Kvantu fizika. Ceļā uz visa teoriju Kas ir visa teorija

Kā mūsdienu teorētiskie fiziķi izstrādā jaunas teorijas, kas apraksta pasauli? Ko viņi pievieno kvantu mehānikai un vispārējai relativitātei, lai izveidotu "teoriju par visu"? Kādi ierobežojumi ir apspriesti rakstos, kas runā par “jaunās fizikas” neesamību? Uz visiem šiem jautājumiem var atbildēt, ja saprotat, kas ir darbība- objekts, kas ir visu esošo fizisko teoriju pamatā. Šajā rakstā es paskaidrošu, ko fiziķi saprot ar darbību, kā arī parādīšu, kā to var izmantot, lai izveidotu reālu fizikālo teoriju, izmantojot tikai dažus vienkāršus pieņēmumus par aplūkojamās sistēmas īpašībām.

Uzreiz brīdinu: rakstā būs formulas un pat vienkārši aprēķini. Tomēr tos var izlaist, nekaitējot izpratnei. Vispārīgi runājot, es šeit sniedzu formulas tikai tiem interesentiem lasītājiem, kuri noteikti vēlas visu izdomāt paši.

Vienādojumi

Fizika apraksta mūsu pasauli ar vienādojumiem, kas saista kopā dažādus fiziskus lielumus – ātrumu, spēku, magnētiskā lauka stiprumu utt. Gandrīz visi šādi vienādojumi ir diferenciāli, tas ir, tajos ir ne tikai no daudzumiem atkarīgas funkcijas, bet arī to atvasinājumi. Piemēram, viens no vienkāršākajiem vienādojumiem, kas apraksta punkta ķermeņa kustību, satur tā koordinātas otro atvasinājumu:

Šeit otrā laika atvasinājumu apzīmēju ar diviem punktiem (respektīvi, viens punkts apzīmēs pirmo atvasinājumu). Protams, tas ir otrais Ņūtona likums, ko viņš atklāja 17. gadsimta beigās. Ņūtons bija viens no pirmajiem, kurš atzina nepieciešamību rakstīt kustības vienādojumus šādā formā, kā arī izstrādāja to atrisināšanai nepieciešamos diferenciāl- un integrālrēķinus. Protams, lielākā daļa fizisko likumu ir daudz sarežģītāki nekā Ņūtona otrais likums. Piemēram, hidrodinamisko vienādojumu sistēma ir tik sarežģīta, ka zinātnieki joprojām nezina, vai tā kopumā ir atrisināma vai nē. Šīs sistēmas risinājumu esamības un gluduma problēma ir pat iekļauta “tūkstošgades problēmu” sarakstā, un Māla matemātikas institūts par tās risinājumu izvirzījis viena miljona dolāru prēmiju.

Bet kā fiziķi atrod šos diferenciālvienādojumus? Ilgu laiku vienīgais jaunu teoriju avots bija eksperimenti. Citiem vārdiem sakot, vispirms zinātnieks izmērīja vairākus fiziskos lielumus un tikai pēc tam mēģināja noteikt, kā tie ir saistīti. Piemēram, tieši šādā veidā Keplers atklāja trīs slavenos debesu mehānikas likumus, kas vēlāk noveda Ņūtonu pie viņa klasiskās gravitācijas teorijas. Izrādījās, ka eksperiments šķita "pasteidzies teorijai".

Mūsdienu fizikā lietas ir sakārtotas nedaudz savādāk. Protams, eksperimentam joprojām ir ļoti svarīga loma fizikā. Bez eksperimentāla apstiprinājuma jebkura teorija ir tikai matemātisks modelis – prāta rotaļlieta, kurai nav nekāda sakara ar reālo pasauli. Taču tagad fiziķi iegūst vienādojumus, kas apraksta mūsu pasauli, nevis empīriski vispārinot eksperimentālus faktus, bet atvasina tos “no pirmajiem principiem”, tas ir, balstoties uz vienkāršiem pieņēmumiem par aprakstītās sistēmas īpašībām (piemēram, telpas-laika vai elektromagnētisko). lauks). Galu galā no eksperimenta tiek noteikti tikai teorijas parametri - patvaļīgi koeficienti, kas iekļaujas teorētiķa atvasinātajā vienādojumā. Tajā pašā laikā galvenā loma teorētiskajā fizikā ir mazākās darbības princips, kuru 18. gadsimta vidū pirmo reizi formulēja Pjērs Mopertuiss, bet visbeidzot 19. gadsimta sākumā vispārināja Viljams Hamiltons.

Darbība

Kas ir darbība? Vispārīgākajā formulējumā darbība ir funkcionāls, kas saista sistēmas trajektorijas (tas ir, koordinātu un laika funkcijas) ar noteiktu skaitli. Mazākās rīcības princips nosaka, ka taisnība trajektorijas darbība būs minimāla. Lai saprastu šo modes vārdu nozīmi, apsveriet tālāk sniegto ilustratīvo piemēru, kas ņemts no Feynman Lectures on Physics.

Pieņemsim, ka mēs vēlamies zināt, pa kādu trajektoriju virzīsies gravitācijas laukā novietots ķermenis. Vienkāršības labad mēs pieņemsim, ka kustību pilnībā apraksta augstums x(t), tas ir, ķermenis pārvietojas pa vertikālu līniju. Pieņemsim, ka par kustību mēs zinām tikai to, ka ķermenis sākas punktā x 1 laikā t 1 un nonāk pie punkta x 2 vienā mirklī t 2 , un kopējais ceļojuma laiks ir T = t 2 − t viens . Apsveriet funkciju L vienāds ar kinētiskās enerģijas starpību Uz un potenciālā enerģija P: L = Uz − P. Mēs pieņemam, ka potenciālā enerģija ir atkarīga tikai no daļiņas koordinātas x(t), un kinētiskā - tikai tā ātrumā ẋ (t). Mēs arī definējam darbība- funkcionalitāte S, vienāds ar vidējo vērtību L visam braucienam: S = ∫ L(x, ẋ , t) d t.

