Очередной фрагмент из «Основ физики от аватаров». Предыдущие части см. через Навигатор цикла «Здесь, Там и Повсюду».

Слой # 2 : КВАНТОВАЯ БИОЛОГИЯ ЧАСТИЦ

2.0_Феномены без названий (или язык метафор и аналогий)

Когда мы смотрим на себя в зеркало, то что мы видим? Общую форму тела и голову-руки-ноги, кожу и волосы, лицо с глазами и ртом, плюс еще несколько отверстий – полезных, смешных и волнующих. Но это, собственно, и всё…

Ни костный скелет со множеством мышц, ни сердце и легкие или прочие внутренние органы, ни наш мозг, наконец – то есть очень многое из того, что и делает наш организм человеческим – мы в зеркале не видим. Иначе говоря, наблюдать удается лишь весьма небольшой фрагмент целого, поскольку основная часть организма остается незримой.

Богатые знания о теле человека, накопленные за века исследований, дают, однако, основания для уверенности, что все эти обычно ненаблюдаемые вещи у нас обязательно имеются. Благодаря же достижениям науки мы неплохо представляем, как все эти компоненты устроены, как они работают и взаимосвязаны друг с другом.

В частности, среди прочего нам давно известно о единой клеточной структуре всех компонентов и о молекулярном составе клеток. На цифры состава имеет смысл обратить внимание: организм взрослого человека в среднем состоит на 70% из воды, на 25% из молекул органической химии и на 5% из молекул неорганической материи.

При таких раскладах элементов вполне естественно считать, что важнейшей основой для жизни нашего тела является вода. А все критично важные структуры – биологические молекулы, начиная с ДНК, плюс состоящие из этих молекул клетки, плюс состоящие из клеток ткани – всё это, в свою очередь, с точки зрения физики представляет собой по преимуществу формы материи в жидкокристаллическом состоянии…

Данные факты о природе и устройстве живых организмов ныне являются общеизвестными, однако подлинную их важность удаётся постичь лишь в существенно более широком контексте.

Когда безоблачной ночью мы смотрим в небо, на ту необъятную вселенную, которая нас окружает, то что мы видим? Темное небо, луну, планеты и звезды, тысячи звезд. Это бывает потрясающе красивое зрелище, но в общем-то это всё, что мы можем наблюдать – даже в телескоп.

Благодаря науке и технике, однако, люди знают очень много вещей не только о природе далеких планет, звезд и галактик, но даже о волнующей физике невидимых черных дыр. А самое главное, уже достоверно известно, что видим мы тут лишь очень небольшую долю вселенной – порядка 5%. Еще примерно 25% приходится на незримую «темную материю», а основная доля порядка 70% – это еще более загадочная «темная энергия».

Трудно не заметить соответствие цифр, характеризующих состав вселенной и состав нашего собственного тела. В отличие от организма человека, однако, наука абсолютно ничего не знает про «темные вещи» космоса – кроме собственно факта их существования. Идея о том, что соответствие цифр-пропорций тут может быть вовсе не случайным, выглядит вполне закономерной. Хотя и необычной, спору нет. Оттого, видимо, идею эту никто из ученых не разрабатывает.

Ибо проводить аналогии между наблюдением вселенной и наблюдением биологических организмов пока что в науке совершенно не принято. А потому никто и не видит целый комплекс достаточно отчетливых соответствий…

Не видят, прежде всего, прозрачной «воды» – или гидродинамической физики – в основах темной энергии и всей природы в целом. Не видят разнообразные жидкокристаллические структуры в базовых формах темной энергии и темной материи. Не видят, наконец, дискретно-гранулированной – «клеточной» – структуры в основах строения пространства и времени. Не видят НИЧЕГО, короче, из того, что делает вселенную живым биологическим организмом – подобно которому устроено всё живое в этом мире. Включая и нас самих…

Вполне естественно задаться вопросом: Почему же так происходит?

#

Наука наша до сих пор не научилась на систематической основе встраивать в фундамент новые знания и факты. В независимости от того, насколько велика достоверность и значимость этих фактов.

Из-за склонности нашей психики к упрощениям, очень многим людям – и в особенности самым умным и образованным из людей – присуща навязчивая иллюзия, будто мы уже располагаем ВСЕМИ базовыми знаниями об основах устройства этого мира. А потому любые новые вещи, открываемые наукой, принято трактовать как подтверждение или углубление нашего понимания уже освоенных истин или «первых начал».

Если же новые факты из первых начал не выводятся никак или даже – хуже того – этим началам противоречат, то тогда происходит следующее. Важность новых открытий либо отрицается, либо их искажают и преуменьшают, подстраивая под основы фундамента. Либо, наконец, самые неудобные факты – по всему достоверные и потому особо важные знания – просто начинают игнорировать. Дабы сохранялась видимость согласованности и непротиворечивости в базовых постулатах…

Должно быть понятно, что здесь, по сути дела, работает очень мощный тормоз. Или даже барьер, блок в коллективном сознании ученых. Подлинного же продвижения вперед просто не получится без понимания того, что подобный подход к развитию науки – это ошибка принципиального характера.

Причем ошибку эту очень легко исправить – достаточно лишь признать сам факт неверного в корне подхода. Верные же подходы – то, как на самом деле должны работать механизмы логики в основах познания мира человеком, – давным-давно продемонстрированы в самой точной из наук человечества.

Примерно 90 лет тому назад в области математики Куртом Гёделем была доказана знаменитая теорема о неполноте. Суть которой, изложенная общедоступным человеческим языком, сводится примерно к следующему. В абсолютно любой строгой теории, выстроенной на базе нескольких «первых начал», всегда возможны и имеются такие утверждения или факты, которые из этих первых начал не выводятся.

Иначе говоря, опираясь на базовые постулаты, для некоторых конкретных утверждений в рамках теории невозможно доказать, верными или ложными они являются. Более того, сколько бы новых фактов или «утверждений», принятых как верные, мы в нашу теорию ни добавляли, она по-прежнему будет оставаться неполной в принципе. То есть и далее всегда будут возможны новые утверждения или «явления», из первых начал не выводимые, однако имеющие фундаментальную важность…

Дабы сразу стало понятно, сколь тесные взаимосвязи имеются между этим строгим результатом абстрактной математической логики и физическими теориями о природе вселенной, достаточно вспомнить такие общеизвестные факты. Несмотря на столетия напряженных усилий, наука наша по сию пору так и не способна объяснить или наглядно продемонстрировать, каким образом из неживой инертной материи возникает феномен биологической жизни. Еще больше трудностей, как всем известно, имеется у науки с объяснением – или «выведением из первых начал физики» – особо загадочного феномена сознания.

