Соревнование между гравитацией и квантовой физикой принимает новый оборот
Это была крупнейшая из проблем, это была малейшая из проблем.
Сегодня у физиков на руках есть два свода правил, объясняющих, как работает природа. Есть общая теория относительности, отлично описывающая гравитацию и всё, над чем она властвует: движущиеся по орбите планеты, сталкивающиеся галактики, динамика расширяющейся Вселенной. Это крупный масштаб. И есть квантовая механика, работающая с тремя другими взаимодействиями – электромагнетизмом и двумя ядерными силами. Квантовая теория прекрасно справляется с объяснением происходящего при распаде атома урана или при столкновении отдельных частиц света и фотоэлемента. Это малый масштаб.
А теперь проблема: относительность и квантовая механика – фундаментально различные теории, формулирующиеся по-разному. И это не вопрос научной терминологии, это столкновение по-настоящему несовместимых описаний реальности.
Конфликт между двумя половинами физики зрел более ста лет – начался он с пары работ Эйнштейна от 1905 года, одна из которых описывала относительность, а другая вводила понятие кванта – но недавно он вошёл в очень интересную и непредсказуемую фазу. Два выдающихся физика обозначили экстремальные позиции, каждый в своём лагере, и проводят эксперименты, которые смогут раз и навсегда определить преимущество одного из подходов.
Различие между относительностью и квантовыми системами можно представлять себе, как различие между «гладким» и «зернистым». В ОТО события непрерывны и детерминистичны, то есть каждое действие вызывает определённый локальный эффект. В квантовой механике события, происходящие из-за взаимодействий субатомных частиц, происходят прыжками (ага, квантовыми скачками), с вероятностными, а не детерминистскими, результатами. Квантовые правила позволяют устанавливать связи, запрещённые классической физикой. Это недавно было показано в часто обсуждаемом эксперименте, в котором нидерландские исследователи бросили вызов эффекту локальности. Они показали, что две частицы – в их случае, электроны – могут мгновенно влиять друг на друга, хотя они были разнесены на полтора километра. Если попытаться интерпретировать гладкие релятивистские законы в зернистом квантовом стиле, или наоборот, всё летит в тартарары.
ТО выдаёт бессмысленные ответы, если попытаться уменьшить масштаб до квантовых размеров, и опускается до бесконечных значений при описании гравитации. И наоборот, квантовая механика сталкивается с серьёзными трудностями, будучи раздутой до космических масштабов. Квантовые поля переносят определённое количество энергии, даже во вроде бы пустом пространстве, и чем больше поля, тем больше становится энергия. Согласно Эйнштейну энергия эквивалентна массе (E = mc2), так что накапливать энергию – это всё равно, что накапливать массу. Если накопить её достаточно много, то количество энергии в квантовом поле создаёт чёрную дыру, из-за которой схлопывается вся Вселенная. Ой.
Крэйг Хоган, астрофизик-теоретик в Чикагском университете и директор Центра астрофизики частиц в Фермилаб, заново осмысливает квантовый аспект физики при помощи новой теории, в которой квантовые единицы пространства могут быть достаточно большими, чтобы их можно было изучать. Ли Смолин, основатель Института теоретической физики Периметр в университете Ватерлоо, пытается заставить физику вернуться к философским эйнштейновским корням, а затем протянуть эти корни в интересном направлении.
Чтобы понять, что стоит на кону, взглянем на предыдущие теории. Когда Эйнштейн открыл миру ОТО, она не только заместила теорию гравитации Исаака Ньютона, но и открыла новый способ рассмотрения физики, приведший к современным концепциям Большого взрыва и чёрных дыр, не говоря уже об атомных бомбах и корректировке времени, необходимой для того, чтобы в вашем телефоне работала GPS. Так же и квантовая механика не просто переформулировала уравнения Максвелла, описывавшие электричество, магнетизм и свет. Она обеспечила инструменты, необходимые для создания Большого адронного коллайдера, фотоэлементов и всей современной микроэлектроники.
По итогам этих споров произойдёт, ни много, ни мало – третья революция в современной физике, что приведёт к ошеломляющим последствиям. Мы можем узнать, откуда взялись законы природы, и построен ли космос на основе неопределённости, или же в его основе лежит детерминизм, когда с каждым событием связана определённая причина.
Крэйг Хоган
Зернистый космос
Хоган, лидер квантового взгляда на мир, предпочитает вместо того, чтобы блуждать в темноте, действовать согласно анекдоту, и заниматься поисками там, где светлее – где ярче свет, и где выше вероятность увидеть что-то интересное. Это основной принцип в его текущих исследованиях. По его словам, столкновение между реальностью и квантовой механикой происходит, когда вы пытаетесь понять, что делает гравитация на чрезвычайно малых расстояниях – поэтому он решил присмотреться к тому, что там происходит. «Уверен, что возможно провести эксперимент, который позволит увидеть, что происходит, как работает этот интерфейс, который нам пока непонятен», – говорит он.
Простейшее предположение в эйнштейновской физике – а следы его происхождения ведут ещё к Аристотелю – состоит в том, что пространство – непрерывное и бесконечно делимое, и любое расстояние можно разделить на ещё меньшие расстояния. Но Хоган поднимает вопрос об истинности такого подхода. Так же, как у вашего экрана есть самая маленькая единица – пиксель, а у света самая маленькая единица – фотон, так и у расстояния, по его словам, должна быть неделимая мельчайшая единица – квант пространства.
По версии Хогана будет бессмысленным спрашивать, как ведёт себя гравитация на расстояниях, меньших единицы пространства. На таких масштабах гравитация работать не сможет, поскольку таких масштабов не существует. Иначе говоря, ОТО обязана будет помириться с квантовой физикой, поскольку пространство, в котором измеряются эффекты относительности, будет разделено на неделимые кванты. Театр реальности, где играет гравитация, будет выступать на квантовой сцене.
