Kde sme urobili chybu?

Fyzika sa ocitla v nepríjemnej slepej uličke. Hoci má svoj vlastný Štandardný model, nedávno doplnený o Higgsovu časticu, všetky tieto pokroky len málo vysvetľujú veľké moderné záhady, temnú energiu, temnú hmotu, gravitáciu, asymetrie hmoty a antihmoty a dokonca aj oscilácie neutrín.

Roberto Unger a Lee Smolin

Lee Smolin, známy fyzik, ktorý sa už roky spomína ako jeden z vážnych kandidátov na Nobelovu cenu, nedávno publikoval s filozofom Roberto Ungerem, kniha „Singulárny vesmír a realita času“. Autori v nej analyzujú, každý z pohľadu svojej disciplíny, zmätený stav modernej fyziky. „Veda zlyhá, keď opustí oblasť experimentálneho overovania a možnosti popierania,“ píšu. Nabádajú fyzikov, aby sa vrátili v čase a hľadali nový začiatok.

Ich ponuky sú dosť špecifické. Napríklad Smolin a Unger chcú, aby sme sa vrátili ku konceptu Jeden vesmír. Dôvod je jednoduchý - zažívame len jeden vesmír a jeden z nich je možné vedecky skúmať, pričom tvrdenia o existencii ich plurality sú empiricky neoveriteľné.. Ďalší predpoklad, ktorý Smolin a Unger navrhujú prijať, je nasledujúci. realitu časunedať teoretikom šancu vymaniť sa z podstaty reality a jej premien. A napokon autori vyzývajú k obmedzeniu vášne pre matematiku, ktorá sa vo svojich „krásnych“ a elegantných modeloch vymyká skutočne zažitému a možnému svetu. experimentálne skontrolovať.

Kto pozná "matematicky krásne" teória strún, ten druhý ľahko rozpoznáva svoju kritiku vo vyššie uvedených postulátoch. Problém je však všeobecnejší. Mnohé vyhlásenia a publikácie sa dnes domnievajú, že fyzika sa dostala do slepej uličky. Museli sme niekde na ceste urobiť chybu, pripúšťajú mnohí výskumníci.

Smolin a Unger teda nie sú sami. Pred pár mesiacmi v "Prírode" George Ellis i Jozef Hodváb uverejnil článok o ochrana integrity fyzikykritikou tých, ktorí sú čoraz viac naklonení odkladať na neurčito „zajtra“ experimenty na testovanie rôznych „módnych“ kozmologických teórií. Mali by sa vyznačovať „dostatočnou eleganciou“ a výpovednou hodnotou. „Toto porušuje stáročnú vedeckú tradíciu, že vedecké poznanie je poznanie. empiricky potvrdenépripomínajú vedci. Fakty jasne ukazujú „experimentálnu slepú uličku“ modernej fyziky.. Najnovšie teórie o povahe a štruktúre sveta a vesmíru sa spravidla nedajú overiť experimentmi, ktoré má ľudstvo k dispozícii.

Supersymetrické analógy častíc - vizualizácia

Objavením Higgsovho bozónu vedci „dosiahli“ Štandardný model. Svet fyziky však nie je ani zďaleka spokojný. Vieme o všetkých kvarkoch a leptónoch, no netušíme, ako to zosúladiť s Einsteinovou teóriou gravitácie. Nevieme, ako spojiť kvantovú mechaniku s gravitáciou, aby sme vytvorili koherentnú teóriu kvantovej gravitácie. Tiež nevieme, čo je to Veľký tresk (alebo či naozaj nejaký bol).

V súčasnosti, nazvime to mainstreamoví fyzici, vidia ďalší krok po Štandardnom modeli v supersymetria (SUSY), ktorá predpovedá, že každá nám známa elementárna častica má symetrického „partnera“. To zdvojnásobuje celkový počet stavebných blokov pre hmotu, ale teória dokonale zapadá do matematických rovníc a čo je dôležité, ponúka šancu odhaliť záhadu kozmickej temnej hmoty. Ostávalo už len čakať na výsledky experimentov na Veľkom hadrónovom urýchľovači, ktoré potvrdia existenciu supersymetrických častíc.