Acīmredzot vērtība S būs būtiski atkarīgs no trajektorijas formas x(t) - patiesībā tāpēc mēs to saucam par funkcionālu, nevis funkciju. Ja ķermenis paceļas pārāk augstu (trajektorija 2), vidējā potenciālā enerģija palielināsies, un, ja tas cilpas pārāk bieži (trajektorija 3), kinētiskā enerģija palielināsies - galu galā mēs pieņēmām, ka kopējais kustības laiks ir tieši vienāds ar T, kas nozīmē, ka ķermenim jāpalielina ātrums, lai būtu laiks iziet visus pagriezienus. Patiesībā funkcionalitāte S sasniedz minimumu uz kādas optimālas trajektorijas, kas ir parabolas segments, kas iet caur punktiem x 1 un x 2 (trajektorija 1). Laimīgas sakritības dēļ šī trajektorija sakrīt ar trajektoriju, ko paredz Ņūtona otrais likums.

Punktus savienojošo ceļu piemēri x 1 un x 2. Pelēks iezīmē trajektoriju, kas iegūta, mainot patieso trajektoriju. Vertikālais virziens atbilst asij x, horizontāli - asis t

Vai tā ir sakritība? Protams, ne nejauši. Lai to parādītu, pieņemsim, ka mēs zinām patieso trajektoriju un apsveram to variācijas. Variācija δ x(t) ir šāds trajektorijas papildinājums x(t), kas maina savu formu, bet sākuma un beigu punktu atstāj savās vietās (skat. attēlu). Apskatīsim, kādu vērtību darbība iegūst trajektorijās, kas atšķiras no patiesās trajektorijas ar bezgalīgi mazu variāciju. Paplašināšanas funkcija L un aprēķinot integrāli pa daļām, mēs iegūstam izmaiņas S proporcionāls variācijai δ x:

Šeit tas, ka variācijas punktos x 1 un x 2 ir nulle — tas ļāva mums atmest terminus, kas parādās pēc integrācijas pa daļām. Iegūtā izteiksme ir ļoti līdzīga atvasinājuma formulai, kas rakstīta diferenciāļu izteiksmē. Patiešām, izteiksme δ S/δ x dažreiz sauc par variācijas atvasinājumu. Turpinot šo analoģiju, mēs secinām, ka, pievienojot nelielu piedevu δ x uz patieso trajektoriju, darbībai nevajadzētu mainīties, tas ir, δ S= 0. Tā kā pievienošana var būt praktiski patvaļīga (mēs fiksējām tikai tā galus), tas nozīmē, ka arī integrands pazūd. Tādējādi, zinot darbību, var iegūt diferenciālvienādojumu, kas apraksta sistēmas kustību, Eilera-Lagranža vienādojumu.

Atgriezīsimies pie mūsu problēmas ar ķermeni, kas pārvietojas gravitācijas laukā. Atcerieties, ka esam definējuši funkciju L kā starpība starp ķermeņa kinētisko un potenciālo enerģiju. Aizvietojot šo izteiksmi Eilera-Lagranža vienādojumā, mēs faktiski iegūstam otro Ņūtona likumu. Patiešām, mūsu minējums par funkcijas formu L izrādījās ļoti veiksmīgs:

Izrādās, ka ar darbības palīdzību kustības vienādojumus iespējams uzrakstīt ļoti īsā formā, it kā funkcijas iekšienē “iepakojot” visas sistēmas pazīmes. L. Tas pats par sevi ir pietiekami interesanti. Tomēr darbība nav tikai matemātiska abstrakcija, tai ir dziļa fiziska nozīme. Kopumā mūsdienu teorētiskais fiziķis vispirms izraksta darbību un tikai pēc tam atvasina kustības vienādojumus un tos pēta. Daudzos gadījumos darbību sistēmai var konstruēt, izdarot tikai visvienkāršākos pieņēmumus par tās īpašībām. Apskatīsim, kā to var izdarīt, izmantojot dažus piemērus.

Brīvā relatīvistiskā daļiņa

Kad Einšteins veidoja īpašo relativitātes teoriju (STR), viņš postulēja dažus vienkāršus apgalvojumus par mūsu telpas laika īpašībām. Pirmkārt, tas ir viendabīgs un izotropisks, tas ir, tas nemainās ar ierobežotiem pārvietojumiem un rotācijām. Citiem vārdiem sakot, neatkarīgi no tā, kur atrodaties – uz Zemes, uz Jupitera vai Mazā Magelāna Mākoņa galaktikā – visos šajos punktos fizikas likumi darbojas vienādi. Turklāt jūs nepamanīsiet nekādu atšķirību, ja pārvietojaties pa vienotu taisnu līniju – tas ir Einšteina relativitātes princips. Otrkārt, neviens ķermenis nevar pārsniegt gaismas ātrumu. Tas noved pie tā, ka parastie ātruma un laika pārrēķināšanas noteikumi, pārslēdzoties starp dažādām atskaites sistēmām - Galilejas transformācijām - ir jāaizstāj ar pareizākām Lorenca transformācijām. Rezultātā patiesi relativistisks lielums, kas ir vienāds visos atskaites rāmjos, kļūst nevis par attālumu, bet gan par intervālu - daļiņas pareizo laiku. Intervāls s 1 − s 2 starp diviem dotajiem punktiem var atrast, izmantojot šādu formulu, kur c- gaismas ātrums:

