Waar het ons verkeerd gegaan?

Fisika het hom in 'n onaangename doodloopstraat bevind. Alhoewel dit sy eie Standaardmodel het, onlangs aangevul deur die Higgs-deeltjie, verduidelik al hierdie vooruitgang min die groot moderne raaisels, donker energie, donker materie, swaartekrag, materie-antimaterie-asimmetrieë en selfs neutrino-ossillasies.

Roberto Unger en Lee Smolin

Lee Smolin, 'n bekende fisikus wat al vir jare genoem word as een van die ernstige kandidate vir die Nobelprys, wat onlangs saam met die filosoof gepubliseer is Roberto Ungerem, die boek "The Singular Universe and the Reality of Time". Daarin ontleed die skrywers, elk vanuit die oogpunt van hul dissipline, die verwarde toestand van moderne fisika. "Wetenskap misluk wanneer dit die gebied van eksperimentele verifikasie en die moontlikheid van ontkenning verlaat," skryf hulle. Hulle spoor fisici aan om terug te gaan in tyd en na 'n nuwe begin te soek.

Hul aanbiedinge is redelik spesifiek. Smolin en Unger wil byvoorbeeld hê dat ons na die konsep moet terugkeer Een heelal. Die rede is eenvoudig - ons ervaar net een heelal, en een daarvan kan wetenskaplik ondersoek word, terwyl aansprake van die bestaan ​​van hul pluraliteit empiries onverifieerbaar is.. Nog 'n aanname wat Smolin en Unger voorstel om te aanvaar, is soos volg. werklikheid van tydnie om teoretici kans te gee om weg te kom van die wese van die werklikheid en sy transformasies nie. En laastens dring die skrywers daarop aan om die passie vir wiskunde te bedwing, wat in sy “pragtige” en elegante modelle wegbreek van die werklik ervare en moontlike wêreld. eksperimenteel nagaan.

Wie weet "wiskundige mooi" snaarteorie, herken laasgenoemde maklik sy kritiek in bogenoemde postulate. Die probleem is egter meer algemeen. Baie stellings en publikasies glo vandag dat fisika 'n doodloopstraat bereik het. Ons moes iewers langs die pad 'n fout gemaak het, erken baie navorsers.

So Smolin en Unger is nie alleen nie. 'n Paar maande gelede in "Natuur" George Ellis i Josef Silk 'n artikel gepubliseer oor die integriteit van fisika te beskermdeur diegene wat meer en meer geneig is om te kritiseer na 'n onbepaalde "môre" eksperimente uit te stel om verskeie "modieuse" kosmologiese teorieë te toets. Hulle moet gekenmerk word deur "voldoende elegansie" en verduidelikende waarde. “Dit verbreek die eeue-oue wetenskaplike tradisie dat wetenskaplike kennis kennis is. empiries bevestigwetenskaplikes herinner. Die feite toon duidelik die "eksperimentele impasse" van moderne fisika.. Die jongste teorieë oor die aard en struktuur van die wêreld en die Heelal kan as 'n reël nie geverifieer word deur eksperimente wat tot die mensdom beskikbaar is nie.

Supersimmetriese deeltjie-analoë - visualisering

Deur die Higgs-boson te ontdek, het wetenskaplikes "bereik" Standaardmodel. Die wêreld van fisika is egter nog lank nie tevrede nie. Ons weet van al die kwarks en leptone, maar ons het geen idee hoe om dit met Einstein se swaartekragteorie te versoen nie. Ons weet nie hoe om kwantummeganika met swaartekrag te kombineer om 'n samehangende teorie van kwantumswaartekrag te skep nie. Ons weet ook nie wat die Oerknal is nie (of daar werklik een was nie).

Op die oomblik, kom ons noem dit hoofstroom fisici, sien hulle die volgende stap na die Standaard Model in supersimmetrie (SUSY), wat voorspel dat elke elementêre deeltjie wat aan ons bekend is, 'n simmetriese "vennoot" het. Dit verdubbel die totale aantal boustene vir materie, maar die teorie pas perfek in die wiskundige vergelykings en, belangriker, bied 'n kans om die raaisel van kosmiese donker materie te ontrafel. Dit het net oorgebly om te wag vir die resultate van eksperimente by die Large Hadron Collider, wat die bestaan ​​van supersimmetriese deeltjies sal bevestig.

