[краткий путеводитель «там за облаками»]

1_погода
2.1_темно | 2.2_неясно
3.1_хью | 3.2_вольф | 3.3_клод
4.1_базис | 4.2_двумир | 4.3_суси | 4.4_фокус
5.1_тело | 5.2_душа | 5.3_ц___

5.2_душа

(36)

Вся история квантовой физики – это, в каком-то смысле, история нескончаемых попыток избавиться от тахионов. Или, иными словами, попыток проигнорировать математику на основании человеческих представлений о здравом смысле и о рациональном взгляде на мир. ^[8A]

Из-за той поразительной эффективности, с которой математика описывает физическую реальность, ученые давно пришли к выводу, что это самый надежный проводник на путях постижения природы. Соответственно, имеется устойчивая традиция относиться с надлежащим вниманием и почтением к обнаруживаемым решениям для очевидно верных физических уравнений.

И если феномен, описываемый решением уравнений, в природе пока не наблюдается, то его заранее принято величать «научным предсказанием». Историкам известен очень длинный список подобных предсказаний, успешно подтвержденных дальнейшими поисками, наблюдениями и экспериментами. По сути дела, именно так и работает наука.

Однако с тахионами ситуация всегда обстояла в корне иначе. Уже в самом начале пути квантовой физики, когда стало ясно, что для успешной работы в этой области необходимо оперировать комплексными числами, появилось и предсказание крайне необычной частицы. Частицы, о которой теоретикам тут же захотелось забыть и больше никогда не вспоминать.

То есть уравнения допускали такое решение, когда вместе с квадратным корнем из (–1) в природе обозначался странный объект с мнимой массой, мнимой энергией и во мнимом времени. И что самое неприятное, эта частица двигалась со сверхсветовой скоростью, противоречила фундаментальным основам теории относительности и, фактически, двигалась обратно во времени. Одним своим присутствием нарушая основы мироздания в целом и принцип причинно-следственных связей в частности…

Со временем за столь неудобной частицей закрепилось название «тахион». На протяжении всего XX века находилось очень немного энтузиастов, решавшихся заниматься изучением этих объектов. И хотя их стараниями о тахионах постепенно становилось известно все больше и больше, ни лавров почета, ни научной славы эти результаты исследователям не принесли.

Пока не принесли, во всяком случае. Потому что вплоть до недавнего времени для физиков так и оставалось неясным, каким образом эти тахионы следует трактовать и зачем они вообще могли понадобиться природе…

(37)

Подлинный прорыв в области исследования тахионов произошел на рубеже 1990-2000 годов, главным образом, благодаря большой серии работ струнного теоретика Ашоке Сена. Именно после обстоятельных публикаций Сена, похоже, научный мейнстрим перестал делать вид, что тахионов не существует. ^]1[

Соответственно, появился, наконец, и серьезный интерес к тому, какое место могут занимать эти объекты в природе и как их встраивать без противоречий в общую картину мира. Ну а когда делом занялись всерьез, довольно скоро последовал и внушительный прогресс.

Читать далее →

[краткий путеводитель «там за облаками»]

1_погода
2.1_темно | 2.2_неясно
3.1_хью | 3.2_вольф | 3.3_клод
4.1_базис | 4.2_двумир | 4.3_суси | 4.4_фокус
5.1_тело | 5.2_д___ | 5.3_ц___

5.1_тело

(31)

Любой читатель, мало-мальски знакомый с современной физикой, непременно уже заметил, что на протяжении всего предыдущего материала рассматривались только электромагнетизм и гравитация. И почти ничего не говорилось о прочих фундаментальных взаимодействиях – сильном и слабом ядерном. Соответственно, ничего пока не сказано и о характерных для них частицах: кварках, глюонах, тяжелых бозонах. Естественно, это не случайность.

Базовые элементы электромагнетизма – протон, электрон, фотон – частицы стабильные и никаких оговорок относительно своей реальности обычно не вызывают. С частицами сильных взаимодействий все в корне иначе. Непосредственно в экспериментах наблюдаются не они, а косвенные признаки предполагаемых для них свойств. При этом базовые характеристики данных объектов то и дело нарушают правила, уже твердо установленные для «настоящих», то есть стабильно наблюдаемых квантовых частиц. ^[5E]

В совокупности же все это похоже не столько на «настоящие вещи», сколько на удобную и неплохо работающую математическую абстракцию. К которой постепенно привыкли и стали воспринимать как «реальность».