Kā redzējām iepriekšējā daļā, mums pietiek pierakstīt darbību brīvai daļiņai, lai atrastu tās kustības vienādojumu. Ir saprātīgi pieņemt, ka darbība ir relativistisks invariants, tas ir, tas izskatās vienādi dažādos atskaites rāmjos, jo fiziskie likumi tajās ir vienādi. Turklāt mēs vēlētos, lai darbība tiktu uzrakstīta pēc iespējas vienkāršāk (sarežģīti izteicieni tiks atstāti vēlāk). Vienkāršākais relativistiskais invariants, ko var saistīt ar punktveida daļiņu, ir tās pasaules līnijas garums. Izvēloties šo invariantu kā darbību (lai izteiksmes dimensija būtu pareiza, mēs to reizinām ar koeficientu - mc) un mainot to, mēs iegūstam šādu vienādojumu:

Vienkārši sakot, brīvas relativistiskās daļiņas 4-paātrinājumam jābūt vienādam ar nulli. 4-paātrinājums, tāpat kā 4-ātrums, ir paātrinājuma un ātruma jēdzienu vispārinājums četrdimensiju telpa-laikā. Tā rezultātā brīva daļiņa var pārvietoties tikai pa noteiktu taisnu līniju ar nemainīgu 4 ātrumu. Mazo ātrumu robežās intervāla izmaiņas praktiski sakrīt ar laika izmaiņām, un tāpēc iegūtais vienādojums pāriet uz Ņūtona otro likumu, kas jau tika apspriests iepriekš: mẍ= 0. Savukārt nulles 4-paātrinājuma nosacījums ir izpildīts arī brīvai daļiņai vispārējā relativitātes teorijā, tikai tajā telpa-laiks jau sāk izliekties un daļiņa ne vienmēr virzīsies pa taisni pat tad, ja nav ārēju spēku.

Elektromagnētiskais lauks

Kā zināms, elektromagnētiskais lauks izpaužas mijiedarbībā ar uzlādētiem ķermeņiem. Parasti šo mijiedarbību apraksta, izmantojot elektriskā un magnētiskā lauka intensitātes vektorus, kas ir saistīti ar četru Maksvela vienādojumu sistēmu. Maksvela vienādojumu praktiski simetriskā forma liek domāt, ka šie lauki nav neatkarīgas vienības - tas, kas mums šķiet elektriskais lauks vienā atskaites sistēmā, var pārvērsties magnētiskajā laukā, ja mēs pārslēdzamies uz citu kadru.

Patiešām, apsveriet vadu, pa kuru elektroni skrien ar tādu pašu un nemainīgu ātrumu. Ar elektroniem saistītajā atskaites sistēmā ir tikai nemainīgs elektriskais lauks, ko var atrast, izmantojot Kulona likumu. Tomēr sākotnējā atskaites sistēmā elektronu kustība rada pastāvīgu elektrisko strāvu, kas, savukārt, inducē pastāvīgu magnētisko lauku (Biota-Savarta likums). Tajā pašā laikā saskaņā ar relativitātes principu mūsu izvēlētajos atskaites rāmjos fizikas likumiem ir jāsakrīt. Tas nozīmē, ka gan elektriskie, gan magnētiskie lauki ir vienas, vispārīgākas vienības daļas.

Tenzori

Pirms pievēršamies elektrodinamikas kovariantu formulējumam, ir vērts pateikt dažus vārdus par speciālās un vispārējās relativitātes matemātiku. Visnozīmīgākā loma šajās teorijās ir tenzora jēdzienam (ja godīgi, arī citās mūsdienu teorijās). Aptuveni runājot, ranga tensors ( n, m) var uzskatīt par ( n+m)-dimensiju matrica, kuras sastāvdaļas ir atkarīgas no koordinātām un laika. Turklāt tensoram ir jāmainās zināmā viltīgā veidā, pārejot no vienas atskaites sistēmas uz otru vai mainoties koordinātu tīklam. Cik precīzi, nosaka kontravariantu un kovariantu indeksu skaitu ( n un m attiecīgi). Tajā pašā laikā pats tensors kā fiziska vienība šādās transformācijās nemainās, tāpat kā 4-vektors, kas ir 1. ranga tenzora īpašs gadījums, nemainās zem tām.

Tenzoru komponenti ir numurēti, izmantojot indeksus. Ērtības labad tiek izdalīti augšējie un apakšindeksi, lai uzreiz redzētu, kā tenzors transformējas, mainot koordinātas vai atsauces sistēmas. Piemēram, tenzora komponents T rangs (3, 0) ir rakstīts kā Tαβγ un tenzors U rangs (2, 1) - as Uα β γ . Saskaņā ar iedibināto tradīciju četrdimensiju tenzoru sastāvdaļas numurē ar grieķu burtiem, bet trīsdimensiju - latīņu valodā. Tomēr daži fiziķi izvēlas rīkoties pretēji (piemēram, Landau).

Turklāt īsuma labad Einšteins ieteica nerakstīt summas zīmi "Σ", salokot tenzoras izteiksmes. Konvolūcija ir tenzora summēšana pa diviem dotajiem indeksiem, un vienam no tiem jābūt "augšējam" (kontravariantam), bet otram jābūt "zemākam" (kovariantam). Piemēram, lai aprēķinātu matricas izsekošanu — ranga tensoru (1, 1) —, tā jāsakļauj pār diviem pieejamajiem indeksiem: Tr[ A μ ν ] = Σ A μ μ = Aμ μ . Varat paaugstināt un pazemināt indeksus, izmantojot metrisko tensoru: T αβ γ = T αβμ g μγ .

Visbeidzot, ir ērti ieviest absolūti antisimetrisku pseidotensoru ε μνρσ - tensoru, kas maina zīmi jebkurai indeksu permutācijai (piemēram, ε μνρσ = −ε νμρσ) un kura komponents ε 1234 = +1. To sauc arī par Levi-Civita tensoru. Koordinātu sistēmas rotācijās ε μνρσ darbojas kā parasts tensors, bet inversijā (izmaiņas, piemēram, x → −x) tiek pārveidots atšķirīgi.