Zo Ženevy však zatiaľ žiadne takéto objavy nezazneli. Ak sa z experimentov na LHC stále nič nové neobjaví, mnohí fyzici sa domnievajú, že supersymetrické teórie by sa mali v tichosti stiahnuť. nadstavbaktorý je založený na supersymetrii. Existujú vedci, ktorí sú pripravení ju brániť, aj keď nenájde experimentálne potvrdenie, pretože teória SUSA je „príliš krásna na to, aby bola falošná“. V prípade potreby majú v úmysle prehodnotiť svoje rovnice, aby dokázali, že hmotnosti supersymetrických častíc sú jednoducho mimo dosahu LHC.

Anomália pohanská anomália

Dojmy – to sa ľahko hovorí! Keď sa však napríklad fyzikom podarí dostať mión na obežnú dráhu okolo protónu a protón „napučí“, vtedy sa s nám známou fyzikou začnú diať zvláštne veci. Vznikne ťažšia verzia atómu vodíka a ukáže sa, že jadro, t.j. protón v takomto atóme je väčší (t.j. má väčší polomer) ako "obyčajný" protón.

Fyzika, ako ju poznáme, nedokáže tento jav vysvetliť. Mión, leptón, ktorý nahrádza elektrón v atóme, by sa mal správať ako elektrón – a aj sa tak správa, ale prečo táto zmena ovplyvňuje veľkosť protónu? Tomu fyzici nerozumejú. Možno by sa z toho dostali, ale... počkaj chvíľu. Veľkosť protónu súvisí so súčasnými fyzikálnymi teóriami, najmä so štandardným modelom. Túto nevysvetliteľnú interakciu začali teoretici ventilovať nový druh základnej interakcie. To sú však zatiaľ len špekulácie. Popri tom sa robili experimenty s atómami deutéria, pričom sa verilo, že neutrón v jadre môže ovplyvniť účinky. Protóny boli ešte väčšie s miónmi okolo ako s elektrónmi.

Ďalšou relatívne novou fyzikálnou zvláštnosťou je existencia, ktorá sa objavila ako výsledok výskumu vedcov z Trinity College Dublin. nová forma svetla. Jednou z meraných charakteristík svetla je jeho moment hybnosti. Doteraz sa verilo, že v mnohých formách svetla je moment hybnosti násobkom Planckova konštanta. Medzitým Dr. Kyle Ballantine a profesor Paul Eastham i John Donegan objavil formu svetla, v ktorej je uhlový moment hybnosti každého fotónu polovičnou Planckovou konštantou.

Tento pozoruhodný objav ukazuje, že aj základné vlastnosti svetla, o ktorých sme si mysleli, že sú konštantné, sa dajú zmeniť. To bude mať skutočný vplyv na štúdium povahy svetla a nájde praktické uplatnenie napríklad v zabezpečenej optickej komunikácii. Od 80. rokov XNUMX. storočia fyzikov zaujímalo, ako sa častice správajú, keď sa pohybujú iba v dvoch dimenziách trojrozmerného priestoru. Zistili, že potom budeme mať čo do činenia s mnohými neobvyklými javmi vrátane častíc, ktorých kvantové hodnoty by boli zlomky. Teraz sa to osvedčilo na svetlo. Je to veľmi zaujímavé, no znamená to, že mnohé teórie je ešte potrebné aktualizovať. A to je len začiatok spojenia s novými objavmi, ktoré do fyziky prinášajú kvasenie.

Pred rokom sa v médiách objavila informácia, ktorú potvrdili fyzici z Cornell University vo svojom experimente. Kvantový Zeno efekt – možnosť zastaviť kvantový systém iba nepretržitým pozorovaním. Je pomenovaný po starogréckom filozofovi, ktorý tvrdil, že pohyb je ilúzia, ktorá je v skutočnosti nemožná. Spojenie starovekého myslenia s modernou fyzikou je dielom Baidyanatha Egypt i George Sudarshan z Texaskej univerzity, ktorý tento paradox opísal v roku 1977. David Wineland, americký fyzik a nositeľ Nobelovej ceny za fyziku, s ktorým MT hovoril v novembri 2012, uskutočnil prvé experimentálne pozorovanie Zenovho efektu, no vedci sa nezhodli, či jeho experiment existenciu javu potvrdil.

