako sa vysporiadať s nestabilitou superpozície časopriestorových geometrií.

Časopriestor vo všeobecnosti

Táto simulácia bola prvou z prebiehajúcej série výpočtových experimentov, v ktorých sa pokúšame odvodiť fyzikálne a geometrické vlastnosti kvantového časopriestoru prostredníctvom počítačových simulácií. Naším ďalším krokom bolo štúdium tvaru časopriestoru na veľké vzdialenosti a kontrola jeho zhody so skutočným svetom, t.j. predpovede všeobecnej teórie relativity. V prípade neporuchových modelov kvantovej gravitácie, ktoré neobsahujú apriórny predpoklad o tvare časopriestoru, je takýto test veľmi náročný – natoľko, že vo väčšine prístupov ku kvantovej gravitácii, vrátane teórie strún, okrem špeciálnych prípadov , dosiahnutý úspech nestačí na jeho uskutočnenie.

HĺBKA DO PRIESTORU-ČASU

Podľa výpočtov autorov sa spektrálny rozmer časopriestoru zmenšuje zo štyroch (v limite veľkého rozsahu) na dva (v limite malého rozsahu) a súvislý časopriestor sa rozpadá a mení sa na rozvetvený fraktál. Fyzici zatiaľ nedokážu pochopiť, či tento záver znamená, že časopriestor sa nakoniec skladá z lokalizovaných „atómov“, alebo je vybudovaný z mikroskopických štruktúr, ktoré veľmi voľne súvisia s obvyklým konceptom geometrie.

Ako sa ukázalo, na to, aby náš model fungoval, je potrebné už od začiatku zaviesť takzvanú kozmologickú konštantu - neviditeľnú a nehmotnú substanciu obsiahnutú v priestore aj pri absencii akýchkoľvek iných foriem hmoty a energie. Táto potreba je dobrou správou, keďže kozmológovia našli experimentálne potvrdenie existencie tejto konštanty. Získaná forma časopriestoru navyše zodpovedala de Sitterovej geometrii, t.j. riešenie Einsteinových rovníc pre vesmír neobsahujúci nič iné ako kozmologickú konštantu. Je skutočne pozoruhodné, že zostavenie súboru mikroskopických „tehál“ takmer náhodným spôsobom – bez akéhokoľvek predpokladu symetrie alebo preferovanej geometrickej štruktúry – viedlo k časopriestoru, ktorý má vo veľkom meradle vysoko symetrický tvar de Sitterov vesmír.

Dynamický vznik štvorrozmerného vesmíru takmer pravidelného geometrického tvaru zo základných princípov sa stal ústredným úspechom nášho modelovania. Otázka, či tento výnimočný výsledok možno pochopiť v rámci predstáv o interakcii niektorých ešte neetablovaných „atómov“ časopriestoru, je cieľom nášho prebiehajúceho výskumu. Keďže sme videli, že náš model kvantovej gravitácie prešiel množstvom klasických testov, je čas obrátiť sa na experimenty iného druhu – odhaliť výraznú kvantovú štruktúru časopriestoru, ktorú Einsteinova klasická teória nedokázala odhaliť. V jednom z týchto experimentov sme modelovali proces difúzie: zaviedli sme vhodný analóg kvapky atramentu do superpozície vesmírov a pozorovali sme, ako sa šíri a je narušený kvantovými fluktuáciami. Zistenie veľkosti oblaku atramentu v priebehu času nám umožnilo určiť počet rozmerov v priestore (pozri bočný panel).

Výsledok bol ohromujúci: počet meraní závisí od rozsahu. Inými slovami, ak difúzia pokračovala krátky čas, potom sa ukázalo, že počet dimenzií časopriestoru je iný, ako keď proces difúzie prebiehal dlhý čas. Aj tí z nás, ktorí sa špecializovali na kvantovú gravitáciu, si len ťažko vedeli predstaviť, ako sa môže počet rozmerov časopriestoru plynule meniť v závislosti od rozlíšenia nášho „mikroskopu“. Je zrejmé, že časopriestor malých objektov je veľmi odlišný od časopriestorov veľkých. Pre malé objekty je vesmír ako fraktálna štruktúra - neobvyklý druh priestoru, v ktorom pojem veľkosti jednoducho neexistuje. Je sebepodobný, t.j. vyzerá rovnako vo všetkých mierkach. To znamená, že neexistujú žiadne predmety charakteristickej veľkosti, ktoré by mohli slúžiť ako niečo ako mierka.

Aké malé je „malé“? Do veľkosti približne $10^(–34)$m je kvantový vesmír ako celok dobre opísaný klasickou štvorrozmernou de Sitterovou geometriou, hoci úloha kvantových fluktuácií narastá s klesajúcou vzdialenosťou. Skutočnosť, že klasická aproximácia zostáva platná až do takých malých vzdialeností, je prekvapujúca. Z toho plynú veľmi dôležité dôsledky tak pre najskoršie etapy histórie vesmíru, ako aj pre jeho veľmi vzdialenú budúcnosť. V oboch týchto limitoch je vesmír prakticky prázdny. Na samom začiatku boli kvantové fluktuácie také veľké, že hmota bola sotva zistiteľná. Bola to malá plť na vlniacom sa oceáne. Miliardy rokov po nás, vďaka rýchlemu rozpínaniu vesmíru, bude hmota taká riedka, že bude hrať veľmi malú rolu alebo dokonca nebude hrať žiadnu rolu. Náš prístup nám umožňuje vysvetliť tvar priestoru v oboch limitujúcich prípadoch.