Сопоставляя эти бесплодные усилия естественных наук с теоремой Гёделя о неполноте, несложно ухватить такую идею. Для того, чтобы физика могла выводить из своих первых начал феномены жизни и сознания, необходимо ясно и внятно включить базовые основы этих феноменов в сам фундамент физической науки.

О том, как это делается с феноменом сознания, будет рассказывать еще один, третий слой раздела «Асимметрия». Ну а об элементарных физических основах биологии в природе частиц будет рассказ здесь. Попутно – как бонус – становится понятно и то, отчего никак не удавалось решить другую труднейшую задачу. Или иначе, проблему проблем современной физической науки с упорной несовместимостью двух её главных основ – квантовой физики и теории гравитации Эйнштейна.

# #

С такими фундаментально важными явлениями физики, которые не удается выводить из имеющихся «первых начал», наука сталкивается давно и регулярно. Для классической физики, скажем, в XIX веке одним из наиболее примечательных феноменов подобного рода стали волны-солитоны или уединенные «волны переноса», а в веке XX – родственный феномен осциллонов или «осциллирующих солитонов». Из-за конфликтов с «первыми началами», подлинную роль солитонов в природе не признавали примерно лет сто, а фундаментальная важность осциллонов не постигнута наукой вплоть до нынешнего дня.

В физике квантовой одним из самых знаменитых явлений того же ряда является феномен сверхтекучести (плюс близко родственная этому явлению сверхпроводимость). И коль скоро в науке XX века количество такого рода «не выводимых из первых начал» явлений постепенно, но стабильно прирастало, с некоторых пор для них завели специальное название – «эмерджентные феномены». То есть изначально непредсказуемые феномены физики, появляющиеся вследствие новых, неожиданных и разнообразных эффектов коллективного поведения у элементов системы.

Дабы подчеркнуть ту же самую логику продвижения, здесь целесообразно опереться на уже имеющуюся терминологию. И поподробнее рассмотреть три эмерджентных феномена квантовой физики, которые по определению не выводятся из уже имеющихся «первых начал», но при этом отчетливо связаны с эффектами взаимодействий волн-вихрей-струй гидродинамики. А самое главное, имеют вполне ясные аналогии среди фундаментально важных – базовых – процессов биологии.

Три биологических процесса, неотъемлемо важных для поддержания жизни, известны под такими названиями: дыхание, метаболизм, симбиоз. Три соответствующих им аналога в области квантовой физики частиц играют столь же важную, основополагающую роль для жизнедеятельности «генератора реальности» (демонстрируя попутно разные формы Асимметрии в коллективном поведении элементов единой системы).

Необходимо особо отметить, что для всех этих принципиально важных процессов квантовой физики на сегодняшний день не существует даже собственных названий. По той, очевидно, причине, что сильные аналогии между фундаментальной физикой и основами биологии пока еще не приняты в науке совершенно. А вот прочно закрепившееся в умах ученых – и заведомо неверное – разделение природы на «живую и неживую», напротив, считается делом самоочевидным.

С другой стороны, все интересующие нас «биологические» феномены частиц – как элементарных живых организмов или дживанов – с математической точки зрения изучены в физике весьма глубоко и тщательно. Но при этом нет абсолютно никакого понимания того, в чем смысл выявленных закономерностей и насколько важны данные вещи для реальной жизни микромира. Отчего, собственно, тут и сложилась весьма парадоксальная ситуация с «феноменами без названий»…

При наличии правильного нового взгляда на давно известные вещи, впрочем, и этот парадокс преодолевается без проблем.

2.1_Вечное ДЫХАНИЕ дживана

Когда мы говорим о нашем дыхании с точки зрения физики, то что мы подразумеваем под этим процессом в первую очередь? Прежде всего, это отчетливо наблюдаемый процесс колебаний или осцилляций, имеющих ясное предназначение и хорошо различимые фазы.

Если чуть подробнее, то, во-первых, следует подчеркнуть принципиальную важность феномена дыхания, вместе с каждым вдохом обеспечивающего регулярное поступление энергии, необходимой для поддержания жизни организма. Во-вторых, за каждым вдохом – или фазой расширения тела – непременно следует фаза «выдох-сокращение». И в-третьих, наконец, процесс строго последовательного чередования вдохов и выдохов тела происходит всегда – на протяжении всей жизни организма.

При столь тесных и неразрывных взаимосвязях между дыханием и жизнью вполне естественно считать, что для любого биологического организма – включая и тело человека – жизнь в этом мире начинается с первого вдоха тела и заканчивается его последним выдохом. И если мысленно мы способны представить себе некий простейший «вечно живой» организм в основах природы, то внешне его существование должно выглядеть как нескончаемая череда вдохов-выдохов.

Механизм движений в основе такого гипотетического объекта – при поверхностном на него взгляде как на изолированную систему – для физиков подозрительно похож на вечный двигатель первого рода, запрещенный Первым началом термодинамики («невозможны устройства, работающие лишь за счет собственной внутренней энергии»). Однако чуть более пристального рассмотрения уже достаточно, чтобы увидеть здесь такие условия, для которых ни Первый закон, ни все прочие начала термодинамики и законы сохранения неприменимы в принципе.

Ибо процесс дыхания – это по определению череда всегда неравновесных состояний в открытой системе, постоянно подпитывающейся энергией из окружающей среды за счет асимметрии «вдоха» и «выдоха». С другой стороны, интерес к процессу дыхания и к особенностям его живой механики позволяет существенно по-новому взглянуть на несколько давних, трудных и по сию пору никак не решенных проблем в основах физики частиц.

#

Хотя тесно взаимосвязанных загадок здесь имеется целый букет, все они так или иначе ответвляются от одного весьма замысловатого феномена квантовой физики под неуклюжим названием «волновое релятивистское уравнение Дирака» (или УрДир покороче).

Уже сам факт того, что для нетривиального – и фундаментально важного! – физического явления, давно выявленного в глубинных основах природы, у науки до сих пор нет никакого собственного названия, на взгляд постороннего выглядит поразительно. Однако для ученых ничего удивительного тут нет. Ибо и собственно феномена такого в их науке как бы и не существует вовсе.

