Де ми помилилися?

Фізика опинилася в неприємному безвиході. Хоча він має власну Стандартну модель, нещодавно доповнену часткою Хіггса, всі ці досягнення мало допомагають у поясненні великих сучасних загадок, темної енергії, темної матерії, гравітації, асиметрії матерії та антиматерії і навіть нейтринних осциляцій.

Роберто Унгер та Лі Смолін

Лі Смолін, відомого фізика, який роками згадувався як одного з серйозних кандидатів на Нобелівську премію, нещодавно опублікованого разом з філософом Роберто Унгерем, книга "Сингулярний Всесвіт і реальність часу". У ній автори аналізують, кожен із погляду своєї дисципліни, заплутаний стан сучасної фізики. «Наука зазнає невдачі, коли вона залишає область експериментальної перевірки та можливості заперечення», — пишуть вони. Вони закликають фізиків повернутися у минуле та шукати нового початку.

Їхні пропозиції досить специфічні. Смолін та Унгер, наприклад, хочуть, щоб ми повернулися до концепції Один всесвіт. Причина проста – ми переживаємо тільки один всесвіт, і одна з них може бути досліджена науково, тоді як твердження про існування їх множинності емпірично не піддаються перевірці.. Ще одне припущення, яке пропонують прийняти Смолін та Унгер, полягає в наступному. реальність часущоб не дати теоретикам шансу уникнути сутності реальності та її трансформацій. І, нарешті, автори закликають стримувати захоплення математикою, яка у своїх «красивих» та витончених моделях відривається від реально переживаного та можливого світу. експериментально перевірити.

Хто знає "математично красиво" струнна теорія, остання легко розпізнає її критику у наведених вище постулатах. Проте проблема загальніша. Багато заяв та публікацій сьогодні вважають, що фізика зайшла в глухий кут. Мабуть, десь на цьому шляху ми припустилися помилки, визнають багато дослідників.

Так що Смолін та Унгер не самотні. Кілька місяців тому у «Природі» Джордж Елліс i Джозеф Шелк опублікував статтю про захист цілісності фізикишляхом критики тих, хто дедалі більше схильний відкладати на невизначене «завтра» експерименти з перевірки різних «модних» космологічних теорій. Вони повинні характеризуватись «достатньою елегантністю» та пояснювальною цінністю. «Це ламає багатовікову наукову традицію, згідно з якою наукове знання є знанням. емпірично підтверджений- Нагадують вчені. Факти ясно показують «експериментальний глухий кут» сучасної фізики.. Нові теорії про природу і будову світу та Всесвіту, як правило, не піддаються перевірці доступними людству експериментами.

Суперсиметричні аналоги частинок – візуалізація

Відкривши бозон Хіггса, вчені «добилися» стандартна модель. Проте світ фізики далеко ще не задоволений. Ми знаємо про всі кварки та лептони, але поняття не маємо, як поєднати це з теорією гравітації Ейнштейна. Ми не знаємо, як поєднати квантову механіку з гравітацією, щоб створити послідовну теорію квантової гравітації. Ми також не знаємо, що таке Великий вибух (і чи був він насправді).

В даний час, назвемо це мейнстрімними фізиками, вони бачать наступний крок після Стандартної моделі в суперсиметрія (SUSY), який передбачає, що кожна відома нам елементарна частка має симетричного «партнера». Це подвоює загальну кількість будівельних блоків для матерії, але теорія чудово вписується в математичні рівняння і, що важливо, дає шанс розгадати таємницю космічної темної матерії. Залишалося лише дочекатися результатів експериментів на Великому адронному колайдері, що підтвердять існування суперсиметричних частинок.

Проте з Женеви про подібні відкриття поки що нічого не чути. Якщо нічого нового з експериментів на ВАК, як і раніше, не виникне, багато фізиків вважають, що суперсиметричні теорії слід потихеньку вилучати, як і надбудоваякий заснований на суперсиметрії. Є вчені, які готові захищати її, навіть якщо вона не знаходить експериментального підтвердження, адже теорія SUSA «надто красива, щоб бути неправдою». При необхідності вони мають намір переоцінити свої рівняння, щоб довести, що маси суперсиметричних часток просто перебувають поза діапазону LHC.