Patiešām, elektriskā un magnētiskā lauka vektori tiek apvienoti struktūrā, kas Lorenca transformācijās ir nemainīga - tas ir, tā nemainās pārejas laikā starp dažādiem (inerciālajiem) atskaites sistēmām. Tas ir tā sauktais elektromagnētiskā lauka tensors Fμν . Vislabāk to rakstīt šādas matricas veidā:

Šeit elektriskā lauka sastāvdaļas tiek apzīmētas ar burtu E, un magnētiskā lauka sastāvdaļas - ar burtu H. Ir viegli redzēt, ka elektromagnētiskā lauka tensors ir antisimetrisks, tas ir, tā sastāvdaļas diagonāles pretējās pusēs ir vienādas absolūtā vērtībā un tām ir pretējas zīmes. Ja mēs vēlamies iegūt Maksvela vienādojumus "no pirmajiem principiem", mums ir jāpieraksta elektrodinamikas darbība. Lai to izdarītu, mums ir jākonstruē visvienkāršākā mūsu rīcībā esošo tenzoru objektu skalārā kombinācija, kas ir kaut kādā veidā saistīta ar lauka vai telpas laika īpašībām.

Ja tā padomā, mums ir maz izvēles - tikai lauka tensors var darboties kā "celtniecības bloki" Fμν , metriskais tenzors gμν un absolūti antisimetrisks tensors ε μνρσ . No tiem jūs varat savākt tikai divas skalārās kombinācijas, un viena no tām ir kopējais atvasinājums, tas ir, to var ignorēt, atvasinot Eilera-Lagranža vienādojumus - pēc integrācijas šī daļa vienkārši kļūs par nulli. Izvēloties atlikušo kombināciju kā darbību un to variējot, iegūstam Maksvela vienādojumu pāri – pusi no sistēmas (pirmā rinda). Šķiet, ka mēs esam palaiduši garām divus vienādojumus. Tomēr mums faktiski nav jāizraksta darbība, lai iegūtu atlikušos vienādojumus - tie izriet tieši no tenzora antisimetrijas Fμν (otrā rinda):

Atkal esam ieguvuši pareizos kustības vienādojumus, kā darbību izvēloties pēc iespējas vienkāršāko kombināciju. Tiesa, tā kā mēs neņēmām vērā lādiņu esamību mūsu telpā, mēs ieguvām vienādojumus brīvam laukam, tas ir, elektromagnētiskajam vilnim. Teorijai pievienojot lādiņus, jāņem vērā arī to ietekme. Tas tiek darīts, iekļaujot darbībā 4 strāvu vektoru.

smagums

Reāls mazākās darbības principa triumfs savā laikā bija vispārējās relativitātes teorijas (GR) konstruēšana. Pateicoties viņam, vispirms tika atvasināti kustības likumi, kurus zinātnieki nevarēja iegūt, analizējot eksperimentālos datus. Vai arī viņi varēja, bet viņi to nedarīja. Tā vietā Einšteins (un Hilberts, ja vēlaties) atvasināja vienādojumus metrikas izteiksmē, pamatojoties uz pieņēmumiem par telpas laika īpašībām. No šī brīža teorētiskā fizika sāka “apdzīt” eksperimentālo.

GR metrika pārstāj būt nemainīga (kā SRT) un sāk būt atkarīga no tajā ievietotās enerģijas blīvuma. Es atzīmēju, ka pareizāk ir runāt par enerģiju, nevis par masu, lai gan šie divi lielumi ir saistīti ar attiecību E = mc 2 savā atskaites sistēmā. Atgādināšu, ka metrika nosaka noteikumus, pēc kuriem aprēķina attālumu starp diviem punktiem (stingri sakot, bezgalīgi tuvu punktiem). Ir svarīgi, lai metrika nebūtu atkarīga no koordinātu sistēmas izvēles. Piemēram, plakanu trīsdimensiju telpu var aprakstīt, izmantojot Dekarta vai sfērisku koordinātu sistēmu, taču abos gadījumos telpas metrika būs vienāda.

Lai pierakstītu gravitācijas darbību, no metrikas ir jāizveido sava veida invariants, kas nemainīsies, mainoties koordinātu tīklam. Vienkāršākais šāds invariants ir metriskais determinants. Tomēr, ja mēs to tikai iespējosim, mēs to nesaņemsim diferenciālis vienādojums, jo šī izteiksme nesatur metrikas atvasinājumus. Un, ja vienādojums nav diferenciāls, tas nevar aprakstīt situācijas, kurās metrika laika gaitā mainās. Tāpēc darbībai jāpievieno vienkāršākais invariants, kas satur atvasinājumus gμν . Šāds invariants ir tā sauktais Riči skalārs R, ko iegūst ar Rīmaņa tenzora konvolūciju Rμνρσ , kas apraksta telpas-laika izliekumu:

Roberts Kūzs-Beikers/flickr.com

Teorija par visu

Beidzot ir pienācis laiks runāt par "teoriju par visu". Tā saucas vairākas teorijas, kas mēģina apvienot vispārējo relativitāti un standarta modeli – divas galvenās šobrīd zināmās fizikālās teorijas. Zinātnieki veic šādus mēģinājumus ne tikai estētisku apsvērumu dēļ (jo mazāk teoriju nepieciešams, lai izprastu pasauli, jo labāk), bet arī pārliecinošāku iemeslu dēļ.