Целая куча странностей в структуре и решениях этого уравнения уже почти столетие остается без объяснений. Точнее говоря, все очень странные и удивительные вещи принято считать «давно объясненными из первых начал». Однако на самом деле теоретики, развивающие физику частиц, предпочитают все эти непонятные странности по-тихому игнорировать, придумав для своих расчетов существенно другую математику (интегралы по траекториям и калибровочные подходы, основы которых не менее загадочны, но об этом будет отдельный рассказ в другом месте). Уравнение же П.А.М. Дирака аккуратно «задвинули поглубже» – без лишнего шума удалив его из фундамента современной квантовой физики и из популярных учебных курсов… [fw]

В чем же суть этого квантового феномена, престранное математическое описание для которого было обнаружено Полем Дираком весьма необычным, можно даже сказать чудесным образом в 1928 году?

К тому времени у творцов квантовой механики уже имелось уравнение Шредингера, на основе идей волновой физики предоставившее весьма удачное и компактное описание для объяснения квантовых феноменов. При всех его достоинствах, однако, одного лишь уравнения Шредингера было явно недостаточно, поскольку оно не учитывало два весьма существенных аспекта в природе микромира. Во-первых, эффекты релятивистской физики, то есть деформации ткани пространства-времени из-за высоких скоростей частиц. И во-вторых, эффекты спина или собственного вращения частиц.

Развивая результаты Шредингера, Вольфганг Паули вскоре придумал, каким образом учитывать спин, описывая состояния частицы с помощью пары волновых функций – где один компонент пары отвечает за состояние «спин вверх», а компонент второй, соответственно, за состояние «спин вниз».

Когда же к задаче подключился Поль Дирак, работавший независимо от Паули, то ему удалось изобрести такое уравнение, которое в своей единой структуре верно учитывало сразу все нужные аспекты частицы – и её волновую природу согласно Шредингеру, и спин-вращение, и эффекты теории относительности. Но вот как именно Дирак вышел на это замечательное, однако весьма странное и озадачивающее в своей конструкции описание, даже сам его изобретатель объяснить не мог.

Согласно его собственным рассказам, когда П.А.М. задумался, как могло бы выглядеть такое уравнение, которое предоставляло бы нужные ученым ответы, то ему совершенно неожиданно и непонятно откуда пришла вдруг идея, что такое общее описание частицы должно содержать четыре волновых функции. Как только Дирак записал эту идею в форме матричного оператора и стал «играть с математикой», по его собственному выражению, то быстро выяснилось, что новое 4-компонентное уравнение в своих решениях действительно дает совершенно верные предсказания для результатов, наблюдаемых в опытах с электронами.

Это был совершенно замечательный итог воистину великого теоретического прорыва. Но открытие Дирака крайне озадачивало своей математикой. Ибо из неё по всему выходило, что частица почему-то имеет четыре компонента, причем два из них (со спинами вверх и вниз) с положительной энергией, и еще два (тоже со спинами вверх и вниз) – с энергией отрицательной. И как трактовать эту «отрицательную энергию», было совершенно неясно.

Более того, по мере анализа уравнения специалистами, число загадок в математике УрДир стало быстро нарастать и все больше озадачивать теоретиков – подавая отчетливые сигналы о выходе на феномен какой-то совершенно новой и необычной физики.

Если бы открытие это происходило сегодня, то были бы все основания назвать его эмерджентным феноменом дыхания сдвоенной частицы, возникающим как эффект коллективного поведения компонентов пары. Однако 90 лет назад уровень знаний науки об устройстве природы был существенно иным…

# #

В конце 1920-х годов самым естественным решением для проблемы с положительной и отрицательной энергией частицы представлялось трактовать эти различия как противоположные электрические заряды – положительный и отрицательный. Просто по той причине, что никаких других «стабильно противоположных» характеристик для частиц у науки в тот период не было.

При этом было отлично известно, что в мире частиц равные и противоположные по знаку заряды имеют электрон и протон. Но тогда из структуры уравнения Дирака получалось, что электрон каким-то загадочным образом скрывает в своих волновых осцилляциях еще и протон (а протон, соответственно, скрывает в себе электрон). Однако массы электрона и протона отличаются почти в 2000 раз – это существенно разные по свойствам частицы. Проницательный Гейзенберг, также ломавший голову над этой проблемой, сказал в ту пору Дираку, что решить данную загадку удастся лишь после того, как будет создана единая теория для физики протона и электрона…

Среди первых теоретиков, кто уже в 1929 году глубоко проанализировал УрДир, был Герман Вейль, один из наиболее сильных математиков той эпохи [hw]. Именно Вейлем, собственно, и было тогда впервые отмечено, что структура УрДир указывает на сдвоенную природу частиц в основе материи: «Естественно ожидать, что из двух пар компонент для величин Дирака одна принадлежит электрону, а другая – протону»…

Кроме того, Герман Вейль обнаружил в преобразованиях и решениях уравнения Дирака другие крайне странные вещи – причем также связанные с загадкой существенно разных масс в описании одной и той же частицы.

Вейль показал, что математическая структура частицы раскладывается на два безмассовых компонента – один компонент с праворукой киральностью вращения, другой с леворукой. Масса же у частицы каким-то неясным образом возникает в ее постоянных осцилляциях – при переходах от одного состояния киральности к другому. И поскольку масса, согласно Общей теории относительности Эйнштейна, неразрывно связана с геометрией пространства, Герман Вейль отметил, что именно здесь – в этой загадке уравнения Дирака – должен быть ключ к объединению квантовой физики и теории гравитации.

Вскоре вслед за Вейлем исследованиями математики УрДир занялся и его близкий приятель, отец волнового уравнения Эрвин Шредингер [es]. И тоже обнаружил здесь несколько новых озадачивающих фактов. В частности, Шредингер показал, что согласно этому описанию всякой частице материи оказывается присущим феномен «дрожащего движения» или Zitterbewegung, как назвал это автор на родном для него немецком.