Geen sulke ontdekkings is egter nog van Genève gehoor nie. As daar nog niks nuuts uit LHC-eksperimente na vore kom nie, glo baie fisici dat supersimmetriese teorieë stilweg teruggetrek moet word, asook bobouwat op supersimmetrie gebaseer is. Daar is wetenskaplikes wat gereed is om dit te verdedig, selfs al vind dit nie eksperimentele bevestiging nie, want die SUSA-teorie is "te mooi om vals te wees." Indien nodig, beoog hulle om hul vergelykings te herevalueer om te bewys dat supersimmetriese deeltjiemassas bloot buite die omvang van die LHC is.

Anomalie heidense anomalie

Indrukke – dis maklik om te sê! Wanneer fisici egter daarin slaag om 'n muon in 'n wentelbaan om 'n proton te plaas, en die proton "swel", dan begin vreemde dinge gebeur met die fisika wat aan ons bekend is. ’n Swaarder weergawe van die waterstofatoom word geskep en dit blyk dat die kern, m.a.w. die proton in so 'n atoom is groter (d.w.s. het 'n groter radius) as die "gewone" proton.

Fisika soos ons dit ken kan nie hierdie verskynsel verklaar nie. Die muon, die lepton wat die elektron in die atoom vervang, moet soos 'n elektron optree – en dit doen dit, maar hoekom beïnvloed hierdie verandering die grootte van die proton? Fisici verstaan ​​dit nie. Miskien kan hulle daaroor kom, maar... wag 'n bietjie. Die grootte van die proton hou verband met huidige fisika-teorieë, veral die Standaardmodel. Teoretici het hierdie onverklaarbare interaksie begin uitblaas 'n nuwe soort fundamentele interaksie. Dit is egter slegs spekulasie tot dusver. Langs die pad is eksperimente met deuteriumatome uitgevoer, met die mening dat 'n neutron in die kern die effekte kan beïnvloed. Protone was selfs groter met muone rondom as met elektrone.

Nog 'n relatief nuwe fisiese eienaardigheid is die bestaan ​​wat na vore gekom het as gevolg van navorsing deur wetenskaplikes van Trinity College Dublin. nuwe vorm van lig. Een van die gemete kenmerke van lig is sy hoekmomentum. Tot nou toe is geglo dat in baie vorme van lig, die hoekmomentum 'n veelvoud van is Planck se konstante. Intussen het dr. Kyle Ballantine en professor Paul Eastham i John Donegan 'n vorm van lig ontdek waarin die hoekmomentum van elke foton die helfte van Planck se konstante is.

Hierdie merkwaardige ontdekking toon dat selfs die basiese eienskappe van lig wat ons gedink het konstant is, verander kan word. Dit sal 'n werklike impak hê op die studie van die aard van lig en sal praktiese toepassings vind, byvoorbeeld in veilige optiese kommunikasie. Sedert die 80's het fisici gewonder hoe deeltjies in slegs twee dimensies van driedimensionele ruimte beweeg. Hulle het gevind dat ons dan met baie ongewone verskynsels te doen sou hê, insluitend deeltjies waarvan die kwantumwaardes breuke sou wees. Nou is dit bewys vir lig. Dit is baie interessant, maar dit beteken dat baie teorieë nog bygewerk moet word. En dit is slegs die begin van die verband met nuwe ontdekkings wat fermentasie na fisika bring.

’n Jaar gelede het inligting in die media verskyn wat fisici van Cornell Universiteit in hul eksperiment bevestig het. Quantum Zeno effek – die moontlikheid om 'n kwantumstelsel te stop slegs deur deurlopende waarnemings uit te voer. Dit is vernoem na die antieke Griekse filosoof wat beweer het dat beweging 'n illusie is wat in werklikheid onmoontlik is. Die verbinding van antieke denke met moderne fisika is die werk Baidyanatha Egipte i George Sudarshan van die Universiteit van Texas, wat hierdie paradoks in 1977 beskryf het. David Wineland, 'n Amerikaanse fisikus en Nobelpryswenner in fisika, met wie MT in November 2012 gepraat het, het die eerste eksperimentele waarneming van die Zeno-effek gemaak, maar wetenskaplikes het nie saamgestem of sy eksperiment die bestaan ​​van die verskynsel bevestig het nie.