ČO JE PRÍČINA?

Kauzalita je princíp, že udalosti sa vyskytujú v určitom časovom slede, a nie v neporiadku, čo umožňuje rozlišovať medzi príčinou a následkom. V prístupe ku kvantovej gravitácii, ktorý autori prijali, sa rozdiel medzi príčinou a následkom javí ako základná vlastnosť v prírode, a nie odvodená vlastnosť.

V ešte menších mierkach sa kvantové fluktuácie časopriestoru zväčšia natoľko, že klasické intuície o geometrii úplne strácajú zmysel. Počet rozmerov je zredukovaný z klasických štyroch na približne dva. Pokiaľ však vieme, časopriestor zostáva nepretržitý a neobsahuje žiadne tunely. Nie je to také exotické ako kypiaca časopriestorová pena, ktorú videl fyzik John Wheeler a mnohí ďalší. Geometria časopriestoru sa riadi nezvyčajnými a neklasickými zákonmi, ale pojem vzdialenosti zostáva použiteľný. Teraz sa snažíme preniknúť do ešte menšej oblasti. Jednou z možností je, že vesmír sa stáva sebepodobným a vyzerá rovnako vo všetkých mierkach pod určitou hranicou. Ak áno, potom vesmír nie je tvorený strunami alebo atómami časopriestoru, ale je to svet nekonečnej nudy: štruktúra nachádzajúca sa tesne pod prahom, keď ide hlbšie do oblasti stále menších rozmerov, sa bude jednoducho opakovať. sám do nekonečna.

Je ťažké si predstaviť, ako si fyzici môžu poradiť s menším počtom komponentov a technických prostriedkov, ako sme použili na vybudovanie kvantového vesmíru s realistickými vlastnosťami. Čaká nás ešte veľa testov a experimentov, napríklad aby sme pochopili správanie hmoty vo vesmíre a jej vplyv na jej celkový tvar. Naším hlavným cieľom, ako pri každej teórii kvantovej gravitácie, je predpovedať pozorovateľné dôsledky mikroskopickej kvantovej štruktúry. Toto bude rozhodujúce kritérium pre správnosť nášho modelu ako teórie kvantovej gravitácie.

Preklad: I.E. Satsevič

DOPLNKOVÁ LITERATÚRA

• Planckovské zrodenie vesmíru Quantum de Sitter. J. Ambjorn, A. Gorlich, J. Jurkiewicz a R. Loll v Physical Review Letters, Vol. 100, článok č. 091304; 7. marca 2008. Predtlač k dispozícii
• Kompletný idiotský sprievodca teóriou strún. George Musser. Alfa, 2008.
• Vznik časopriestoru alebo kvantovej gravitácie na vašej ploche. R. Loll v klasickej a kvantovej gravitácii, zv. 25, č. 11, článok č. 114006; 7. júna 2008. Predtlač k dispozícii
• Web Renaty Loll

Ján Ambjorn, Renate Loll a Jerzy Jurkewicz vyvinuli svoj prístup k problému kvantovej gravitácie v roku 1998. Ambjorn je členom Kráľovskej dánskej akadémie, profesorom na Niels Bohr Institute v Kodani a Utrechtskej univerzite v Holandsku. Je známy ako majster thajskej kuchyne – okolnosť, ktorú si vydavatelia zvyknú všímať ako prvú. Renata Loll je profesorkou na Univerzite v Utrechte, kde vedie jednu z najväčších výskumných skupín kvantovej gravitácie v Európe. Predtým pracovala v Max Planck Institute for Gravity Physics v Holme (Nemecko). Vo vzácnych voľných hodinách hrá komorná hudba. Jerzy Yurkiewicz je vedúcim Katedry teórie komplexných systémov Fyzikálneho inštitútu Jagelovskej univerzity v Krakove. Medzi jeho predchádzajúce zamestnania patrí Inštitút Nielsa Bohra v Kodani, kde ho uchvátila krása plachtenia.

Dvaja anglickí fyzici, z ktorých jeden študuje elementárne častice (Brian Cox) a druhý je profesorom na Katedre teoretickej fyziky na Univerzite v Manchestri (Jeff Forshaw), nám predstavujú základný model sveta.

Pomocou prístupného jazyka, množstva nákresov a dobrých analógií boli autori schopní vysvetliť pojmy kvantovej fyziky, ktoré sú ťažko pochopiteľné.

Brian Cox, Jeff Forshaw:

Cieľom tejto knihy je demystifikovať kvantovú teóriu, teoretický konštrukt, ktorý zmiatol príliš veľa, dokonca aj priekopníkov tohto odvetvia. Máme v úmysle použiť modernú perspektívu s využitím skúseností získaných počas storočí spätného pohľadu a vývoja teórie. Na začiatku cesty sa však prenesieme na začiatok 20. storočia a preskúmame niektoré problémy, ktoré fyzikov prinútili radikálne sa odkloniť od toho, čo bolo predtým považované za hlavný prúd vedy.

1. Prichádza niečo zvláštne

Kvantová teória je možno najlepším príkladom toho, ako sa nekonečne ťažko pochopiteľné pre väčšinu ľudí stáva mimoriadne užitočným. Je ťažké to pochopiť, pretože opisuje svet, v ktorom môže byť častica v skutočnosti na niekoľkých miestach súčasne a pohybovať sa z jedného miesta na druhé, a tak skúmať celý vesmír. Zistili sme, že všetko sa skladá z mnohých drobných častíc, ktoré sa pohybujú podľa zákonov kvantovej teórie. Tieto zákony sú také jednoduché, že sa dajú napísať na zadnú stranu obálky. A skutočnosť, že na vysvetlenie hlbokej podstaty vecí nie je potrebná celá knižnica, je sama osebe jednou z najväčších záhad sveta.