Суть феномена «циттербевегунг», согласно Шредингеру и уравнению Дирака, заключается в том, что каждая частица материи типа электрона и протона постоянно находится в состоянии колебаний с чрезвычайно высокой собственной частотой (10²¹ герц, по расчетам теоретика) и очень малой амплитудой осцилляций. Причем существенно, что «дрожания» эти происходят со скоростью света, свойственной безмассовым частицам, накладываясь на «обычное» – равномерное прямолинейное – движение свободной частицы с массой…

Официальная или «парадная» версия истории науки в XX веке пытается создать у людей впечатление, будто все перечисленные странности и загадки уравнения Дирака в итоге были теоретиками успешно разрешены. А апофеозом этих больших успехов обычно принято называть открытие антиматерии.

То есть сугубо теоретическую поначалу гипотезу Поля Дирака, который в попытках извлечь смысл из собственного уравнения провозгласил, что электроном с отрицательной энергией должна быть пока еще неизвестная науке частица «анти-электрон» – с такой же как у электрона массой, но противоположным по знаку зарядом. Далее же случилось так, что очень скоро – буквально на следующий год – именно такая частица, получившая в итоге название «позитрон», была обнаружена в космическом излучении.

Иначе говоря, очень странная и далеко не очевидная гипотеза теоретика вдруг обрела надежное экспериментальное подтверждение. В последующие десятилетия физикам удалось обнаружить соответствующие античастицы и для всех прочих частиц материи, а ныне с опорой на присущие антивеществу свойства раскручены мощные ветви хайтек-индустрии вроде позитрон-эмиссионной томографии. Так что в целом картина научного прогресса вокруг освоения уравнения Дирака выглядит весьма убедительно.

Вот только проблем загадочной физики и четырех компонентов частицы в математике УрДир все эти замечательные успехи на самом деле не решили никак. В частности, такие вещи, как осцилляции компонентов с переворотом киральности и движения массивных частиц со скоростью света, нынешняя концепция антиматерии по сути не затрагивает вообще.

А кроме того, если полагать, как это делается официально, что решением загадок УрДир является наблюдаемое в опытах порождение пар частица-античастица, то крайне желательно иметь ответы и для следующих естественных вопросов. Почему же тогда мир состоит только из одной половины пары – из частиц материи? И как это супер-стабильное существование лишь одной половины вообще может быть возможно, если антиматерия и материя взаимно уничтожаются при аннигиляции от малейшего соприкосновения друг с другом?

Ответов на эти простые и наивные вопросы в мире официальной науки ни у кого нет…

# # #

На самом деле все нужные для ответов факты давно в науке известны. Вот только каким образом увязать эти факты друг с другом, а затем привлечь их для разрешения застарелых проблем – тут понимания пока нет. А когда нет понимания, то и собственно факты обычно игнорируются. Как несущественные.

Дабы несущественные факты вокруг загадок УрДир стали не просто значимыми, но и принципиально важными для понимания собственно феномена, удобно еще раз взглянуть на хорошо известную историю рождения квантовой механики. И по порядку выделить особо там такие моменты, которые обычно принято упоминать мимоходом или же вообще опускать полностью.

Начать пересмотр естественно с Луи де Бройля, первым выдвинувшим идею о том, что эксперименты квантовой физики указывают нам на волновые свойства частиц материи. А если это так, то, по мнению де Бройля, у каждой такой частицы должен быть и какой-то механизм внутренних часов, обеспечивающий стабильность этих волновых осцилляций…

Эрвин Шрёдингер заинтересовался идеями де Бройля – и вскоре не без помощи Германа Вейля сумел вывести своё знаменитое волновое уравнение. Работая с частицей как с волной, это уравнение замечательно описывало многие из уже известных свойств частиц и атомов, а также давало хорошие предсказания для ожидаемых итогов опытов.

Сильно же озадачило всех то, что волновая функция Шрёдингера математически оперирует комплексными числами, или иначе, парами из действительных и мнимых чисел. А результаты опытов в физике, именуемые наблюдаемыми величинами, могут быть зафиксированы только одним числом – действительным, то есть по самой природе своей одно-компонентным.

О том, как преодолело эту проблему сообщество ученых, трактуя наблюдаемые величины с сугубо формальных математических позиций – как «квадрат амплитуды вероятности» – написано во всех учебниках физики. Ибо это общепринятая трактовка. Куда меньше известно, что Луи де Бройль для решения этой же принципиальной проблемы выдвинул существенно другую интерпретацию – в терминах естественной физики волн.

Ныне эта идея носит название «двойное решение» де Бройля. Суть которого в том, что пара чисел в волновой функции Шрёдингера – это единое описание для двух колебаний, частицы и волны, постоянно осциллирующих во взаимно-согласованном друг с другом режиме. С точки зрения наглядности и здравого смысла, решение де Бройля явно выглядит намного более привлекательным, однако научное сообщество его проигнорировало.

Практически одновременно с началом дискуссий об интерпретациях волновой функции Шредингера, квантовая физика обнаружила очередной важнейший феномен, получивший название спин частицы. Учет этого феномена потребовал усложнения базовой математики описания, а с подачи Вольфганга Паули удобной и общепринятой стала 2-компонентная версия уравнения Шредингера. Где одна волновая функция отвечает за состояние «спин вверх», а вторая такая же компонента – за состояние «спин вниз».

Вскоре после этого происходит и самое главное событие – открытие релятивистского уравнения Дирака, имеющего структуру 4-компонентного волнового уравнения Шредингера. Спиновые компоненты частиц по Паули обнаружились в УрДир естественным математическим образом, но при этом каждая из них раскладывается еще на две – с положительной и отрицательной энергией…

Важнейшая идея о том, как понимать это загадочное размножение компонентов у одной частицы, со временем таки пришла к Дираку, но произошло это спустя десяток с лишним лет. В самое неудачное для подобных открытий время. Летом 1941 года, то есть в самый разгар второй мировой войны, теоретик сформулировал и публично представил коллегам свою концепцию «гипотетического мира». Суть идеи П.А.М. Дирака сводилась к тому, что у вселенной имеется еще один лист пространства, параллельный нашему, а все частицы материи одновременно существуют в обоих мирах – одной своей половиной в мире наблюдаемом, другой половиной в мире гипотетическом. [pd]

С математической точки зрения концепция выглядела весьма элегантно и привлекательно, позволяя избавить квантовую теорию от быстро нараставших добавок-усложнений и сохраняя исходную простоту квантовой механики. Но несмотря на достоинства гипотезы, среди коллег и светил того периода идеей Дирака о раздвоении пространства вселенной не заинтересовался практически никто – за исключением Вольфганга Паули. Ныне же об этом открытии П.А.М. предпочитают вообще не вспоминать.