Visualisering van die Wheeler-eksperiment

Verlede jaar het hy 'n nuwe ontdekking gemaak Mukund Vengalattorewat saam met sy navorsingspan 'n eksperiment by die ultrakoue laboratorium by Cornell Universiteit uitgevoer het. Die wetenskaplikes het 'n gas van ongeveer een biljoen rubidiumatome in 'n vakuumkamer geskep en afgekoel en die massa tussen laserstrale opgeskort. Die atome het hulself georganiseer en 'n traliestelsel gevorm - hulle het gedra asof hulle in 'n kristallyne liggaam was. In baie koue weer kon hulle teen baie lae spoed van plek tot plek beweeg. Die fisici het hulle onder 'n mikroskoop waargeneem en hulle met 'n laserbeeldstelsel verlig sodat hulle hulle kon sien. Wanneer die laser afgeskakel of teen lae intensiteit was, het die atome vrylik getunnel, maar namate die laserstraal helderder geword het en metings meer gereeld gedoen is, penetrasiekoers het skerp gedaal.

Vengalattore het sy eksperiment soos volg opgesom: "Nou het ons 'n unieke geleentheid om kwantumdinamika uitsluitlik deur waarneming te beheer." Is “idealistiese” denkers, van Zeno tot Berkeley, in die “era van rede” belaglik gemaak, was hulle reg dat objekte net bestaan ​​omdat ons daarna kyk?

Onlangs het verskeie anomalieë en teenstrydighede met die (skynbaar) teorieë wat oor die jare gestabiliseer het dikwels verskyn. Nog 'n voorbeeld kom van astronomiese waarnemings - 'n paar maande gelede het dit geblyk dat die heelal vinniger uitbrei as wat bekende fisiese modelle voorstel. Volgens 'n April 2016 Nature-artikel was metings deur wetenskaplikes van die Johns Hopkins Universiteit 8% hoër as wat moderne fisika verwag het. Wetenskaplikes het 'n nuwe metode gebruik ontleding van die sogenaamde standaard kerse, d.w.s. ligbronne word as stabiel beskou. Weereens, kommentaar van die wetenskaplike gemeenskap sê hierdie resultate dui op 'n ernstige probleem met huidige teorieë.

Een van die uitstaande moderne fisici, John Archibald Wheeler, het 'n ruimte-weergawe van die dubbelspleet-eksperiment wat destyds bekend was, voorgestel. In sy verstandelike ontwerp gaan lig van 'n kwasar, 'n miljard ligjare weg, deur twee teenoorgestelde kante van die sterrestelsel. As waarnemers elkeen van hierdie paaie afsonderlik waarneem, sal hulle fotone sien. As albei gelyktydig, sal hulle die golf sien. Vandaar Sam die handeling van waarneming verander die aard van ligwat die kwasar 'n miljard jaar gelede verlaat het.

Volgens Wheeler bewys bogenoemde dat die heelal nie in 'n fisiese sin kan bestaan ​​nie, ten minste in die sin waarin ons gewoond is om "'n fisiese toestand" te verstaan. Dit kan ook nie in die verlede gebeur het nie, totdat ... ons 'n meting geneem het. Dus, ons huidige dimensie beïnvloed die verlede. Dus, met ons waarnemings, bespeurings en metings, vorm ons die gebeure van die verlede, terug in tyd, tot ... die begin van die Heelal!

