Gdzie popełniliśmy błąd?

Fizyka znalazła się w nieprzyjemnym ślepym zaułku. Chociaż ma swój własny Model Standardowy, uzupełniony niedawno o cząstkę Higgsa, wszystkie te postępy niewiele wyjaśniają wielkie współczesne tajemnice, ciemną energię, ciemną materię, grawitację, asymetrie materia-antymateria, a nawet oscylacje neutrin.

Roberto Unger i Lee Smolin

Lee Smolin, znanego fizyka, od lat wymienianego jako jednego z poważnych kandydatów do Nagrody Nobla, opublikowanej niedawno wraz z filozofem Roberto Ungerem, książkę „Pojedynczy wszechświat i rzeczywistość czasu”. W nim autorzy analizują, każdy z punktu widzenia swojej dyscypliny, zagmatwany stan współczesnej fizyki. „Nauka zawodzi, gdy opuszcza sferę eksperymentalnej weryfikacji i możliwości zaprzeczenia” – piszą. Wzywają fizyków do cofnięcia się w czasie i poszukiwania nowego początku.

Ich oferty są dość specyficzne. Na przykład Smolin i Unger chcą, abyśmy wrócili do koncepcji Jeden wszechświat. Powód jest prosty - doświadczamy tylko jednego wszechświata, a jeden z nich można zbadać naukowo, podczas gdy twierdzenia o istnieniu ich wielości są nieweryfikowalne empirycznie.. Inne założenie, które Smolin i Unger proponują zaakceptować, jest następujące. rzeczywistość czasunie dawać teoretykom szansy na oderwanie się od istoty rzeczywistości i jej przeobrażeń. I wreszcie autorzy nakłaniają do powstrzymania zamiłowania do matematyki, która w swoich „pięknych” i eleganckich wzorach odrywa się od świata realnie doświadczanego i możliwego. sprawdź eksperymentalnie.

Kto zna „matematyczne piękno” teoria strun, ten ostatni z łatwością rozpoznaje swoją krytykę w powyższych postulatach. Problem jest jednak bardziej ogólny. W wielu wypowiedziach i publikacjach uważa się dziś, że fizyka znalazła się w ślepym zaułku. Musieliśmy gdzieś po drodze popełnić błąd, przyznaje wielu badaczy.

Więc Smolin i Unger nie są sami. Kilka miesięcy temu w "Nature" George Ellis i Józef Jedwab opublikował artykuł na temat ochrona integralności fizykikrytykując tych, którzy są coraz bardziej skłonni odkładać na nieokreślony czas eksperymenty „jutra” w celu przetestowania różnych „modnych” teorii kosmologicznych. Powinny charakteryzować się „wystarczającą elegancją” i wartością wyjaśniającą. „To łamie wielowiekową tradycję naukową, że wiedza naukowa to wiedza. empirycznie potwierdzonenaukowcy przypominają. Fakty wyraźnie pokazują „eksperymentalny impas” współczesnej fizyki.. Najnowsze teorie o naturze i budowie świata i Wszechświata z reguły nie dają się zweryfikować dostępnymi ludzkości eksperymentami.

Supersymetryczne analogi cząstek - wizualizacja

Odkrywając bozon Higgsa, naukowcy „osiągnęli” Model standardowy. Jednak świat fizyki jest daleki od zadowolenia. Wiemy o wszystkich kwarkach i leptonach, ale nie mamy pojęcia, jak pogodzić to z teorią grawitacji Einsteina. Nie wiemy, jak połączyć mechanikę kwantową z grawitacją, aby stworzyć spójną teorię grawitacji kwantowej. Nie wiemy też, czym jest Wielki Wybuch (ani czy naprawdę był).

Obecnie nazwijmy to fizykami głównego nurtu, widzą oni następny krok po Modelu Standardowym w: supersymetria (SUSY), który przewiduje, że każda znana nam cząstka elementarna ma symetrycznego „partnera”. Podwaja to całkowitą liczbę elementów budulcowych materii, ale teoria doskonale pasuje do równań matematycznych i, co ważne, daje szansę rozwikłania tajemnicy kosmicznej ciemnej materii. Pozostało tylko czekać na wyniki eksperymentów w Wielkim Zderzaczu Hadronów, które potwierdzą istnienie cząstek supersymetrycznych.