Gan GR, gan standarta modelim ir piemērojamības robežas, pēc kurām tie pārstāj darboties. Piemēram, vispārējā relativitāte paredz singularitātes eksistenci – punktus, kuros enerģijas blīvums un līdz ar to arī telpas-laika izliekums tiecas uz bezgalību. Ne tikai pašas bezgalības ir nepatīkamas – papildus šai problēmai Standarta modelī ir teikts, ka enerģiju nevar lokalizēt kādā punktā, tā ir jāizkliedē kādā, kaut arī nelielā, apjomā. Tāpēc tuvu singularitātei gan GR, gan standarta modeļa ietekmei jābūt lielai. Tajā pašā laikā vispārējā relativitāte vēl nav kvantificēta, un standarta modelis ir veidots, pamatojoties uz pieņēmumu par plakanu telpu-laiku. Ja mēs vēlamies saprast, kas notiek ap singularitātēm, mums ir jāizstrādā teorija, kas ietver abas šīs teorijas.

Paturot prātā vismazākās ietekmes principa panākumus pagātnē, zinātnieki visus savus mēģinājumus veidot jaunu teoriju balsta uz to. Atcerieties, ka, veidojot darbību dažādām teorijām, mēs apsvērām tikai visvienkāršākās kombinācijas? Tad mūsu darbības vainagojās panākumiem, taču tas nebūt nenozīmē, ka visvienkāršākā darbība ir vispareizākā. Vispārīgi runājot, dabai nav jāpielāgo savi likumi, lai atvieglotu mūsu dzīvi.

Tāpēc ir saprātīgi darbībā iekļaut tālāk norādītos, sarežģītākus nemainīgos lielumus un redzēt, kur tas noved. Dažos veidos tas atgādina funkcijas secīgu tuvināšanu ar arvien augstāku pakāpju polinomiem. Vienīgā problēma šeit ir tā, ka visas šādas korekcijas tiek izmantotas ar dažiem nezināmiem koeficientiem, kurus nevar aprēķināt teorētiski. Turklāt, tā kā standarta modelis un vispārējā relativitāte joprojām darbojas labi, šiem koeficientiem jābūt ļoti maziem, tāpēc tos ir grūti noteikt no eksperimenta. Daudzi raksti, kas ziņo par "jaunās fizikas ierobežojumiem", ir tieši tādi paši, kuru mērķis ir noteikt koeficientus augstākās teorijas kārtās. Līdz šim viņi ir spējuši atrast tikai augšējās robežas.

Turklāt ir pieejas, kas ievieš jaunus, netriviālus jēdzienus. Piemēram, stīgu teorija liek domāt, ka mūsu pasaules īpašības var aprakstīt ar nevis punktu, bet gan paplašinātu objektu - stīgu vibrāciju palīdzību. Diemžēl eksperimentāls apstiprinājums stīgu teorijai vēl nav atrasts. Piemēram, viņa paredzēja dažus uzbudinājumus pie akseleratoriem, taču tie nekad neparādījās.

Kopumā nešķiet, ka zinātnieki būtu nonākuši tuvu "visa teorijas" atklāšanai. Iespējams, teorētiķiem vēl ir jāizdomā kaut kas pēc būtības jauns. Tomēr nav šaubu, ka vispirms viņi uzraksta darbību jaunajai teorijai.

***

Ja visi šie argumenti jums šķita sarežģīti un jūs ritinājāt rakstu, neizlasot, šeit ir īss tajā apspriesto faktu kopsavilkums. Pirmkārt, visas mūsdienu fiziskās teorijas vienā vai otrā veidā balstās uz šo jēdzienu darbības- daudzums, kas raksturo, cik ļoti sistēmai “patīk” tā vai cita kustības trajektorija. Otrkārt, sistēmas kustības vienādojumus var iegūt, meklējot trajektoriju, pa kuru notiek darbība vismazāk nozīmē. Treškārt, darbību var konstruēt, izmantojot tikai dažus elementārus pieņēmumus par sistēmas īpašībām. Piemēram, par to, ka fizikas likumi ir vienādi atskaites sistēmās, kas pārvietojas ar dažādu ātrumu. Ceturtkārt, daži no "teorijas par visu" kandidātiem tiek iegūti, vienkārši pievienojot standarta modeļa un GR darbībai terminus, kas pārkāpj dažus šo teoriju pieņēmumus. Piemēram, Lorenca invariance. Ja pēc raksta izlasīšanas atceraties iepriekš minētos apgalvojumus, tas ir labi. Un, ja jūs arī saprotat, no kurienes tie nāk - vienkārši brīnišķīgi.

Dmitrijs Truņins

Starp divām fundamentālajām teorijām, kas izskaidro realitāti ap mums, kvantu teorija pievēršas mijiedarbībai starp vismazāk matērijas daļiņas, savukārt vispārējā relativitāte attiecas uz gravitāciju un lielākais struktūras visā Visumā. Kopš Einšteina laikiem fiziķi ir mēģinājuši pārvarēt plaisu starp šīm mācībām, taču ar neviennozīmīgiem panākumiem.

Viens no veidiem, kā saskaņot gravitāciju ar kvantu mehāniku, bija parādīt, ka gravitācijas pamatā ir nedalāmas vielas daļiņas, kvanti. Šo principu var salīdzināt ar to, kā paši gaismas kvanti, fotoni, attēlo elektromagnētisko vilni. Līdz šim zinātniekiem nebija pietiekami daudz datu, lai apstiprinātu šo pieņēmumu, taču Antuāns Tillijs(Antoine Tilloy) no Kvantu optikas institūta. Makss Planks Garčingā, Vācijā, mēģināja aprakstīt gravitāciju ar kvantu mehānikas principiem. Bet kā viņam tas izdevās?

kvantu pasaule

Kvantu teorijā daļiņas stāvokli raksturo tā viļņu funkcija. Tas, piemēram, ļauj aprēķināt varbūtību atrast daļiņu noteiktā telpas punktā. Pirms paša mērījuma nav skaidrs ne tikai, kur daļiņa atrodas, bet arī vai tā eksistē. Pats mērīšanas fakts burtiski rada realitāti, "iznīcinot" viļņu funkciju. Bet kvantu mehānika reti atsaucas uz mērījumiem, tāpēc tā ir viena no vispretrunīgākajām fizikas jomām. Atcerieties Šrēdingera paradokss: Jūs to nevarēsiet atrisināt, kamēr neveiksiet mērījumu, atverot kastīti un noskaidrojot, vai kaķis ir dzīvs vai nē.