Аномалія язичницька аномалія

Враження – легко сказати! Однак коли, наприклад, фізикам вдається вивести мюон на орбіту навколо протона, і протон «розпухає», то з відомою фізикою починають відбуватися дивні речі. Створюється важка версія атома водню і виявляється, що ядро, тобто. протон у такому атомі, більший (тобто має більший радіус), ніж «звичайний» протон.

Фізика, яку ми знаємо, неспроможна пояснити це. Мюон, лептон, який замінює електрон в атомі, повинен поводитися як електрон — і поводиться, але чому ця зміна впливає на розмір протона? Фізики цього не розуміють. Можливо, вони могли б подолати це, але зачекайте хвилинку. Розмір протона пов'язаний із поточними фізичними теоріями, особливо зі стандартною моделлю. Теоретики почали вентилювати цю незрозумілу взаємодію новий вид фундаментальної взаємодії. Однак поки що це лише припущення. Принагідно проводилися експерименти з атомами дейтерію, вважаючи, що нейтрон в ядрі може впливати на ефекти. Протони були ще більше з мюонами довкола, ніж з електронами.

Ще одна відносно нова фізична дивина - це існування, що з'явилося в результаті досліджень вчених із Трініті-коледжу в Дубліні. нова форма світла. Однією з характеристик світла, що вимірюються, є його кутовий момент. До цього часу вважалося, що у багатьох формах світла кутовий момент кратен постійна Планка. Тим часом д-р Кайл Баллантайн та професора Пол Істхем i Джон Донеган відкрив форму світла, в якій кутовий момент кожного фотона дорівнює половині постійної Планки.

Це чудове відкриття показує, що навіть основні властивості світла, які ми вважали незмінними, можуть бути змінені. Це вплине на дослідження природи світла і знайде практичне застосування, наприклад, у безпечному оптичному зв'язку. З 80-х років фізики задавалися питанням, як поводяться частинки, що рухаються лише у двох вимірах тривимірного простору. Вони виявили, що тоді ми матимемо справу з багатьма незвичайними явищами, у тому числі частинками, квантові значення яких будуть дробами. Тепер це було підтверджено для світла. Це дуже цікаво, але це означає, що багато теорій ще потребують оновлення. І це лише початок зв'язку з новими відкриттями, які бродять у фізику.

Рік тому у ЗМІ з'явилася інформація, яку фізики з Корнельського університету підтвердили у своєму експерименті. Квантовий ефект Зенона – можливість зупинення квантової системи лише шляхом проведення безперервних спостережень. Він названий на честь давньогрецького філософа, який стверджував, що рух - це ілюзія, яка неможлива в реальності. Зв'язок давньої думки із сучасною фізикою — це робота Байдьянатха Єгипет i Джорджа Сударшана з Техаського університету, який описав цей парадокс у 1977 році. Девід Вайнленд, американський фізик та лауреат Нобелівської премії з фізики, з яким «МТ» спілкувався у листопаді 2012 року, зробив перше експериментальне спостереження ефекту Зенона, але вчені розійшлися в думках, чи підтвердив його експеримент існування явища.

Візуалізація експерименту Віллера

Минулого року він зробив нове відкриття Мукунд Венгалаттореякий разом зі своєю дослідницькою групою провів експеримент у ультрахолодовій лабораторії Корнельського університету. Вчені створили та охолодили газ приблизно з одного мільярда атомів рубідії у вакуумній камері та підвісили масу між лазерними променями. Атоми організувалися й утворили ґратчасту систему — вони поводилися так, начебто перебували у кристалічному тілі. У дуже холодну погоду вони могли пересуватися з місця на місце на дуже низькій швидкості. Фізики спостерігали за ними під мікроскопом та підсвічували їх за допомогою системи лазерної візуалізації, щоб вони могли їх побачити. Коли лазер був вимкнений або світив малою інтенсивністю, атоми вільно тунелювали, але в міру того, як лазерний промінь ставав яскравішим і вимірювання проводилися частіше, швидкість проходки різко знизилася.

Венгалатторе резюмував свій експеримент так: «Тепер у нас є унікальна можливість керувати квантовою динамікою виключно за допомогою спостереження». Чи висміювалися «ідеалістичні» мислителі, від Зенона до Берклі, в «епоху розуму», чи мали вони рацію в тому, що об'єкти існують тільки тому, що ми дивимося на них?