Примерно то же самое можно сказать и о тяжелых бозонах слабых взаимодействий. Частицах крайне недолговечных, быстро распадающихся на стабильные компоненты, но очень нужных для стройности математической теории.^[5F]

Формулируя мысль чуть иначе, может оказаться так, что при появлении более стройной и непротиворечивой теории, сохранившей все плюсы, но лишенной недостатков и натяжек модели прежней, общая картина упростится. А фундаментальная необходимость во всех этих искусственных объектах отпадет сама собой и естественным образом.

Что конечно же ничуть не отменяет важные процессы, происходящие с частицами и продуктами их распада в ускорителях. Но только в описаниях физики данных процессов объекты типа кварков и глюонов станут, видимо, занимать примерно такое же положение, какое ныне занимают в науке все прочие квазичастицы. То есть математически полезные, но по сути абстрактные конструкции типа экситонов, поляронов, фононов и прочих энионов.

(32)

Последняя из упомянутых пород общеизвестных квазичастиц – энионы – заслуживает особого рассмотрения. Конструкция ANYon – то есть «любая» частица – была введена в квантовую теорию как объект-микровихрь, способный одновременно демонстрировать взаимоисключающие свойства фермионов и бозонов. В пространстве трехмерной вселенной это невозможно, однако в плоском двумерном мире – вполне. ^[5E]

Примечательные свойства энионов важны сразу по нескольким причинам. Читать далее →

[краткий путеводитель «там за облаками»]

1_погода
2.1_темно | 2.2_неясно
3.1_хью | 3.2_вольф | 3.3_клод
4.1_базис | 4.2_двумир | 4.3_суси | 4.4_фокус

4.4_фокус

(27)

Когда Альберт Эйнштейн к 1916 году создал свою теорию гравитации или ОТО (общую теорию относительности), до рождения квантовой механики оставалось еще примерно лет десять. Иначе говоря, ОТО изначально была и по сию пору остается чисто классической теорией. Однако недвусмысленный намек на единство гравитации и квантовой физики был получен практически сразу – в красивой теоретической работе Теодора Калуцы.^[85]

В 1919 году Калуца показал, что если добавить в уравнения ОТО еще одно – пятое – дополнительное измерение, то происходит удивительная вещь. Оказалось, что при таком подходе удается элегантно свести теорию гравитации Эйнштейна и теорию электромагнетизма Максвелла в единую и однородную концептуальную систему. (Формулируя чуть иначе – с позиций современной науки – уже тогда поступил сигнал, что между гравитоном и фотоном имеется какая-то непосредственная связь.)

В частности, Калуцей было показано, что уравнения ОТО для случая пяти измерений можно преобразовать таким образом, когда они раскладываются на описание трех взаимосвязанных подсистем: (1) обычная четырехмерная гравитация Эйнштейна; плюс (2) набор, эквивалентный максвелловским уравнениям для электромагнитного поля; и плюс (3) еще одно неясное поле скалярной природы.

Скалярным полем, можно пояснить, в физике именуют силовое поле, имеющее всего одну компоненту, которая воздействует на каждую точку пространства в независимости от поворотов системы координат. В качестве наглядного примера такого поля нередко приводят океанические приливы и отливы – когда уровень океана прибывает-убывает в какой-то точке водной поверхности сразу со всех сторон. В отличие от ветра или течения реки, которые имеют направление и описываются в терминах векторного поля.

Пример с осциллирующим скалярным полем приливов-отливов особо хорош тем, что с помощью наглядных гидродинамических аналогий позволяет проиллюстрировать всю глубину открытия Калуцы, намного опередившего свое время. (А кроме того, предоставляет и вполне прозрачную аналогию для механизма, обеспечивающего вибрацию системы в физике осциллонов.)