Аналогично остается забытым и еще один критично важный цикл работ Дирака, проведенных им в начале 1950-х. Крайне неудовлетворенный тем направлением развития, которым двинулась квантовая теория в послевоенный период, П.А.М. пытался вернуть теорию к естественно-научным корням и здравому смыслу, возвратив в физику концепцию эфира по Максвеллу. Эфира как материальной гидродинамической основы для электромагнетизма, для всех квантово-волновых и прочих природных феноменов. [ad]

Главным итогом этой работы является то, что согласно выкладкам Дирака концепция динамического эфира не только не противоречит уравнениям специальной теории относительности, но и напротив, делает релятивистскую квантовую физику более простой, внятной и наглядной. Среди прочего, в частности, представления Дирака о динамическом эфире как об очень подвижном тонком флюиде, всюду заполняющем пространство, позволили ему корректно вернуть в физику XX века две идеи, чрезвычайно важные для здравого смысла в науке, – об абсолютном отсчете времени и об абсолютной одновременности событий.

Здесь полезно напомнить еще раз очевидно близкие идеи де Бройля о внутренних часах, задающих режим квантовых осцилляций, и о постоянно сцепленной паре из волны и частицы в основе этих колебаний. И наконец, непременно должна быть упомянута еще одна идея, критично важная для понимания феномена в основе уравнения Дирака. Идея от Вольфганга Паули – «О структуре танца» четырех компонентов частицы, обитающих на параллельных листах раздвоенного пространства. Суть этой структуры наглядно передает поясняющий рисунок из письма Паули, в виде квадрата с двумя диагоналями отображающий, как верхние компоненты меняются местами с нижними, а правые компоненты меняются местами с левыми.

На столь простой и очень важной схеме рассказ неожиданно приходится прервать, к сожалению. Ибо к концу 1950-х годов оборвалась собственно цепь фактов и документов из малоизвестного сюжета в истории науки, который должен был бы называться примерно так: «О выходе квантовой теории к своему величайшему открытию – о раздвоении мира и асимметрии раздвоенных частиц». Ибо Вольфганг Паули, ближе всех подошедший к этому рубежу, решил ничего на данный счет не публиковать и вскоре умер [sh]. А Поль Дирак, не найдя поддержки среди остальных коллег, по сути убил свои открытия сам, полностью прекратив их дальнейшую разработку.

Примерно та же судьба постигла и быстро забытые идеи Луи де Бройля, хотя в послевоенный период кое-что из них самостоятельно переоткрыл и под названием «пилот-волна» начал развивать Дэвид Бом. Однако это уже существенно другая история – «история знаменитых ересей» в современной науке как посюсторонней религии. [dh]

Нас же интересует весьма особенный комплекс очерченных здесь идей от «отцов-основателей» квантовой механики. Таких идей, которые научное сообщество предпочло отвергнуть и фактически игнорировало на протяжении всего XX столетия. Когда же на рубеже веков и тысячелетий физики-экспериментаторы обнаружили простые и наглядные опыты, красиво подтверждающие именно этот комплекс забытых теоретических новаций, то в мире официальной науки не поняли даже сути открытых взаимосвязей. Не говоря уже об их фундаментальной важности.

Не исключено, что мудрейшие из ученых лишь сделали вид, будто ничего не поняли. В терминах тотального НЕ-освоения новых Открытий абсолютно без разницы, однако, реальная тут у теоретиков импотенция или же её старательная имитация.

# # # #

Особо важных для истории Открытий, сделанных экспериментаторами на рубеже веков, было три – в 1995, в 2001 и в 2005. Дабы стали понятнее теснейшие взаимосвязи не только между ними всеми, но и с комплексом забытых идей от Дирака, Паули и де Бройля, удобнее начать «с краев», то есть с первого и последнего открытий тройки. Ну а результат 2001 года, оказавшийся посередине, эффектно выступает в роли ключа к постижению наиболее хитрого трюка природы, «объединяющего здесь всё»…

Открытие 1995 года – это осциллон или феномен осциллирующей уединенной волны-солитона, о котором рассказывалось в предыдущем слое «Дискретная классика». Родственное открытие года 2005 – это еще один сугубо классический феномен «прыгающей капли», предоставивший массу наглядных аналогий для загадочных прежде явлений квантового мира и подробно разбираемый в материале «Квантовая физика как она есть» [qp].

Вполне очевидное близкое родство осциллона и прыгающей капли – как принципиальной значимости момент для всей этой истории – заключается в следующем. Оба этих феномена были открыты в простых условиях фактически одной и той же настольной экспериментальной установки. Где неглубокий контейнер с широким плоским дном заполняют слоем гранулированного материала, раствора суспензии/коллоида или вязкой жидкости вроде силиконового масла, и затем подвергают контейнер регулярным вертикальным колебаниям типа встряхиваний.

При определенных параметрах эксперимента в результате этих встряхиваний на поверхности материала могут образовываться исключительно стабильные динамические объекты – осциллоны в грануляте/жидкости или прыгающие капли в масле. Как индивидуально, так и в коллективном поведении эти объекты демонстрируют великое множество разнообразных эффектов, предоставляющих наглядные аналогии для физических феноменов и форм взаимодействий, давно известных науке в существенно иных контекстах. Начиная от аналогий для электромагнетизма по Максвеллу и заканчивая аналогами особо загадочных квантовых феноменов типа волновой интерференции одной частицы на двух щелях или туннельных переходов сквозь потенциальный барьер.

На редкость богатая в своих проявлениях, физика осциллонов и прыгающей капли на сегодняшний день не только надежно подтверждена во многих лабораториях мира, но и разнообразно изучается научным сообществом. Поразительная особенность всех этих исследований, однако, заключается в следующем. Ни на сайте препринтов Arxiv.org, ни где-либо еще в научной литературе, доступной для поисковиков интернета, не обнаруживается НИ ОДНОЙ работы, посвященной сравнительному анализу двух этих близко родственных феноменов – в общем контексте и при взаимном сопоставлении.

Иначе говоря, для нынешней физической науки феномены осциллона и прыгающей капли существуют полностью отдельно друг от друга и как бы не имеют ничего общего. Почему так происходит, как объяснить столь странную слепую зону ученых, никто вам не расскажет… Но каковы бы тут ни были причины, это по-любому гигантская ошибка науки. Которую явно пора исправлять.