Хоган признаёт, что эта концепция звучит довольно странно, даже для тех из его коллег, кто ратует за квантовую интерпретацию. С конца 1960-х группа физиков и математиков разрабатывали платформу под названием «теория струн», чтобы помирить ОТО с квантовой механикой. С годами она превратилась в основную теорию, хотя и не смогла выполнить ранние обещания. Как и решение с зернистым пространством, теория струн предполагает наличие у пространства фундаментальной структуры, но затем две теории расходятся. Теория струн утверждает, что каждый объект вселенной состоит из вибрирующих энергетических струн. Как и зернистое пространство, теория струн избегает гравитационной катастрофы, вводя конечную минимальную единицу пространства, хотя размер у этих струн гораздо меньше, чем у пространственных структур, разыскиваемых Хоганом.
Зернистое пространство не состыковывается с идеями теории струн, или с любой другой предлагаемой физической моделью. «Это новая идея, её нет в учебниках, она не следует из любой стандартной теории», – беззаботно говорит Хоган. «Но ведь и нет никакой стандартной теории, не так ли?»
Если он окажется прав, то многие формулировки теории струн окажутся не у дел, и его теория вдохновит свежий подход к переписыванию ОТО в квантовых терминах. Появятся новые способы понимания внутренней природы пространства и времени. И, что удивительнее всего, теория поддержит модную идею о том, что наша трёхмерная реальность состоит из более простых двумерных единиц. Хоган серьёзно относится к метафоре «пикселей» – так же, как картинка в телевизоре может создать иллюзию глубины из плоских пикселей, так и пространство, по его словам, может возникнуть из набора элементов, ведущих себя так, будто они находятся в двумерном пространстве.
Как и многие идеи, находящиеся на дальних границах современной теоретической физики, рассуждения Хогана могут звучать, как вечерние философские беседы первокурсников. Отличаются они тем, что физик планирует проверить их в эксперименте. Прямо сейчас.
С 2007 года Хоган размышлял о том, как построить устройство, способное измерить чрезвычайно мелкую зернистость пространства. У его коллег оказалось множество идей на этот счёт, основанных на технологии, разработанной для поиска гравитационных волн. За два года Хоган разработал предложение и работал с коллегами из Фермилаб, Чикагского университета и других институтов над постройкой машины для поиска зернистости, которую он называет "голометром". Это эзотерический каламбур, делающий отсылку одновременно к измерительному прибору XVII века и к теории, по которой двумерное пространство может казаться трёхмерным, что напоминает хранение изображения в голограмме.
Под наслоениями концептуальной сложности в голометре находится такое технологически несложное устройство, как лазер, полупрозрачное зеркало, разветвляющее луч лазера на два перпендикулярных, и ещё два зеркала, отражающих лучи обратно в 40-метровом тоннеле. Лучи откалиброваны так, чтобы регистрировать точное местоположение зеркал. Если пространство зернистое, то положение зеркал будет постоянно меняться (точнее, меняться будет само пространство), что будет создавать постоянные и случайные изменения расстояния между ними. После воссоединения лучей они окажутся слегка рассинхронизированными, и величина несоответствия покажет масштаб зернистости пространства.
Для таких масштабов, на которые рассчитывает Хоган, ему необходимо измерять расстояния с точностью до 10-18 метров, то есть в 100 млн раз меньше атома водорода, и собирать данные со скоростью 100 млн измерений в секунду. Что удивительно, такой эксперимент не только теоретически возможен, но и практически реализуем. «Мы смогли обойтись без серьёзных затрат благодаря достижениям фотоники, использованию множества готовых компонентов, быстрой электронике и прочим вещам, – говорит Хоган. – Это довольно смелый эксперимент, поэтому его не стали бы проводить, не будь он недорогим». Голометр сейчас жужжит себе, и собирает данные с нужной точностью. К концу года ожидается получение предварительных результатов.
Хоган столкнулся с критикой яростных скептиков, многие из которых принадлежат к сообществу физиков-теоретиков. Тему споров легко понять: успех голометра будет означать провал большого объёма работ по теории струн. Но, несмотря на эти споры, Хоган и большинство его коллег убеждены в том, что ОТО в результате придётся подчиниться квантовой механике. Остальные три закона физики [видимо, имеются в виду фундаментальные взаимодействия – прим. перев.] подчиняются квантовым правилам, поэтому есть смысл в том, чтобы так вела себя и гравитация.
У большинства современных теоретиков вера в преимущество квантовой механики простирается ещё дальше. На философском и эпистемологическом уровне они считают, что крупномасштабная реальность классической физики – это некая иллюзия, приближение, возникающее из более «истинных» аспектов квантового мира, работающего на малых масштабах. И зернистое пространство согласуется с таким взглядом на мир.
Хоган сравнивает свой проект со знаковым экспериментом XIX века Майкельсона-Морли, искавших эфир – гипотетическую субстанцию, которая, согласно лидировавшей в то время теории, проводит световые волны в вакууме. Эксперименты ничего не обнаружили – и это озадачивающее отсутствие результата вдохновило Эйнштейна на СТО, из которой выросла ОТО, перевернувшая в итоге вверх тормашками весь мир. Дополняя связь времён, эксперимент Майкельсона-Морли измерял и структуру пространства, используя зеркала и разделённый луч света – что очень напоминает эксперимент Хогана.
«Мы делаем наш голометр с таким же настроением. Увидим ли мы что-либо, или нет – в любом случае результат будет интересным. Эксперимент делается для того, чтобы посмотреть, сможем ли мы найти что-либо, поддерживающее теорию, – говорит Хоган. – По тому, как ваши коллеги-теоретики относятся к эксперименту, можно судить об их природе. Наши теории располагают к математическому стилю мышления. Надеюсь на такие результаты, которые заставят людей вести теоретические изыскания в другом направлении».
Найдёт Хоган квантовую структуру пространства или нет, но он уверен в том, что голометр поможет физикам ближе подойти к задаче большого и малого. Он покажет правильный (или закроет неправильный) путь к пониманию квантовой структуры пространства и того, как это влияет на релятивистские законы гравитации, пронизывающей его.
Только в чёрных дырах квантовая физика сталкивается с ОТО таким образом, который невозможно игнорировать
Чрезвычайно большое представление
Если вы пожелаете посмотреть в совершенно другом направлении, тогда вам нужен Смолин из Института теоретической физики. Если Хоган тщательно перебирает зёрнышки, то Смолина можно назвать абсолютным диссидентом: «Когда я был аспирантом, Ричард Фейнман сказал мне кое-что. Это звучало примерно так: 'Если все ваши коллеги пытались показать, что нечто истинно, и у них это не получилось – возможно, так вышло потому, что это нечто и в самом деле не является истиной'. Вот и теория струн тянется уже 40-50 лет без видимого прогресса».