Jednak żadne takie odkrycia nie zostały jeszcze usłyszane z Genewy. Jeśli nic nowego nie wyłania się z eksperymentów LHC, wielu fizyków uważa, że ​​teorie supersymetryczne powinny zostać po cichu wycofane, a także nadbudowaktóra opiera się na supersymetrii. Są naukowcy, którzy są gotowi jej bronić, nawet jeśli nie znajduje ona eksperymentalnego potwierdzenia, ponieważ teoria SUSA jest „zbyt piękna, by mogła być fałszywa”. Jeśli to konieczne, zamierzają ponownie ocenić swoje równania, aby udowodnić, że masy supersymetrycznych cząstek są po prostu poza zakresem LHC.

Anomalia anomalia pogańska

Wrażenia - łatwo powiedzieć! Kiedy jednak np. fizykom udaje się umieścić mion na orbicie wokół protonu i proton „puchnie”, wtedy ze znaną nam fizyką zaczynają dziać się dziwne rzeczy. Powstaje cięższa wersja atomu wodoru i okazuje się, że jądro, czyli proton w takim atomie jest większy (tj. ma większy promień) niż „zwykły” proton.

Fizyka, jaką znamy, nie potrafi wyjaśnić tego zjawiska. Mion, lepton zastępujący elektron w atomie, powinien zachowywać się jak elektron – i tak się dzieje, ale dlaczego ta zmiana wpływa na wielkość protonu? Fizycy tego nie rozumieją. Może przezwyciężą to, ale... poczekaj chwilę. Wielkość protonu jest związana z aktualnymi teoriami fizycznymi, zwłaszcza z Modelem Standardowym. Teoretycy zaczęli wyładowywać tę niewytłumaczalną interakcję nowy rodzaj podstawowej interakcji. Na razie jest to jednak tylko spekulacja. Po drodze przeprowadzono eksperymenty z atomami deuteru, wierząc, że neutron w jądrze może wpływać na efekty. Protony były jeszcze większe z mionami w pobliżu niż z elektronami.

Kolejną stosunkowo nową osobliwością fizyczną jest istnienie, które pojawiło się w wyniku badań naukowców z Trinity College Dublin. nowa forma światła. Jedną z mierzonych cech światła jest jego moment pędu. Do tej pory uważano, że w wielu formach światła moment pędu jest wielokrotnością stała Plancka. Tymczasem dr. Kyle Ballantine i profesor Paul Eastham i John Donegan odkryli formę światła, w której moment pędu każdego fotonu jest połową stałej Plancka.

To niezwykłe odkrycie pokazuje, że nawet podstawowe właściwości światła, o których myśleliśmy, że są stałe, można zmienić. Będzie to miało realny wpływ na badanie natury światła i znajdzie praktyczne zastosowania, na przykład w bezpiecznej komunikacji optycznej. Od lat 80. fizycy zastanawiali się, w jaki sposób cząstki poruszają się tylko w dwóch wymiarach trójwymiarowej przestrzeni. Odkryli, że mielibyśmy wówczas do czynienia z wieloma niezwykłymi zjawiskami, w tym z cząstkami, których wartości kwantowe byłyby ułamkami. Teraz udowodniono, że działa na światło. To bardzo interesujące, ale oznacza to, że wiele teorii wciąż wymaga aktualizacji. A to dopiero początek połączenia z nowymi odkryciami, które wnoszą fermentację do fizyki.

Rok temu w mediach pojawiły się informacje, które w swoim eksperymencie potwierdzili fizycy z Cornell University. Kwantowy efekt Zenona – możliwość zatrzymania układu kwantowego jedynie poprzez prowadzenie ciągłych obserwacji. Jej nazwa pochodzi od starożytnego greckiego filozofa, który twierdził, że ruch jest iluzją niemożliwą w rzeczywistości. Praca polega na połączeniu starożytnej myśli ze współczesną fizyką Baidyanatha Egipt i George Sudarshan z University of Texas, który opisał ten paradoks w 1977 roku. David Wineland, amerykański fizyk i laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, z którym MT rozmawiał w listopadzie 2012 roku, dokonał pierwszej eksperymentalnej obserwacji efektu Zenona, ale naukowcy nie zgodzili się, czy jego eksperyment potwierdził istnienie tego zjawiska.