Уже в теории электромагнетизма Максвелла, выстроенной на основе концепции «тока смещения», или иначе пульсации зарядов, ничего не говорится о том, какая энергия все время подпитывает эти непрерывные осцилляции. Они просто есть. Позднее, с появлением квантовой физики, такие вещи, как непрерывное вращение частиц и постоянное излучение ими виртуальных фотонов – с явными нарушениями закона сохранения энергии – тоже стали принимать как данность. Это просто есть, хотя и совершенно неясно откуда.

С другой стороны, очевидные взаимосвязи – через теорию пульсаций Бьеркнеса – между электромагнетизмом Максвелла и недавно открытым феноменом осциллонов указывают на источник этой скрытой энергии вполне отчетливо. В основе всех упомянутых явлений – осцилляций частиц, их вращений, испусканий виртуальных фотонов – должно иметься (осциллирующее) скалярное поле. И именно это поле является неотъемлемым компонентом в давно известных уравнениях Теодора Калуцы.

Конечно же, в современной физике, особенно в теории струн, гипотетическое скалярное поле Калуцы давно и разносторонне изучается. Его кванты-частицы известны под разными названиями типа дилатон, гравискаляр или радион. Более того, с опорой на дилатон ныне пытаются объяснить труднейшие проблемы – и темную энергию, и инфляционное расширение вселенной, и проблемы с поисками SUSY.

Но никем, похоже, пока так и не выдвинута идея, на которую достаточно прозрачно указывает единство скалярного поля, электромагнетизма и гравитации в уравнениях Калуцы. Идея о том, что фотоны и гравитоны в действительности могут быть разными проявлениями одного и того же феномена. Читать далее →

[краткий путеводитель «там за облаками»]

1_погода
2.1_темно | 2.2_неясно
3.1_хью | 3.2_вольф | 3.3_клод
4.1_базис | 4.2_двумир | 4.3_суси | 4.4_г___

4.3_суси

(23)

Одна из наиболее привлекательных особенностей модели мира как сдвоенной мембраны – это возможность естественного объяснения для феномена квантовой сцепленности. То есть непостижимого иначе научного факта, согласно которому квантовые частицы способны мгновенно взаимодействовать друг с другом в полной независимости от разделяющего их расстояния.

В условиях сдвоенной конструкции всех частиц намного легче представить ситуацию, когда они поначалу образуют единую – когерентную – квантовую систему на обеих мембранах, а затем происходит деликатная эволюция половины системы лишь на одной из мембран. Иначе говоря, исследователи в одном из миров могут аккуратно разделять частицы – не ведая, что работают лишь с половинками пар – и разнести их далеко друг от друга без нарушения, или коллапса, их квантовых состояний.

При этом вторые половинки пар на другой мембране свое положение не меняют и по-прежнему остаются единой квантовой системой. Но если затем измерить – то есть подвергнуть фиксации – состояние одной из разнесенных частиц, то произойдет фиксация или схлопывание состояния и парной ей частицы на второй мембране. А значит, схлопывается вся эта «четверичная система» в целом. Из-за чего на мембране эксперимента другая частица в независимости от дальности тут же «почувствует», что состояние первой изменилось…

Вся эта схема, однако, может работать лишь в том случае, если частицы-пары (электрон-протон), живущие сразу на двух мембранах, способны легко и просто образовывать единое квантовое состояние с другими такими же парами. А возможность этого, увы, далеко не очевидна. Потому что практически все физические взаимодействия между частицами – за единственным исключением – должны происходить лишь в пределах одной мембраны. Иначе факт существования второго параллельного мира был бы давно уже установлен и подтвержден многочисленными экспериментами.

Единственное исключение составляет гравитация. Теория допускает, что гравитационное взаимодействие между мирами-бранами возможно. Однако эффекты гравитации настолько ничтожно малы в сравнении с остальными взаимодействиями, что квантовые эксперименты в этой области остаются делом гигантской сложности.