Ли Смолин
И это только начало более обширной критики. Смолин считает, что подход к физике с малых масштабов неполон по своей сути. Текущие версии квантовой теории поля хорошо объясняют, как отдельные частицы или малые системы частиц себя ведут, но совершено не принимают во внимание то, что необходимо для построения разумной теории всего космоса. Они не объясняют, почему ТО именно такая, какая есть. Как говорит Смолин, квантовая механика – просто «теория подсистем вселенной».
По его словам, более продуктивным подходом будет рассмотрение вселенной как одной гигантской системы, и построение новой теории, применимой ко всему сразу. И у нас уже есть теория, обеспечивающая платформу для такого подхода: ОТО. В отличие от квантовой платформы, ОТО не содержит возможности наличия внешнего наблюдателя или внешних часов – никакого «вне» просто не существует. Вместо этого реальность описывается через взаимодействие объектов и различных районов пространства. Даже о такой базовой вещи, как инерция объекта (сопротивление вашего автомобиля попыткам начать движение, пока его не заставит это делать двигатель, и его тенденция двигаться после того, как вы сняли ногу с педали газа), можно рассуждать как о связи со всеми остальными частицами вселенной посредством гравитационного поля.
Последнее утверждение настолько странное, что его стоит рассмотреть подробнее. Проведём мысленный эксперимент, тесно связанный с тем, что привёл Эйнштейна к этой теории в 1907 году. Допустим, Вселенная будет полностью пустой, за исключением двух космонавтов. Один из них крутится, второй покоится. Первый чувствует головокружение от вращения. Но кто из них крутится? С точки зрения любого из двух крутится не он, а другой космонавт. И без внешних ориентиров, по словам Эйнштейна, не существует способа сказать, кто из них прав, и нет причин, по которым один из них должен ощущать что-то, чего не чувствует другой.
И разница между двумя космонавтами появляется, только если вы вернёте обратно всю остальную вселенную. Следовательно, в классической интерпретации ОТО инерция существует только потому, что вы можете измерить её по отношению к космическому гравитационному полю. То, что верно в этом мысленном эксперименте, верно и для всех объектов реального мира: поведение каждой его части неразрывно связано со всеми остальными. Если вы когда-нибудь хотели быть частью чего-то большего – тогда эта физика для вас. А по мнению Смолина, это ещё и многообещающий метод получения ответов на вопросы о функционировании природы на всех масштабах.
«ОТО – это не описание подсистем. Это описание всей вселенной как замкнутой системы», – говорит он. Когда физики пытаются избавиться от несоответствия между ТО и квантовой механикой, то для них кажется разумным идти по стопам Эйнштейна и мыслить наиболее крупными категориями.
Смолин прекрасно понимает, что идёт против всеобщей привязанности к мышлению в мелких, квантовых масштабах. «Я не собираюсь мутить воду, просто так получается. Я хочу аккуратно поразмыслить на эти сложные темы, опубликовать мои заключения и подождать, пока уляжется пыль, – добродушно говорит он. – Надеюсь, что люди будут спорить с аргументами, и что в результате можно будет вывести проверяемые предсказания».
На первый взгляд, идеи Смолина неудобны для организации реальных экспериментов. Как он утверждает, кроме того, что все части вселенной связаны друг с другом через пространство, они могут быть связаны и через время. Его рассуждения привели его к гипотезе о том, что законы физики эволюционируют вместе с развитием вселенной. С годами он выработал два подробных предположения по поводу того, как это может происходить. Его теория о космологическом естественном отборе, выработанная им в 1990-х, рассматривает чёрные дыры как космические яйца, из которых вылупляются новые вселенные. Позже он разработал провокационную гипотезу о появлении законов квантовой механики под названием «принцип предшествования» – и вот её, судя по всему, уже можно подвергать проверкам.
Принцип предшествования возникает как ответ на вопрос о том, почему физические явления воспроизводимы. Если вы проводите эксперимент, который уже проводили ранее, вы ожидаете, что результат будет такой же, как и в прошлом. Зажгите спичку, и она загорится. Зажгите ещё одну спичку тем же способом – ну, вы поняли. Воспроизводимость – это настолько знакомая нам часть жизни, что мы о ней и не задумываемся. Мы просто приписываем последовательные результаты работе естественного «закона», работающего неизменно. Смолин предполагает, что такие законы могут со временем появляться из-за того, что квантовые системы копируют поведение похожих систем, наблюдавшееся в прошлом.
Один из возможных способов уловить момент появления – провести эксперимент, который раньше никто не проводил, чтобы у него не было предыдущих версий (прецедентов), которые можно было бы скопировать. Такой эксперимент может создавать квантовую систему высокой сложности, содержащую много компонент, существующих в новом запутанном состоянии. Если принцип предшествования верен, то начальная реакция системы будет случайной. При повторении эксперимента предшествование будет накапливаться, и реакция системы должна стать предсказуемой – в теории. «Систему, по которой Вселенная выстраивает прецеденты, отличить от случайного шума экспериментальной практики будет сложно, – говорит Смолин, – но возможно».
Хотя прецеденты могут участвовать в происходящем на атомных масштабах, их влияние будет распространяться на весь космос. Это связано с идеей Смолина о том, что редукционистское, мелкомасштабное мышление является неправильным подходом к решению больших задач. Но недостаточно заставить два класса физических теорий работать вместе, хотя это и важно. Он, как и все мы, хочет знать, почему Вселенная такая, какая есть. Почему время двигается вперёд, а не назад? Как мы оказались в такой вселенной, с такими, а не другими, законами?
Отсутствие осмысленных ответов на эти вопросы говорит о том, что «с нашим пониманием квантовой теории поля что-то не так на глубоком уровне», – говорит Смолин. Как и Хоган, его не так волнует результат любого эксперимента, как общая схема программы поисков фундаментальных истин. Для него это означает наличие возможности рассказать полную, связную историю Вселенной. Это значит иметь возможность не только предсказывать эксперименты, но и объяснять уникальные свойства, приведшие к появлению атомов, планет, радуг и людей. И тут он также вдохновляется Эйнштейном.