2. Na dvoch miestach súčasne

Najneobvyklejšie predpovede kvantovej teórie sa zvyčajne prejavujú v správaní malých objektov. No keďže veľké objekty sa skladajú z malých, za určitých okolností je na vysvetlenie vlastností jedného z najväčších objektov vo vesmíre, hviezd, potrebná kvantová fyzika.

3. Čo je to častica?

Keď sme zistili, že popis elektrónu v mnohých ohľadoch napodobňuje správanie vĺn, musíme vyvinúť presnejšie koncepty vĺn samotných. Začnime popisom toho, čo sa deje vo vodnej nádrži, keď sa dve vlny stretnú, zmiešajú a navzájom si prekážajú. Ukážme si výšky vĺn ako hodiny s 12-hodinovou ručičkou a minimá ako hodiny s 6-hodinovou ručičkou Môžeme tiež reprezentovať vlnové polohy medzi minimom a maximom nakreslením hodín s medzičasmi, ako v prípade fáz medzi novým a splnom mesiaca.

4. Všetko, čo sa môže stať, sa naozaj stane

Heisenbergov princíp neurčitosti

Heisenberg vo svojej pôvodnej práci dokázal oceniť vzťah medzi presnosťou merania polohy a hybnosti častice. Heisenbergov princíp neistoty je jednou z najviac nepochopených častí kvantovej teórie, cestou, po ktorej všelijakí šarlatáni a dodávatelia nezmyslov posúvajú svoje filozofické nezmysly.

Odvodenie Heisenbergovho princípu neurčitosti z teórie ciferníkov

Tri číselníky zobrazujúce rovnaký čas a umiestnené na rovnakej čiare opisujú časticu, ktorá sa v počiatočnom okamihu nachádza niekde v oblasti týchto číselníkov. Zaujíma nás, aká je šanca nájsť časticu v bode X v nejakom nasledujúcom čase.

Stručná história Planckovej konštanty

Planck zničil prvé kamene v základoch Maxwellovho konceptu svetla, čím ukázal, že energiu svetla vyžarovaného zahriatym telesom možno opísať len vtedy, ak je vyžarovaná v kvantách.

Späť k Heisenbergovmu princípu neistoty

Teória kvantovej mechaniky, ktorú sme vyvinuli, naznačuje, že ak do určitého bodu umiestnite zrnko piesku, môže neskôr skončiť kdekoľvek inde vo vesmíre. Ale je zrejmé, že toto sa nestáva so skutočnými zrnkami piesku. Prvá otázka, na ktorú treba odpovedať, znie: koľkokrát sa ručičky hodín otočia, ak posunieme časticu s hmotnosťou zrnka piesku o vzdialenosť povedzme 0,001 mm za jednu sekundu?

5. Pohyb ako ilúzia

Po nastavení počiatočnej skupiny pomocou hodín ukazujúcich rôzny, a nie rovnaký čas, sme sa dostali k popisu pohybujúcej sa častice. Je zaujímavé, že môžeme vytvoriť veľmi dôležité spojenie medzi posunutými hodinami a správaním vĺn.

Vlnové balíčky

Časticu s dobre známou hybnosťou opisuje veľká skupina číselníkov. Presnejšie, častica s presne známou hybnosťou bude opísaná nekonečne dlhou skupinou hodín, čo znamená nekonečne dlhý vlnový balík.

6. Hudba atómov

Teraz môžeme použiť nahromadené poznatky na vyriešenie otázky, ktorá zmiatla Rutherforda, Bohra a ďalších vedcov v prvých desaťročiach 20. storočia: čo sa presne deje vo vnútri atómu? ...Tu sa po prvýkrát pokúsime pomocou našej teórie vysvetliť javy reálneho sveta.

atómová skrinka

Zdá sa, že sme sa dopracovali k správnemu pohľadu na atómy. Stále však niečo nie je v poriadku. Chýba posledný kúsok skladačky, bez ktorého nie je možné vysvetliť štruktúru atómov ťažších ako vodík. Prozaickejšie sa nám tiež nedarí vysvetliť, prečo vlastne neprepadneme zemou, čo robí problémy našej úžasnej teórii prírody.

7. Vesmír na špendlíkovej hlavičke (a prečo nepadáme cez zem)

Hmota môže byť stabilná iba vtedy, ak sa elektróny riadia takzvaným Pauliho princípom, jedným z najúžasnejších javov v našom kvantovom vesmíre.

8. Vzájomná závislosť

Doteraz sme venovali veľkú pozornosť kvantovej fyzike izolovaných častíc a atómov. Naša fyzická skúsenosť je však spojená s vnímaním mnohých zoskupených atómov, a preto je čas začať chápať, čo sa stane, keď sa atómy zoskupia.

9. Moderný svet

Tranzistor je najdôležitejším vynálezom za posledných 100 rokov: moderný svet je postavený a formovaný polovodičovou technológiou.

10. Interakcia

Začnime formuláciou zákonitostí prvej otvorenej kvantovej teórie poľa – kvantovej elektrodynamiky, skrátene QED. Počiatky tejto teórie siahajú do 20. rokov 20. storočia, kedy bol Dirac obzvlášť úspešný v postavení Maxwellovej elektromagnetickej teórie na kvantový základ.