Vizualizácia Wheelerovho experimentu

Minulý rok urobil nový objav Mukund Vengalattorektorý spolu so svojím výskumným tímom uskutočnil experiment v ultrachladnom laboratóriu na Cornell University. Vedci vytvorili a ochladili plyn s asi jednou miliardou atómov rubídia vo vákuovej komore a hmotu suspendovali medzi laserové lúče. Atómy sa zorganizovali a vytvorili mriežkový systém – správali sa, ako keby boli v kryštalickom telese. Vo veľmi chladnom počasí sa mohli pohybovať z miesta na miesto veľmi nízkou rýchlosťou. Fyzici ich pozorovali pod mikroskopom a osvetlili ich laserovým zobrazovacím systémom, aby ich mohli vidieť. Keď bol laser vypnutý alebo pri nízkej intenzite, atómy voľne tunelovali, ale keď sa laserový lúč zosvetlil a merania sa robili častejšie, miera penetrácie prudko klesla.

Vengalattore zhrnul svoj experiment takto: "Teraz máme jedinečnú príležitosť ovládať kvantovú dynamiku výlučne prostredníctvom pozorovania." Mali „idealistickí“ myslitelia, od Zena po Berkeley, zosmiešňovaní vo „veku rozumu“, mali pravdu, že predmety existujú len preto, že sa na ne pozeráme?

V poslednom čase sa často objavujú rôzne anomálie a nezrovnalosti s rokmi stabilizovanými (zrejme) teóriami. Ďalší príklad pochádza z astronomických pozorovaní – pred pár mesiacmi sa ukázalo, že vesmír sa rozpína ​​rýchlejšie, ako naznačujú známe fyzikálne modely. Podľa článku Nature z apríla 2016 boli merania vedcov z Johns Hopkins University o 8 % vyššie, ako očakávala moderná fyzika. Vedci použili novú metódu analýza takzvaných štandardných sviečok, t.j. svetelné zdroje sa považujú za stabilné. Komentáre vedeckej komunity opäť hovoria, že tieto výsledky poukazujú na vážny problém súčasných teórií.

Jeden z vynikajúcich moderných fyzikov, John Archibald Wheeler, navrhol vesmírnu verziu vtedy známeho experimentu s dvojitou štrbinou. V jeho mentálnom dizajne svetlo z kvazaru vzdialeného miliardu svetelných rokov prechádza cez dve opačné strany galaxie. Ak pozorovatelia pozorujú každú z týchto ciest oddelene, uvidia fotóny. Ak obaja naraz, uvidia vlnu. Preto Sam akt pozorovania mení povahu svetlaktorý opustil kvazar pred miliardou rokov.

Podľa Wheelera vyššie uvedené dokazuje, že vesmír nemôže existovať vo fyzikálnom zmysle, aspoň nie v zmysle, v akom sme zvyknutí chápať „fyzikálny stav“. Ani v minulosti sa to nemohlo stať, kým... sme neurobili meranie. Naša súčasná dimenzia teda ovplyvňuje minulosť. Takže pomocou našich pozorovaní, detekcií a meraní formujeme udalosti minulosti, späť v čase, až po ... začiatok vesmíru!