«Урок ОТО в том, что побеждает релятивизм», – говорит Смолин. Наиболее вероятный способ получения больших ответов – рассмотрение Вселенной как единого целого.
И победителем становится…
Если вам нужен судья в этом споре большого и малого, то сложно найти лучшую кандидатуру, чем Шон Кэррол, эксперт в космологии, теории поля и гравитационной физике в Калтехе. Он разбирается в относительности, квантовой механике, и обладает чувством абсурдного: он назвал свой блог "Абсурдная Вселенная".
И прямо сразу Кэррол почти полностью встаёт на сторону квантовой механики. «Большинство из нас верят, что квантовая механика более фундаментальна, чем ОТО», – говорит он. Такая точка зрения преобладала с 1920-х, когда Эйнштейн пытался и никак не мог найти изъяны в контринтуитивных предсказаниях квантовой теории. Недавний нидерландский эксперимент, продемонстрировав мгновенную квантовую связь между двумя сильно разделёнными частицами – то, что Эйнштейн называл «пугающим дальнодействием» – лишь подчёркивает силу доказательств.
Если смотреть шире, то настоящая проблема не в ОТО против квантовой теории поля, как говорит Кэррол, а классическая динамика против квантовой динамики. Относительность, несмотря на свою странность, классическая в том смысле, как она относится к причине и следствию; квантовая механика однозначно нет. Эйнштейн был уверен, что некие глубинные открытия раскроют классическую, детерминистскую реальность, прячущуюся под квантовой механикой, но пока такого порядка обнаружено не было. Продемонстрированная реальность с пугающим дальнодействием говорит о том, что такого порядка не существует.
«Люди явно недооценивают, насколько сильно квантовая механика опровергает наши понятия о пространстве и локальности (идею о том, что физическое явление может влиять только на своё непосредственное окружение). Таких вещей в квантовой механике просто нет», – говорит Кэррол. Из явлений малого масштаба могут вытекать крупномасштабные последствия, такие, как рассуждения Хогана по поводу трёхмерной реальности, возникающий из двумерных единиц пространства.
Но несмотря на кажущуюся поддержку, Кэррол считает, что у голометра Хогана шансов маловато, хотя и признаёт, что это не совсем его область исследований. С другой стороны, он не считает чем-то особенным попытки Смолина начать с космоса как с фундаментальной вещи. Он считает, что это настолько же абсурдно, как пытаться доказать, что воздух более фундаментален, чем атомы. Что касается вопроса, какая из квантовых систем может поднять физику на следующий уровень, Кэррол оптимистично голосует за теорию струн, которая, по его словам, «кажется естественным продолжением квантовой теории поля». В любом случае он стоит за общепринятое в современной физике мышление, основанное на квантах.
И всё же мнение Кэррола, почти полностью склоняющееся к квантам, не полностью поддерживает мелкомасштабное мышление. В объяснениях квантовой теории всё ещё зияют огромные бреши. «Наша невозможность выбрать правильную версию квантовой механики – это позор, – говорит он. – И наш текущий способ представления квантовой механики – это полный провал, если рассуждать с точки зрения космологии всей Вселенной. Мы даже не знаем, что такое время». Хоган и Смолин поддерживают это высказывание, хотя и не соглашаются по поводу того, что с ним делать. Кэррол стоит за перевёрнутые объяснения, в которых время возникает из-за взаимодействий на квантовом уровне, но объявляет себя скептиком по поводу конкурирующего предположения Смолина о том, что время более универсально и фундаментально. Так что в вопросе о времени ещё ничего не решено.
Неважно, к чему придут теории, крупные масштабы никак нельзя игнорировать, поскольку именно в этом мире мы живём и наблюдаем его. По сути, вся вселенная в целом – это ответ, а задача физиков – сделать так, чтобы она появилась из уравнений. Даже если Хоган и прав, его зернистый космос должен в среднем сгладиться до состояния реальности, с которой мы ежедневно сталкиваемся. Даже если он неправ, у нас есть целый космос, со своими свойствами, которые необходимо объяснить – а этого пока что квантовая физика сделать не может.
Расширяя границы понимания, Хоган и Смолин помогают физике построить такие связи. Они подталкивают её не только к примирению квантовой механики и ОТО, но и к примирению идеи и восприятия. Следующая великая теория физики без сомнения приведёт к прекрасной математике и невообразимым технологиям. Но лучшее, что она сможет сделать – это создать глубинный смысл, приводящий обратно к нам, наблюдателям, определяющим себя как фундаментальную шкалу вселенной.
Комментарии (51)
Alexey2005
12.07.2017 16:00+1Не так давно по историческим меркам учёные спорили, как правильно описывать свет: как волны или же как поток частиц. Были экспериментальные подтверждения обоих вариантов, но ведь волновые и корпускулярные свойства во многом противоречат друг другу! Какой же вариант выбрать?
В конце концов сошлись на том, что не только свет, но и любая другая материя проявляют как волновые, так и корпускулярные свойства. Они взаимоисключающие? Не беда, вот вам принцип неопределённости и пачка хитрых трюков с волновыми функциями. Пара десятилетий работы теоретиков, и всё чудесно совместилось.
Думаю, и здесь будет так же. Просто запостулируют, что оба варианта в той или иной степени (в зависимости от условий эксперимента и состояния системы) отражают реальность, после чего замесят очень хитрую математическую кашу, которая позволит состыковать несовместимое.
knstqq
12.07.2017 16:19нет корпускулярных свойств ни у чего, свет и материя — это волна.
Просто с определённым приближением можно описать «корпоскулярно» в некоторых случаях.
