Пределы физики и физического эксперимента

Сто лет назад ситуация в физике была прямо противоположна сегодняшней. В руках ученых были результаты проверенных экспериментов, многократно повторявшихся, которые, однако, зачастую невозможно было объяснить с помощью существующих физических теорий. Опыт явно предшествовал теории. Теоретикам пришлось приступить к работе.

В настоящее время чаша весов склоняется к теоретикам, чьи модели сильно отличаются от того, что видно из возможных экспериментов, таких как теории струн. И кажется, что нерешенных задач в физике становится все больше и больше (1).

1. Важнейшие современные направления и проблемы физики – визуализация

Известный польский физик, проф. Анджей Старушкевич во время дебатов «Пределы познания в физике» в июне 2010 года в Академии Игнатианума в Кракове сказал: «Область знания чрезвычайно выросла за последнее столетие, но область невежества выросла еще больше. (…) Открытие общей теории относительности и квантовой механики — это монументальные достижения человеческой мысли, сравнимые с достижениями Ньютона, но они приводят к вопросу о взаимосвязи между двумя структурами, вопросу, шкала сложности которого просто шокирует. В этой ситуации естественно возникают вопросы: сможем ли мы это сделать? Окажутся ли наша решимость и воля докопаться до истины соизмеримыми с трудностями, с которыми мы столкнулись?»

Экспериментальный тупик

Вот уже несколько месяцев мир физики оживлен спорами больше, чем обычно. В журнале Nature Джордж Эллис и Джозеф Силк опубликовали статью в защиту целостности физики, критикуя тех, кто все чаще готов отложить на неопределенное «завтра» эксперименты по проверке новейших космологических теорий. Они должны характеризоваться «достаточной элегантностью» и пояснительной ценностью. «Это ломает многовековую научную традицию, согласно которой научное знание — это эмпирически доказанное знание», — гремят ученые. Факты ясно показывают «экспериментальный тупик» в современной физике.

Самые последние теории о природе и строении мира и Вселенной, как правило, не поддаются проверке доступными человечеству экспериментами.

Открыв бозон Хиггса, ученые «завершили» Стандартную модель. Однако мир физики далеко не удовлетворен. Мы знаем обо всех кварках и лептонах, но понятия не имеем, как совместить это с теорией гравитации Эйнштейна. Мы не знаем, как объединить квантовую механику с гравитацией, чтобы создать гипотетическую теорию квантовой гравитации. Мы также не знаем, что такое Большой взрыв (и был ли он на самом деле!) (2).

В настоящее время, назовем это классическими физиками, следующим шагом после Стандартной модели является суперсимметрия, предсказывающая, что у каждой известной нам элементарной частицы есть «партнер».

Это удваивает общее количество строительных блоков материи, но теория прекрасно вписывается в математические уравнения и, что важно, дает шанс разгадать тайну космической темной материи. Остается только дождаться результатов экспериментов на Большом адронном коллайдере, которые подтвердят существование суперсимметричных частиц.

Однако из Женевы о таких открытиях пока ничего не слышно. Конечно, это только начало новой версии БАК, с удвоенной энергией столкновения (после недавнего ремонта и модернизации). Через несколько месяцев они могут стрелять пробками из-под шампанского в честь суперсимметрии. Однако если бы этого не произошло, многие физики считают, что суперсимметричные теории должны были бы постепенно изыматься, как и суперструна, в основе которой лежит суперсимметрия. Потому что, если Большой коллайдер не подтвердит эти теории, что тогда?

Однако есть и некоторые ученые, которые так не считают. Потому что теория суперсимметрии слишком «красива, чтобы быть неверной».

Поэтому они намерены переоценить свои уравнения, чтобы доказать, что массы суперсимметричных частиц просто находятся за пределами диапазона LHC. Теоретики очень правы. Их модели хорошо объясняют явления, которые можно измерить и проверить экспериментально. Поэтому можно спросить, почему мы должны исключать развитие тех теорий, которые мы (пока) не можем узнать эмпирически. Является ли это разумным и научным подходом?