Делать же это удобно и естественно в прямом сопоставлении с давно забытыми идеями отцов-основателей квантовой механики. Тогда сразу становится понятнее и фундаментальная важность всех тех вещей, которые здесь наукой упускаются.

Когда эксперименты, порождающие осциллоны и прыгающие капли, сопоставляются с идеей Поля Дирака о динамическом эфире, порождающем элементарные электрические заряды и эффекты релятивистской квантовой физики, то первым делом несложно увидеть такое соответствие. В опытах с вибрирующим контейнером роль «пространства» как среды динамического эфира Дирака играют гранулированный материал или жидкость, подвергаемые регулярным встряхиваниям.

Эти же колебания регулярных вибраций контейнера играют в данной системе роль «абсолютного отсчета времени» по Дираку и, соответственно, обеспечивают естественные условия для «абсолютной одновременности» событий, происходящих с вибрирующим материалом «пространства». При этом аналоги «квантово-релятивистских» феноменов на его поверхности – прыгающие капли и волны, холмы и ямы осциллонов – в своих движениях постоянно искривляют и деформируют «в среднем плоское» пространство материала.

Поскольку собственная частота колебаний осциллона или прыгающей капли вполне очевидно и напрямую связана с частотой колебаний контейнера в целом, здесь же мы можем видеть еще две важные аналогии. Во-первых, это общее устройство для механизма «внутренних часов» частицы – согласно идее Луи де Бройля. Во-вторых, этот же механизм обеспечивает и постоянный «циттербевегунг», то есть дрожащее движение частицы по Шрёдингеру.

Наконец, еще одна важнейшая особенность в картине аналогий – это различия взаимодействий квазичастиц в зависимости от фазы их колебаний. Эксперименты как с осциллонами, так и с прыгающими каплями показывают, что такие объекты взаимно-притягиваются в противоположных фазах колебаний и взаимно-отталкиваются при фазах одинаковых. Эта наглядная физика не только позволяет квазичастицам образовывать устойчивые динамические структуры типа кристаллических решеток, но и предоставляет внятные подсказки для решения наиболее трудных загадок в основах «феномена УрДир».

Особо полезна для прояснения картины физика осциллона, поскольку его противоположные фазы «пика» и «кратера» (либо «холма» и «ямы», в зависимости от свойств материала среды) радикально отличаются друг от друга по внешнему виду. И при этом дают наглядный ответ для вопросов Вейля и Гейзенберга, ломавших голову над тем, как же вообще может выглядеть единая физика протона и электрона, если уравнение Дирака указывает на одновременное присутствие противоположных зарядов внутри одной и той же частицы.

Прыгающая капля также имеет хорошо различимые противоположные фазы в своих колебаниях – нижнюю в контакте с волной и верхнюю фазу на максимальном удалении от поверхности жидкости. Особенности физики этого объекта, однако, значительно лучше подходят в качестве наглядной аналогии для «двойного решения» от Луи де Бройля. То есть для идеи о том, что квантовая частица материи представляет собой неразрывную пару из «волны и точки», постоянно осциллирующих во взаимном согласии друг с другом.

В качестве же самой точной – или идеальной – гидродинамической аналогии для раздвоенной квантовой частицы-дживана может служить комбинация из осциллона и прыгающей капли. Где конус осциллона выступает в роли «волны», а оторвавшаяся от его вершины капля – в роли «точки» двойного решения. Эта конструкция неслучайно, конечно же, напоминает «связное двоеточие Александрова» из математических глубин топологии, где неразрывно сцепленные «точка с областью» и «просто точка» в своей комбинации превращают обычное непрерывное пространство в нечто куда более интересное и неожиданное…

Но сколь бы хороши и наглядны ни были аналогии с осциллоном и прыгающей каплей, лишь их одних далеко не достаточно для полного решения загадок квантовой физики вообще и УрДир в частности. Ибо совершенно ясно, что в экспериментах с вибрирующим контейнером все квазичастицы, там образующиеся, в своих аналогиях демонстрируют попеременно то свойства протонов, то электронов. Однако в реальном мире мы видим нечто совершенно иное: протоны тут всегда остаются протонами, а электроны, соответственно, всегда электронами. У науки нет свидетельств тому, что одно постоянно превращается в другое.

В подобных условиях особенно ценным и выдающимся открытием оказываются забытые идеи П.А.М. Дирака и Вольфганга Паули – о раздвоении пространства вселенной на пару соседних миров и о непрерывных перескоках половинок частиц с одного мирового листа на другой. Именно из-за этого танца раздвоенных частиц два мира вселенной постоянно и с огромной частотой меняются друг с другом местами.

Наука же наша, представленная армией физиков как наблюдателей своего мирового листа, не может увидеть этих дискретных скачков и всегда сосредоточена лишь на одной половине вселенной, по сути игнорируя половину вторую, дополняющую наблюдаемый мир словно зеркало. Но зеркало, надо подчеркнуть, весьма своеобразное – ибо в корне асимметричное…

# # # # #

С одной стороны – на взгляд любого человека неподготовленного – мы имеем здесь совершенно поразительный, почти невероятный факт природы. Сегодня людям в массе своей крайне трудно принять как истину то, что мир нашей реальности на самом деле живет одновременно на паре соседних листов раздвоенного пространства. А мы – включая и всю нашу науку – совершенно этого не замечаем. И оттого не пользуемся богатейшими возможностями природы, к сожалению.

Глядя со стороны другой – с высот современной физико-математической теории – эта истина имеет почти всё, чтобы стать красивым и замечательно простым объяснением для множества фундаментальных и очень трудных проблем науки. И наверняка данная идея в том или ином виде не раз приходила в голову многим из мудрейших умов человечества. Но есть, однако, в этом красивом решении одна очень серьезная проблема, которая делает всю сопутствующую физику невозможной в принципе – при любых попытках прямого и бесхитростного воплощения идеи.

Проблема в том, что пространство нашего мира является ориентируемым. Эту важную концепцию можно пояснять разными способами. Тем, что правая перчатка не совмещается с левой при их наложении. Что солнце всегда восходит на востоке, а заходит на западе. Тем, что вращение жидкости в вихре или движение стрелок на циферблате часов всегда должно происходить в одну и ту же сторону.