По факту это — «школьное» приближение, чтобы объяснить по простомуDancingOnWater
12.07.2017 17:00+2Эм нет, мгновенность фотоэффекта вам не объяснить волной.
knstqq
12.07.2017 17:09А можете чуть более подробно написать? Извините, я не понял почему
DancingOnWater
12.07.2017 18:04А вы запишите Вектор Умова-Пойтинга и посмотрите за какое время электрон поглотит энергию равную энергии выхода.
chersanya
14.07.2017 14:02Да спокойно всё это можно волнами объяснить, что и делает квантовая механика. Просто волны не электромагнитные, а «вероятностные» — см. волновые функции.
taujavarob
19.07.2017 12:44Да спокойно всё это можно волнами объяснить, что и делает квантовая механика. Просто волны не электромагнитные, а «вероятностные» — см. волновые функции.
Это было на заре волновой механики. Потом просекли что никаких (ни вероятностных, ни прочих) волн там нет, то есть не нужны НИКАКИЕ ВОЛНЫ для описания квартового мира. никакие!
«Волновую механику» переименовали в «квантовую механику». То же и с волновой функцией — но тут опоздали — термин «волновая функция» ушёл в народ…
Daimos
12.07.2017 18:57А давление света как объяснить с точки зрения волны?
Ряд экспериментальных фактов свидетельствует, что кроме волновых свойств свету (электромагнитному излучению) присущи корпускулярные свойства. На это указывают явления внешнего и внутреннего фотоэффектов, эффект Комптона (упругое рассеяние света на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины световой волны), законы излучения абсолютно черного тела (в частности, спектр излучения) и др.
Shkaff
12.07.2017 19:37+2Вот давление света как раз очень просто, уравнения Максвелла прямо это дают, и еще до всяких квантов это было описано.
taujavarob
13.07.2017 15:11-1любая другая материя проявляют как волновые, так и корпускулярные свойства. Они взаимоисключающие? Не беда, вот вам принцип неопределённости и пачка хитрых трюков с волновыми функциями.
Нет, в 30-х года прошлого века пришли к тому, что никаких волновых свойств у материи нет. Волновую механику переименовали в Квантовую механику. И «волновую функцию» переименовали. Но было уже… поздно.
tnenergy
12.07.2017 17:10+2Классно, конечно, что Хогана и его Голометр вспомнили, но ведь уже 1,5 года как вышла публикация, что нет квантования пространства-времени на том масштабе, что хотели увидеть Голометром (т.е. отрицательный результат).
erwins22
12.07.2017 17:37+1измерения спектра гамма излучения далеких объектов сильно ограничило подобные теории.
Запаздывание из за дискретности пространства зависит от частоты фотона, но такой зависимости не нашли.
Regis
12.07.2017 18:23+1Вот-вот. Даже просто открыв ссылку про этот самый Голометр можно увидеть, что статья с отрицательными результатами экспериментов вышла еще в декабре 2015 года. Причем не просто «никакого квантования не нашли», а «подтвердили, что вплоть до указанных масштабов никакого квантования пространства нет».
muhaa
12.07.2017 17:55+1Статья — нереальный бред. Сужу как человек, имеющий представление о квантовой механике в рамках теоретического минимума и прочитавший много популярных и полу-учебных книг по физике.
Количество ошибок и журналистских штампов просто зашкаливает. Судя по всему, кроме них там вообще ничего нет.
> Различие между относительностью и квантовыми системами можно представлять себе, как различие между «гладким» и «зернистым»…
Полная чушь. Квантовый принцип грубо говоря утверждает, что все что вы можете знать о состоянии системы — это набор комплексных чисел, каждое из которых определяет вероятность исхода какого-то эксперимента с системой.
Дальше, мы берем любую классическую теорию и пытаемся математически совместить ее с этим принципом, используя т.н. процедуру квантования, позволяющую классические уравнения переписать на квантовый манер.
Не видно никаких проблем, почему это не должно работать по отношению к ОТО. Проблема в том, что никто не знает как конкретно это совместить с ОТО. ОТО мы не можем изучать экспериментально на квантовом уровне, поэтому теорию нужно просто угадать. Пока самое простое что удалось угадать физикам — это теория струн.
> Конфликт между двумя половинами физики зрел более ста лет – начался он с пары работ Эйнштейна от 1905 года, одна из которых описывала относительность, а другая вводила понятие кванта
> Когда Эйнштейн открыл миру ОТО… не говоря уже об атомных бомбах и корректировке времени, необходимой для того, чтобы в вашем телефоне работала GPS.
Товарищ явно не в теме, что СТО и ОТО — это разные теории и с СТО квантовая механика давно совмещена.
> Но Хоган поднимает вопрос об истинности такого подхода. Так же, как у вашего экрана есть самая маленькая единица – пиксель, а у света самая маленькая единица – фотон, так и у расстояния, по его словам, должна быть неделимая мельчайшая единица – квант пространства.
Попытка не пытка. Но в рамках современной физики очень похоже, что все подобные эффекты начнутся с планковской длины. А для экспериментов такой точности потребуется установка размером с галактику.
> Проведём мысленный эксперимент, тесно связанный с тем, что привёл Эйнштейна к этой теории в 1907 году… и без внешних ориентиров, по словам Эйнштейна, не существует способа сказать, кто из них прав, и нет причин, по которым один из них должен ощущать что-то, чего не чувствует другой.
Что за каша? Причем здесь Эйнштейн? Это принцип Маха (философ такой был), как раз ОТО Эйнштейна и опровергнутый.
> Если принцип предшествования верен, то начальная реакция системы будет случайной.
Принцип предшествования — это звучит супер. Пошел искать первоисточники от Смоллина. Ради этой фразы только и стоило переводить этот бред.
erwins22
12.07.2017 21:30+1" Полная чушь. Квантовый принцип грубо говоря утверждает, что все что вы можете знать о состоянии системы — это набор комплексных чисел, каждое из которых определяет вероятность исхода какого-то эксперимента с системой." — вполне зрелый подход. Делаем предположение о минимальном шаге по сетки пространства времени и пытаемся отсюда получить вероятности исходов квантовой системы. Экспериментально загнан в угол и почти мертв.
ОТО не совместима с квантовой механикой хотя бы из того, что квантовая механика построена на гамильтониане, а ОТО на лагранжиане. А они в общем случае (конкретно в римановой геометрии) не эквивалентны. Т.е прямое переписывание уравнений квантовой механики и получение из них ОТО не возможно (точнее количество членов уравнения будет бесконечным).
