Очередной эпизод сериала «Говорит и показывает Одна Чёрная Птица»… А также финальная глава мини-цикла про чудеса ИФ. Глава неприличная, подрывная и возмутительная.
(Ранее в ИФ-цикле: Начало; Продолжение)
Та область плодотворных научных исследований, что ныне именуется Инженерия Флоке (ИФ), при других исторических раскладах вполне могла бы стать одной из основ фундаментальной физики давным-давно. Ещё в XIX веке.
Почему этого не произошло – ни тогда, ни в следующем XX столетии – разбираться с подробностями будут историки науки в будущем. Но коль скоро даже и в настоящее время физика ИФ всё ещё остаётся областью малоизвестной, особенно для широкой публики, имеет смысл наглядно пояснить, в чём тут суть проблемы. И сколь настойчиво эта проблема скрывается.
Среди передовых междисциплинарных исследований современной науки есть, скажем, большая и очень перспективная область под названием Активная или, иначе, Живая Материя [i1]. В сообществе учёных уже вполне сформировалась и стабильно укрепляется точка зрения, согласно которой именно здесь самые точные науки – физика и математика – должны отыскать ответы для одной из самых глубоких загадок природы: каким образом из материи неживой возникает Жизнь.
Даже первичного ознакомления с направлениями исследований Активной Материи оказывается достаточно, чтобы увидеть там отчётливые признаки физики ИФ. Ибо многие из феноменов «живой материи» изучаются и моделируются учёными с опорой на системы, подвергаемые периодическому встряхиванию. Однако, называть эти занятия Инженерией Флоке в данной области просто не принято.
С другой стороны, среди учёных, конструирующих «сугубо искусственные» квантово-физические системы методами Инженерии Флоке, совершенно не принято использовать для своих занятий термины типа живая или активная материя. Например, хотя в базе препринтов Arxiv.org сейчас обнаруживается почти полтысячи статей, имеющих в кратком описании слова «Floquet engineering», найти там же упоминание «active matter» удаётся лишь в одной из них. Да и то потому, что написали статью исследователи живой материи, обнаружившие сходство своей математики с квантовыми системами Флоке в физике конденсированных сред…
Короче говоря, неназываемая причина для сугубо раздельного изучения одной и той же физики здесь в общем-то одна. Не просто еретическая по сути своей идея, но всё более очевидный научный факт того, что на самом деле ВСЯ материя в природе на всех её масштабах является не просто активной благодаря периодическому «встряхиванию», но именно что живой.
Принять эту возмутительную ересь как фундаментально важный научный факт мешают очень многие обстоятельства. Начиная с того, что живая материя постоянно эволюционирует и усложняется не благодаря, а вопреки таким базовым догмам науки, как законы сохранения и начала термодинамики.
Ибо законы сохранения и термодинамики были выведены для систем, по умолчанию подразумеваемых изолированными и стремящимися к равновесному состоянию энергетического минимума. Системы же активной материи по определению являются открытыми. Не только регулярно получающими и рассеивающими энергию, но и постоянно уходящими от состояния равновесия настолько далеко, насколько это вообще возможно. Практически всё то же самое справедливо и для систем Инженерии Флоке…
Из этого вовсе не следует, что базовые догмы физики являются «неверными». Они вполне пригодны и реально полезны, как и любое другое удобное упрощение, помогающее успешно решать большинство практических задач. Но для решения задач особенно сложных – типа загадок жизни и сознания – эти догмы оказываются тормозами и препятствиями.
Примечательно, что благодаря Инженерии Флоке вполне можно объяснить и причины того, почему тормозящие науку догмы столь прочно закрепились как Истины в представлениях учёных об устройстве мира. «Эффект стробоскопа», хорошо известный в оптике, в условиях физики ИФ работает так, что открытая, принудительно вращаемая или периодически встряхиваемая динамическая система для наблюдателей может выглядеть как замкнутая изолированная и/или статичная уравновешенная.
Если же смотреть со стороны другой, то характерные особенности Инженерии Флоке обнаруживаются не только в сердцевине новейших открытий науки об устройстве природы, но также в базовых основах физики XIX и XX века. Вот только чтобы увидеть это ясно и отчётливо, настоятельно требуется вернуть в картину концепцию эфира. Вернуть, иначе говоря, гидродинамику материи-флюида. Тонкой и неуловимой жидкости, всюду заполняющей пространство и имеющей дискретную структуру вихревой губки. [i2]
Тем более, что на самом деле концепция пространства как материальной среды в виде сверхтекучей жидкости довольно давно в науку возвращена [i3]. Но только возвращена в неявном виде. Теперь же очевидно пора эту картину максимально отчётливо проявить. И как следует закрепить.
Три времени ИФ: настоящее, прошлое, будущее
(1)
НАСТОЯЩЕЕ: Три Флоке-феномена в фундаменте
Начиная краткий обзор результатов современной науки, прежде всего следует особо подчеркнуть следующее. Все из представленных здесь феноменов были открыты сугубо опытным путём и по сути дела случайно. Причём открыты, что важно, с опорой на очень простое по своей конструкции настольное оборудование.
Несмотря на свою наглядность и простоту, все эти эксперименты по сию пору не имеют подобающе развитой математической теории. И вовсе не считаются феноменами, принципиально значимыми для основ устройства природы. Иначе говоря, в большой науке это ни в коей мере не трактуется так, как здесь. Как набор простых и эффектных, но одновременно и фундаментально важных явлений для подлинного понимания того, что реально происходит в глубинах физики.