Viens no šo paradoksu risinājumiem ir tā sauktais GRW modelis, kas tika izstrādāta 80. gadu beigās. Šī teorija ietver tādu parādību kā " uzliesmojumi» ir spontāni kvantu sistēmu viļņu funkcijas sabrukumi. Tās piemērošanas rezultāts ir tieši tāds pats kā tad, ja mērījumi tiktu veikti bez novērotājiem kā tādiem. Tilloy to modificēja, lai parādītu, kā to var izmantot, lai nokļūtu gravitācijas teorijā. Viņa versijā zibspuldze, kas iznīcina viļņa funkciju un tādējādi liek daļiņai atrasties vienā vietā, tajā brīdī telpā-laikā rada arī gravitācijas lauku. Jo lielāka ir kvantu sistēma, jo vairāk tajā ir daļiņu un jo biežāk notiek uzplaiksnījumi, tādējādi radot svārstīgu gravitācijas lauku.

Interesantākais ir tas, ka šo svārstību vidējā vērtība ir tas pats gravitācijas lauks, ko apraksta Ņūtona gravitācijas teorija. Šo pieeju gravitācijas apvienošanai ar kvantu mehāniku sauc par pusklasisko: gravitācija rodas kvantu procesos, bet paliek klasisks spēks. "Nav reāla iemesla ignorēt pusklasisko pieeju, kurā gravitācija ir klasiska fundamentālā līmenī," saka Tillojs.

Gravitācijas fenomens

Klauss Hornbergers no Duisburgas-Esenes universitātes Vācijā, kurš nepiedalījās teorijas izstrādē, pret to izturas ar lielu līdzjūtību. Zinātnieks gan norāda, ka pirms šis jēdziens veidos pamatu vienotai teorijai, kas apvieno un izskaidro visu apkārtējās pasaules fundamentālo aspektu būtību, būs jāatrisina virkne uzdevumu. Piemēram, Tiloja modeli noteikti var izmantot, lai iegūtu Ņūtona gravitācijas spēku, taču tā atbilstība gravitācijas teorijai vēl ir jāpārbauda, ​​izmantojot matemātiku.

Tomēr pats zinātnieks piekrīt, ka viņa teorijai ir nepieciešama pierādījumu bāze. Piemēram, viņš prognozē, ka gravitācija izturēsies atšķirīgi atkarībā no attiecīgo objektu mēroga: atomiem un supermasīvajiem melnajiem caurumiem noteikumi var būt ļoti atšķirīgi. Lai kā arī būtu, ja testi atklāj, ka Tilroja modelis patiešām atspoguļo realitāti un gravitācija patiešām ir kvantu svārstību sekas, tad tas ļaus fiziķiem izprast apkārtējo realitāti kvalitatīvi citā līmenī.

Angļu fiziķis Īzaks Ņūtons publicēja grāmatu, kurā viņš izskaidroja objektu kustību un gravitācijas principu. "Dabas filozofijas matemātiskie principi" deva lietām pasaulē noteiktas vietas. Stāsts vēsta, ka 23 gadu vecumā Ņūtons devās uz dārzu un ieraudzīja, ka no koka nokrīt ābols. Tolaik fiziķi zināja, ka Zeme kaut kādā veidā piesaista objektus, izmantojot gravitāciju. Ņūtons izstrādāja šo ideju.

Kā stāsta Ņūtona palīgs Džons Konduits, redzot zemē nokrītošu ābolu, Ņūtonam radās doma, ka gravitācijas spēks "nav ierobežots līdz noteiktam attālumam no zemes, bet sniedzas daudz tālāk, nekā parasti tiek uzskatīts". Pēc Konduita teiktā, Ņūtons uzdeva jautājumu: kāpēc ne pat uz Mēnesi?

Iedvesmojoties no savām atziņām, Ņūtons izstrādāja universālās gravitācijas likumu, kas vienlīdz labi darbojās āboliem uz Zemes un planētām, kas riņķo ap Sauli. Visi šie objekti, neskatoties uz atšķirībām, pakļaujas tiem pašiem likumiem.

"Cilvēki domāja, ka viņš paskaidroja visu, kas jāpaskaidro," saka Barovs. "Viņa sasniegums bija lielisks."

Problēma ir tā, ka Ņūtons zināja, ka viņa darbā ir nepilnības.

Piemēram, gravitācija nepaskaidro, kā mazi objekti tiek turēti kopā, jo šis spēks nav tik liels. Turklāt, lai gan Ņūtons varēja izskaidrot notiekošo, viņš nevarēja izskaidrot, kā tas darbojās. Teorija bija nepilnīga.

Bija lielāka problēma. Lai gan Ņūtona likumi izskaidroja visizplatītākās parādības Visumā, dažos gadījumos objekti pārkāpa viņa likumus. Šīs situācijas bija retas un parasti bija saistītas ar lielu ātrumu vai paaugstinātu gravitāciju, taču tās notika.

Viena no šādām situācijām bija Saulei vistuvāk esošās planētas Merkura orbīta. Tāpat kā jebkura cita planēta, Merkurs riņķo ap Sauli. Ņūtona likumus varēja piemērot, lai aprēķinātu planētu kustības, taču Merkurs nevēlējās spēlēt pēc noteikumiem. Vēl dīvaināk, tās orbītā nebija centra. Kļuva skaidrs, ka universālais universālās gravitācijas likums nebija tik universāls un nemaz nav likums.