В принципе кто то извращался и переписал теорию эфира в вид эквивалентный СТО с бесконечным числом уточняемых членов.
GPS.- замедление времени в гравитационном поле. это ОТО.
chersanya
14.07.2017 14:12+1В GPS всё-таки и СТО (из-за скорости относительно земли) и ОТО (из-за разности гравитационного поля) влияет, на сопоставимом уровне. Кстати, существенные эксперименты по уточнению теории гравитации были проведены относительно недавно на основе нашего космического радиотелескопа РадиоАстрон: на нём находятся самые точные из запущенных в космос «часов» — водородный стандарт частоты, его орбита известна с огромной точностью, а также она очень вытянутая, так что спутник бывает как очень близко к Земле, так и на расстоянии Луны.
Eol
14.07.2017 17:56ОТО не совместима с квантовой механикой хотя бы из того, что квантовая механика построена на гамильтониане, а ОТО на лагранжиане.
КЭД и другие релятивистские квантовые теории тоже "построены на лагранжиане" — и тем не менее более чем успешны. Если уж так хочется работать в Лагранжевом формализме — ну интеграл по траекториям никто не отменял. Кроме того, а почему в ОТО нельзя перейти к Гамильтоновому описанию?
А они в общем случае (конкретно в римановой геометрии) не эквивалентны. Т.е прямое переписывание уравнений квантовой механики и получение из них ОТО не возможно (точнее количество членов уравнения будет бесконечным).
Что это означает?
erwins22
14.07.2017 18:10Я не говорю, что какой то из формализмов хуже. В случае СТО они эквивалентны.
Для того что бы они были эквивалентны есть требование, что время не меняет знак. В ОТО это требование нарушается. А квантовая механика построена на эквивалентности этих вариантов СРТ.
yevgeniypetrov
14.07.2017 17:18В этой книжке Смолин подробно объясняет свою точку зрения. Освежающее чтиво
mad_god
12.07.2017 18:09-1Я, конечно, совсем не физик. Но насчёт этого " Но кто из них крутится?" мне хотелось бы ясности.
Прямолинейное движение по инерции я ещё как-то могу понять. Объект исчезает в одной точке пространства и появляется в смежном пространстве, пока приданная ему энергия не иссякнет (а в вакууме она долго не иссякнет), и если это частица, то она будет двигаться прямолинейно до встречи с чем-то.
Но вращательное движение другое, оно не прямолинейное! В каждый момент времени объекту или частице нужно придавать дополнительную энергию, которая искривляет его прямолинейное движение в нужную сторону.
Поэтому эти два космонавта совсем не равнозначны. Нужно просто отследить, есть ли воздействие, которое сообщает космонавту вращательное движение, или нет.
MaximChistov
12.07.2017 19:24+1разве находящийся в вакууме объект не будет вращаться вечно?
mad_god
12.07.2017 19:35-1Да, наверное, но как мне кажется, тело, состоящее из атомов само себя толкает, как Уроборос. Можно проследить передачу столкновений и растяжений. Нет?
Или тело вращается, как единое целое, и расстояния между атомами не сдвигаются?
Тогда должна существовать какая-то сила, которая поддерживает постоянное смещение атомов тела с прямолинейной траектории. Например, влияние всей остальной вселенной.MaximChistov
12.07.2017 20:50чтобы самому себя толкать, ему опора нужна. в вакууме ее нет
mad_god
12.07.2017 20:58-1если очень быстро что-то раскручивать, можно это разрушить, так как скорость вращения будет несопоставима с прочностью тела. Таким образом, я полагаю, что, сообщая телу вращение, мы сообщаем скорость одним атомам, которые в свою очередь толкают другие атомы, передавая взаимодействие со скоростью звука в теле (кажется).
sotnikdv
12.07.2017 22:30+2В этой статье можно купаться.
А вот это вообще шизофрения.
"Первый чувствует головокружение от вращения. Но кто из них крутится? С точки зрения любого из двух крутится не он, а другой космонавт."
А ничего, что один чувствует головокружение от вращения???
Ну и такие мелочи, как центробежная сила и т.д. Ну типа вращающиеся станции с искусственной гравитацией там почти век назад придумывали. Тоже не работают без внешнего ориентира? Выпустила станция из вида ориентир и хлоп, космонавты всплыли. Увидела звезду, опять упали. Открывая и закрывая камеры на станции можно натурально играть космонавтами в пинг-понг.
Strange_R
13.07.2017 11:02-2Люблю побаловаться мысленными экспериментами, где всё сущее может происходить из единственной протоструны (или базового элемента), порождающей колоссальную симфонию всего сущего со всеми взаимодействиями — пространство колебательных состояний. Частоту колебаний протоструны можно принять равной числу всех элементарных частиц во вселенной 10^81, делённому на планковское время 10^45, то — не менее 10^125-й степени в секунду. Вероятно, значительно больше, если вселенных множество и видов элементарных взаимодействий больше. Если отбросить страхи перед такими величинами, то модель единой протоструны способна объяснить множество феноменов (например, квантовую запутанность), увязать квантовую механику с ОТО. Дело в том что все взаимодействия во вселенной (или, возможно, мегавселенной) происходят синхронно, аналогично прорисовке пикселей на экранах мониторов. И лишь изменения от цикла к циклу такой «прорисовки» формируют все процессы (время).
Mitch
13.07.2017 23:35Допустим, Вселенная будет полностью пустой, за исключением двух космонавтов. Один из них крутится, второй покоится. Первый чувствует головокружение от вращения. Но кто из них крутится? С точки зрения любого из двух крутится не он, а другой космонавт.
Вроде тут можно определить.
Представим подробнее, пусть космонавты расположены лицом друг к другу.
Один из них начинает крутится "вперед лицом".
Для них будет очевидно кто крутится — тот что видит время от времени и лицо и затылок другого космонавта покоится, а тот что видит то лицо второго то пустоту — крутится.taujavarob
14.07.2017 20:04Для них будет очевидно кто крутится — тот что видит время от времени и лицо и затылок другого космонавта покоится, а тот что видит то лицо второго то пустоту — крутится.