Wizualizacja eksperymentu Wheeler

W zeszłym roku dokonał nowego odkrycia Mukund Vengalattorektóry wraz ze swoim zespołem badawczym przeprowadził eksperyment w ultrazimnym laboratorium na Cornell University. Naukowcy stworzyli i schłodzili gaz zawierający około miliarda atomów rubidu w komorze próżniowej i zawiesili masę między wiązkami laserowymi. Atomy zorganizowały się i utworzyły system sieci - zachowywały się tak, jakby znajdowały się w ciele krystalicznym. W bardzo zimne dni mogli przemieszczać się z miejsca na miejsce z bardzo małą prędkością. Fizycy obserwowali je pod mikroskopem i oświetlali laserowym systemem obrazowania, aby mogli je zobaczyć. Gdy laser był wyłączony lub przy niskim natężeniu, atomy swobodnie tunelowały, ale w miarę jak wiązka lasera stawała się jaśniejsza i pomiary były wykonywane częściej, Szybkość penetracji gwałtownie spadła.

Vengalattore podsumował swój eksperyment następująco: „Teraz mamy wyjątkową możliwość kontrolowania dynamiki kwantowej wyłącznie poprzez obserwację”. Czy myśliciele „idealistyczni”, od Zenona po Berkeley, byli wyśmiewani w „erze rozumu”, czy mieli rację, że przedmioty istnieją tylko dlatego, że na nie patrzymy?

Ostatnio często pojawiają się różne anomalie i niespójności z (podobno) teoriami, które ustabilizowały się przez lata. Kolejny przykład pochodzi z obserwacji astronomicznych – kilka miesięcy temu okazało się, że wszechświat rozszerza się szybciej niż sugerują znane modele fizyczne. Według artykułu Nature z kwietnia 2016 r. pomiary przeprowadzone przez naukowców z Johns Hopkins University były o 8% wyższe niż oczekiwała współczesna fizyka. Naukowcy zastosowali nową metodę analiza tzw. świec standardowych, tj. źródła światła są uważane za stabilne. Ponownie, komentarze społeczności naukowej mówią, że te wyniki wskazują na poważny problem z obecnymi teoriami.

Jeden z wybitnych współczesnych fizyków, John Archibald Wheelerzaproponował kosmiczną wersję znanego wówczas eksperymentu z podwójną szczeliną. W jego mentalnym projekcie światło od kwazara, miliard lat świetlnych stąd, przechodzi przez dwie przeciwne strony galaktyki. Jeśli obserwatorzy będą obserwować każdą z tych ścieżek osobno, zobaczą fotony. Jeśli obaj naraz, zobaczą falę. Stąd Sam akt obserwacji zmienia naturę światłaktóry opuścił kwazar miliard lat temu.

Według Wheelera powyższe dowodzi, że wszechświat nie może istnieć w sensie fizycznym, przynajmniej w takim sensie, w jakim przywykliśmy rozumieć „stan fizyczny”. Tak też nie mogło być w przeszłości, dopóki... nie zrobimy pomiaru. W ten sposób nasz obecny wymiar wpływa na przeszłość. Tak więc dzięki naszym obserwacjom, detekcjom i pomiarom kształtujemy wydarzenia z przeszłości, cofając się w czasie, aż do… początku Wszechświata!