Вселенная из ничего

Естественные науки, особенно физика, основаны на натурализме, т. е. на вере в то, что мы можем объяснить все с помощью сил природы. Задача науки сводится к рассмотрению связи между различными величинами, описывающими явления или некоторые структуры, существующие в природе. Физика не занимается проблемами, которые нельзя описать математически, которые нельзя повторить. Это, среди прочего, причина ее успеха. Математическое описание, использованное для моделирования природных явлений, оказалось чрезвычайно эффективным. Достижения естествознания вылились в их философские обобщения. Были созданы такие направления, как механистическая философия или научный материализм, которые перенесли результаты естественных наук, полученные до конца XNUMX века, в область философии.

Казалось, что мы можем знать весь мир, что в природе существует полный детерминизм, потому что мы можем определить, как планеты будут двигаться через миллионы лет, или как они двигались миллионы лет назад. Эти достижения породили гордость, абсолютизировавшую человеческий разум. В решающей степени методологический натурализм стимулирует развитие естествознания и сегодня. Есть, однако, некоторые точки отсечки, которые, кажется, свидетельствуют об ограничениях натуралистической методологии.

Если Вселенная ограничена в объеме и возникла «из ничего» (3), не нарушая законов сохранения энергии, например как флуктуация, то в ней не должно быть изменений. Тем временем мы наблюдаем за ними. Пытаясь решить эту проблему на основе квантовой физики, мы приходим к выводу, что только сознательный наблюдатель актуализирует возможность существования такого мира. Вот почему мы задаемся вопросом, почему та конкретная, в которой мы живем, была создана из множества разных вселенных. Вот и приходим к выводу, что только когда на Земле появился человек, мир – как мы наблюдаем – действительно “стал”…

Как измерения влияют на события, произошедшие миллиард лет назад?

4. Эксперимент Уиллера – визуализация

Один из современных физиков, Джон Арчибальд Уилер, предложил космическую версию знаменитого эксперимента с двумя щелями. В его мысленной конструкции свет от квазара, удаленного от нас на миллиард световых лет, проходит по двум противоположным сторонам галактики (4). Если наблюдатели будут наблюдать каждый из этих путей отдельно, они увидят фотоны. Если оба сразу, то они увидят волну. Так что сам акт наблюдения меняет природу света, который покинул квазар миллиард лет назад!

Для Уилера вышеизложенное доказывает, что Вселенная не может существовать в физическом смысле, по крайней мере, в том смысле, в каком мы привыкли понимать «физическое состояние». Такого не может быть и в прошлом, пока… мы не провели измерение. Таким образом, наше текущее измерение влияет на прошлое. Своими наблюдениями, обнаружениями и измерениями мы формируем события прошлого, глубоко во времени, вплоть до… начала Вселенной!

Нил Турок из Института периметра в Ватерлоо, Канада, сказал в июльском номере New Scientist, что «мы не можем понять то, что обнаруживаем. Теория становится все более и более сложной и изощренной. Мы бросаемся в задачу с последовательными полями, размерностями и симметриями, даже с гаечным ключом, но не можем объяснить простейшие факты». Многих физиков явно раздражает ситуация, при которой современные мысленные путешествия теоретиков, такие как приведенные выше соображения или теория суперструн, не имеют ничего общего с экспериментами, проводимыми в настоящее время в лабораториях, и нет возможности проверить их экспериментально.

В квантовом мире нужно смотреть шире

Как однажды сказал лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман, никто на самом деле не понимает квантовый мир. В отличие от старого доброго ньютоновского мира, в котором взаимодействия двух тел с определенными массами вычисляются уравнениями, в квантовой механике у нас есть уравнения, из которых они не столько вытекают, сколько являются результатом странного поведения, наблюдаемого в экспериментах. Объекты квантовой физики не должны быть связаны ни с чем «физическим», и их поведение является областью абстрактного многомерного пространства, называемого гильбертовым пространством.