Rozlíšenie hologramov končí

Zdá sa, že fyzika čiernych dier naznačuje, ako aspoň niektoré matematické modely naznačujú, že náš vesmír nie je taký, ako nám hovoria naše zmysly, teda trojrozmerný (štvrtá dimenzia, čas, je informovaná mysľou). Realita, ktorá nás obklopuje, môže byť hologram je projekcia v podstate dvojrozmernej vzdialenej roviny. Ak je tento obraz vesmíru správny, ilúzia trojrozmernej povahy časopriestoru sa môže rozptýliť hneď, ako sa výskumné nástroje, ktoré máme k dispozícii, stanú primerane citlivými. Craig Hogan, profesor fyziky vo Fermilabe, ktorý roky študoval základnú štruktúru vesmíru, naznačuje, že táto úroveň bola práve dosiahnutá. Ak je vesmír hologram, možno sme dosiahli hranice rozlíšenia reality. Niektorí fyzici predložili zaujímavú hypotézu, že časopriestor, v ktorom žijeme, nie je v konečnom dôsledku kontinuálny, ale ako obraz na digitálnej fotografii na svojej najzákladnejšej úrovni pozostáva z nejakého druhu „zrna“ alebo „pixelu“. Ak áno, naša realita musí mať nejaké konečné „rozuzlenie“. Takto niektorí výskumníci interpretovali „šum“, ktorý sa pred pár rokmi objavil vo výsledkoch detektora gravitačných vĺn Geo600.

Na testovanie tejto nezvyčajnej hypotézy Craig Hogan a jeho tím vyvinuli najpresnejší interferometer na svete, tzv Hoganov holometerktorý by nám mal poskytnúť čo najpresnejšie meranie samotnej podstaty časopriestoru. Experiment s kódovým označením Fermilab E-990 nie je jedným z mnohých iných. Jeho cieľom je demonštrovať kvantovú povahu samotného priestoru a prítomnosť toho, čo vedci nazývajú „holografický šum“. Holometer pozostáva z dvoch vedľa seba umiestnených interferometrov, ktoré vysielajú jeden kilowatt laserové lúče do zariadenia, ktoré ich rozdelí na dva kolmé 40-metrové lúče. Odrážajú sa a vracajú sa do bodu oddelenia, čím vytvárajú kolísanie jasu svetelných lúčov. Ak spôsobia určitý pohyb v deliacom zariadení, potom to bude dôkazom vibrácií samotného priestoru.

Z pohľadu kvantovej fyziky by mohla vzniknúť bez príčiny. ľubovoľný počet vesmírov. Ocitli sme sa práve v tomto, ktorý musel spĺňať množstvo rafinovaných podmienok, aby v ňom mohol človek bývať. Potom hovoríme o antropický svet. Veriacemu človeku stačí jeden antropický vesmír stvorený Bohom. Materialistický svetonázor to neakceptuje a predpokladá, že vesmírov je veľa alebo že súčasný vesmír je len štádiom nekonečného vývoja multivesmíru.

Autor modernej verzie Vesmírne hypotézy ako simulácia (príbuzný koncept hologramu) je teoretik Niklas Bostrum. Uvádza, že realita, ktorú vnímame, je len simulácia, ktorú si neuvedomujeme. Vedec navrhol, že ak dokážete vytvoriť spoľahlivú simuláciu celej civilizácie alebo dokonca celého vesmíru pomocou dostatočne výkonného počítača a simulovaní ľudia môžu zažiť vedomie, je veľmi pravdepodobné, že takýchto tvorov bude veľké množstvo. simulácie vytvorené vyspelými civilizáciami – a my žijeme v jednej z nich, v niečom podobnom „Matrixu“.

Čas nie je nekonečný

Takže možno je čas prelomiť paradigmy? Ich odhalenie nie je v dejinách vedy a fyziky ničím novým. Veď geocentrizmus, poňatie priestoru ako neaktívneho javiska a univerzálneho času bolo možné vyvrátiť z presvedčenia, že vesmír je statický, z viery v bezohľadnosť merania...