Kończy się rozdzielczość hologramu

Fizyka czarnej dziury zdaje się wskazywać, jak sugerują przynajmniej niektóre modele matematyczne, że nasz wszechświat nie jest tym, czym podpowiadają nam nasze zmysły, czyli jest trójwymiarowy (czwarty wymiar, czas, jest informowany przez umysł). Otaczająca nas rzeczywistość może być hologram jest rzutem zasadniczo dwuwymiarowej, dalekiej płaszczyzny. Jeśli ten obraz wszechświata jest poprawny, złudzenie trójwymiarowości czasoprzestrzeni może zostać rozwiane, gdy tylko narzędzia badawcze, którymi dysponujemy, staną się odpowiednio czułe. Craig Hogan, profesor fizyki w Fermilab, który spędził lata badając fundamentalną strukturę wszechświata, sugeruje, że ten poziom właśnie został osiągnięty. Jeśli wszechświat jest hologramem, być może osiągnęliśmy granice rozdzielczości rzeczywistości. Niektórzy fizycy wysunęli intrygującą hipotezę, że czasoprzestrzeń, w której żyjemy, nie jest ostatecznie ciągła, ale, podobnie jak obraz na fotografii cyfrowej, na najbardziej podstawowym poziomie składa się z pewnego rodzaju „ziarna” lub „piksela”. Jeśli tak, to nasza rzeczywistość musi mieć jakieś ostateczne „rozwiązanie”. Tak niektórzy badacze zinterpretowali „szum”, który pojawił się w wynikach detektora fal grawitacyjnych Geo600 kilka lat temu.

Aby przetestować tę niezwykłą hipotezę, Craig Hogan i jego zespół opracowali najdokładniejszy na świecie interferometr, zwany Holometr Hoganaco powinno dać nam najdokładniejszy pomiar samej istoty czasoprzestrzeni. Eksperyment o kryptonimie Fermilab E-990 nie jest jednym z wielu innych. Ma na celu zademonstrowanie kwantowej natury samej przestrzeni i obecności tego, co naukowcy nazywają „hałasem holograficznym”. Holometr składa się z dwóch umieszczonych obok siebie interferometrów, które wysyłają jednokilowatowe wiązki laserowe do urządzenia, które dzieli je na dwie prostopadłe wiązki 40-metrowe. Odbijają się i wracają do punktu separacji, tworząc wahania jasności promieni świetlnych. Jeśli spowodują pewien ruch w urządzeniu dzielącym, będzie to świadczyło o wibracji samej przestrzeni.

Z punktu widzenia fizyki kwantowej może powstać bez powodu. dowolna liczba wszechświatów. Znaleźliśmy się w tym szczególnym, który musiał spełniać szereg subtelnych warunków, aby człowiek mógł w nim zamieszkać. Następnie rozmawiamy o antropiczny świat. Wierzącemu wystarczy jeden antropiczny wszechświat stworzony przez Boga. Materialistyczny światopogląd nie akceptuje tego i zakłada, że ​​istnieje wiele wszechświatów lub że obecny wszechświat jest tylko etapem nieskończonej ewolucji multiwszechświata.

Autor nowoczesnej wersji Hipotezy Wszechświata jako symulacja (pokrewna koncepcja hologramu) jest teoretykiem Niklas Bostrum. Stwierdza, że ​​postrzegana przez nas rzeczywistość jest tylko symulacją, której nie jesteśmy świadomi. Naukowiec zasugerował, że jeśli można stworzyć wiarygodną symulację całej cywilizacji, a nawet całego wszechświata za pomocą wystarczająco potężnego komputera, a symulowani ludzie mogą doświadczać świadomości, to jest bardzo prawdopodobne, że takich stworzeń będzie bardzo dużo. symulacje tworzone przez zaawansowane cywilizacje - a my żyjemy w jednej z nich, w czymś na kształt "Matrixa".

Czas nie jest nieskończony

Może więc czas przełamać paradygmaty? Ich obalanie nie jest niczym szczególnie nowym w historii nauki i fizyki. W końcu udało się obalić geocentryzm, pojęcie przestrzeni jako nieaktywnego etapu i czasu uniwersalnego, z wiary w statykę Wszechświata, z wiary w bezwzględność pomiaru…

lokalny paradygmat nie jest już tak dobrze poinformowany, ale on też nie żyje. Erwin Schrödinger a inni twórcy mechaniki kwantowej zauważyli, że przed pomiarem nasz foton, podobnie jak słynny kot umieszczony w pudełku, nie jest jeszcze w pewnym stanie, będąc jednocześnie spolaryzowanym w pionie i poziomie. Co może się stać, jeśli umieścimy dwa splątane fotony bardzo daleko od siebie i osobno zbadamy ich stan? Teraz wiemy, że jeśli foton A jest spolaryzowany poziomo, to foton B musi być spolaryzowany pionowo, nawet jeśli umieściliśmy go miliard lat świetlnych wcześniej. Obie cząstki nie mają dokładnego stanu przed pomiarem, ale po otwarciu jednego z pudeł, drugie od razu „wie”, jaką właściwość powinna przyjąć. Dochodzi do niezwykłej komunikacji, która odbywa się poza czasem i przestrzenią. Zgodnie z nową teorią splątania, lokalność nie jest już pewnikiem, a dwie pozornie odrębne cząstki mogą zachowywać się jak układ odniesienia, ignorując takie szczegóły jak odległość.