Hologram resolusie eindig

Swartgatfisika dui blykbaar aan, soos ten minste sommige wiskundige modelle voorstel, dat ons heelal nie is wat ons sintuie vir ons sê om te wees nie, dit wil sê driedimensioneel (die vierde dimensie, tyd, word deur die verstand ingelig). Die realiteit wat ons omring kan wees hologram is 'n projeksie van 'n wesenlik tweedimensionele, verre vlak. As hierdie prentjie van die heelal korrek is, kan die illusie van die driedimensionele aard van ruimtetyd verdryf word sodra die navorsingsinstrumente tot ons beskikking voldoende sensitief word. Craig Hogan, 'n professor in fisika by Fermilab wat jare lank die fundamentele struktuur van die heelal bestudeer het, dui daarop dat hierdie vlak pas bereik is. As die heelal 'n hologram is, het ons miskien die grense van realiteitsresolusie bereik. Sommige fisici het die intrigerende hipotese voorgehou dat die ruimte-tyd waarin ons leef nie uiteindelik kontinu is nie, maar, soos 'n beeld in 'n digitale foto, op sy mees basiese vlak uit 'n soort "korrel" of "pixel" bestaan. Indien wel, moet ons werklikheid 'n soort finale "resolusie" hê. Dit is hoe sommige navorsers die "geraas" vertolk het wat 'n paar jaar gelede in die resultate van die Geo600 gravitasiegolfdetektor verskyn het.

Om hierdie ongewone hipotese te toets, het Craig Hogan en sy span die wêreld se akkuraatste interferometer ontwikkel, genaamd Hogan holometerwat ons die mees akkurate meting van die wese van ruimte-tyd behoort te gee. Die eksperiment, met die kodenaam Fermilab E-990, is nie een van vele ander nie. Dit het ten doel om die kwantumaard van die ruimte self en die teenwoordigheid van wat wetenskaplikes "holografiese geraas" noem, te demonstreer. Die holometer bestaan ​​uit twee sy-aan-sy interferometers wat laserstrale van een kilowatt na 'n toestel stuur wat hulle in twee loodregte 40 meter strale verdeel. Hulle word weerkaats en teruggekeer na die punt van skeiding, wat fluktuasies in die helderheid van die ligstrale skep. As hulle 'n sekere beweging in die verdelingstoestel veroorsaak, sal dit 'n bewys wees van die vibrasie van die ruimte self.

Uit die oogpunt van kwantumfisika kan dit sonder rede ontstaan. enige aantal heelalle. Ons het onsself in hierdie spesifieke een bevind, wat aan 'n aantal subtiele voorwaardes moes voldoen vir 'n persoon om daarin te woon. Ons praat dan oor antropiese wêreld. Vir 'n gelowige is een antropiese heelal wat deur God geskep is, genoeg. Die materialistiese wêreldbeskouing aanvaar dit nie en neem aan dat daar baie heelalle is of dat die huidige heelal net 'n stadium in die oneindige evolusie van die multiversum is.

Skrywer van die moderne weergawe Heelalhipoteses as 'n simulasie ('n verwante konsep van die hologram) is 'n teoretikus Niklas Bostrum. Dit verklaar dat die werklikheid wat ons waarneem net 'n simulasie is waarvan ons nie bewus is nie. Die wetenskaplike het voorgestel dat as jy 'n betroubare simulasie van 'n hele beskawing of selfs die hele heelal kan skep deur 'n kragtige genoeg rekenaar te gebruik, en die gesimuleerde mense kan bewussyn ervaar, dit baie waarskynlik is dat daar 'n groot aantal sulke wesens sal wees. simulasies geskep deur gevorderde beskawings - en ons leef in een van hulle, in iets soortgelyk aan die "Matrix".

Tyd is nie oneindig nie

So miskien is dit tyd om paradigmas te breek? Hulle onthulling is niks besonders nuuts in die geskiedenis van wetenskap en fisika nie. Dit was immers moontlik om geosentrisme, die idee van ruimte as 'n onaktiewe verhoog en universele tyd te ondermyn, van die oortuiging dat die Heelal staties is, van die geloof in die meedoënloosheid van meting ...

plaaslike paradigma hy is nie meer so goed ingelig nie, maar hy is ook dood. Erwin Schrödinger en ander skeppers van kwantummeganika het opgemerk dat voor die handeling van meting, ons foton, soos die beroemde kat wat in 'n boks geplaas is, nog nie in 'n sekere toestand is nie en terselfdertyd vertikaal en horisontaal gepolariseer word. Wat kan gebeur as ons twee verstrengelde fotone baie ver van mekaar plaas en hul toestand afsonderlik ondersoek? Nou weet ons dat as foton A horisontaal gepolariseer is, dan moet foton B vertikaal gepolariseer wees, selfs al het ons dit 'n miljard ligjare vroeër geplaas. Beide deeltjies het nie 'n presiese toestand voor meting nie, maar nadat een van die bokse oopgemaak is, "weet" die ander dadelik watter eienskap dit moet aanneem. Dit kom by een of ander buitengewone kommunikasie wat buite tyd en ruimte plaasvind. Volgens die nuwe teorie van verstrengeling is lokaliteit nie meer 'n sekerheid nie, en twee oënskynlik afsonderlike deeltjies kan as 'n verwysingsraamwerk optree en besonderhede soos afstand ignoreer.