Problém merania v kvantovej teórii

Môžeme sa pohnúť vpred s presvedčením, že svet sa v dôsledku merania nezvratne zmenil, aj keď sa nič také v skutočnosti nestalo. Ale to všetko nie je také dôležité, pokiaľ ide o vážnu úlohu výpočtu pravdepodobnosti, že sa niečo stane pri nastavovaní experimentu.

antihmota

Elektróny pohybujúce sa späť v čase vyzerajú ako "elektróny s kladným nábojom". Takéto častice existujú a nazývajú sa „pozitróny“.

11. Prázdny priestor nie je taký prázdny.

Vákuum je veľmi zaujímavé miesto, plné možností a prekážok v ceste častíc.

Štandardný model časticovej fyziky

Štandardný model obsahuje liek na ochorenie s vysokou pravdepodobnosťou a tento liek je známy ako Higgsov mechanizmus. Ak je to pravda, tak Veľký hadrónový urýchľovač by mal zaznamenať ďalšiu prirodzenú časticu, Higgsov bozón, po čom by sa naše názory na obsah prázdneho priestoru mali dramaticky zmeniť.

Pôvod hmoty

Otázka pôvodu hmoty je pozoruhodná najmä v tom, že odpoveď na ňu je cenná nad rámec našej zjavnej túžby vedieť, čo je hmotnosť. Skúsme si túto dosť záhadnú a zvláštne postavenú vetu bližšie vysvetliť.

Epilóg: Smrť hviezd

Keď zomierajú, mnohé hviezdy skončia ako superhusté gule jadrovej hmoty prepletené mnohými elektrónmi. Ide o takzvaných bielych trpaslíkov. Toto bude osud nášho Slnka, keď mu za približne 5 miliárd rokov dôjde jadrové palivo.

Pre ďalšie čítanie

Pri príprave tejto knihy sme použili mnoho ďalších diel a niektoré z nich si zaslúžia osobitnú zmienku a odporúčanie.

Cox B., Forshaw D. Kvantový vesmír.
Ako to, že to nevidíme. M.: MIF. 2016.

Brian Cox, Jeff Forshaw

kvantový vesmír. Ako to, že to nevidíme

Vedeckí redaktori Vyacheslav Maracha a Michail Pavlov

Publikované so súhlasom Apollo's Children Ltd a Jeffa Forshowa a Diane Banks Associates Ltd.

Právnu podporu vydavateľstvu poskytuje advokátska kancelária Vegas Lex.

© Brian Cox a Jeff Forshaw, 2011

© Preklad do ruštiny, vydanie v ruštine, dizajn. LLC "Mann, Ivanov a Ferber", 2016

* * *

1. Prichádza niečo zvláštne

Kvantové. Toto slovo zároveň oslovuje zmysly, mätie a fascinuje. V závislosti od uhla pohľadu je to buď dôkaz obrovského pokroku vedy, alebo symbol obmedzenosti ľudskej intuície, ktorá je nútená bojovať s nevyhnutnou zvláštnosťou subatomárnej sféry. Pre fyzika je kvantová mechanika jedným z troch veľkých pilierov, na ktorých spočíva chápanie prírody (ďalšie dva sú Einsteinove všeobecné a špeciálne teórie relativity). Einsteinove teórie sa zaoberajú povahou priestoru a času a silou gravitácie. O všetko ostatné sa postará kvantová mechanika a dá sa povedať, že nech je akokoľvek emocionálne príťažlivá, mätúca či fascinujúca, je to len fyzikálna teória popisujúca, ako sa príroda v skutočnosti správa. Ale aj keď sa meria týmto veľmi pragmatickým kritériom, je pozoruhodné svojou presnosťou a vysvetľovacou schopnosťou. Existuje jeden experiment z oblasti kvantovej elektrodynamiky, najstaršia a najlepšie pochopená z moderných kvantových teórií. Meria, ako sa elektrón správa v blízkosti magnetu. Teoretickí fyzici roky tvrdo pracovali s perom a papierom a neskôr s počítačmi, aby presne predpovedali, čo takéto štúdie odhalia. Praktizujúci vymysleli a pripravili experimenty, aby zistili ďalšie podrobnosti z prírody. Oba tábory nezávisle od seba dávali výsledky s presnosťou podobnou meraním vzdialenosti medzi Manchestrom a New Yorkom s chybou niekoľkých centimetrov. Je pozoruhodné, že údaje získané experimentátormi plne zodpovedali výsledkom výpočtov teoretikov; merania a výpočty boli v úplnej zhode.

To je nielen pôsobivé, ale aj prekvapujúce, a ak by bolo budovanie modelov jediným záujmom kvantovej teórie, možno by ste sa právom pýtali, v čom je problém. Veda samozrejme nemusí byť užitočná, ale mnohé z technologických a spoločenských zmien, ktoré spôsobili revolúciu v našich životoch, vzišli zo základného výskumu moderných vedcov, ktorých poháňa len túžba lepšie porozumieť svetu okolo seba. Vďaka týmto objavom poháňaným zvedavosťou vo všetkých odvetviach vedy máme predĺženú životnosť, medzinárodnú leteckú dopravu, oslobodenie sa od potreby farmárčiť pre naše vlastné prežitie a široký, inšpiratívny a oči otvárajúci obraz nášho miesta v nekonečnom more hviezd. Ale to všetko sú v istom zmysle vedľajšie produkty. Skúmame zo zvedavosti, nie preto, že by sme chceli lepšie pochopiť realitu alebo vyvinúť lepšie drobnosti.