1.1: Осциллоны как гидродинамический аналог электромагнетизма. [i4]
Природа электрического заряда у частиц по сию пору не понята наукой абсолютно никак. Заряд «просто есть». В точности равные, но противоположные по знаку единичные заряды присущи двум характерно разным частицам в основах материи, протонам и электронам. Частицы с одинаковыми зарядами взаимно отталкиваются, с противоположными – притягиваются. Откуда и как всё это в природе берётся, наука объяснить не может. И что интересно, ныне даже не пытается…
Лет тридцать тому назад, однако, методами инженерии Флоке (как это назвали бы сейчас) был открыт замечательный феномен осциллонов [o1]. Или осциллирующих уединённых волн-солитонов, если пояснять суть происхождения названия.
Если же пояснять собственно суть этого случайного ИФ-открытия, то вообще-то учёные-экспериментаторы изучали поведение гранулированных материалов при вибрациях. Для чего периодически встряхивали в контейнере великое множество бронзовых шариков. И вот, при определённых параметрах опыта – толщине слоя гранулята, частоте и амплитуде его встряхивания – обнаружилось удивительное явление.
Если поверхность вибрирующего материала слегка возмутить прикосновением, то на этом месте возникает своеобразный «всплеск» в виде узкого пика. Который, падая обратно в материал, порождает там широкий кратер. А тот, в свою очередь, благодаря встряхиваниям, вновь порождает прежний пик. И таким образом в вибрирующем материале возникает устойчивая осциллирующая волна-солитон. Или иначе, осциллон, отличающийся на редкость стабильной природой.
Что же в физике осциллона самое интересное, так это отчётливое воспроизведение сути электрических зарядов. Ибо две характерно разные фазы колебаний осциллона – пик и кратер – не просто дают наглядную аналогию разных частиц, электрона и протона, но и воспроизводят суть их взаимодействий. То есть осциллоны в одной фазе взаимно отталкиваются, а в противоположных фазах – притягиваются. Благодаря чему могут формировать устойчивые динамические кластеры в виде цепочек и «кристаллов».
Практически тогда же, в 1990-е, феномен осциллонов был обнаружен и во множестве других встряхиваемых сред – от суспензий, коллоидов и жидкостей до физики плазмы. Универсальная природа феномена отчётливо подсказывала возможность его прямых взаимосвязей с тайнами электричества и магнетизма. Однако, никакого сколь-нибудь заметного развития для красивой идеи о неразрывно связанной, единой природе протона и электрона в терминах фаз осциллона далее в науке так и не произошло. [i5]
#
1.2: Прыгающие капли как гидродинамический аналог квантовой механики. [i6]
Примерно лет через десять после открытия осциллонов – и опять-таки с опорой на стандартный инструментарий Инженерии Флоке – учёным-экспериментаторам удалось случайно выйти на уровень принципиально нового понимания квантовой физики. [o2]
Всё предшествовавшее столетие в науке абсолютно доминировала (да и сейчас остаётся в силе) догма, согласно которой квантовый мир устроен в корне иначе, нежели мир физики классической. А потому объяснить важнейшие из квантовых феноменов с позиций здравого смысла и внятных механических моделей якобы невозможно в принципе.
Главным и образцово-показательным примером этой «непостижимости» по сию пору принято считать эксперименты с двухщелевой интерференцией одиночной квантовой частицы. Где, с одной стороны, предельно наглядно отображается двойственная – одновременно волновая и корпускулярная – природа частиц в квантовом мире. А глядя со стороны другой, всем должно быть очевидно, что постичь физику тут происходящего на уровне простых моделей совершенно невозможно.
В 2005 году, однако, эксперименты с физикой вибрирующих жидкостей наглядно продемонстрировали, что это не так. Причём несложное оборудование для опытов было по сути таким же, как и в экспериментах с осциллонами. Только здесь в роли регулярно встряхиваемой жидкой среды выступало специально подобранное по вязкости силиконовое масло, а изучалась физика «прыгающей» капли.
То есть физика такой капли масла, которая не растворяется сразу в своей среде, как обычно, а удивительно долго и стабильно прыгает на поверхности жидкости благодаря постоянным вибрациям. При важном условии, конечно, что параметры системы – частота и амплитуда встряхиваний, вязкость жидкости и т.д. – все эти вещи подобраны соответствующим образом.
Именно при таком – правильном – сочетании параметров, как удалось показать, многократные эксперименты с прохождением прыгающей частицы через барьер с двумя щелями вполне убедительно воспроизводят знаменитую картину двухщелевой интерференции для одиночной квантовой частицы…
На иллюстрации: Из множества опытов с траекторией прыгающей капли выстраивается картина «двухщелевой интерференции одиночной квантовой частицы»
Иначе говоря, постоянно прыгающая капля порождает на поверхности такие волны, которые при отражениях и взаимной интерференции существенно влияют на направление перемещений частицы. То есть фрагмент среды, капля, в таких условиях ведёт себя и как частица, и как волна. Попутно предоставляя и другие наглядные аналогии для характерных феноменов квантовой физики. Вроде туннельного эффекта, дифракции электронов на решётке кристалла или квантования орбит.
Впечатляющий набор такого рода «квантовых свойств» у сугубо классической системы, да ещё в сочетании с уже имеющимися знаниями о воспроизведении особенностей электромагнетизма в тех же самых, по сути, условиях экспериментов, даёт сильные основания для единого подхода к изучению столь интересной физики.
Такого подхода, иначе говоря, который трактует феномены осциллонов и прыгающих капель во встряхиваемых системах как согласующиеся друг с другом простые аналогии для подлинного понимания природы и особо тёмных явлений в основах физики микромира.