Останнім часом часто з'являються різні аномалії та нестиковки з роками, що стабілізувалися (мабуть) теоріями. Інший приклад виходить з астрономічних спостережень - кілька місяців тому з'ясувалося, що Всесвіт розширюється швидше, ніж припускають відомі фізичні моделі. Згідно зі статтею в журналі Nature за квітень 2016 року, вимірювання, проведені вченими Університету Джона Хопкінса, виявилися на 8% вищими, ніж очікувалося сучасною фізикою. Вчені використали новий метод аналіз так званого стандартні свічки, тобто. джерела світла вважаються стабільними. Знову ж таки, коментарі наукової спільноти кажуть, що ці результати вказують на серйозну проблему із поточними теоріями.

Один із видатних сучасних фізиків, Джон Арчібальд Вілер, запропонував космічну версію відомого на той час експерименту з двома щілинами. У його уявної конструкції світло від квазара, що у мільярді світлових років від нас, проходить з двох протилежним сторонам галактики. Якщо спостерігачі спостерігатимуть кожен із цих шляхів окремо, вони побачать фотони. Якщо обидва одразу, то вони побачать хвилю. Отже Сем акт спостереження змінює природу світлаякий залишив квазар мільярд років тому.

Згідно з Уїлером, вищевикладене доводить, що Всесвіт не може існувати у фізичному сенсі, принаймні в тому сенсі, в якому ми звикли розуміти «фізичний стан». Такого не може бути й у минулому, поки що... ми не провели вимір. Таким чином, наш поточний вимір впливає на минуле. Отже, своїми спостереженнями, виявленнями та вимірами ми формуємо події минулого, назад у часі, аж до… початку Всесвіту!

Дозвіл голограми закінчується

Фізика чорних дірок, здається, вказує, як припускають, принаймні, деякі математичні моделі, що наш Всесвіт не такий, як нам кажуть наші почуття, тобто тривимірна (четверте вимір — час — повідомляється розумом). Реальність, яка оточує нас, може бути голограма - Проекція істотно двовимірної, дальньої площини. Якщо ця картина Всесвіту вірна, ілюзія тривимірної природи простору-часу може бути розвіяна, щойно наявні в нашому розпорядженні дослідницькі інструменти стануть адекватно чутливими. Крейг ХоганПрофесор фізики Фермілаба, який присвятив роки вивченню фундаментальної структури Всесвіту, припускає, що цей рівень щойно був досягнутий. Якщо Всесвіт — голограма, можливо, ми досягли меж дозволу реальності. Деякі фізики висувають інтригуючу гіпотезу про те, що простір-час, у якому ми живемо, не є зрештою безперервним, а, подібно до зображення на цифровій фотографії, на самому базовому рівні складається з якогось «зерна» або «пікселя». Якщо це так, наша реальність повинна мати якийсь остаточний дозвіл. Саме так деякі дослідники інтерпретували шум, що з'явився в результатах детектора гравітаційних хвиль Geo600 кілька років тому.

Щоб перевірити цю незвичайну гіпотезу, Крейг Хоган та його команда розробили найточніший у світі інтерферометр, названий голометр Хоганаякий має дати нам найточніший вимір самої сутності простору-часу. Експеримент під кодовою назвою Fermilab E-990 не є одним із багатьох інших. Він має продемонструвати квантову природу самого простору та наявність того, що вчені називають «голографічним шумом». Голометр складається з двох розташованих поруч інтерферометрів, які посилають лазерні промені потужністю один кіловат на пристрій, який поділяє їх на два перпендикулярні 40-метрові промені. Вони відбиваються і повертаються до точки поділу, створюючи коливання яскравості світлових променів. Якщо вони викличуть певний рух у пристрої розподілу, це буде свідченням вібрації самого простору.

З погляду квантової фізики міг виникнути без причини. будь-яку кількість всесвітів. Ми опинилися в цьому конкретному, який повинен був відповідати низці тонких умов, щоб у ньому жила людина. Ми тоді говоримо про антропний світ. Для віруючого достатньо одного антропного Всесвіту, створеного Богом. Матеріалістичне світогляд цього не приймає і припускає, що існує безліч всесвітів або що нинішній всесвіт є лише стадією в безкінечній еволюції мультивсесвіту.