Kvantová teória je možno najlepším príkladom toho, ako sa to, čo je pre väčšinu ľudí nekonečne ťažké pochopiť, stáva mimoriadne užitočným. Je ťažké to pochopiť, pretože opisuje svet, v ktorom môže byť častica v skutočnosti na niekoľkých miestach súčasne a pohybovať sa z jedného miesta na druhé, a tak skúmať celý vesmír. Je to užitočné, pretože pochopenie správania najmenších stavebných kameňov vesmíru posilňuje pochopenie všetkého ostatného. Limituje to našu aroganciu, pretože svet je oveľa zložitejší a rozmanitejší, ako sa zdalo. Napriek všetkej tejto zložitosti sme zistili, že všetko sa skladá z mnohých drobných častíc, ktoré sa pohybujú v súlade so zákonmi kvantovej teórie. Tieto zákony sú také jednoduché, že sa dajú napísať na zadnú stranu obálky. A skutočnosť, že na vysvetlenie hlbokej podstaty vecí nie je potrebná celá knižnica, je sama osebe jednou z najväčších záhad sveta.

Čím viac sa teda dozvieme o elementárnej podstate vesmíru, tým sa nám to zdá jednoduchšie. Postupne pochopíme všetky zákony a to, ako tieto malé stavebné kamene vzájomne pôsobia, aby vytvorili svet. Ale akokoľvek sme fascinovaní jednoduchosťou, ktorá je základom vesmíru, musíme si uvedomiť, že hoci sú základné pravidlá hry jednoduché, ich dôsledky nie je vždy ľahké vypočítať. Naša každodenná skúsenosť s poznaním sveta je daná vzťahmi mnohých miliárd atómov a bolo by jednoducho hlúpe snažiť sa odvodiť princípy správania ľudí, zvierat a rastlín z nuáns správania týchto atómov. Keď sme si to uvedomili, neznižujeme jej dôležitosť: za všetkými javmi sa nakoniec skrýva kvantová fyzika mikroskopických častíc.

Predstavte si svet okolo nás. V rukách držíte knihu z papiera – mletej drevnej hmoty. Stromy sú stroje schopné brať atómy a molekuly, rozkladať ich a reorganizovať do kolónií s miliardami jednotlivých kusov. Robia to vďaka molekule známej ako chlorofyl, ktorá sa skladá z viac ako stovky atómov uhlíka, vodíka a kyslíka, ktoré sú špeciálne zakrivené a naviazané na niekoľko ďalších atómov horčíka a vodíka. Takáto kombinácia častíc je schopná zachytiť svetlo, ktoré preletelo 150 000 000 km od našej hviezdy – jadrovej komory s objemom milióna planét ako Zem – a túto energiu dopraviť hlboko do buniek, kde vytvára nové molekuly z oxidu uhličitého a vody a uvoľňuje dáva náš život je kyslík.

Sú to tieto molekulárne reťazce, ktoré tvoria nadstavbu, ktorá drží pohromade stromy, papier v tejto knihe a všetok život. Dokážete čítať knihu a rozumieť slovám, pretože máte oči, ktoré dokážu premeniť rozptýlené svetlo zo stránok na elektrické impulzy, ktoré dokáže interpretovať mozog, najzložitejšia štruktúra vo vesmíre, akú poznáme. Zistili sme, že všetky veci na svete nie sú nič iné ako súbor atómov a najširšia paleta atómov pozostáva len z troch častíc – elektrónov, protónov a neutrónov. Vieme tiež, že samotné protóny a neutróny sa skladajú z menších entít nazývaných kvarky a tam to všetko končí – aspoň si to teraz myslíme. Toto všetko je založené na kvantovej teórii.

Moderná fyzika teda kreslí obraz vesmíru, v ktorom žijeme, s výnimočnou jednoduchosťou; elegantné javy sa vyskytujú niekde, kde ich nemožno vidieť, čo vedie k rozmanitosti makrokozmu. Možno je to najpozoruhodnejší výdobytok modernej vedy – zredukovanie neuveriteľnej zložitosti sveta, vrátane samotných ľudí, na opis správania hŕstky drobných subatomárnych častíc a štyroch síl pôsobiacich medzi nimi. Najlepšie popisy troch z týchto štyroch síl – silných a slabých jadrových síl, ktoré existujú vo vnútri atómového jadra, a elektromagnetickej sily, ktorá drží atómy a molekuly pohromade – poskytuje kvantová teória. Len sila gravitácie - najslabšia, ale možno najznámejšia sila zo všetkých - nemá v súčasnosti uspokojivý kvantový popis.

Stojí za to priznať, že kvantová teória má trochu zvláštnu povesť a pod jej názvom sa skrýva množstvo skutočných nezmyslov. Mačky môžu byť živé aj mŕtve súčasne; častice sú na dvoch miestach súčasne; Heisenberg tvrdí, že všetko je neisté. Toto všetko je skutočne pravda, ale závery, ktoré z toho často vyplývajú – keďže sa v mikrokozme deje niečo zvláštne, sme zahalení v opare hmly – sú rozhodne nesprávne. Do panteónu možného sa pod rúškom slova „kvantové“ pravidelne vkráda mimozmyslové vnímanie, mystické uzdravenia, vibračné náramky, ktoré chránia pred žiarením a ktovie čo ešte. Tento nezmysel je spôsobený neschopnosťou jasne myslieť, sebaklamom, skutočným alebo predstieraným nedorozumením alebo nejakou obzvlášť nešťastnou kombináciou všetkého vyššie uvedeného. Kvantová teória presne popisuje svet s matematickými zákonmi tak špecifickými, aké používa Newton alebo Galileo. To je dôvod, prečo môžeme vypočítať magnetické pole elektrónu s neuveriteľnou presnosťou. Kvantová teória ponúka opis prírody, ktorá, ako sa dozvieme, má obrovskú predikčnú a vysvetľujúcu silu a vzťahuje sa na všetko od kremíkových čipov po hviezdy.