Однако, ни среди препринтов на сайте arxiv.org, ни вообще в интернете пока не удаётся обнаружить ни одной статьи о таких исследованиях, где физика осциллонов и прыгающих капель рассматривалась бы как нечто тесно взаимосвязанное. И фундаментально для науки важное…[i5]
#
1.3: Васцилляция Хайда как гидродинамический аналог ядерной физики
Ещё один гидродинамический феномен, отчётливо соотносящий Инженерию Флоке с наиболее глубокими – на уровне внутреннего устройства протонов и нейтронов – тайнами природы. Или, иными словами, с тайнами ядерной физики, которая чуть ли не с момента рождения попала, к сожалению, в раздел науки особо секретной. А потому и универсальный феномен васцилляции Хайда, очень тесно с ядерной физикой соприкасающийся, фактически сразу оказался в категории своеобразных научных табу.
Как своеобразие этого «табу на васцилляцию Х», так и особенности собственно феномена многократно рассматривались здесь ранее и с разных сторон [i7]. Поэтому сейчас, дабы не повторяться, достаточно упомянуть лишь суть явления и взаимосвязи этой истории с физикой ИФ.
Васцилляции Хайда: вращающаяся и подогреваемая в центре жидкость порождает феномен «качания системы» между чередующимися фазами трёх малых мезовихрей и регулярных волн.
Суть же истории такова, что молодой кембриджский аспирант Раймонд Хайд в 1951 году экспериментировавший с вращением жидкости в разных режимах скорости и подогрева, сумел открыть по всему замечательный феномен регулярных колебаний, получивший от первооткрывателя название vacillation или «качание».
Происходило это, подчеркнём, в 1951 году. В то же самое время, иначе говоря, когда кембриджский профессор Поль Дирак пытался вернуть в фундамент физики и в суть устройства пространства концепцию жидкости-эфира, а Пётр Капица (друг Дирака, несколько ранее перемещённый советскими властями из своей лаборатории в Кембридже обратно на родину) опубликовал принципиально важную для ИФ работу о механизме динамической стабилизации систем.
Уже в 1953, сразу после защиты Хайдом диссертации, для продолжения разработки столь интересного открытия его пригласили в США, в Чикагский университет. Где в ту пору работали Энрико Ферми, один из главных отцов ядерной физики (и атомной бомбы), а также молодой постдок Марри Гелл-Манн (будущий отец теории кварков).
Иначе говоря, Раймонд Хайд и его открытие сразу оказались в нужном месте и в нужное время. Ибо феномен васцилляции предоставлял очень важную и одновременно наглядную гидродинамическую аналогию для ядерной физики и тех загадочных процессов, что начинали обнаруживать внутри протонов и нейтронов учёные, после войны вернувшиеся к мирным исследованиям природы…
Однако, уже в следующем, 1954 году британские власти переместили Хайда обратно на родину, чтобы он работал над суперсекретным проектом по созданию Англией собственного ядерного оружия. А великий и совсем ещё не старый физик Энрико Ферми в тот же год умер от быстро прогрессировавшего рака.
Что же касается Марри Гелл-Манна, то работать в Чикаго без Ферми ему стало неинтересно, отчего вскоре учёный перебрался в Калифорнию. Где в 1960-е годы изобрёл свою знаменитую теорию кварков, почитаемую ныне как одну из главных основ Стандартной Модели частиц. И не имеющую, на первый взгляд, ничего общего ни с гидродинамикой, ни с васцилляцией Хайда.
Но вот если присмотреться чуть внимательнее (попутно вспомнив об инструментарии Инженерии Флоке), то не так уж сложно заметить отчётливое конструктивное сходство элементов в общем устройстве природы. С одной стороны, имеются чередующиеся фазы в колебаниях осциллона – как наглядная аналогия для объяснения единой физики электронов и протонов. С другой стороны, есть васцилляция Хайда для чередующихся фаз – малых мезовихрей и регулярных волн – как наглядное объяснение единой гидродинамической физики кварков и глюонов внутри протона или нейтрона… [i8]
И если теперь в том же духе внимательно присмотреться к истории ещё более ранних научных открытий – в конце XIX и начале XX столетий – то можно увидеть, что на самом деле характерные (и очень плодотворные в своих следствиях) особенности Инженерии Флоке были обнаружены уже тогда. Просто в ту пору никто в науке так это не называл.
Да и понять-оценить по достоинству важность открытого тоже долго не удавалось. Ни тогда, ни сейчас, к сожалению.
# #
(2)
ПРОШЛОЕ: Три Флоке-открытия, оставшихся непонятыми
2.1: Бьёркнес, ток смещения и СТО
В 1881 году, в рамках Первой международной выставки электричества в Париже (или, по сути, тогда же и там же, где появилась математика теории Флоке) подлинный фурор произвели доклады и презентации норвежского профессора Карла Бьёркнеса. Который не только вывел математически, но и демонстрировал на опытах, что загадочные феномены электромагнетизма имеют отчётливо гидродинамическую природу. То есть вполне могут быть поняты как физика осцилляций, волн и вихрей в жидкости. [i9]
Важнейшей идеей в основе теории Бьёркнеса было представление электрических зарядов в виде «пульсирующих сфер». Как формулы уравнений, так и наглядные опыты в согласии друг с другом показывали, что такие сферы, погружённые в жидкость, при пульсациях в одной фазе взаимно отталкиваются, а пульсируя в противоположных фазах взаимно притягиваются. Причём волны, порождаемые в жидкости такими пульсациями, формируют картины интерференции, характерные для конфигураций «силовых линий полей» между одноимённо и противоположно заряжёнными полюсами электричества или магнетизма.