Там происходят изменения, описываемые уравнением Шрёдингера, но почему именно, неизвестно. Можно ли это изменить? Возможно ли вообще вывести квантовые законы из принципов физики, как десятки законов и принципов, например, касающихся движения тел в космическом пространстве, были выведены из принципов Ньютона? Ученые из Университета Павии в Италии Джакомо Мауро Д’Ариано, Джулио Чирибелла и Паоло Перинотти утверждают, что даже квантовые явления, явно противоречащие здравому смыслу, можно зафиксировать в измеримых экспериментах. Все, что вам нужно, это правильная перспектива – возможно, непонимание квантовых эффектов происходит из-за недостаточно широкого взгляда на них. По мнению вышеупомянутых ученых в «New Scientist», осмысленные и измеримые эксперименты в квантовой механике должны соответствовать нескольким условиям. Это:

• kawżalità – будущие явления не могут влиять на прошлые события;
• различимость – состояния мы должны уметь отделять друг от друга как отдельные;
• композиция – если мы знаем все стадии процесса, мы знаем весь процесс;
• kompressjoni – существуют способы передачи важной информации о чипе без необходимости передачи всего чипа;
• томография – если мы имеем систему, состоящую из многих частей, статистики измерений по частям достаточно для выявления состояния всей системы.

Итальянцы хотят расширить свои принципы очистки, более широкой перспективы и проведения осмысленных экспериментов, включив в них также необратимость термодинамических явлений и принцип возрастания энтропии, которые не впечатляют физиков. Возможно, и здесь на наблюдения и измерения влияют артефакты перспективы — слишком узкой, чтобы постичь всю систему. «Фундаментальная истина квантовой теории заключается в том, что полные шума необратимые изменения можно сделать обратимыми, добавив к описанию новый макет», — говорит один итальянский ученый Джулио Чирибелла в интервью New Scientist.

К сожалению, говорят скептики, «очищение» экспериментов и более широкая перспектива измерения могут привести к гипотезе множественности миров, в которой возможен любой результат и в которой ученые, думая, что измеряют правильный ход событий, просто «выбирают “определенный континуум по их измерению.

5. Стрелки времени в виде стрелок часов

Ebda ħin?

Понятие о так называемом Стрелы времени (5) были введены в 1927 году британским астрофизиком Артуром Эддингтоном. Эта стрелка указывает на время, которое всегда течет в одном направлении, т. е. из прошлого в будущее, и этот процесс нельзя повернуть вспять. Стивен Хокинг в своей «Краткой истории времени» писал, что беспорядок увеличивается со временем, потому что мы измеряем время в том направлении, в котором увеличивается беспорядок. Это означало бы, что у нас есть выбор — мы можем, например, сначала наблюдать осколки разбитого стекла, разбросанные по полу, затем момент, когда стекло падает на пол, затем стекло в воздухе и, наконец, в руке человек, держащий его. Не существует научного правила, согласно которому «психологическая стрела времени» должна идти в том же направлении, что и термодинамическая стрела, и энтропия системы увеличивается. Однако многие ученые считают, что это так потому, что в мозгу человека происходят энергетические изменения, подобные тем, что мы наблюдаем в природе. У мозга есть энергия действовать, наблюдать и рассуждать, потому что человеческий «двигатель» сжигает топливо-пищу и, как и в двигателе внутреннего сгорания, этот процесс необратим.

Однако бывают случаи, когда при сохранении одного и того же направления психологической стрелы времени энтропия как увеличивается, так и уменьшается в разных системах. Например, при сохранении данных в памяти компьютера. Модули памяти в машине переходят из неупорядоченного состояния в порядок записи на диск. Таким образом, энтропия в компьютере снижается. Однако любой физик скажет, что с точки зрения Вселенной в целом – она ​​растет, потому что для записи на диск нужна энергия, и эта энергия рассеивается в виде тепла, выделяемого машиной. Так появляется небольшое «психологическое» сопротивление установленным законам физики. Нам трудно считать, что то, что выходит с шумом от вентилятора, важнее, чем запись произведения или другой ценности в память. А что, если кто-то напишет на своем ПК аргумент, который перевернет современную физику, теорию объединения взаимодействий или Теорию всего? Нам было бы трудно принять мысль, что, несмотря на это, общий беспорядок во Вселенной увеличился.

Еще в 1967 году появилось уравнение Уилера-ДеВитта, из которого следовало, что времени как такового не существует. Это была попытка математически объединить идеи квантовой механики и общей теории относительности, шаг к теории квантовой гравитации, т.е. желаемой всеми учеными Теории Всего. Только в 1983 году физики Дон Пейдж и Уильям Вуттерс предложили объяснение того, что проблему времени можно обойти, используя концепцию квантовой запутанности. Согласно их концепции, можно измерить только свойства уже определенной системы. С математической точки зрения это предложение означало, что часы в отрыве от системы не работают и запускаются только тогда, когда они запутаны с определенной вселенной. Однако если бы кто-то взглянул на нас из другой вселенной, он увидел бы нас как статические объекты, и только их прибытие к нам вызвало бы квантовую запутанность и буквально заставило бы нас почувствовать течение времени.