Účelom tejto knihy je demystifikovať kvantovú teóriu, teoretický konštrukt, ktorý zmiatol príliš veľa ľudí, dokonca aj priekopníkov tohto odvetvia. Máme v úmysle použiť modernú perspektívu s využitím skúseností získaných počas storočí spätného pohľadu a vývoja teórie. Na začiatku cesty sa však prenesieme na začiatok 20. storočia a preskúmame niektoré problémy, ktoré fyzikov prinútili radikálne sa odkloniť od toho, čo bolo predtým považované za hlavný prúd vedy.

V závislosti od uhla pohľadu je kvantová teória buď dôkazom obrovského pokroku vedy, alebo symbolom obmedzení ľudskej intuície, ktorá je nútená bojovať s podivnosťou subatomárnej sféry. Pre fyzika je kvantová mechanika jedným z troch veľkých pilierov, na ktorých je založené chápanie prírody (spolu s Einsteinovými všeobecnými a špeciálnymi teóriami relativity). Pre tých, ktorí vždy chceli pochopiť aspoň niečo zo základného modelu sveta, vysvetľujú vedci Brian Cox a Jeff Forshaw vo svojej knihe „Kvantový vesmír“, ktorú vydalo vydavateľstvo MIF. T & P publikujú krátku pasáž o podstate kvanta a pôvode teórie.

Einsteinove teórie sa zaoberajú povahou priestoru a času a silou gravitácie. O všetko ostatné sa stará kvantová mechanika a dá sa povedať, že nech je akokoľvek emocionálne príťažlivá, mätúca či fascinujúca, je to len fyzikálna teória popisujúca, ako sa príroda v skutočnosti správa. Ale aj keď sa meria týmto veľmi pragmatickým kritériom, je pozoruhodné svojou presnosťou a vysvetľovacou schopnosťou. Existuje jeden experiment z oblasti kvantovej elektrodynamiky, najstaršia a najlepšie pochopená z moderných kvantových teórií. Meria, ako sa elektrón správa v blízkosti magnetu. Teoretickí fyzici roky tvrdo pracovali s perom a papierom a neskôr s počítačmi, aby presne predpovedali, čo takéto štúdie odhalia. Praktizujúci vymysleli a pripravili experimenty, aby zistili ďalšie podrobnosti z prírody. Oba tábory nezávisle od seba dávali výsledky s presnosťou podobnou meraním vzdialenosti medzi Manchestrom a New Yorkom s chybou niekoľkých centimetrov. Je pozoruhodné, že údaje získané experimentátormi plne zodpovedali výsledkom výpočtov teoretikov; merania a výpočty boli v úplnej zhode.

Kvantová teória je možno najlepším príkladom toho, ako sa to, čo je pre väčšinu ľudí nekonečne ťažké pochopiť, stáva mimoriadne užitočným. Je ťažké to pochopiť, pretože opisuje svet, v ktorom môže byť častica v skutočnosti na niekoľkých miestach súčasne a pohybovať sa z jedného miesta na druhé, a tak skúmať celý vesmír. Je to užitočné, pretože pochopenie správania najmenších stavebných kameňov vesmíru posilňuje pochopenie všetkého ostatného. Limituje to našu aroganciu, pretože svet je oveľa zložitejší a rozmanitejší, ako sa zdalo. Napriek všetkej tejto zložitosti sme zistili, že všetko sa skladá z mnohých drobných častíc, ktoré sa pohybujú v súlade so zákonmi kvantovej teórie. Tieto zákony sú také jednoduché, že sa dajú napísať na zadnú stranu obálky. A skutočnosť, že na vysvetlenie hlbokej podstaty vecí nie je potrebná celá knižnica, je sama osebe jednou z najväčších záhad sveta.

Predstavte si svet okolo nás. Povedzme, že držíte knihu vyrobenú z papiera - mletej drevnej hmoty. Stromy sú stroje schopné brať atómy a molekuly, rozkladať ich a reorganizovať na kolónie s miliardami jednotlivých kusov. Robia to vďaka molekule známej ako chlorofyl, ktorá sa skladá z viac ako stovky atómov uhlíka, vodíka a kyslíka, ktoré sú špeciálne zakrivené a naviazané na niekoľko ďalších atómov horčíka a vodíka. Takáto kombinácia častíc je schopná zachytiť svetlo, ktoré preletelo 150 000 000 km od našej hviezdy – jadrovej komory s objemom milióna planét ako Zem – a túto energiu dopraviť hlboko do buniek, kde z oxidu uhličitého vytvára nové molekuly. a vody a uvoľňuje dáva náš život je kyslík.