Формулируя иначе, если бы феномен осциллонов был открыт на сотню лет раньше, в 1890-е, то кто угодно смог бы заметить, что это ещё одно наглядное подтверждение теории Бьёркнеса. Причём здесь не только отчётливо проступает роль периодического встряхивания среды, но и проекция «вид сверху» для фаз колебаний осциллона наглядно демонстрирует естественную основу для теоретической идеи Бьёркнеса о «пульсации сфер» с регулярно меняющимся радиусом.
Более того, проекция «вид сбоку» для тех же фаз колебаний осциллона предоставляет на редкость наглядную и естественную аналогию для понимания природы «тока смещения» Максвелла. Иными словами, для той важной, но крайне озадачивающей концепции, с помощью которой феномены электричества и магнетизма Максвеллу удалось свести в единую теорию электромагнетизма. После появления более наглядной теории Бьёркнеса учёным стало ясно, что «пульсация сферы» – это и есть тот самый максвеллов «ток смещения», при котором электрический заряд «как бы движется», но остаётся при этом на месте.
Ну а самое занятное, что эта же проекция «вид осциллона Бьёркнеса сбоку» наглядно поясняет ещё и феномен деформации пространства движущимся зарядом в специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна. Ибо с математической точки зрения уже давно было понято, что «ток смещения» Максвелла при переносе его в формализм уравнений СТО играет роль так называемой «релятивистской поправки». Открытой, получается, Максвеллом за сорок лет до появления СТО. [o3]
Сегодня, однако, всю эту физику пульсаций-встряхиваний совершенно не принято связывать с Инженерией Флоке. Хуже того, про осциллоны Бьёркнеса, предоставляющие наглядные аналогии не только для феноменов электромагнетизма и тока смещения Максвелла, но и для феноменов эйнштейновой СТО, пока что в науке не говорит никто.
Ни в контексте ИФ-физики, ни в каком-либо ещё…
#
2.2: Встряхивание Калуцы и ОТО
В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою важнейшую работу с изложением теории гравитации в терминах искривлений геометрии пространства массой и энергией. Уравнения ОТО или Общей теории относительности были записаны Эйнштейном для условий наблюдаемого мира, то есть четырёхмерного пространства-времени.
Однако вскоре, в 1919 году Теодор Калуца показал, что если переписать эти же формулы в условиях несколько расширенного, 5-мерного пространства-времени, то математика преобразований позволяет обнаружить в уравнениях Эйнштейна воистину чудесные и удивительные вещи. [o4]
Воистину чудесным открытием, в частности, стало то, что пятимерная версия ОТО содержит в себе не только эйнштейновы уравнения гравитации, но и уравнения электромагнетизма Максвелла. А также – совсем неожиданно – уравнение ещё одного, никому неведомого прежде «скалярного поля». То есть такого удивительного и загадочного воздействия, которое периодически «встряхивает», по сути, всё пространство в целом и в любой его точке…
Фактически, математика уравнений Калуцы показывала, что при взгляде на наш мир как на пятимерный, столь разные, казалось бы, взаимодействия, как электромагнетизм и гравитация, оказываются разными сторонами одной и той же физики. А ещё одной важной стороной той же единой физики оказывается встряхивание системы по рецептам Инженерии Флоке, как назвали бы это сейчас.
Во времена Эйнштейна и Калуцы, однако, никакой инженерии Флоке у науки не было и близко. Хуже того, идея странного скалярного поля, воздействующего на всё пространство в целом независимо от расстояний, совершенно и категорически Эйнштейна не устраивала. И хотя очень красивое объединение гравитации с электромагнетизмом в условиях пятимерия для его ОТО явно Эйнштейну понравилось, он приложил массу личных усилий, чтобы искусственно удалить из уравнений «излишний», по его убеждению, третий компонент. [o5]
А без столь важного компонента – встряхивания материи пространства – ничего путного из всей этой затеи с «объединением сил» по рецепту Калуцы сделать так и не удалось. Ни Эйнштейну, ни кому-либо ещё… [i10]
#
2.3: Единая квантовая теория Оскара Клейна
В 1926 году Оскар Клейн, работавший независимо от Теодора Калуцы, предложил свою собственную – и существенно иную – версию расширения ОТО в условиях пятимерного пространства-времени. Клейн отталкивался от новой идеи квантовой физики о волновых свойствах частиц материи. И на основе эйнштейновых уравнений ОТО сумел вывести два важных уравнения квантовой механики, известных ныне как волновое уравнение Шрёдингера и релятивистское уравнение Клейна-Гордона. [o6]
Среди исторических курьёзов науки в этой связи можно отметить, что «уравнение Шрёдингера» Оскар Клейн вывел не только по совершенно иной – пятимерной – траектории, но и по времени раньше Эрвина Шрёдингера, осенью 1925 года. Вот только опубликовать этот свой результат по некоторым личным причинам не решился. Что же касается волнового уравнения Клейна-Гордона, встроившего в квантовую механику эффекты теории относительности, то его первым обнаружил Эрвин Шрёдингер. Но публиковать, однако, не стал – по своим личным причинам. Ну а Вальтер Гордон, наконец, работал совершенно независимо от этих двух теоретиков, а такое же по виду уравнение вывел примерно тогда же без всякой опоры на пятимерную физику ОТО…
Хотя пути выхода на открытие, как видим, могут быть совершенно разными, пятимерный подход Оскара Клейна к освоению квантовой физики особо важен по целому ряду причин. Во-первых, учитывая открытие Теодора Калуцы, уже было известно, сколь красиво в 5D объединяются две главных классических теории – гравитации Эйнштейна и электромагнетизма Максвелла.