Aangesien die wetenskap met verskillende paradigmas handel, waarom sou dit nie die vaste sienings wat in die gedagtes van fisici voortduur en in navorsingskringe herhaal word, afbreek nie? Miskien sal dit die bogenoemde supersimmetrie wees, miskien die geloof in die bestaan ​​van donker energie en materie, of dalk die idee van die Oerknal en die uitbreiding van die Heelal?

Tot dusver was die heersende siening dat die heelal teen 'n steeds toenemende tempo uitbrei en waarskynlik onbepaald sal voortgaan om dit te doen. Daar is egter sekere fisici wat opgemerk het dat die teorie van die ewige uitbreiding van die heelal, en veral die gevolgtrekking daarvan dat tyd oneindig is, 'n probleem bied om die waarskynlikheid van 'n gebeurtenis te bereken. Sommige wetenskaplikes redeneer dat die tyd in die volgende 5 biljoen jaar waarskynlik opraak as gevolg van een of ander ramp.

fisika Rafael Busso van die Universiteit van Kalifornië en kollegas het 'n artikel op arXiv.org gepubliseer waarin hulle verduidelik dat in 'n ewige heelal selfs die mees ongelooflike gebeure vroeër of later sal gebeur - en daarbenewens sal dit gebeur 'n oneindige aantal kere. Aangesien waarskynlikheid gedefinieer word in terme van die relatiewe aantal gebeurtenisse, maak dit geen sin om enige waarskynlikheid in die ewigheid te stel nie, aangesien elke gebeurtenis ewe waarskynlik sal wees. "Ewigdurende inflasie het diepgaande gevolge," skryf Busso. "Enige gebeurtenis wat 'n nie-nul waarskynlikheid het om te voorkom, sal oneindig baie keer voorkom, meestal in afgeleë streke wat nog nooit in kontak was nie." Dit ondermyn die basis van probabilistiese voorspellings in plaaslike eksperimente: as 'n oneindige aantal waarnemers regoor die heelal die lotto wen, op watter basis kan jy dan sê dat dit onwaarskynlik is om die lotto te wen? Daar is natuurlik ook oneindig baie nie-wenners, maar in watter sin is daar meer van hulle?

Een oplossing vir hierdie probleem, verduidelik fisici, is om te aanvaar dat die tyd sal opraak. Dan sal daar 'n eindige aantal gebeurtenisse wees, en onwaarskynlike gebeurtenisse sal minder gereeld voorkom as waarskynlike.

Hierdie "sny" oomblik definieer 'n stel sekere toegelate gebeure. Dus het fisici probeer om die waarskynlikheid te bereken dat die tyd sou opraak. Vyf verskillende tydbeëindigingsmetodes word gegee. In die twee scenario's is daar 'n 50 persent kans dat dit oor 3,7 miljard jaar sal gebeur. Die ander twee het 'n 50%-kans binne 3,3 miljard jaar. Daar is baie min tyd oor in die vyfde scenario (Planck-tyd). Met 'n hoë mate van waarskynlikheid kan hy selfs in ... die volgende sekonde wees.

Het dit nie gewerk nie?

Gelukkig voorspel hierdie berekeninge dat die meeste waarnemers die sogenaamde Boltzmann-kinders is, wat uit die chaos van kwantumskommelings in die vroeë heelal te voorskyn kom. Omdat die meeste van ons dit nie is nie, het fisici hierdie scenario van die hand gewys.