Skoro nauka zajmuje się różnymi paradygmatami, dlaczego nie miałaby przełamać utrwalonych poglądów, które utrzymują się w umysłach fizyków i są powtarzane w kręgach naukowych? Może będzie to wspomniana supersymetria, może wiara w istnienie ciemnej energii i materii, a może idea Wielkiego Wybuchu i ekspansji Wszechświata?

Do tej pory dominował pogląd, że wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie i prawdopodobnie będzie to kontynuował w nieskończoność. Jednak niektórzy fizycy zauważyli, że teoria wiecznej ekspansji wszechświata, a zwłaszcza jej wniosek, że czas jest nieskończony, stwarza problem w obliczeniu prawdopodobieństwa wystąpienia zdarzenia. Niektórzy naukowcy twierdzą, że w ciągu najbliższych 5 miliardów lat prawdopodobnie skończy się czas z powodu jakiejś katastrofy.

Fizyk Rafael Busso z Uniwersytetu Kalifornijskiego wraz z kolegami opublikowali artykuł na arXiv.org wyjaśniający, że w wiecznym wszechświecie nawet najbardziej niewiarygodne wydarzenia wydarzą się prędzej czy później - a na dodatek się wydarzą nieskończoną liczbę razy. Ponieważ prawdopodobieństwo definiuje się w kategoriach względnej liczby zdarzeń, nie ma sensu określać prawdopodobieństwa w wieczności, ponieważ każde zdarzenie będzie równie prawdopodobne. „Ciągła inflacja ma poważne konsekwencje”, pisze Busso. „Każde zdarzenie, które ma niezerowe prawdopodobieństwo wystąpienia, będzie miało miejsce nieskończenie wiele razy, najczęściej w odległych regionach, które nigdy nie miały kontaktu”. To podważa podstawę probabilistycznych przewidywań w lokalnych eksperymentach: jeśli nieskończona liczba obserwatorów w całym wszechświecie wygrywa na loterii, to na jakiej podstawie możesz powiedzieć, że wygrana na loterii jest mało prawdopodobna? Oczywiście jest też nieskończenie wiele osób, które nie wygrały, ale w jakim sensie jest ich więcej?

Jak wyjaśniają fizycy, jednym z rozwiązań tego problemu jest założenie, że czas się skończy. Wtedy będzie skończona liczba zdarzeń, a mało prawdopodobne zdarzenia będą występować rzadziej niż prawdopodobne.

Ten moment „wycięcia” określa zestaw pewnych dozwolonych zdarzeń. Dlatego fizycy próbowali obliczyć prawdopodobieństwo, że czas się skończy. Podano pięć różnych metod zakończenia czasu. W tych dwóch scenariuszach istnieje 50-procentowa szansa, że ​​stanie się to za 3,7 miliarda lat. Pozostałe dwa mają 50% szans w ciągu 3,3 miliarda lat. W piątym scenariuszu (czas Plancka) pozostało bardzo mało czasu. Z dużym prawdopodobieństwem może być nawet w… następnej sekundzie.

Czy to nie zadziałało?

Na szczęście obliczenia te przewidują, że większość obserwatorów to tak zwane Dzieci Boltzmanna, wyłaniające się z chaosu fluktuacji kwantowych we wczesnym wszechświecie. Ponieważ większość z nas nie, fizycy odrzucili ten scenariusz.

„Granica może być postrzegana jako obiekt o cechach fizycznych, w tym temperaturze” – piszą autorzy w swoim artykule. „Po spotkaniu z końcem czasu materia osiągnie równowagę termodynamiczną z horyzontem. Jest to podobne do opisu materii wpadającej do czarnej dziury, dokonanego przez zewnętrznego obserwatora”.