Во-вторых, в условиях 5D-физики Оскар Клейн красиво продемонстрировал не только возможность выведения из классических уравнений Эйнштейна новых, квантово-волновых уравнений для частиц, но и порождение планковских квантов энергии. Которые испускаются частицами при их осцилляциях – или встряхивании – по пятому измерению пространства. (Именно здесь, подчеркнём, теория Клейна предвосхищает ключевые идеи в основах Инженерии Флоке и активной материи.)
В-третьих, наконец, ещё через некоторое время, когда в 1930-е годы квантовая физика начала осваивать ядерные взаимодействия, Клейну удалось весьма изящно встроить в свою единую 5-мерную теорию и эти новые феномены. По оценкам сведущих специалистов, фактически, Оскар Клейн в 1938 году сформулировал базовые основы современной электрослабой теории примерно на два десятка лет раньше, чем она реально начала в науке появляться – но только уже без Клейна и его мощных идей о единстве всех взаимодействий физики в 5D… [i11]
Главной, наверное, причиной, из-за которой концепция дополнительного измерения пространства до сих пор так и не утвердилась в научной картине мира, является большая проблема воистину принципиального характера. Ни в XIX веке, когда эта идея впервые зазвучала отчётливо, ни в XX столетии, ни по сию пору никому в науке так и не удалось сделать с этой штукой хоть что-нибудь действительно полезное.
Наука, образно выражаясь, уже свыше столетия топчется на пороге великого открытия, никак не решаясь сделать главный шаг. В области экспериментальной физики за всё это время никто так и не сумел придумать, как использовать – или хотя бы убедительно доказать – сам факт существования в природе ещё одного измерения пространства.
Ну а в области физических теорий, где гипотетическое расширение размерности пространства уже давно и разнообразно освоено с абстрактно-математических позиций, обнаружилась другая гранд-проблема. Ни одна из этих многомерных теорий не может предсказать об устройстве мира ничего такого, чего науке было бы неизвестно без 5D, 10D или 11D. И что, самое главное, можно было бы проверить в экспериментах и наблюдениях.
На фоне всей этой уныло затянувшейся истории, однако, восходит ныне звезда Инженерии Флоке. Где исследователи не претендуют – пока что – на объяснение природы, однако и с теоретической, и с экспериментальной точек зрения уже делают науку будущего. То есть умеют не только реально порождать дополнительные измерения пространства, но и находить для этой новой физики полезные приложения. [o7]
# #
(3)
БУДУЩЕЕ: Тёмные вопросы и ответы ИФ в свете стробоскопа
Самая интересная, конечно же, тема – это то, что будет происходить с успехами Инженерии Флоке в обозримом будущем. Потому что среди разных вариантов дальнейшего развития есть как скучные и невыразительные (зацикливающие прогресс в хождение по кругу застывших догм), так и воистину революционные.
Здесь, естественно, будет рассмотрен наиболее яркий и ошеломительный вариант. Ибо есть все возможности и для такого нашего будущего, в котором именно Инженерия Флоке выводит науку к познанию самого главного. К бесспорным – и очень полезным для человеческой эволюции – фактам того, что вся вселенная в целом является не просто единым, но живым и сверхразумным организмом.
Рассказывать о богатых возможностях физики ИФ именно в этой перспективе можно по-разному. Но случилось так, что три критично важных открытия для продвижения науки по наиболее интересному здесь маршруту сделал один и тот же физик-теоретик. Уже знакомый нам выдающийся учёный Фрэнк Вильчек.
Поэтому финальная часть обзора будет выстроена, можно сказать, вокруг именно этих трёх открытий Вильчека сотоварищи. Но только вкратце о них рассказывать удобнее не так, как это делается в энциклопедиях или справочниках, а существенно иначе. С опорой на простые аналогии из гидродинамики и на стробоскопический эффект из оптики.
3.1: Энионы, пятое измерение и «Тёмная материя»
Плоское двумерное пространство – это не только геометрия специфического квантового мира, в котором были открыты замечательные квазичастицы энионы. То есть такие объекты, которые в зависимости от ситуации могут играть роли или фермионов (частиц материи), или бозонов (переносчиков взаимодействий), или же «промежуточных» частиц, отчасти похожих на то и другое.
Плоское двумерное пространство – это также геометрия мира осциллонов, упрощённого до поверхности жидкости, в которой они порождаются и живут. Как и энионы Вильчека, осциллоны также могут в зависимости от ситуации играть роли существенно разных объектов – либо пиков, либо кратеров, либо просто ряби на поверхности в промежутках между противоположными состояниями.
Если освещать физику осциллона стробоскопом, то – при надлежащем подборе частоты и фазы миганий лампы – осциллон будет всегда выглядеть как пик. Либо всегда как кратер. Либо, наконец, всегда как рябь на поверхности.
Опираясь на эту элементарную аналогию удобно пояснять, каким образом Инженерия Флоке способна порождать не просто дополнительное измерение, но три заметно разных мира там, где прежде имелось лишь одно плоское пространство.
Чтобы развить эту аналогию до порождения нескольких миров в условиях одного объёмного пространства, необходимо привлечь в картину концепцию спина частицы. Спина как направления оси вращения и как особой характеристики частицы, важность которой для квантовой физики была постигнута ещё в 1920-е годы.
Принципиальную важность спина легко понять уже из того факта, что на любой из орбиталей внутри атома никогда не может находиться более двух электронов, причём спины их непременно должны быть антипараллельны. Иначе говоря, если у одного электрона спин имеет значение «вверх», то у второго обязательно «вниз». Лишь при таком условии они могут занимать одну и ту же орбиталь, по сути «не видя» друг друга.