Sú to tieto molekulárne reťazce, ktoré tvoria nadstavbu, ktorá drží pohromade stromy, papier v tejto knihe a všetok život. Dokážete čítať knihu a rozumieť slovám, pretože máte oči a tie dokážu premeniť rozptýlené svetlo zo stránok na elektrické impulzy, ktoré dokáže interpretovať mozog, najzložitejšia štruktúra vo vesmíre, o ktorej vôbec vieme. Zistili sme, že všetky veci na svete nie sú nič iné ako súbor atómov a najširšia paleta atómov pozostáva len z troch častíc – elektrónov, protónov a neutrónov. Vieme tiež, že samotné protóny a neutróny sú tvorené menšími entitami nazývanými kvarky a tie sú koncom všetkého – aspoň si to teraz myslíme. Toto všetko je založené na kvantovej teórii.

Moderná fyzika teda kreslí obraz vesmíru, v ktorom žijeme, s výnimočnou jednoduchosťou; elegantné javy sa vyskytujú niekde, kde ich nemožno vidieť, čo vedie k rozmanitosti makrokozmu. Možno je to najpozoruhodnejší výdobytok modernej vedy – redukcia neuveriteľnej zložitosti sveta, vrátane ľudí samotných, na opis správania hŕstky drobných subatomárnych častíc a štyroch síl pôsobiacich medzi nimi. Kvantová teória poskytuje najlepší popis troch z týchto štyroch síl – silné a slabé jadrové sily, ktoré existujú vo vnútri atómového jadra, a elektromagnetickú silu, ktorá drží atómy a molekuly pohromade. Len sila gravitácie - najslabšia, ale možno najznámejšia sila zo všetkých - nemá v súčasnosti uspokojivý kvantový popis.

Stojí za to priznať, že kvantová teória má trochu zvláštnu povesť a pod jej názvom sa skrýva množstvo skutočných nezmyslov. Mačky môžu byť živé aj mŕtve súčasne; častice sú na dvoch miestach súčasne; Heisenberg tvrdí, že všetko je neisté. Toto všetko je skutočne pravda, ale závery, ktoré z toho často vyplývajú – akonáhle sa v mikrokozme stane niečo zvláštne, potom sme zahalení v opare hmly – sú rozhodne nesprávne. Do panteónu možného sa pod rúškom slova „kvantové“ pravidelne vkráda mimozmyslové vnímanie, mystické uzdravenia, vibračné náramky, ktoré chránia pred žiarením a ktovie čo ešte. Tento nezmysel je spôsobený neschopnosťou jasne myslieť, sebaklamom, skutočným alebo predstieraným nedorozumením alebo nejakou obzvlášť nešťastnou kombináciou všetkého vyššie uvedeného. Kvantová teória presne popisuje svet s matematickými zákonmi tak špecifickými, aké používa Newton alebo Galileo. To je dôvod, prečo môžeme vypočítať magnetické pole elektrónu s neuveriteľnou presnosťou. Kvantová teória ponúka opis prírody, ktorá, ako sa dozvieme, má obrovskú predikčnú a vysvetľujúcu silu a vzťahuje sa na všetko od kremíkových čipov po hviezdy.

Ako sa často stáva, objavenie sa kvantovej teórie vyvolalo objavenie prírodných javov, ktoré nebolo možné opísať vtedajšími vedeckými paradigmami. Pre kvantovú teóriu bolo takýchto objavov veľa, navyše rôznorodého charakteru. Séria nevysvetliteľných výsledkov vyvolala vzrušenie a zmätok a nakoniec vyvolala obdobie experimentálnych a teoretických inovácií, ktoré si skutočne zaslúži populárny termín „zlatý vek“. Mená hlavných postáv sú navždy zakorenené v mysli každého študenta fyziky a dodnes sa na univerzitných kurzoch spomínajú častejšie ako iné: Rutherford, Bohr, Planck, Einstein, Pauli, Heisenberg, Schrödinger, Dirac. Snáď už nikdy v histórii nenastane obdobie, kedy sa toľko mien bude spájať s veľkosťou vedy a zároveň smerovať k jedinému cieľu – vytvoreniu novej teórie atómov a síl, ktoré riadia fyzický svet. Ernest Rutherford, fyzik narodený na Novom Zélande, ktorý objavil jadro atómu, v roku 1924, pri pohľade späť na predchádzajúce desaťročia kvantovej teórie, napísal: „1896 ... znamenal začiatok toho, čo sa celkom výstižne nazývalo hrdinským vekom fyzikálnej vedy. Ešte nikdy v dejinách fyziky nebolo také obdobie horúčkovitej činnosti, počas ktorého by sa niektoré zásadne významné objavy závratnou rýchlosťou nahrádzali inými.

Len do 30. júna majú čitatelia T&P zľavu na papierovú a elektronickú verziu knihy. Zľavy sa aktivujú po kliknutí na odkazy.

Pojem „kvantový“ sa vo fyzike objavil v roku 1900 vďaka práci Maxa Plancka. Pokúsil sa teoreticky popísať žiarenie vyžarované zohriatymi telesami – takzvané „žiarenie úplne čierneho telesa“. Mimochodom, vedca si na tento účel najala spoločnosť zaoberajúca sa elektrickým osvetlením: takto sa niekedy otvárajú dvere vesmíru z tých najprozaickejších dôvodov. Planck zistil, že vlastnosti žiarenia čierneho telesa možno vysvetliť len predpokladom, že svetlo je vyžarované v malých častiach energie, ktorú nazval kvantá. Samotné slovo znamená „balíky“ alebo „diskrétne“. Spočiatku si myslel, že je to len matematický trik, ale práca Alberta Einsteina z roku 1905 o fotoelektrickom jave podporila kvantovú hypotézu. Výsledky boli presvedčivé, pretože malé množstvo energie mohlo byť synonymom častíc.