Автор сучасної версії Гіпотези Всесвіту як симуляція (Споріднене поняття голограми) є теоретиком Ніклас Бострум. У ньому йдеться, що реальність, яку ми сприймаємо, є лише симуляцією, про яку ми не знаємо. Вчений припустив, що якщо можна створити достовірну симуляцію цілої цивілізації або навіть всього всесвіту за допомогою досить потужного комп'ютера, а змодельовані люди зможуть випробувати свідомість, ймовірно, що таких істот буде велика кількість. симуляції, створені розвиненими цивілізаціями — і ми живемо в одній із них, у чомусь схожа на «Матрицю».

Час не нескінченний

То може час ламати парадигми? У їхньому розвінчанні немає нічого особливо нового в історії науки та фізики. Адже можна було скинути геоцентризм, уявлення про простір як бездіяльну сцену та універсальний час, від віри в те, що Всесвіт статичний, від віри в безжалісність виміру…

Місцева парадигма він уже не так добре поінформований, але він також помер. Ервін Шредінгер та інші творці квантової механіки помітили, що до акта вимірювання наш фотон, подібно до знаменитого кота, поміщеного в коробку, ще не знаходиться в певному стані, будучи поляризованим вертикально і горизонтально одночасно. Що може статися, якщо ми помістимо два заплутані фотони дуже далеко один від одного і будемо досліджувати їхній стан окремо? Тепер ми знаємо, що якщо фотон А виявляється горизонтально поляризованим, то фотон повинен бути поляризований вертикально, навіть якщо ми помістили його раніше за мільярд світлових років. Обидві частинки немає точного стану до виміру, але після відкриття однієї з коробок інша відразу «знає», яку властивість вона має прийняти. Справа доходить до якогось екстраординарного спілкування, що відбувається поза часом та простором. Згідно з новою теорією заплутаності, локальність більше не є чимось певним, і дві окремі частки, що здаються окремими, можуть поводитися як система координат, що ігнорує такі деталі, як відстань.

Оскільки наука має справу з різними парадигмами, чому б їй не зруйнувати усталені погляди, які зберігаються в умах фізиків і повторюються у дослідницьких колах? Можливо, це буде вищезгадана суперсиметрія, можливо, віра в існування темної енергії та матерії, а може, ідея Великого Вибуху та розширення Всесвіту?

Досі переважала точка зору, згідно з якою Всесвіт розширюється дедалі швидшими темпами і, ймовірно, робитиме це нескінченно. Однак є деякі фізики, які відзначили, що теорія вічного розширення Всесвіту, і особливо її висновок про те, що час нескінченно, представляє проблему при обчисленні ймовірності настання події. Деякі вчені стверджують, що в найближчі 5 мільярдів років час, ймовірно, спливе через якусь катастрофу.

фізик Рафаель Буссо з Каліфорнійського університету та колеги опублікували на порталі arXiv.org статтю, яка пояснює, що у вічному всесвіті навіть найнеймовірніші події рано чи пізно відбудуться — до того ж вони відбуватимуться. нескінченну кількість разів. Оскільки ймовірність визначається термінах відносного числа подій, у вічності немає сенсу вказувати якусь ймовірність, оскільки кожна подія буде рівноймовірним. "Вічна інфляція має глибокі наслідки", - пише Буссо. «Будь-яка подія, що має ненульову ймовірність виникнення, відбуватиметься нескінченно багато разів, найчастіше у віддалених регіонах, між якими ніколи не було контакту». Це підриває основу імовірнісних пророцтв у локальних експериментах: якщо в лотерею виграє нескінченна кількість спостерігачів по всьому Всесвіту, то на якій підставі можна говорити, що виграш у лотерею малоймовірний? Звичайно, не переможців теж нескінченно багато, але в якому сенсі їх більше?

Одне з вирішень цієї проблеми, пояснюють фізики, полягає у тому, щоб припустити, що час спливе. Тоді буде кінцева кількість подій, і малоймовірні події відбуватимуться рідше, ніж ймовірні.