Примерно полвека спустя, когда в экспериментальной физике ускорителей освоили изучение взаимодействий протонов в зависимости от их спина, то и там был установлен аналогичный поразительный факт. Протоны с антипараллельными спинами при столкновении ведут себя как электроны на одной орбитали. То есть и куда более крупные массивные частицы проходят друг сквозь друга так, словно не встречают никакого препятствия. [i12]
Данный научный факт является не просто поразительным, но и фундаментально важным по целому ряду причин. Во-первых, у Стандартной Модели частиц, считающейся вершиной квантовой физики, несмотря на все усилия теоретиков, так и не появилось объяснения для этого многократно подтверждённого в опытах феномена. Во-вторых, поскольку объяснения им нет, все экспериментальные данные такого рода принято игнорировать и замалчивать.
В-третьих, красивое и естественное объяснение для столь загадочной физики было предоставлено Карлом Бьёркнесом ещё XIX веке. Согласно его гидродинамической теории электромагнетизма, «пульсирующие сферы» взаимно отталкиваются либо притягиваются, в зависимости от осцилляций в одной или противоположных фазах. Но когда фазы колебаний отличаются не на половину, а на четверть периода, то никакого взаимодействия не происходит вообще.
В условиях квантовой физики, где траектория для спина электрона на орбитали имеет форму ленты Мёбиуса (здесь именуемой «поясом Дирака»), полный период обращения составляет 720 градусов. Соответственно, четверть периода – это 180 градусов. И это же, иными словами, условие антипараллельности двух спинов у электронов на одной орбитали.
Ну а в-четвёртых, этот же механизм самоупорядочивания спинов в условиях встряхивания пространства, имеющего форму листа Мёбиуса, предоставляет единый ключ для решения целого комплекса известных проблем у современной физики. Ибо проблема необъяснимости трёх поколений одинаковых частиц в природе, проблема ненаблюдаемости пятого измерения и проблема недетектируемости тёмной материи – это всё разные стороны одной и той же «топологической физики встряхивания». [i13]
Причём Инженерия Флоке уже сегодня вполне способна конструировать наглядные аналогии для понимания решения в каждой из этих тайн по отдельности. Осталось лишь постичь, каким образом в природе все эти вещи укладываются в единое целое.
#
3.2: Кристаллы времени и «Тёмная энергия»
Случилось так, что открытое Вильчеком новое состояние материи под названием Time Crystals на сегодняшний день выглядит как самое знаменитое, наверное, из приложений Инженерии Флоке.
Поначалу, когда в 2012 году появились несколько первых публикаций [o8] об этом интересном открытии, кристаллы времени предстали как занятная причуда природы, которую никто прежде почему-то не замечал. Хотя идея в основе феномена была и хороша, и проста, и красива.
Все знают, что суть устройства кристаллов обычных – это их кристаллическая решётка. То есть периодически изменяющиеся свойства материи в пространстве. Но также хорошо известно, что время – это ещё одно, четвёртое (хотя и довольно специфическое), измерение пространства. А значит, если в нашем 3D-пространстве объект имеет в своём составе элементы, периодически меняющиеся местами, то при смещении по оси времени эти перемены тоже должны порождать регулярную структуру – кристалл времени.
Хотя в статьях Вильчека эта идея сформулирована весьма аккуратно и изящно, здесь можно изложить её и в более грубой, но доходчивой форме. В глубине устройства всей материи, на уровне устройства атомов и атомных ядер, повсюду имеется именно такое периодическое движение компонентов. Электроны вращаются по орбиталям вокруг ядра, кварки-глюоны вращаются внутри протонов и нейтронов. Волновая функция любой квантовой частицы – это по самой сути своей описание бесконечного периодического движения. Иначе говоря, каждая частица материи на квантовом уровне в одной из своих проекций начинает выглядеть как «кристалл времени»…
Но именно так, однако, о кристаллах времени говорить в науке не принято. Ибо вскоре после появления первых публикаций об этом неожиданном открытии стали появляться и статьи с доказательствами теорем о том, что в природе никаких кристалов времени совершенно точно быть не может. Ибо эта конструкция нарушает одну из фундаментальных основ физики – симметрию переноса во времени. А коль скоро эта симметрия непосредственно связана с законом сохранения энергии, выходило так, что Фрэнк Вильчек открыл возможность существования в природе вечного двигателя. Чего, конечно же, быть никак не может. Потому что не может быть никогда.
В науке нашей, к сожалению, до сих бытует мнение, что циркулярная логика подобных аргументов должна убеждать всех верующих в истинности догм. Трудно сказать, кто ныне реально верит в такого рода доказательства. Но совершенно точно известно, что по всему интересная тема кристаллов времени под напором блюстителей догм быстро переместилась в область Инженерии Флоке. Где не претендуют на объяснение природы, а потому могут плодотворно изучать подозрительную физику феномена и дальше.
В этой связи нельзя не отметить, что уже на раннем этапе такого изучения были обнаружены тесные взаимосвязи кристаллов времени с так называемыми волнами Фарадея. Суть же этого гидродинамического феномена, открытого и описанного Майклом Фарадеем в 1830-е годы, сводится к порождению устойчивых паттернов стоячих волн на поверхности жидкости в таком плоском контейнере, который подвергают периодическому встряхиванию…
Короче говоря, о разнообразных успехах Инженерии Флоке в делах исследования и реального создания кристаллов времени ныне уже написано великое множество работ и обзоров. Как облегчённо популярного [o9a] или усложнённо научно-популярного жанра [o9b], так и сугубо научного характера [o9с].
Ну а здесь очень коротко необходимо упомянуть такой аспект кристаллов времени, который пока что не освоен в ИФ практически никак. Потому что данный аспект феномена относится к устройству именно того «механизма само-встряхивания», благодаря которому вся материя в природе всегда является живой и активной.