Смотрите — космонавты вместе и повёрнуты лицом к лицу, потом они разделяются на сотню метров и один начинает крутиться вокруг другого на расстоянии 100 м (радиус). А второй крутится вокруг своей оси.
При этом оба наблюдают лица друг друга — То есть типа система Земля-Луна.
Вопрос — в этом случае можно ли различить кто из них «Луна», а кто «Земля»? — То есть кто из них крутится по кругу радиусом 10 м, а кто вокруг своей оси?
Визуально (если дать каждому видео-камеру на голову) — нельзя! — Картинки не будут отличаться друг от друга!
Но тот, кто будет вращаться вокруг своей оси будет испытывать иные ощущения (головокружение у него будет круче, вплоть до тошноты), чем тот кто будет вращаться по кругу радиусом 100 м. — Ведь так!?
Вот в чём парадокс то! (С)
Тогда, выходит, что именно все остальные звёзды Вселенной влияют на то, будет ли нас тошнить или нет? (С)
Mitch
13.07.2017 23:42Один из возможных способов уловить момент появления – провести эксперимент, который раньше никто не проводил, чтобы у него не было предыдущих версий (прецедентов), которые можно было бы скопировать.
Если мы считаем все объекты вселенной связанными между собой, то каждый эксперимент затрагивает всю вселенную, а тк вселенная все время находится в разных состояниях, то ни один эксперимент не может точно повторить другой. "Дампы" вселенной в которой происходит тест будут разными просто из за того что вселенная все время меняется с течением времени.
Mitch
13.07.2017 23:50Если предположить, что мы находимся внутри виртуальной реальности, то логично ожидать что время будет квантоваться.
Но вот пространство квантоваться не обязано, во фрактал можно погружаться сколь угодно глубоко, все уменьшая масштаб, а "пикселов" так и не появится.erwins22
14.07.2017 14:26Время и пространство ведут себя полностью аналогично.
Ваше предположение не имеет смысла так как фотон летит со скоростью света. А значит шаг по времени приводит к шагу по пространству.
kauri_39
14.07.2017 08:15-3"Эйнштейн был уверен, что некие глубинные открытия раскроют классическую, детерминистскую реальность, прячущуюся под квантовой механикой, но пока такого порядка обнаружено не было. Продемонстрированная реальность с пугающим дальнодействием говорит о том, что такого порядка не существует."
Как раз дальнодействие и говорит о существовании такого порядка. На что надеялся Эйнштейн, не соглашаясь с дальнодействием в предложенном им эксперименте? Что пара запутанных фотонов подобна разделённой паре перчаток — каждая перчатка в своей коробке. И чтобы узнать, где какая перчатка (какой спин фотона), достаточно открыть одну из коробок. Если, допустим, левая в одной коробке, то правая в другой — без введения мгновенной связи между ними.
Но путём экспериментальных проверок неравенств Белла оказалось, что запутанные фотоны ведут себя не как разделённые перчатки. Они постоянно меняют свои спины, соблюдая общий нулевой спин для их пары. Это как бы каждая из разделённых перчаток в коробках постоянно превращалась из левой в правую и наоборот, соблюдая парность. И открывая любую из коробок (измеряя спин фотона), мы не знаем, какую перчатку в ней увидим — левую или правую, но после этого уже точно знаем, что в нераскрытой коробке — парная ей перчатка (фотон с противоположным спином).
Это и есть доказательство того, что скрытые параметры существуют, что "Бог не играет в кости", поскольку пользуется "пугающим дальнодействием". Если нарушение неравенств Белла показало, что есть мгновенное взаимодействие запутанных частиц, то оно проявляется не только при мгновенной подстройке спина второго фотона под спин первого измеренного фотона, но и при постоянной синхронизации их спинов до измерения, когда некие скрытые воздействия вызывают изменение спина любого фотона из их пары.
Эти воздействия просто имеют меньший уровень энергии, неуловимый для нас. Они лишь меняют спин того или другого запутанного фотона, но не вызывают "коллапса волновой функции" или декогеренцию. Это только мы пользуемся такой "дубиной", чтобы измерить спин фотона. И при этом ссылаемся на неопределённость Гейзенберга, на принципиальную вероятность событий в микромире, а постоянную синхронную перемену спина фотонов прикрываем понятием "суперпозиции".
Бедняга Эйнштейн умер в 1955 году — до первой успешной экспериментальной проверки неравенств Белла в 1972 году. Я думаю, он согласился бы с "пугающим дальнодействием" частиц ради доказательства, что скрытые параметры существуют и "Бог не играет в кости".
erwins22
14.07.2017 15:21+1Эксперимент по неравенству Белла не закрыл скрытые параметры. Он просто показал, что их не может быть конечное количество.
kauri_39
15.07.2017 10:59-1Каким образом такой вывод следует из неравенств Белла? Общепринятый вывод — состояние фотонов меняется вплоть до измерения, они его не приобретают как неизменное в момент своего разделения (запутанности). Вы сами пришли к такому выводу? В нём есть своя логика: если все фотоны Вселенной в момент её рождения были изначально запутаны, то запутанные нами пары и реагируют постоянной переменой своих спинов на события с остальными фотонами Вселенной — вплоть до измерения одного из запутанных нами фотонов. Тогда таких скрытых параметров — воздействий от всех фотонов Вселенной — действительно очень велико.
Angmarets
14.07.2017 17:17Первый чувствует головокружение от вращения. Но кто из них крутится? С точки зрения любого из двух крутится не он, а другой космонавт. И без внешних ориентиров, по словам Эйнштейна, не существует способа сказать, кто из них прав, и нет причин, по которым один из них должен ощущать что-то, чего не чувствует другой.
Это правда Эйнштейн такое сказал? Я конечно совсем далек от физики и могу сильно ошибатся, но заменив двух космонавтов(так себе приборы) на два центробежных регулятора я смогу сказать, какой вращается, а какой нет. Объясните мне пожалуйста кто-нибудь, что именно я упустил?
george_vernin
14.07.2017 17:18Странно что нигде не пишут о результатах опытов.
Что по результатам — на гране текущего измерение с значимость 4,2 квантованности пространства времени -нет.