Vairāk nekā divus gadsimtus vēlāk Alberts Einšteins nāca palīgā ar savu relativitātes teoriju. Einšteina ideja, kas 2015. gadā sniedza dziļāku izpratni par gravitāciju.

Relativitātes teorija

Galvenā ideja ir tāda, ka telpa un laiks, kas, šķiet, ir atsevišķas lietas, patiesībā ir savstarpēji saistīti. Telpai ir trīs izmēri: garums, platums un augstums. Laiks ir ceturtā dimensija. Visi četri ir savienoti milzu kosmosa šūnas formā. Ja jūs kādreiz esat dzirdējuši frāzi "telpas-laika kontinuums", tas viss ir par to.

Einšteina ideja bija tāda, ka smagi objekti, piemēram, planētas vai ātri kustīgas, varētu deformēt telpas laiku. Mazliet kā saspringts batuts: uzliekot uz auduma kaut ko smagu, izveidosies dip. Jebkuri citi objekti ripos lejup pa nogāzi virzienā uz objektu ielejā. Tāpēc, pēc Einšteina domām, gravitācija piesaista objektus.

Ideja savā būtībā ir dīvaina. Taču fiziķi ir pārliecināti, ka tā ir. Viņa arī izskaidro dīvaino Merkura orbītu. Saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju, Saules milzīgā masa saliek telpu un laiku apkārt. Būdams Saulei tuvākā planēta, Merkurs piedzīvo daudz lielāku izliekumu nekā citas planētas. Vispārējās relativitātes teorijas vienādojumi apraksta, kā šī izliektā telpa-laiks ietekmē Merkura orbītu un ļauj prognozēt planētas stāvokli.

Tomēr, neskatoties uz panākumiem, relativitātes teorija nav visa teorija, tāpat kā Ņūtona teorijas. Tāpat kā Ņūtona teorija nedarbojas patiesi masīviem objektiem, Einšteina teorija nedarbojas mikromērogā. Tiklīdz jūs sākat skatīties uz atomiem un kaut ko mazāku, matērija sāk uzvesties ļoti dīvaini.

Līdz 19. gadsimta beigām atoms tika uzskatīts par mazāko matērijas vienību. Dzimis no grieķu vārda "atomos", kas nozīmē "nedalāms", atomu pēc definīcijas nevajadzētu sadalīt mazākās daļiņās. Bet 1870. gados zinātnieki atklāja daļiņas, kas ir 2000 reižu vieglākas par atomiem. Nosverot gaismas starus vakuuma mēģenē, viņi atrada ārkārtīgi vieglas daļiņas ar negatīvu lādiņu. Tādējādi tika atklāta pirmā subatomiskā daļiņa: elektrons. Nākamajā pusgadsimtā zinātnieki atklāja, ka atomam ir salikts kodols, ap kuru rosās elektroni. Šis kodols sastāv no divu veidu subatomiskām daļiņām: neitroniem, kuriem ir neitrāls lādiņš, un protoniem, kas ir pozitīvi lādēti.

Bet tas vēl nav viss. Kopš tā laika zinātnieki ir atraduši veidus, kā sadalīt vielu mazākās un mazākās daļās, vienlaikus turpinot pilnveidot mūsu izpratni par pamatdaļiņām. Līdz 1960. gadiem zinātnieki bija atraduši desmitiem elementārdaļiņu, veidojot garu tā saukto daļiņu zoodārza sarakstu.

Cik zināms, no trim atoma sastāvdaļām vienīgā pamatdaļiņa ir elektrons. Neitroni un protoni ir sadalīti sīkos kvarkos. Šīs elementārdaļiņas pakļaujas pavisam citam likumu kopumam, kas atšķiras no tiem, kam pakļaujas koki vai planētas. Un šie jaunie likumi, kas bija daudz mazāk paredzami, radīja fiziķus sliktu garastāvokli.

Kvantu fizikā daļiņām nav noteiktas vietas: to atrašanās vieta ir nedaudz neskaidra. It kā katrai daļiņai ir noteikta varbūtība atrasties noteiktā vietā. Tas nozīmē, ka pasaule pēc būtības ir fundamentāli nenoteikta vieta. Kvantu mehāniku ir pat grūti saprast. Kā reiz teica kvantu mehānikas eksperts Ričards Feinmens: "Es domāju, ka varu droši teikt, ka neviens nesaprot kvantu mehāniku."

Arī Einšteins bija noraizējies par kvantu mehānikas neskaidrību. Neskatoties uz to, ka viņš patiesībā to daļēji izgudroja, pats Einšteins nekad neticēja kvantu teorijai. Taču savās kamerās – lielās un mazās – gan kvantu mehānika, gan kvantu mehānika pierādīja tiesības uz nedalītu jaudu, esot ārkārtīgi precīzas.

Kvantu mehānika ir izskaidrojusi atomu struktūru un uzvedību, tostarp to, kāpēc daži no tiem ir radioaktīvi. Tas ir arī mūsdienu elektronikas pamatā. Jūs nevarētu izlasīt šo rakstu bez viņas.

Vispārējā relativitāte paredzēja melno caurumu pastāvēšanu. Tās masīvās zvaigznes, kas sabruka sevī. Viņu gravitācijas pievilcība ir tik spēcīga, ka pat gaisma nevar no tās izbēgt.