Эта гипотеза легла в основу работы ученых из научно-исследовательского института в Турине, Италия. Физик Марко Дженовезе решил построить модель, учитывающую специфику квантовой запутанности. Удалось воссоздать физический эффект, указывающий на правильность этого рассуждения. Создана модель Вселенной, состоящая из двух фотонов.

Одна пара была ориентирована – вертикально поляризована, а другая горизонтально. Их квантовое состояние и, следовательно, их поляризация затем обнаруживаются серией детекторов. Получается, что до тех пор, пока не достигнуто наблюдение, которое в конечном итоге определяет систему отсчета, фотоны находятся в классической квантовой суперпозиции, т.е. они были ориентированы как вертикально, так и горизонтально. Это означает, что наблюдатель, считывающий показания часов, определяет квантовую запутанность, влияющую на Вселенную, частью которой он становится. Затем такой наблюдатель способен воспринимать поляризацию последовательных фотонов на основе квантовой вероятности.

Эта концепция очень заманчива, поскольку объясняет многие проблемы, но естественным образом приводит к необходимости «сверхнаблюдателя», который был бы выше всех детерминизмов и контролировал бы все в целом.

6. Мультивселенная – визуализация

То, что мы наблюдаем и что мы субъективно воспринимаем как «время», на самом деле является продуктом измеримых глобальных изменений в мире вокруг нас. По мере того, как мы углубляемся в мир атомов, протонов и фотонов, мы понимаем, что понятие времени становится все менее и менее важным. По мнению ученых, часы, которые сопровождают нас каждый день, с физической точки зрения не измеряют его прохождение, а помогают нам организовать нашу жизнь. Для тех, кто привык к ньютоновским концепциям универсального и всеобъемлющего времени, эти концепции вызывают шок. Но не только научные традиционалисты их не принимают. Выдающийся физик-теоретик Ли Смолин, ранее упомянутый нами как один из возможных лауреатов Нобелевской премии этого года, считает, что время существует и вполне реально. Когда-то — как и многие физики — он утверждал, что время — это субъективная иллюзия.

Теперь в своей книге «Reborn Time» он излагает совершенно иной взгляд на физику и критикует популярную в научном сообществе теорию струн. По его словам, мультивселенная не существует (6), потому что мы живем в одной вселенной и в одно и то же время. Он считает, что время имеет первостепенное значение и что наше переживание реальности настоящего момента — не иллюзия, а ключ к пониманию фундаментальной природы реальности.

Энтропия ноль

Санду Попеску, Тони Шорт, Ноа Линден (7) и Андреас Винтер описали свои открытия в 2009 году в журнале Physical Review E, которые показали, что объекты достигают равновесия, то есть состояния равномерного распределения энергии, входя в состояния квантовой запутанности со своим окружением. В 2012 году Тони Шорт доказал, что запутанность вызывает невозмутимость за конечное время. Когда объект взаимодействует с окружающей средой, например, когда частицы в чашке кофе сталкиваются с воздухом, информация об их свойствах «просачивается» наружу и становится «размытой» во всей окружающей среде. Потеря информации приводит к стагнации состояния кофе, даже если состояние чистоты всей комнаты продолжает меняться. По словам Попеску, ее состояние со временем перестает меняться.

7. Ноа Линден, Санду Попеску и Тони Шорт

По мере изменения состояния чистоты помещения кофе может внезапно перестать смешиваться с воздухом и войти в свое собственное чистое состояние. Однако состояний, смешанных с окружающей средой, гораздо больше, чем чистых состояний, доступных кофе, и поэтому практически никогда не бывает. Эта статистическая невероятность создает впечатление, что стрела времени необратима. Проблема стрелы времени размыта квантовой механикой, что затрудняет определение природы.

Элементарная частица не имеет точных физических свойств и определяется только вероятностью пребывания в различных состояниях. Например, в любой момент времени частица может иметь 50-процентный шанс повернуться по часовой стрелке и 50-процентный шанс повернуться в противоположном направлении. Теорема, подкрепленная опытом физика Джона Белла, утверждает, что истинного состояния частицы не существует и что им остается руководствоваться вероятностью.