Так вот, если идею о постоянных перескоках частиц – вместе со всеми их спинами и орбитальными вращениями вокруг друг друга – приложить к двум листам пространства просто и без затей, то ничего хорошего из этого не получится. Такой придуманный нами мир сразу же оказывается неориентируемым. Правое здесь перестает отличаться от левого, а направление обхода круга «по стрелке часов» для одного листа пространства означает в точности противоположное для листа второго. Иначе говоря, такая геометрия и механика раздвоения совершенно не похожи на тот мир, который мы наблюдаем в действительности.

*

Формулируя то же самое по-другому, можно сказать так. Если Раздвоение пространства – это идея достоверно правильная, тогда у природы для её воплощения непременно должна быть какая-то хитрость, то ли науке неизвестная, то ли пока в расчет не принимаемая. И вряд ли случайность, что именно этот хитрый феномен был обнаружен-опубликован в экспериментальной физике на рубеже тысячелетий – в 2001 году под названием «динамический переворот топологического заряда у вихря» [tc].

В отличие от несложных опытов с вибрирующим контейнером, порождающим осциллоны и прыгающие капли, для демонстрации трюка с переворотом направления вращения у вихря требуется оборудование посложнее. С другой стороны, и здесь речь по-прежнему идет о сравнительно недорогих «настольных» экспериментах. Теперь – с использованием лазерной техники, стандартной при изучении феноменов нелинейной оптики.

Область нелинейной оптики особо интересна по причине отчетливых признаков гидродинамической и жидкокристаллической физики в её основах. Поэтому есть возможность трактовать когерентный лазерный свет как квантовый феномен жидкого флюида, доступного нам для непосредственных наблюдений. Важно и то, что феномены нелинейной оптики описываются по сути теми же самыми «гидродинамическими» уравнениями, которые описывают феномены квантовых жидкостей типа конденсата Бозе-Эйнштейна, еще одной очень плодотворной области для непосредственного изучения квантовых феноменов, наблюдаемых в макромасштабе.

Новые экспериментальные факты свидетельствуют вот о чем. Вплоть до конца XX века не только физики, но и математики были уверены, что динамический переворот вихря – это вещь, невозможная в принципе. Ибо всем казалось самоочевидным, что вихрь можно заставить вращаться в другую сторону лишь после того, как исходное вращение остановлено. Или иначе, когда вихря по сути не стало. Однако опыты со светом лазера, фокусируемым в цилиндрической линзе, продемонстрировали, что на самом деле трюк с динамическим переворотом вполне в природе возможен.

Спирально закрученный пучок света, в сечении представляющий собой вихревое движение энергии, на входе линзы вращается в одну сторону, а на выходе преобразования – после прохождения фокусной «точки сжатия» – вращается в сторону противоположную. Специально изготовленное оборудование экспериментаторов позволило сделать и последовательные снимки с фазами этого переворота. Снимки показывают, как круговой вихрь начинает сжиматься в узкий эллипс, сплющивается в отрезок прямой линии, а после прохождения фокусной точки эта линия через эллипс вновь возвращается к виду кругового вихря – но теперь уже вращающегося в противоположную сторону…

*

Главная ценность экспериментального результата заключается в том, что именно здесь – в динамическом перевороте топологического заряда вихря – содержится ключ к пониманию того, каким образом раздвоенный мир всегда остается ориентируемым. И это же – ключ к пониманию подлинной ценности уравнения Дирака. Как базового уравнения для фундаментально важного феномена природы, лежащего в основе пары протон-электрон и играющего роль «генератора реальности». А можно сказать и другими словами: базового уравнения в основах всего живого – от «вечного дыхания дживана» до процесса дыхания всей вселенной в целом…

Суть функционирования дживана – как самого элементарного среди процессов дыхания пространства и материи – в общих чертах уже известна по схеме Паули для танца четырех компонентов частицы. Там, можно напомнить, пара верхних компонентов «положительной энергии» меняется местами с нижней парой «отрицательной энергии», а пара «левых» компонентов одновременно меняется с парой «правых». Теперь же, опираясь на важные аналогии с физикой осциллона, прыгающей капли и переворота вихря, есть возможность отобразить существенно более аккуратную версию схемы для того же самого «танца четырех».

Наглядности ради сделать это удобнее по частям – разбив одну простую схему на две более замысловатых.

Для начала рассмотрим в динамике картину того, как комплекс из осциллона-волны и капли-точки двумя своими концами – верхом и низом – живет на двух листах пространства одновременно. Несложно увидеть, что физика осциллона при каждом схождении листов (выдохе) меняет местами основание и вершину конуса. Или иными словами, верхние компоненты регулярно меняются местами с нижними. Для этой сугубо качественной картины в теории струн имеется строгое математическое описание, здесь же достаточно ухватить собственно принцип.

Вторая часть той же картины – о сути регулярной перемены мест у правых и левых компонентов дживана – может показаться несколько более сложной. Однако в действительности она столь же проста, как и картинка первая, только люди еще не привыкли в повседневной жизни оперировать понятиями киральности, спиральности и их отличиями друг от друга. Здесь же именно эти вещи являются существенными.

Для понимания сути процесса, впрочем, вовсе не обязательно углубляться в тонкости определений. Достаточно лишь знать, что в квантовой физике для частиц с массой нельзя однозначно определить киральность, поскольку право- или лево-рукость вращения зависит от выбора системы отсчета. А вот для частиц безмассовых и движущихся со скоростью света направление вращения в привязке к направлению движения есть вещь постоянная. Поэтому такое инвариантное свойство киральности называют особым термином спиральность.

Праворукий и леворукий компоненты дживана – как известно науке еще со времен Германа Вейля – в своих осцилляциях движутся со скоростью света по оси времени. А вся частица в целом обретает свою массу в моменты того, когда правое меняется на левое и наоборот. На представленной здесь схеме нельзя увидеть, как рождается эффект массы (об этом рассказ отдельный), но вот картину того, как раздвоение пространства на два листа вместе с феноменом динамического переворота вихря «на выдохе» обеспечивает все остальное, при вдумчивом рассмотрении увидеть несложно.

Самый важный трюк этого танца – когда видишь всегда лишь одну половину мира – заключается в полной идентичности картины исходной и картины перевернутой. Из-за чего ни электрон, ни протон никак не способны «почувствовать», что перескочили в пространство другой половины мира…

* *

Существенно, что этот же фокус «выдоха» в танце компонентов дживана позволяет наглядно отобразить еще один невидимый для нас, но очень важный феномен природы – процесс дыхания всего пространства вселенной в целом. Для этого надо рассмотреть, как та же самая биомеханика сдвоенных частиц работает коллективно – когда встроена в структуру пространства лестницы Мёбиуса.