lokálna paradigma už nie je tak dobre informovaný, ale aj on je mŕtvy. Erwin schrödinger a ďalší tvorcovia kvantovej mechaniky si všimli, že pred aktom merania náš fotón, podobne ako slávna mačka umiestnená v krabici, ešte nie je v určitom stave, je polarizovaný vertikálne a horizontálne súčasne. Čo by sa mohlo stať, keby sme umiestnili dva zapletené fotóny veľmi ďaleko od seba a skúmali ich stav oddelene? Teraz vieme, že ak je fotón A horizontálne polarizovaný, potom musí byť fotón B vertikálne polarizovaný, aj keby sme ho umiestnili o miliardu svetelných rokov skôr. Obidve častice nemajú pred meraním presný stav, no po otvorení jednej škatuľky druhá hneď „vie“, akú vlastnosť má nadobudnúť. Dochádza k nejakej mimoriadnej komunikácii, ktorá sa odohráva mimo čas a priestor. Podľa novej teórie zapletenia už lokalita nie je istotou a dve zdanlivo oddelené častice sa môžu správať ako referenčný rámec, pričom ignorujú detaily, ako je vzdialenosť.

Keďže veda sa zaoberá rôznymi paradigmami, prečo by nemohla rozbiť ustálené názory, ktoré pretrvávajú v mysliach fyzikov a opakujú sa vo výskumných kruhoch? Možno to bude spomínaná supersymetria, možno viera v existenciu temnej energie a hmoty, alebo možno myšlienka Veľkého tresku a expanzie vesmíru?

Doteraz prevládal názor, že vesmír sa rozpína ​​stále väčšou rýchlosťou a zrejme v tom bude pokračovať donekonečna. Existujú však fyzici, ktorí si všimli, že teória večnej expanzie vesmíru a najmä jej záver, že čas je nekonečný, predstavuje problém pri výpočte pravdepodobnosti výskytu udalosti. Niektorí vedci tvrdia, že v najbližších 5 miliardách rokov pravdepodobne vyprší čas kvôli nejakej katastrofe.

fyzika Rafael Busso z Kalifornskej univerzity a kolegovia publikovali článok na arXiv.org vysvetľujúci, že vo večnom vesmíre sa aj tie najneuveriteľnejšie udalosti skôr či neskôr stanú – a navyše sa stanú nekonečne veľa krát. Keďže pravdepodobnosť je definovaná z hľadiska relatívneho počtu udalostí, nemá zmysel uvádzať žiadnu pravdepodobnosť vo večnosti, pretože každá udalosť bude rovnako pravdepodobná. „Stála inflácia má hlboké dôsledky,“ píše Busso. "Akákoľvek udalosť, ktorá má nenulovú pravdepodobnosť výskytu, sa stane nekonečne veľakrát, najčastejšie vo vzdialených oblastiach, ktoré nikdy neboli v kontakte." To podkopáva základ pravdepodobnostných predpovedí v miestnych experimentoch: ak v lotérii vyhrá nekonečný počet pozorovateľov v celom vesmíre, na základe čoho potom môžete povedať, že výhra v lotérii je nepravdepodobná? Samozrejme, aj nevýhercov je nekonečne veľa, ale v akom zmysle je ich viac?

Jedným z riešení tohto problému, vysvetľujú fyzici, je predpokladať, že čas vyprší. Potom bude existovať konečný počet udalostí a nepravdepodobné udalosti sa budú vyskytovať menej často ako pravdepodobné.

Tento moment „strihu“ definuje množinu určitých povolených udalostí. Fyzici sa teda pokúsili vypočítať pravdepodobnosť, že čas vyprší. Je uvedených päť rôznych spôsobov ukončenia času. V týchto dvoch scenároch existuje 50-percentná šanca, že sa tak stane o 3,7 miliardy rokov. Zvyšné dve majú 50% šancu do 3,3 miliardy rokov. V piatom scenári (Planckov čas) zostáva veľmi málo času. S vysokou pravdepodobnosťou môže byť dokonca v ... nasledujúcej sekunde.

Nefungovalo to?

Našťastie tieto výpočty predpovedajú, že väčšina pozorovateľov sú takzvané Boltzmannove deti, ktoré vychádzajú z chaosu kvantových fluktuácií v ranom vesmíre. Pretože väčšina z nás nie je, fyzici tento scenár zamietli.