Цей «розрізний» момент визначає набір певних дозволених подій. Тому фізики намагалися вирахувати ймовірність того, що час закінчиться. Дано п'ять різних методів закінчення часу. У двох сценаріях є 50-відсоткова ймовірність того, що це станеться через 3,7 мільярда років. У двох інших ймовірність 50% протягом 3,3 мільярда років. У п'ятому сценарії залишилося дуже мало часу (Час Планка). З великою часткою ймовірності він може виявитися навіть у наступну секунду.

Це не спрацювало?

На щастя, ці розрахунки передбачають, що більшість спостерігачів є так званими Діти Больцмана, які з хаосу квантових флуктуацій раннього Всесвіту. Оскільки більшість із нас не є такими, фізики відкинули цей сценарій.

"Кордон можна розглядати як об'єкт з фізичними атрибутами, включаючи температуру", - пишуть автори у своїй статті. «Зустрівши кінець часу, матерія досягне термодинамічної рівноваги з горизонтом. Це схоже на опис падіння матерії в чорну дірку, зроблену стороннім спостерігачем».

Космічна інфляція та мультивсесвіт

Перше припущення у тому, що Всесвіт постійно розширюється до безкінечностіщо є наслідком загальної теорії відносності та добре підтверджується експериментальними даними. Друге припущення полягає в тому, що ймовірність заснована на відносна частота подій. Нарешті, третє припущення полягає в тому, що якщо простір-час справді нескінченний, то єдиний спосіб визначити ймовірність події – це обмежити свою увагу кінцеве підмножина нескінченного мультивсесвіту.

Чи матиме це сенс?

Аргументи Смоліна та Унгера, що є основою цієї статті, припускають, що ми можемо лише експериментально досліджувати наш всесвіт, відкидаючи поняття мультивсесвіту. Тим часом аналіз даних, зібраних європейським космічним телескопом «Планк», виявив наявність аномалій, які можуть вказувати на давню взаємодію між нашим Всесвітом та іншим. Таким чином, просто спостереження та експеримент вказують на інші всесвіти.

Аномалії, виявлені обсерваторією Планка

В даний час деякі фізики припускають, що якщо існує істота, звана Мультівсесвіт, і всі складові його всесвіту виникли в результаті одного Великого вибуху, то це могло статися між ними. зіткнення. Згідно з дослідженнями групи обсерваторії Планка, ці зіткнення були чимось схожі на зіткнення двох мильних бульбашок, залишаючи сліди на зовнішній поверхні всесвітів, які теоретично можна було б зареєструвати як аномалії у розподілі реліктового мікрохвильового випромінювання. Цікаво, що сигнали, зафіксовані телескопом «Планк», як би припускають, що якийсь близький до нас Всесвіт сильно відрізняється від нашого, адже різниця між кількістю субатомних частинок (баріонів) та фотонів у ній може бути навіть у десять разів більша, ніж "Тут". . Це означало б, що основні фізичні принципи можуть відрізнятись від того, що ми знаємо.

Виявлені сигнали, ймовірно, виходять із ранньої ери Всесвіту — так званого рекомбінаціяколи протони та електрони вперше почали зливатися разом із утворенням атомів водню (ймовірність сигналу від відносно близьких джерел становить близько 30%). Наявність цих сигналів може свідчити про посилення процесу рекомбінації після зіткнення нашого Всесвіту з іншого, з більш високою щільністю баріонної речовини.

У ситуації, коли накопичуються суперечливі та найчастіше суто теоретичні домисли, деякі вчені помітно втрачають терпіння. Про це свідчить різка заява Ніла Турока з Інституту периметра у Ватерлоо, Канада, який в інтерв'ю NewScientist у 2015 році був роздратований тим, що «ми не можемо осмислити те, що виявляємо». Він додав: «Теорія стає все більш складною та витонченою. Ми кидаємо в завдання послідовні поля, виміри та симетрії, навіть гайковим ключем, але не можемо пояснити найпростіші факти». Багатьох фізиків явно дратує той факт, що сучасні уявні подорожі теоретиків, такі як міркування вище або теорія суперструн, не мають нічого спільного з експериментами, які зараз проводяться в лабораторіях, і немає жодних доказів того, що їх можна перевірити експериментально. .

Невже це глухий кут і з нього треба вийти, як пропонують Смолін і його друг філософ? А може, йдеться про сум'яття і плутанину перед якимось епохальним відкриттям, яке скоро нас чекає?

Пропонуємо вам ознайомитись з Темою номера в .