Формулируя аккуратнее, даже эта – самая возмутительная – сторона исследований ИФ ныне тоже вполне успешно развивается. Просто пока нет ясности, что взаимосвязанный комплекс нескольких новых феноменов (кристаллов времени и Флоке-фермионов Майораны, топологических изоляторов и топологических 1D-сверхпроводников в виде узловых линий), всё это ключевые элементы в составе одного из самых важных механизмов – оживления материи в природе.
Пояснения к картинкам о выходе науки на топологию этой конструкции см. тут [i14] [i15]
Более подробному разбору ИФ-достижений [o10] такого рода непременно будет посвящён один из следующих эпизодов сериала. Здесь же достаточно лишь пояснить, что одномерные «ДНК-спирали» кристаллов времени образуют топологические сверхпроводящие каналы. Эти каналы – в согласии с гидродинамикой вихрей и электромагнетизмом Максвелла – замыкаются в кольца окружностей. В своей совокупности эти каналы-кольца образуют структуру фибрации Хопфа. А циркулирующие по каналам тахионы [i14] и предоставляют ту энергию, которая постоянно и синхронно встряхивает каждую из частиц материи на мембране пространства…
Ответ на естественный вопрос о том, откуда же берётся в природе вся эта гигантская «тёмная энергия» само-встряхивания, удобно связать с ещё одним, третьим открытием Фрэнка Вильчека.
#
3.3: Сцепленные истории и «Тёмные глубины» единого сознания
Феномен сцепленных историй (Entangled Histories), открытый Вильчеком и его юным коллегой-теоретиком по имени Джордан Котлер в 2015, известен и изучен на сегодняшний день несопоставимо меньше, нежели энионы и кристаллы времени. [o11] [i16]
Разных причин тому, наверное, немало, но самая главная, скорее всего, очень проста. На данный момент эта тема представляется для науки не самой актуальной, мягко говоря. Но если, однако, найти для феномена сцепленных историй подобающую точку обзора, то именно здесь можно обнаружить удобный и естественный научный подход к освоению идеи о всеобщем единстве сознания во вселенной…
У самих авторов открытия, конечно же, ничего подобного не декларируется. Ибо теоретики просто предложили новую математическую конструкцию, которая позволяет интересно расширить известный – и по сию пору загадочный – феномен квантовой сцепленности. Расширить так, что если «обычная» сцепленность частиц всегда рассматривается лишь в пространственном смысле, то теперь можно оперировать сцепленностью и по оси времени.
С опорой на свой математический аппарат Вильчек и Котлер продемонстрировали, для начала, возможности проведения таких мысленных экспериментов с частицами, сцепленными во времени, которые открывают новые неочевидные эффекты. Затем был проведён ряд уже настоящих экспериментов, напоминающих проверку неравенства Белла и демонстрирующих реальность феномена сцепленности во времени. Что открывает возможности на значительно более глубоком уровне исследовать ту «пространственно-темпоральную» структуру, которая лежит в основе микромира квантовой физики…
Ну а поскольку именно такое, более глубокое постижение скрытой структуры мира с неизбежностью должно выводить науку на топологию фибрации Хопфа, дальнейшие исследования феномена сцепленных историй как-то сами собой сошли на нет. Ибо главная – для понимания всеобщего единства – суть этой топологической конструкции в том, что абсолютно КАЖДОЕ из колец окружностей, образующих фибрацию, ВСЕГДА сцеплено СО ВСЕМИ остальными.
Наука же наша до сих пор устроена очень интересным образом. Уже примерно полвека, с тех пор как физики начали открывать скрытые признаки фибрации Хопфа на всех масштабах устройства природы, любое такое открытие всеми способами замалчивается. То есть узкие специалисты о множестве конкретных проявлений фХ вполне осведомлены, естественно, но никто и никогда не обобщает эти знания до фундаментальной закономерности в основах устройства вселенной. Это ещё одно из многочисленных и странных научных табу… [i17]
#
Но при чём здесь (справедливо спросит кто-то) инженерия Флоке и источник загадочной «тёмной энергии»?
Метафорически иносказательный – но зато доходчивый – ответ на этот сдвоенный вопрос даёт известный эффект стробоскопа. Если, скажем, смотреть на жизнь человека только глубоко по ночам, когда все люди обычно спят, то жизни никакой фактически не наблюдается. Человек просто и неподвижно спит, находясь в «базовом состоянии энергетического минимума».
Согласно законам термодинамики, сохранения и прочим догмам физики, если такого человека не толкать и не принуждать, то он и дальше должен пребывать в этом пассивном состоянии. Что вам вполне подтвердят и дальнейшие «стробоскопически-ночные» наблюдения.
Вот только на самом деле, однако, суть человеческого бытия устроена в корне иначе. Без всяких внешних воздействий человек – если он живой и здоровый – сам встаёт по утрам и в течение дня занимается кучей разных дел. Полезных, бесполезных, всяких.
Что же за сила заставляет человека всё это делать? В зависимости от ситуации называть это можно очень по-разному: голод на еду или на впечатления и эмоции; жажда воды или знаний; физиологические потребности организма или просто человеческое любопытство. Список этот можно продолжать довольно долго. Но общую суть можно выразить и покороче: интерес к жизни. Или желание жить.
Именно эта энергия, неиссякаемая и идущая изнутри энергия желания постоянно встряхивает человека, делая его живым. И она же делает живым любой биологический организм. А если научиться смотреть пошире и вглубь, то та же самая энергия делает живым – и разумным – абсолютно любой атом во вселенной.