Тогда квантовая неопределенность приводит к путанице. Когда две частицы взаимодействуют, они даже не могут быть определены сами по себе, независимо развивая вероятности, известные как чистое состояние. Вместо этого они становятся запутанными компонентами более сложного распределения вероятностей, которое обе частицы описывают вместе. Это распределение может решить, например, будут ли частицы вращаться в противоположном направлении. Система в целом находится в чистом состоянии, но состояние отдельных частиц связано с другой частицей.

Таким образом, оба могут путешествовать на много световых лет друг от друга, и вращение каждого останется коррелированным с другим.

Новая теория стрелы времени описывает это как потерю информации из-за квантовой запутанности, которая направляет чашку кофе в равновесие с окружающей комнатой. В конце концов, комната достигает равновесия с внешней средой, а она, в свою очередь, медленно приближается к равновесию с остальной вселенной. Старые ученые, изучавшие термодинамику, рассматривали этот процесс как постепенное рассеивание энергии, увеличивающее энтропию Вселенной.

Сегодня физики считают, что информация становится все более и более рассеянной, но никогда полностью не исчезает. Хотя энтропия увеличивается локально, они считают, что общая энтропия Вселенной остается постоянной на нуле. Однако один аспект стрелы времени остается нерешенным. Ученые утверждают, что способность человека помнить прошлое, но не будущее, также можно понимать как формирование отношений между взаимодействующими частицами. Когда мы читаем сообщение на листе бумаги, мозг связывается с ним через фотоны, достигающие глаз.

Только с этого момента мы можем вспомнить, что говорит нам это сообщение. Попеску считает, что новая теория не объясняет, почему начальное состояние Вселенной было далеко от равновесия, добавляя, что следует объяснить природу Большого взрыва. Некоторые исследователи высказывают сомнения по поводу этого нового подхода, но развитие этой концепции и нового математического формализма теперь помогает решать теоретические вопросы термодинамики.

Доберитесь до зерен пространства-времени

Физика черных дыр, по-видимому, указывает, как предполагают некоторые математические модели, что наша Вселенная вовсе не трехмерна. Несмотря на то, что говорят нам наши чувства, реальность вокруг нас может быть голограммой — проекцией далекой плоскости, на самом деле двухмерной. Если эта картина Вселенной верна, иллюзия трехмерной природы пространства-времени может быть развеяна, как только имеющиеся в нашем распоряжении исследовательские инструменты станут адекватно чувствительными. Крейг Хоган, профессор физики в Фермилабе, посвятивший годы изучению фундаментальной структуры Вселенной, предполагает, что этот уровень только что был достигнут.

8. Детектор гравитационных волн GEO600

Если вселенная — голограмма, то, возможно, мы только что достигли пределов разрешения реальности. Некоторые физики выдвигают интригующую гипотезу о том, что пространство-время, в котором мы живем, не является в конечном счете непрерывным, а, подобно изображению с цифровой фотографии, на самом базовом уровне состоит из определенных «зерен» или «пикселей». Если это так, наша реальность должна иметь какое-то окончательное «разрешение». Именно так некоторые исследователи интерпретировали «шум», появившийся в результатах детектора гравитационных волн GEO600 (8).

Чтобы проверить эту экстраординарную гипотезу, Крейг Хоган, физик, занимающийся волны гравитационных волн, он и его команда разработали самый точный в мире интерферометр, названный голометром Хогана, который предназначен для наиболее точного измерения самой базовой сущности пространства-времени. Эксперимент под кодовым названием Fermilab E-990 не является одним из многих других. Этот призван продемонстрировать квантовую природу самого пространства и наличие того, что ученые называют «голографическим шумом».

Голометр состоит из двух интерферометров, расположенных рядом. Они направляют однокиловаттные лазерные лучи на устройство, которое расщепляет их на два перпендикулярных луча длиной 40 метров, которые отражаются и возвращаются в точку разделения, создавая колебания яркости световых лучей (9). Если они вызовут определенное движение в устройстве деления, то это будет свидетельством вибрации самого пространства.