Не говоря уже о том, что и на теоретическом уровне красиво и убедительно встроить гравитацию в квантовую физику пока еще никому не удалось. Хотя общая схема объединения – через идею дискретной или гранулированной структуры пространства-времени – уже более-менее обозначилась. ^[8C]

(24)

Но прежде, чем разбираться с особенностями механизма, связывающего в модели квантовую гравитацию и квантовую сцепленность, целесообразно рассмотреть несколько важных идей и следствий, вытекающих из общей двухбранной конструкции. Одна из центральных здесь идей – это концепция вселенной как замкнутой односторонней поверхности. Читать далее →

[краткий путеводитель «там за облаками»]

1_погода
2.1_темно | 2.2_неясно
3.1_хью | 3.2_вольф | 3.3_клод
4.1_базис | 4.2_двумир | 4.3_с___ | 4.4_г___

4.2_двумир

(19)

Теоретическая конструкция мультиверса в диссертации Хью Эверетта была выстроена на основе волнового уравнения Шредингера. Иначе говоря, в его концепции не затрагивались эффекты теории относительности, существенно влияющие на поведение квантовых частиц и учтенные в фундаментальном релятивистском уравнении Дирака. Понятно, что для развития эвереттовых идей до полной картины необходимо брать в учет и результаты П.А.М. Дирака.

Одна из примечательных особенностей дираковского уравнения в том, что его можно записать в своеобразном виде, который иногда называют зигзаг-представлением спинора.^]44[ При таком описании всякий электрон (или другой массивный фермион со спином 1/2) оказывается частицей, движущейся по зигзагообразной траектории и находящейся в состоянии непрерывных осцилляций между фазой леворукого вращения «зиг» и праворукой фазой «заг». Причем каждое из этих попеременных состояний само по себе является безмассовым, а масса возникает лишь при совокупном рассмотрении картины.

Зигзаг-представление электрона (из книги Р.Пенроуза «Дорога к реальности»)

В этом же описании имеется константа взаимодействия, которая у Дирака управляет скоростью перебросов между «зиг» и «заг» частями дираковского спинора. В более поздней теории Хиггса, появившейся в 1960-е годы, эта константа превращается в особое – хиггсовское – поле, которое входит в уравнения как еще одно взаимодействие, порождающее у фермионов массу…

Описывая это поле чуть иначе, зигзаг-осцилляции частиц происходят в некой всепроникающей субстанции типа сверхтекучей жидкости, которая равномерно заполняет собой все пространство вселенной. И если вдуматься в суть этой концепции, то получается, что общепринятый на сегодня механизм Хиггса в неявном виде вернул в описание природы как необходимость особый флюид, прежде именовавшийся у физиков термином эфир. ^[40]

(20)

Доминировавшая в физике XIX века, идея эфира была необходима ученым для объяснения света и прочих электромагнитных взаимодействий. В XX веке, отринув эфир, физики открыли еще два совершенно других фундаментальных взаимодействия, сильное и слабое ядерные. Однако общая математическая структура этих механизмов определенно направляет теоретиков к поиску единой конструкции, способной объединить в себе все три (в идеале конечно четыре, вместе с гравитацией) взаимодействия. Но при этом отчетливо обозначилась модель осцилляций частиц в некой очень специфической среде – именуемой «поле с ненулевой энергией вакуума» и обладающей свойствами сверхтекучего флюида. Читать далее →

[краткий путеводитель «там за облаками»]

1_погода
2.1_темно | 2.2_неясно
3.1_хью | 3.2_вольф | 3.3_клод
4.1_базис | 4.2_у___ | 4.3_с___ | 4.4_г___

4.1_базис

(15)

Идеи ученых, которые в конце 1950-х годов по тем или иным причинам «выпали» из науки, удобнее всего сопоставлять с привлечением инструментария математики. Что естественно, коль скоро математика является базовым языком для описания природы. Почему это так, правда, никто вам наверняка не скажет. Но это неоспоримый факт.

Ну а еще, особую привлекательность математике придает то, что она, цитируя известных специалистов ^]40[, дает возможность оперировать объектами, даже не давая им четких определений. Есть точка, есть прямая, есть плоскость – на основе этих понятий и соотношений между ними можно, заверяют знающие люди, обучить геометрии хоть слепого.

Метафора слепоты человеческой оказывается особо уместна в контексте осмысления непостижимой природы – если вспомнить известную притчу о слепцах, пытающихся понять, что такое слон, пощупав его разные фрагменты. ^[88]

Коль скоро понятия точки, прямой и плоскости у нас заведомо имеются, несложно продемонстрировать, каким образом математика неразрывно связана с физикой через концепцию движения. То есть опираясь на идею динамики – движения – можно выводить из одного понятия все последующие.