«Желания» у отдельного атома, конечно, значительно попроще, чем у человека. Но когда эти атомы собраны в планету, звезду или галактику, их коллективные желания оказываются несопоставимо более сложными и изощрёнными, нежели тривиальные запросы человека.
Энергия в основе всех этих желаний, однако, всегда одна и та же.
И если (точнее, когда) наука наша этот факт постигнет, то попутно – среди многого прочего – найдутся ответы не только для тайн «тёмной энергии», но и для секретов подключения к неиссякаемому источнику «энергии нуль-точки».
Потому что в некотором очень глубоком смысле это разные названия для одного и того же.
# # #
Дополнительное чтение:
[i1] Живая физика сверхтекучести (и при чем тут гравитация) ; Бессмертные квантовые частицы (и при чем тут биология) ; Три капли для оживления физики
[i3] Свет небесный, Материя земная и табу на Эфир ; Вихревые кристаллы и дискретная структура пространства ; Гидродинамика пустого пространства, или для кого «Незнание – это сила»
[i4] Физика осциллонов: Танцы на песке
[i5] Частица – это что? (Простые ответы для трудных вопросов)
[i6] Квантовая физика как она есть
[i7] Васцилляция Хайда: Похоже на атмосферу ; Назад к Эйлеру как вперед к Арнольду ; Научные табу и просто совпадения
[i8] О природе кварков по Арнольду: Асимметрии метаболизма в биофизике частиц ; Живая материя как дуальность частица-вихрь
[i9] Электромагнетизм как гидродинамика пульсирующих сфер Бьёркнеса: Водные аттракционы ; Семейное дело ; Обратная сторона метеорологии, или Бьёркнесы как тайна науки ХХ века
[i10] Упущенные возможности и иллюзия интерпретаций
[i11] Свобода от моды
[i12] Словно один сквозь другого
[i13] Язык птиц и кругов на полях
[i14] Тахионный кристалл Клиффорда-Хопфа
[i15] Четыре разума и одна большая память
[i16] Незаметные истории и Сцепленные истории. В материале «Обман трудящихся, или Следим за руками»
[i17] Фундамент Хопфа
# #
Основные источники:
[o1] P.B. Umbanhowar, F. Melo, and H.L. Swinney. Localized excitations in a vertically vibrated granular layer. Nature 382, 793 — 796 (29 August 1996) ; O. Lioubashevski, Y. Hamiel, A. Agnon, Z. Reches, and J. Fineberg. Oscillons and Propagating Solitary Waves in a Vertically Vibrated Colloidal Suspension. Phys. Rev. Lett. 83, 3190–3193 (October 1999)
[o2] Y. Couder and E. Fort, «Single particle diffraction and interference at a macroscopic scale,» Phys. Rev. Lett. 97, 154101 (2006)
[o3] Edmund Whittaker, «A History of the Theories of Aether and Electricity. The Classical Theories», Thomas Nelson and Sons, 1953. Русский перевод: Э. Уиттекер, «История теории эфира и электричества. Классические теории», Москва — Ижевск, 2001
[o4] Theodor Kaluza, «Zum Unitätsproblem der Physik,» Sitzungsberichte Preußische Akademie der Wissenschaften (1921) p. 966-972 (Русский перевод: Калуца Т. «К проблеме единства физики». Альберт Эйнштейн и теория гравитации. М.: Мир, 1979. С. 529-534.)
[o5] A. Einstein and P. Bergmann, On A Generalization Of Kaluza’s Theory Of Electricity. Annals of Mathematics 39 (1938) p. 683. (Русский перевод: А.Эйнштейн и П.Бергман, Обобщение теории электричества Калуцы. Собрание научных трудов. Т. 2. М.: Наука, 1966. С. 492-513.)
[o6] Oskar Klein, Quantentheorie und fünfdimensionale Relativitätstheorie, Zeitschrift fur Physik. 37 (1926) 895-906 ; Oskar Klein, The Atomicity of Electricity as a Quantum Theory Law, Nature 118 (1926) 516; Oskar Klein, Sur la Theorie des Champs Associes a des Particules Chargees. Les Nouvelles Theories de la Physique, Collection Scientific, Institute International de Cooperation Intellectuel, Paris (1939) 81
[o7] L. Yuan et al. Synthetic dimension in photonics, Optica 5, 1396 (2018) https://doi.org/10.1364/OPTICA.5.001396 ; E. Lustig et al. Photonic topological insulator in synthetic dimensions, Nature 567, 356 (2019) https://doi.org/10.1038/s41586-019-0943-7 ; N. Englebert et al. Bloch oscillations of coherently driven dissipative solitons in a synthetic dimension, Nat. Phys. 19, 1014 (2023) https://doi.org/10.1038/s41567-023-02005-7
[o8] F. Wilczek. «Quantum time crystals». arXiv:1202.2539 ; A. Shapere and F. Wilczek. «Classical time crystals». ArXiv:1202.2537
[o9] Кристаллы времени в Инженерии Флоке: [a] F Wilczek, «Crystals in Time». Scientific American 321, 5, 28-36 (November 2019). Online version «The Exquisite Precision of Time Crystals» ; [b] NY Yao and C Nayak. Time crystals in periodically driven systems. Physics Today 71 (9), 40–47 (2018) https://doi.org/10.1063/PT.3.4020 ; [c] Colloquium: Quantum and Classical Discrete Time Crystals. By MP Zaletel, M Lukin, C Monroe, C Nayak, F Wilczek, NY Yao. arXiv:2305.08904
[o10] Aaron Chew, David F. Mross, Jason Alicea. Time-crystalline Topological Superconductors. arXiv:1907.12570
[o11] Entangled Histories, by Jordan Cotler and Frank Wilczek. arXiv:1502.02480
#
книга новостей 