Для лестницы Мёбиуса, как известно, существует два разных, но топологически эквивалентных представления. Одно самоочевидное – в виде перекрученной лестницы с перекладинами и направляющими, замкнутыми в кольцо «раздвоенной односторонней бесконечности». А есть еще представление другое – не столь очевидное – в виде «колеса закона» или Дхарма-чакры, как называют эту конфигурацию среди индуистов и буддистов. Несложно увидеть, что правила топологии как «резиновой геометрии» без проблем позволяют растягивать, сжимать и без разрывов-склеек деформировать одну фигуру в другую.

Если же процесс дыхания дживанов – как «перекладин» лестницы – отобразить по фазам вдоха-выдоха для обоих вариантов этой конфигурации в их взаимном сопоставлении, то можно увидеть еще одну очень важную вещь. Увидеть полную синхронность и тождественность этих процессов – дыхания каждого микроскопического дживана и гигантской вселенной во всей её совокупности. Вся материя и всё пространство в своих вдохах-выдохах сжимаются и расширяются как единое неразрывное целое.

Процессы локального и глобального дыхания мира идут не просто синхронно, а по самой природе своей являются разными сторонами или проекциями одного и того же… [ps]

(Продолжение следует: о Метаболизме частиц)

#

# # #

Ссылки + комментарии ПипРу (популярно и по-русски)

[fw] Уравнения Дирака ни в явном виде, ни даже в принципе – как базиса – нет в Стандартной Модели частиц. Также об этом уравнении нет ничего в знаменитых учебниках Ричарда Фейнмана: ни в особо популярном вводном курсе «Фейнмановские лекции по физике», ни в лекциях по продвинутой квантовой теории «Интегралы по траекториям». Среди более современных курсов – абсолютно ничего об уравнении Дирака нет в широко известном учебнике от нобелевского лауреата Стивена Вайнберга «Лекции по квантовой механике»: Steven Weinberg, Lectures on Quantum Mechanics, Cambridge Univ.Press, 2013. С другой стороны, имеются весьма содержательные работы о фундаментальной важности УрДир не только для основ физики, но и основ математики. См. в частности, обзорную лекцию Майкла Атьи «Уравнение Дирака и геометрия»: Michael Atiyah, «Dirac equation and geometry«, в сборнике «Paul Dirac. The Man and His Work», Cambridge Univ.Press, 1998.

[hw] Hermann Weyl, «Elektron und Gravitation» (1929), Zeitschrift fur Physik, 56, 330-352. Русский перевод: «Электрон и гравитация«, в сборнике «Герман Вейль. Математика. Теоретическая физика. Избранные труды«. Наука, 1985.

[es] E. Schroedinger, «Uber die Kraftfreie Bewegung in der Relativistischen Quantenmechanik» (1930), Sitzungb. Preuss. Akad. Wiss. Phys.-Math. Kl. 24: 418. Русский перевод: «О свободном движении в релятивистской квантовой механике«, в сборнике «Эрвин Шредингер. Избранные труды по квантовой механике«. Наука, 1976.

[pd] P.A.M. Dirac, «The Physical Interpretation of Quantum Mechanics» (Bakerian Lecture 1941) // Proc. Roy. Soc, London. A. 1942. V. 180. P. 1-40. Русский перевод: «Физическая интерпретация квантовой механики» в 4-томнике «ДИРАК П. А. М. Собрание научных трудов«. (Том II, Квантовая теория, статьи 1924-1947) ФИЗМАТЛИТ, 2003. стр 587-625.

[ad] P.A.M. Dirac, Is there an Aether? // Nature. 1951. №168. P. 906-907; 1952. №169. P. 146; №169. P. 702. P.A.M. Dirac, The Lorentz Transformation and Absolute Time // Physica. 1953. V. 19. P. 888-896. P.A.M. Dirac, Die Stellung des Athers in der Physik // Naturwiss. Rdsch. 1953. Jg. 6. S. 441-446. Русские переводы см. в 4-томнике «ДИРАК П. А. М. Собрание научных трудов«. (Том III, Квантовая теория, статьи 1948-1984) ФИЗМАТЛИТ, 2004: «Существует ли эфир?« стр 99; «Преобразование Лоренца и абсолютное время«, стр 104; «Место эфира в физике«, стр 112.

[sh] См. материал kniganews «Cны Вольфганга П.», разделы «Мировая формула»  и «Что-то случилось«.

[dh] См. цикл kniganews: «Догмы и ереси«.

[qp] kn: «Квантовая физика как она есть«.

[tc] Gabriel Molina-Terriza, Jaume Recolons, Juan P. Torres, Lluis Torner, and Ewan M. Wright. «Observation of the Dynamical Inversion of the Topological Charge of an Optical Vortex», Physical Review Letters, vol 87, 023902 (Issue 2 – June 2001). ПипРу об этом важном, но далеко не знаменитом открытии см. в тексте kn: «Спин на ленте Мебиуса«.

[ps] В качестве завершения данного текста планировалась еще одна часть, описывающая пару механизмов стабилизации для «4-компонентного танца дживана». В современной физике оба этих механизма хорошо известны в несколько ином контексте – как по сию пору не находящие своего решения проблемы с загадочными асимметриями вселенной. Одна асимметричная проблема носит название «отсутствие антиматерии», проблема вторая – «магнитный монополь Дирака» (и стабильные неудачи с его экспериментальным отысканием). Намерение включить сюда эту часть, однако, оказалось принципиальным препятствием для публикации всего текста. Одно за другим стали возникать бесконечные «форс-мажорные обстоятельства» – от сугубо бытовых осложнений до серьезных проблем со здоровьем. По мере того, как публикация готового в целом материала затягивалась всё больше и больше, стала ясной, наконец, простая вещь. Либо надо публиковать без финальной части, либо череда бедствий будет продолжаться до бесконечности, а до публикации дело не дойдет просто никогда… Для людей же, предпочитающих сугубо рациональные объяснения происходящему, тут и объяснений в общем-то не требуется. Ибо краткость изложения яснее доносит главное – и оставляет пространство для собственных размышлений читателей…

#