Движение точки порождает 1-мерную линию, в частности, прямую и окружность. Движение линии порождает поверхность. Так, прямая может порождать 2-мерную плоскость двумя базовыми способами – параллельным переносом и вращением вокруг одной из своих точек.

Аналогично, 3-мерное пространство можно порождать параллельным переносом плоскости или вращением плоскости вокруг одной из своих прямых. Понятно, что этот процесс можно развивать и далее – к порождению пространств более высокой размерности. Читать далее →

[краткий путеводитель «там за облаками»]

1_погода
2.1_темно | 2.2_неясно
3.1_хью | 3.2_вольф | 3.3_клод

3.3_клод

(12)

В истории науки конца 1950-х годов известно еще несколько заметных и трудно объяснимых потерь, вызванных исчезновением выдающихся ученых из сфер плодотворной научной деятельности. ^[1D]

Это не обязательно происходило при столь же трагичных обстоятельствах, как в случае с Паули. Но по итоговому результату – как, в частности, в истории Клода Шеннона – было равнозначно загадочной и явно преждевременной научной смерти.

Если говорить о теории информации, то ни один ученый XX века не внес в данную область такого личного вклада, который хотя бы отдаленно был сопоставим со вкладом Шеннона. Без всяких преувеличений этого человека принято именовать отцом теории информации и научной криптографии.

И этот же человек на пике блестящий карьеры по неназываемым причинам оставил большую науку, перейдя на тихую и незаметную преподавательскую работу. Причем происходила метаморфоза в уже известный интервал с 1957 по1958 годы, когда ученому едва исполнилось 40 лет. ^[1F]

Ничего, сравнимого с его прежними шедеврами научного творчества, за весь остальной период жизни Клодом Шенноном более не создавалось. Так, во всяком случае, принято считать.

(13)

Но определенно имеет смысл поинтересоваться, чем занимался в последующие годы этот умнейший человек, знаменитый не только даром выдающегося теоретика, но и талантами мастеровитого инженера-конструктора.

Читать далее →

[краткий путеводитель «там за облаками»]

1_погода
2.1_темно | 2.2_неясно
3.1_хью | 3.2_вольф | 3.3_____

3.2_вольф

(9)

Случилось так, что в том же 1957, но совершенно независимо от работ безвестного аспиранта Хью Эверетта, в области теоретической науки произошло еще одно выдающееся открытие. Автором его был куда более знаменитый ученый, один из отцов квантовой физики Вольфганг Паули.

Однако происходило это столь загадочным образом, что прорыв вроде как был, но в итоге его как бы и не было. В силу неких таинственных жизненных обстоятельств, сопровождавших данное открытие, человечество по сию пору так и остается в полном неведении относительно того, что же конкретно за результаты были тогда получены. ^[1B][1C]

Все известное на данный счет ныне можно почерпнуть лишь из мемуаров людей, общавшихся с Паули в тот период. Прежде всего, из воспоминаний его давнего друга Вернера Гейзенберга – поскольку именно их совместная работа над так называемой «формулой мира» (единым квантовым уравнением поля) и стала толчком к открытию. ^]34[

Да еще остались несколько кратких, но чрезвычайно воодушевленных писем Паули, где суть его великого прозрения передают такие слова: «Раздвоение и уменьшение симметрии – вот где собака зарыта… Теперь-то уж мы напали на след!». ^]35[

Читать далее →

[краткий путеводитель «там за облаками»]

1_погода
2.1_темно | 2.2_неясно
3.1_хью | 3.2_____ | 3.3_____

3.1_хью

(6)

К 1957 году, когда аспирант Принстонского университета Хью Эверетт III подготовил свою диссертацию^]31[ с абсолютно новым взглядом на квантовую механику, эта наука уже имела статус «царицы физики». В первую очередь, конечно же, из-за атомной бомбы.

Однако успехи в военных и прочих практических приложениях никак не помогли разрешить фундаментальную проблему в основе квантовой теории. Мир квантовых объектов в корне отличается от наблюдаемого человеком мира классического, а как понимать это принципиальное различие – ясности не было не только в 1950-е, но нет ее и поныне.