SeregaOSA
14.07.2017 17:18-1Если говорить о загадке "ахиллес и черепаха" то движений нет, не совпадает с реальностью.ведь бесконечное число отрезков не пройти за конечное число времени.время для жизни(для нас) это истина.обратите внимание, что мы в настоящем пользуемся прошлым, задумав на будующее(представив, то что нам нужно).а пространство реально состоит из материи.возьмите темную материю и ее движение в межгалактичесеом пространстве и получаем торнадо ввиде галактик.да, эта материя находится в более мелкой квинтэссенции(эфир).колебание которой и есть волна света.а темная материя, ударяясь друг об друга, обретает вращательные движение(сразу в двух осях одновременно), что за собой влечет опять колебание эфира(атом пуст на 99.999999999999% или это волны эфира?).так появляются орбиты электронов.а под давлением можно собрать более сложные атомы.прав я или нет… судите сами и смотрите на все от третьего лица.
Я так же некоторые вещи прописал в вк:
https://m.vk.com/ogarkov86
Вселенная механическая и энергия движение, преобразованное в массу.частицы темной материи идинтичны и равна их масса 1.
Вселенна шестимерна.смотрите сами… может я прав, нет?
yiselieren
14.07.2017 17:18Так вот же, зернистость пространства (ну и ещё многое другое):
http://gipotesa.ilibrary.ru/
paranoya_prod
14.07.2017 17:18Джон сидел в кресле и смотрел на картину весящую на стене. На столе стоял нетронутый бокал с коньяком купленным по случаю в бакалеи за углом, рядом лежала дорогая нераспечатанная сигара выпрошенная на прошлой неделе у знакомого, который знал толк в сигарах. Джон не употреблял алкоголь и не курил, но считал, что эти предметы являются обязательными атрибутами для проведения любого удачного эксперимента. Да, Джон верил в положительный исход проведения своего эксперимента и никто в мире не смог его бы в этом переубедить.
Всё началось год назад, когда он листал какой-то научный журнал сидя в приёмной небольшой компании. Джон ничего не понимал в науке и поэтому просто листал этот журнал, когда его взгляд остановился на статье некого Смолина, которую он так же не понял, но его зацепила фраза автора о том, что если провести эксперимент который никто до этого не проводил, то состояние мира измениться, появятся новые закона. Джон даже вызубрил название этого — «принцип предшествования». В тот день, в приёмной компании название которой он уже не помнит, Джона посетила странная мысль после которой он встал и просто вышел на улицу. Так он простоял пять минут и опомнившись пошёл домой размышляя над этим принципом предшествования.
Весь следующий год Джон готовился к проведению эксперимента, мотался по стране в поисках нужных вещей для проведения эксперимента и вот сегодня всё было собрано и Джон ждал двух часов дня. Секундная стрелка настенных часов медленно ползла к своей финишной черте и за пять секунд до двух, Джон встал, взял коробок спичек «Джекинс и Ко» выпуска 1960 года с изображением фабрики, на которой их производят, достал одну спичку и приготовился к проведению эксперимента. Секундная стрелка коснулась черты, часы щёлкнули, готовясь оповестить жильцов о наступлении двух часов и Джон быстро провёл спичкой о бок коробка, в этот же момент вокруг всё стало фиолетовым потом зелёным, на мгновение белым и в конце на целую секунду чёрным. От такой мешанины заболели глаза и застучало в висках, но буквально тут же всё перестало мельтешить и болеть, окружающая обстановка проявилась и Джон обнаружил что стоит посредине газона с травой странного серебристого цвета с малиновым оттенком…
Как то так я понял абзац про «принцип предшествования». Не укладывается в голове, что что-то начинает существовать и работать, после того, как человек проведёт эксперимент. Я подчёркиваю «человек» ведь ничто другое не проводит эксперименты. Исходя их этого тезиса получается, что люди появились после того, как кто-то провёл эксперимент «посмотреть в телескоп и найти другую разумную жизнь»
perfect_genius
15.07.2017 20:16Одна частица мгновенно влияет на другую на любом расстоянии. Как это измеряют? Синхронизированное время? А разве время не относительно?
taujavarob
17.07.2017 13:03-1Одна частица мгновенно влияет на другую на любом расстоянии. Как это измеряют? Синхронизированное время? А разве время не относительно?
Да. При старте время синхронизируют. — Потом при «вскрытии» определяют и затем сверяют отчёты. Имхо.
paluke
18.07.2017 17:34-1А не было попыток объединить гравитационное взаимодействие с сильным — ну как некоторый аналог электрослабой теории? Этакая симметрия меду парами взаимодействий...
vanxant
Это перевод плохой, или учёные таки изнасиловали журналиста?
Пример с космонавтами отвратителен. Если бы они просто двигались друг относительно друга (прямолинейно), то всё было бы ок. Но вот вращение, и вокруг общего центра масс, и особенно вокруг своей оси (из-за которого только и может быть головокружение) определить ни разу не проблема…
RuddyRudeman
В оригинале та же каша. Мол, вращающийся космонавт чувствует, что вращается именно он, но как это возможно, если нет абсолютного референса. Но тут имхо нет противоречия: вращающийся космонавт на самом деле не сводится к абстрактной вращающейся СИ, и мутит его из-за того, что разные части его тела испытывают разное ускорение (в зависимости от расстояния до центра его масс), и космонавт это по сути несколько датчиков, разнесенных на некоторое расстояние. Будь он материальной точкой, или даже элементарной частицей, и никакого параметра, описывающего его вращение, не существовало бы.
vanxant
Эм, ну момент вращения все-таки есть. Вращающийся вокруг своей оси космонавт может раскинуть руки и заметить изменение скорости своего вращения, даже если у него всего один датчик ускорения. Эффект будет сохраняться, как его не уменьшай. Материальная точка тем и отличается от абстрактной геометрической, что у нее радиус не нуль, а просто слишком мал, чтобы быть существенным для тех или иных расчетов.
dephonica
Пример нормальный. Космонавты расположены лицом друг к другу. Один из них вращается вокруг оси грудь-спина.
vanxant
Угу, теперь один из них подтягивает ноги к своей груди.
Если скорость вращения изменилась — он вращается. Если не изменилась — он неподвижен, а вращается напарник.