„Hranicu možno považovať za objekt s fyzikálnymi vlastnosťami vrátane teploty,“ píšu autori vo svojom článku. „Po dosiahnutí konca času hmota dosiahne termodynamickú rovnováhu s horizontom. Je to podobné ako pri opise hmoty padajúcej do čiernej diery, ktorú vytvoril vonkajší pozorovateľ.“

Kozmická inflácia a multivesmír

Prvým predpokladom je, že Vesmír sa neustále rozširuje do nekonečnačo je dôsledkom všeobecnej teórie relativity a je dobre potvrdené experimentálnymi údajmi. Druhým predpokladom je, že pravdepodobnosť je založená na relatívna frekvencia udalostí. Napokon, tretím predpokladom je, že ak je časopriestor skutočne nekonečný, potom jediný spôsob, ako určiť pravdepodobnosť udalosti, je obmedziť vašu pozornosť konečná podmnožina nekonečného multivesmíru.

Bude to dávať zmysel?

Smolinove a Ungerove argumenty, ktoré tvoria základ tohto článku, naznačujú, že náš vesmír môžeme skúmať len experimentálne, odmietajúc pojem multivesmír. Medzitým analýza údajov zozbieraných európskym vesmírnym teleskopom Planck odhalila prítomnosť anomálií, ktoré môžu naznačovať dlhotrvajúcu interakciu medzi naším vesmírom a iným vesmírom. Len pozorovanie a experiment teda poukazujú na iné vesmíry.

Anomálie objavené Planckovým observatóriom

Niektorí fyzici teraz špekulujú, že ak existuje bytosť nazývaná Multivesmír a všetky vesmíry, z ktorých sa skladá, vznikli počas jediného Veľkého tresku, mohlo sa to stať medzi nimi. strety. Podľa výskumu tímu Planck Observatory by tieto zrážky boli do istej miery podobné zrážke dvoch mydlových bublín, pričom by na vonkajšom povrchu vesmírov zanechali stopy, ktoré by teoreticky mohli byť zaregistrované ako anomálie v distribúcii žiarenia mikrovlnného pozadia. Zaujímavé je, že signály zaznamenané Planckovým teleskopom naznačujú, že nejaký druh vesmíru blízko nás je veľmi odlišný od nášho, pretože rozdiel medzi počtom subatomárnych častíc (baryónov) a fotónov v ňom môže byť dokonca desaťkrát väčší ako „ tu". . To by znamenalo, že základné fyzikálne princípy sa môžu líšiť od toho, čo poznáme.

Zistené signály pravdepodobne pochádzajú z ranej éry vesmíru - tzv rekombináciakeď sa protóny a elektróny prvýkrát začali spájať a vytvárať atómy vodíka (pravdepodobnosť signálu z relatívne blízkych zdrojov je cca 30%). Prítomnosť týchto signálov môže naznačovať zosilnenie procesu rekombinácie po zrážke nášho Vesmíru s iným, s vyššou hustotou baryónovej hmoty.

V situácii, keď sa hromadia rozporuplné a najčastejšie čisto teoretické dohady, niektorí vedci citeľne strácajú trpezlivosť. Dôkazom toho je silné vyhlásenie Neila Turoka z Perimeter Institute vo Waterloo v Kanade, ktorého v roku 2015 v rozhovore pre NewScientist rozčuľovalo, že „nie sme schopní pochopiť, čo nachádzame“. Dodal: „Teória je čoraz zložitejšia a sofistikovanejšia. Na problém vrháme po sebe nasledujúce polia, merania a symetrie, dokonca aj kľúčom, ale nevieme vysvetliť tie najjednoduchšie fakty. Mnohým fyzikom očividne vadí, že mentálne cesty moderných teoretikov, ako napríklad vyššie uvedené úvahy alebo teória superstrun, nemajú nič spoločné s experimentmi, ktoré sa v súčasnosti vykonávajú v laboratóriách, a neexistuje dôkaz, že by sa dali testovať. experimentálne. .

Je to naozaj slepá ulička a je potrebné sa z nej dostať, ako to navrhuje Smolin a jeho priateľ filozof? Alebo možno hovoríme o zmätku a zmätku pred nejakým epochálnym objavom, ktorý nás čoskoro čaká?

Pozývame vás, aby ste sa oboznámili s Témou čísla v.