Суть проблемы в том, что волновая функция Шредингера, применяемая для описания квантовых объектов, оперирует комплексными числами. Но это такие величины, которые в мире нашей реальности для описания не подходят.

«У нас» результатом всякого измерения – будь то скорости, положения, спина – может быть лишь одно числовое значение. А комплексное число мало того, что состоит из двух частей, так еще и одна из них является «мнимой». Иначе говоря, всегда имеется компонент, задающий величину в каком-то еще «нереальном» измерении, связанном с числом i или квадратным корнем из (-1).

Так что квантовый объект, при взгляде из мира классического, всегда выглядит как одновременная совокупность или суперпозиция несовместимых друг с другом состояний. Из-за этой принципиальной неоднозначности любое измерение состояния квантового объекта не может быть четко предсказуемым и дает лишь вероятностные значения. Хотя сама по себе волновая функция является вполне детерминированной – в терминах комплексных чисел.

(7)

То, как эту проблему с несоответствием описаний решает Копенгагенская интерпретация, изложено во всех учебниках квантовой физики. В ее рамках придумана идея коллапса волновой функции, происходящего при всяком измерении и «схлопывающего» суперпозицию до единственного значения с той или иной вероятностью.

Не секрет, что эта идея порождает лишь видимость объяснения, попутно ставя кучу новых вопросов. Главный из которых – что представляет собой мир в промежутках между измерениями?

Очевидная заслуга Хью Эверетта была в том, что он сумел оставить полностью нетронутой хорошо работающую математику уравнений, но при этом дать им существенно другую, логичную и куда менее искусственную интерпретацию.

Эверетт, можно сказать, предложил просто довериться формулам. И если математика показывает, что объекты квантового мира существуют постоянно и непрерывно, а не кусочно-рваными фрагментами от измерения до измерения, то так оно, скорее всего, и есть на самом деле.

А важную роль наблюдателя, постоянно совершающего измерения и таким образом «реализующего» ветвящийся мир квантовой физики к более привычному нам виду мира классического, он предложил возложить на саму вселенную.

В исходном, развернутом варианте^]32[ диссертации Эверетта впервые в науке, похоже, появляется формулировка квантовой механики в терминах совсем новой по тем временам теории информации Шеннона.

Опираясь на этот фундамент, Эверетт предположил, что частицы вселенной в совокупности можно уподобить вычислительной системе, или в его терминологии «сложному автомату», со способностью запоминать свои прежние состояния и сравнивать их с состояниями новыми.

Читать далее →

[краткий путеводитель]

 1_погода

2.1_темно | 2.2_неясно

2.2_неясно

(4)

Для четырех процентов вселенной, которые считаются в науке известными и неплохо изученными, уровень понимания все еще остается очень далеким от того, что принято называть ясной картиной. Перечень туманных, а порой и совсем темных мест можно составить очень длинный.

В качестве же одной из принципиально неразрешимых проблем достаточно упомянуть квантовый феномен, от Эрвина Шредингера получивший название Verschränkung или «сцепленность«.^]23[

По существу, имеется предсказанное формулами и подтвержденное экспериментами мгновенное взаимодействие частиц, происходящее в полной независимости от разделяющих их расстояний любой дальности. Каковы, однако, природа и механизм этого взаимодействия – совершенно неясно…^[4A]

Квантовую физику не без оснований называют самой успешной и самой точной из всех наук, разработанных человечеством. Но при этом смысл ее математических конструкций практически не поддается объяснению на обыденном языке.

Аналогично, уравнения ОТО позволяют с помощью математики обосновать множество нетривиальных явлений, наблюдаемых в макромасштабах 4-мерной вселенной. Однако никто так и не сумел внятно объяснить престранное устройство времени.^[70]

Времени как существенно иного измерения пространства, по которому нельзя самостоятельно перемещаться ни вперед, ни назад. А можно лишь находиться всегда в одной точке «теперь», смещающейся строго в одну сторону – из прошлого в будущее.^]24[

И, наконец, еще одна принципиально важная проблема. По-прежнему совершенно неясно, в чем заключается секрет гравитации, из-за которого она так упорно не вписывается в квантовое описание мира, продолжая оставаться классическим взаимодействием.^[8С]

Читать далее →