Kosmiczna inflacja i wieloświat

Pierwsze założenie jest takie, że Wszechświat nieustannie rozszerza się do nieskończonościco jest konsekwencją ogólnej teorii względności i jest dobrze potwierdzone danymi eksperymentalnymi. Drugim założeniem jest to, że prawdopodobieństwo opiera się na względna częstotliwość zdarzeń. Wreszcie trzecie założenie jest takie, że jeśli czasoprzestrzeń jest naprawdę nieskończona, to jedynym sposobem określenia prawdopodobieństwa zdarzenia jest ograniczenie uwagi skończony podzbiór nieskończonego wieloświata.

Czy to ma sens?

Argumenty Smolin i Unger, które stanowią podstawę tego artykułu, sugerują, że możemy badać nasz wszechświat jedynie eksperymentalnie, odrzucając pojęcie wieloświata. Tymczasem analiza danych zebranych przez europejski teleskop kosmiczny Planck ujawniła obecność anomalii, które mogą wskazywać na długotrwałą interakcję między naszym wszechświatem a innym. Tak więc zwykła obserwacja i eksperyment wskazują na inne wszechświaty.

Anomalie odkryte przez Obserwatorium Planck

Niektórzy fizycy spekulują teraz, że jeśli istnieje istota zwana Multiwersem i wszystkie tworzące ją wszechświaty, powstały w jednym Wielkim Wybuchu, to mogło to zajść między nimi. starcia. Według badań zespołu Planck Observatory zderzenia te byłyby nieco podobne do zderzenia dwóch baniek mydlanych, pozostawiając ślady na zewnętrznej powierzchni wszechświatów, które teoretycznie można by zarejestrować jako anomalie w rozkładzie mikrofalowego promieniowania tła. Co ciekawe, sygnały zarejestrowane przez teleskop Plancka zdają się sugerować, że jakiś bliski nam Wszechświat bardzo różni się od naszego, ponieważ różnica między liczbą cząstek subatomowych (barionów) i fotonów w nim może być nawet dziesięciokrotnie większa niż „ tutaj". . Oznaczałoby to, że podstawowe zasady fizyczne mogą różnić się od tego, co znamy.

Wykryte sygnały prawdopodobnie pochodzą z wczesnej ery wszechświata – tzw rekombinacjakiedy protony i elektrony po raz pierwszy zaczęły się łączyć, tworząc atomy wodoru (prawdopodobieństwo sygnału ze stosunkowo pobliskich źródeł wynosi ok. 30%). Obecność tych sygnałów może świadczyć o intensyfikacji procesu rekombinacji po zderzeniu naszego Wszechświata z innym, o większej gęstości materii barionowej.

W sytuacji kumulacji sprzecznych i najczęściej czysto teoretycznych przypuszczeń, niektórzy naukowcy odczuwalnie tracą cierpliwość. Dowodem na to jest stanowcze oświadczenie Neila Turoka z Perimeter Institute w Waterloo w Kanadzie, który w wywiadzie dla NewScientist z 2015 r. był zirytowany, że „nie jesteśmy w stanie zrozumieć tego, co znajdujemy”. Dodał: „Teoria staje się coraz bardziej złożona i wyrafinowana. Rzucamy w problem kolejnymi polami, pomiarami i symetriami, nawet kluczem, ale najprostszych faktów nie potrafimy wyjaśnić. Wielu fizyków jest oczywiście zirytowanych faktem, że podróże myślowe współczesnych teoretyków, takie jak powyższe rozumowanie lub teoria superstrun, nie mają nic wspólnego z eksperymentami, które są obecnie przeprowadzane w laboratoriach i nie ma dowodów na to, że można je przetestować. doświadczalnie. .

Czy to naprawdę ślepy zaułek i trzeba z niego wyjść, jak sugeruje Smolin i jego przyjaciel filozof? A może mówimy o zamieszaniu i zamieszaniu przed jakimś epokowym odkryciem, które wkrótce nas czeka?

Zapraszamy do zapoznania się z Tematem wydania w.