9. Rappreżentazzjoni grafika tal-esperiment olografiku

Самая большая задача команды Хогана — доказать, что обнаруженные ими эффекты — это не просто возмущения, вызванные факторами, находящимися за пределами экспериментальной установки, а результат вибраций пространства-времени. Поэтому используемые в интерферометре зеркала будут синхронизированы с частотами всех мельчайших шумов, исходящих извне прибора, улавливаемых специальными датчиками.

Антропная вселенная

Для того чтобы мир и человек в нем существовали, законы физики должны иметь вполне конкретную форму, а физические константы – точно подобранные значения… и они есть! Почему?

Начнем с того, что во Вселенной существует четыре типа взаимодействий: гравитационное (падение, планеты, галактики), электромагнитное (атомы, частицы, трение, упругость, свет), слабое ядерное (источник звездной энергии) и сильное ядерное (связывает протоны и нейтроны в атомных ядрах). Гравитация в 1039 раз слабее электромагнетизма. Будь она чуть слабее, звезды были бы легче Солнца, не взорвались бы сверхновые, не образовались бы тяжелые элементы. Если бы он был хоть чуть-чуть сильнее, существа крупнее бактерий были бы раздавлены, а звезды часто сталкивались бы, уничтожая планеты и слишком быстро сжигая себя.

Плотность Вселенной близка к критической плотности, то есть ниже которой вещество быстро рассеялось бы без образования галактик или звезд, а выше которой Вселенная прожила бы слишком недолго. Для возникновения таких условий точность согласования параметров Большого взрыва должна была быть в пределах ±10-60. Начальные неоднородности молодой Вселенной были по шкале 10-5. Если бы они были меньше, галактики бы не образовались. Если бы они были больше, вместо галактик образовались бы огромные черные дыры.

Симметрия частиц и античастиц во Вселенной нарушена. А на каждый барион (протон, нейтрон) приходится 109 фотонов. Если бы их было больше, галактики не могли бы образоваться. Если бы их было меньше, не было бы звезд. Кроме того, количество измерений, в которых мы живем, кажется «правильным». Сложные структуры не могут возникнуть в двух измерениях. При наличии более четырех (три измерения плюс время) существование стабильных планетарных орбит и энергетических уровней электронов в атомах становится проблематичным.

10. Человек как центр Вселенной

Понятие антропного принципа было введено Брэндоном Картером в 1973 году на конференции в Кракове, посвященной 500-летию со дня рождения Коперника. В общем виде его можно сформулировать так, что наблюдаемая Вселенная должна соответствовать условиям, которым она отвечает, чтобы быть наблюдаемой нами. До сих пор существуют разные его версии. Слабый антропный принцип утверждает, что мы можем существовать только во вселенной, которая делает наше существование возможным. Если бы значения констант были другими, мы бы никогда этого не увидели, потому что нас бы там не было. Сильный антропный принцип (преднамеренное объяснение) говорит, что вселенная такова, что мы можем существовать (10).

С точки зрения квантовой физики любое количество вселенных могло возникнуть без причины. Мы попали в конкретную вселенную, которая должна была выполнить ряд тонких условий, чтобы в ней жил человек. Тогда мы говорим об антропном мире. Для верующего, например, достаточно одной антропной Вселенной, созданной Богом. Материалистическое мировоззрение этого не принимает и предполагает, что существует множество вселенных или что нынешняя вселенная является лишь стадией в бесконечной эволюции мультивселенной.

Автором современной версии гипотезы Вселенной как симуляции является теоретик Ник Бостром (Niklas Boström). Согласно ему, реальность, которую мы воспринимаем, является всего лишь симуляцией, которую мы не осознаем. Ученый предположил, что если можно создать достоверную симуляцию целой цивилизации или даже всей вселенной с помощью достаточно мощного компьютера, и смоделированные люди могут испытывать сознание, то весьма вероятно, что развитые цивилизации создали просто большое количество таких симуляций, и мы живем в одной из них в чем-то сродни «Матрице» (11).

Здесь были произнесены слова «Бог» и «Матрица». Вот мы и подошли к пределу разговоров о науке. Многие, в том числе и ученые, считают, что именно из-за беспомощности экспериментальной физики наука начинает входить в области, противоречащие реализму, пахнущие метафизикой и научной фантастикой. Остается надеяться, что физика преодолеет свой эмпирический кризис и снова найдет способ радоваться как экспериментально проверяемая наука.