Myšlienka, že svetlo sa skladá z prúdu malých guliek, má dlhú a slávnu históriu, ktorá siaha až k Isaacovi Newtonovi a zrodu modernej fyziky. Zdá sa však, že v roku 1864 škótsky fyzik James Clark Maxwell konečne rozptýlil všetky existujúce pochybnosti v sérii prác, ktoré Albert Einstein neskôr opísal ako „najhlbšie a najplodnejšie, aké fyzika od Newtona poznala“. Maxwell ukázal, že svetlo je elektromagnetická vlna šíriaca sa v priestore, takže myšlienka svetla ako vlny mala nevyvrátiteľný a zdanlivo nepopierateľný pôvod. V sérii experimentov, ktoré Arthur Compton a jeho kolegovia uskutočnili na Washingtonskej univerzite v St. Louis, sa im však podarilo oddeliť svetelné kvantá od elektrónov. Obaja sa správali skôr ako biliardové gule, čo jasne potvrdilo, že Planckove teoretické predpoklady mali v reálnom svete pevné základy. V roku 1926 sa svetelné kvantá nazývali fotóny. Dôkazy boli nevyvrátiteľné: svetlo sa správa ako vlna aj ako častica. To znamenalo koniec klasickej fyziky – a koniec formatívneho obdobia kvantovej teórie.

V tejto knihe autoritatívni vedci Brian Cox a Jeff Forshaw oboznamujú čitateľov s kvantovou mechanikou – základným modelom sveta. Rozprávajú, aké pozorovania viedli fyzikov ku kvantovej teórii, ako bola vyvinutá a prečo sú v nej vedci napriek všetkej jej podivnosti takí presvedčení. Kniha je určená všetkým, ktorých zaujíma kvantová fyzika a štruktúra vesmíru.

Prichádza niečo zvláštne.
Kvantové. Toto slovo zároveň oslovuje zmysly, mätie a fascinuje. V závislosti od uhla pohľadu je to buď dôkaz obrovského pokroku vedy, alebo symbol obmedzenosti ľudskej intuície, ktorá je nútená bojovať s nevyhnutnou zvláštnosťou subatomárnej sféry. Pre fyzika je kvantová mechanika jedným z troch veľkých pilierov, na ktorých spočíva chápanie prírody (ďalšie dva sú Einsteinove všeobecné a špeciálne teórie relativity). Einsteinove teórie sa zaoberajú povahou priestoru a času a silou gravitácie. O všetko ostatné sa postará kvantová mechanika a dá sa povedať, že nech je akokoľvek emocionálne príťažlivá, mätúca či fascinujúca, je to len fyzikálna teória popisujúca, ako sa príroda v skutočnosti správa. Ale aj keď sa meria týmto veľmi pragmatickým kritériom, je pozoruhodné svojou presnosťou a vysvetľovacou schopnosťou. Existuje jeden experiment z oblasti kvantovej elektrodynamiky, najstaršia a najlepšie pochopená z moderných kvantových teórií. Meria, ako sa elektrón správa v blízkosti magnetu. Teoretickí fyzici roky tvrdo pracovali s perom a papierom a neskôr s počítačmi, aby presne predpovedali, čo takéto štúdie odhalia. Praktizujúci vymysleli a pripravili experimenty, aby zistili ďalšie podrobnosti z prírody. Oba tábory nezávisle od seba dávali výsledky s presnosťou podobnou meraním vzdialenosti medzi Manchestrom a New Yorkom s chybou niekoľkých centimetrov. Je pozoruhodné, že údaje získané experimentátormi plne zodpovedali výsledkom výpočtov teoretikov; merania a výpočty boli v úplnej zhode.
To je nielen pôsobivé, ale aj prekvapujúce, a ak by bolo budovanie modelov jediným záujmom kvantovej teórie, možno by ste sa právom pýtali, v čom je problém. Veda, samozrejme, nemusí byť užitočná, ale mnohé z technologických a spoločenských zmien, ktoré spôsobili revolúciu v našich životoch, vychádzajú zo základného výskumu moderných vedcov, ktorí sa riadia len túžbou lepšie porozumieť svetu okolo seba. . Vďaka týmto objavom poháňaným zvedavosťou vo všetkých odvetviach vedy máme predĺženú životnosť, medzinárodnú leteckú dopravu, oslobodenie sa od potreby farmárčiť pre naše vlastné prežitie a široký, inšpiratívny a oči otvárajúci obraz nášho miesta v nekonečnom more hviezd. Ale to všetko sú v istom zmysle vedľajšie produkty. Skúmame zo zvedavosti, nie preto, že by sme chceli lepšie pochopiť realitu alebo vyvinúť lepšie drobnosti.

Obsah
Prichádza niečo zvláštne
Na dvoch miestach súčasne
Čo je to častica?
Všetko, čo sa môže stať, sa naozaj stane
Pohyb ako ilúzia
Hudba atómov
Vesmír na špendlíkovej hlavičke (a prečo nespadneme cez zem)
Vzájomná závislosť
Moderný svet
Interakcia
Prázdny priestor nie je taký prázdny Epilóg: Smrť hviezd
Pre ďalšie čítanie.

Stiahnite si zadarmo e-knihu vo vhodnom formáte, pozerajte a čítajte:
Stiahnite si knihu The Quantum Universe, How What We Can't See Works, Cox B., Forshaw J., 2016 - fileskachat.com, rýchle a bezplatné stiahnutie.

Stiahnite si epub
Nižšie si môžete kúpiť túto knihu za najlepšiu zľavnenú cenu s doručením po celom Rusku.