"Die grens kan gesien word as 'n voorwerp met fisiese eienskappe, insluitend temperatuur," skryf die skrywers in hul referaat. “Nadat die einde van die tyd bereik is, sal materie termodinamiese ewewig met die horison bereik. Dit is soortgelyk aan die beskrywing van materie wat in ’n swart gat val, gemaak deur ’n buite-waarnemer.”

Kosmiese inflasie en die multiversum

Die eerste aanname is dat Die heelal brei voortdurend uit tot oneindigwat 'n gevolg is van die algemene relatiwiteitsteorie en goed deur eksperimentele data bevestig word. Die tweede aanname is dat die waarskynlikheid gebaseer is op relatiewe gebeurtenis frekwensie. Ten slotte, die derde aanname is dat as ruimtetyd werklik oneindig is, dan is die enigste manier om die waarskynlikheid van 'n gebeurtenis te bepaal om jou aandag te beperk 'n eindige deelversameling van die oneindige multiversum.

Sal dit sin maak?

Smolin en Unger se argumente, wat die basis van hierdie artikel vorm, dui daarop dat ons ons heelal slegs eksperimenteel kan verken en die idee van 'n multiversum verwerp. Intussen het 'n ontleding van data wat deur die Europese Planck-ruimteteleskoop ingesamel is, die teenwoordigheid van afwykings aan die lig gebring wat 'n langdurige interaksie tussen ons heelal en 'n ander kan aandui. So, blote waarneming en eksperiment dui op ander heelalle.

Anomalieë wat deur die Planck-sterrewag ontdek is

Sommige fisici spekuleer nou dat as daar 'n wese is wat die Multiversum genoem word, en al sy samestellende heelalle, in 'n enkele Oerknal ontstaan ​​het, dan kon dit tussen hulle gebeur het. botsings. Volgens navorsing deur die Planck Observatory-span sal hierdie botsings ietwat soortgelyk wees aan die botsing van twee seepborrels, wat spore op die buitenste oppervlak van die heelalle laat, wat teoreties geregistreer kan word as anomalieë in die verspreiding van mikrogolfagtergrondstraling. Interessant genoeg blyk dit dat die seine wat deur die Planck-teleskoop aangeteken is daarop dui dat 'n soort heelal naby ons baie verskil van ons s'n, want die verskil tussen die aantal subatomiese deeltjies (barione) en fotone daarin kan selfs tien keer groter wees as " hier". . Dit sou beteken dat die onderliggende fisiese beginsels kan verskil van wat ons ken.

Die bespeurde seine kom waarskynlik uit 'n vroeë era van die heelal - die sogenaamde herkombinasietoe protone en elektrone eers begin saamsmelt om waterstofatome te vorm (die waarskynlikheid van 'n sein van relatief nabygeleë bronne is ongeveer 30%). Die teenwoordigheid van hierdie seine kan dui op 'n intensivering van die rekombinasieproses na die botsing van ons Heelal met 'n ander, met 'n hoër digtheid van barioniese materie.

In 'n situasie waar teenstrydige en meestal suiwer teoretiese vermoedens ophoop, verloor sommige wetenskaplikes merkbaar hul geduld. Dit word bewys deur 'n sterk stelling deur Neil Turok van die Perimeter Institute in Waterloo, Kanada, wat in 'n 2015-onderhoud met NewScientist geïrriteerd was dat "ons nie in staat is om sin te maak van wat ons vind nie." Hy het bygevoeg: “Teorie word al hoe meer kompleks en gesofistikeerd. Ons gooi opeenvolgende velde, mates en simmetrieë na die probleem, selfs met 'n moersleutel, maar ons kan nie die eenvoudigste feite verduidelik nie. Baie fisici is natuurlik geïrriteerd deur die feit dat moderne teoretici se verstandelike reise, soos die redenasie hierbo of superstringteorie, niks te doen het met die eksperimente wat tans in laboratoriums uitgevoer word nie, en daar is geen bewyse dat dit getoets kan word nie. eksperimenteel. .

Is dit regtig 'n doodloopstraat en is dit nodig om daaruit te kom, soos voorgestel deur Smolin en sy vriend die filosoof? Of praat ons dalk van verwarring en verwarring voor een of ander epogmakende ontdekking wat binnekort op ons sal wag?

Ons nooi jou uit om jouself te vergewis van die Onderwerp van die uitgawe in.