Problēma ir tāda, ka šīs divas teorijas nav savienojamas un tāpēc nevar būt patiesas vienlaikus. Vispārējā relativitāte saka, ka objektu uzvedību var precīzi paredzēt, savukārt kvantu mehānika saka, ka jūs varat zināt tikai varbūtību, ko objekti darīs. No tā izriet, ka ir dažas lietas, kuras fiziķi vēl nav aprakstījuši. Piemēram, melnie caurumi. Tie ir pietiekami masīvi, lai tiem varētu piemērot relativitātes teoriju, bet arī pietiekami mazi, lai varētu piemērot kvantu mehāniku. Ja vien jūs nenokļūstat melnajam caurumam, šī nesaderība neietekmēs jūsu ikdienas dzīvi. Bet tas ir mulsinājis fiziķus lielāko daļu pagājušā gadsimta. Tieši šī nesaderība liek meklēt teoriju par visu.

Einšteins lielāko savas dzīves daļu pavadīja, cenšoties atrast šādu teoriju. Nebūdams kvantu mehānikas nejaušības cienītājs, viņš vēlējās izveidot teoriju, kas apvienotu gravitāciju un pārējo fiziku, lai kvantu dīvainības paliktu sekundāras sekas.

Viņa galvenais mērķis bija panākt, lai gravitācija darbotos ar elektromagnētismu. 1800. gados fiziķi saprata, ka elektriski lādētas daļiņas var viena otru piesaistīt vai atgrūst. Jo dažus metālus pievelk magnēts. Acīmredzot, ja ir divu veidu spēki, ko objekti var iedarboties viens uz otru, tos var piesaistīt gravitācija un pievilkt vai atvairīt ar elektromagnētismu.

Einšteins vēlējās apvienot šos divus spēkus "vienotā lauka teorijā". Lai to izdarītu, viņš izstiepa telpu-laiku piecās dimensijās. Kopā ar trim telpas un viena laika dimensijām viņš pievienoja piekto dimensiju, kurai vajadzētu būt tik mazai un saritinātai, ka mēs to nevarētu redzēt.

Tas nedarbojās, un Einšteins pavadīja 30 gadus, neko nemeklējot. Viņš nomira 1955. gadā, un viņa vienotā lauka teorija netika izstrādāta. Bet nākamajā desmitgadē šai teorijai parādījās nopietns sāncensis: stīgu teorija.

Stīgu teorija

Stīgu teorijas ideja ir diezgan vienkārša. Mūsu pasaules pamatsastāvdaļas, piemēram, elektroni, nav daļiņas. Tās ir sīkas cilpiņas vai "stīgas". Tā kā virknes ir tik mazas, tās šķiet kā punktiņi.

Tāpat kā ģitāras stīgas, arī šīs cilpas ir nospriegotas. Tas nozīmē, ka tie vibrē dažādās frekvencēs atkarībā no izmēra. Šīs vibrācijas nosaka, kāda veida "daļiņu" katra virkne pārstāvēs. Vienā veidā vibrējot virkni, jūs iegūsit elektronu. Citi, kaut kas cits. Visas 20. gadsimtā atklātās daļiņas ir viena veida stīgas, tikai vibrē atšķirīgi.

Ir diezgan grūti uzreiz saprast, kāpēc tā ir laba ideja. Bet tas attiecas uz visiem dabas spēkiem: gravitāciju un elektromagnētismu, kā arī vēl diviem, kas atklāti 20. gadsimtā. Spēcīgi un vāji kodolspēki darbojas tikai sīkajos atomu kodolos, tāpēc tos nevarēja atklāt ilgu laiku. Spēcīgs spēks satur kodolu kopā. Vājš spēks parasti neko nedara, bet, ja tas iegūst pietiekami daudz spēka, tas sadala kodolu: tāpēc daži atomi ir radioaktīvi.

Jebkurai teorijai par visu būs jāizskaidro visas četras. Par laimi, divus kodolspēkus un elektromagnētismu pilnībā apraksta kvantu mehānika. Katru spēku nes īpaša daļiņa. Bet nav nevienas daļiņas, kas nestu gravitāciju.

Daži fiziķi uzskata, ka tā ir. Un viņi to sauc par "gravitonu". Gravitoniem nav masas, īpaša spina, un tie pārvietojas ar gaismas ātrumu. Diemžēl tie vēl nav atrasti. Šeit tiek izmantota stīgu teorija. Tas apraksta virkni, kas izskatās tieši kā gravitons: tai ir pareiza rotācija, nav masas un tā pārvietojas ar gaismas ātrumu. Pirmo reizi vēsturē relativitātes teorija un kvantu mehānika ir atradušas kopīgu valodu.

Astoņdesmito gadu vidū fiziķus aizrāva stīgu teorija. "1985. gadā mēs sapratām, ka stīgu teorija atrisina daudzas problēmas, kas cilvēkus bija nomākušas pēdējos 50 gadus," saka Barovs. Bet viņai bija arī problēmas.

Pirmkārt, "mēs īsti nesaprotam, kas ir stīgu teorija," saka Filips Kandelass no Oksfordas universitātes. "Mums nav laba veida, kā to aprakstīt."

Turklāt dažas prognozes izskatās dīvainas. Kamēr Einšteina vienotā lauka teorija balstās uz papildu slēptu dimensiju, vienkāršākajām stīgu teorijas formām ir vajadzīgas 26 dimensijas. Tie ir nepieciešami, lai saistītu matemātikas teoriju ar to, ko mēs jau zinām par Visumu.

Uzlabotākās versijas, kas pazīstamas kā "superstīgu teorijas", tiek galā ar desmit dimensijām. Bet pat tas neatbilst trim dimensijām, kuras mēs novērojam uz Zemes.

"To var atrisināt, pieņemot, ka tikai trīs dimensijas mūsu pasaulē ir paplašinājušās un kļuvušas lielas," saka Barovs. "Citi ir klāt, bet paliek fantastiski mazi."

Šo un citu problēmu dēļ daudziem fiziķiem nepatīk stīgu teorija. Un viņi piedāvā vēl vienu teoriju: cilpas kvantu gravitācija.

Cilpas kvantu gravitācija

Šīs teorijas mērķis nav apvienot un iekļaut visu, kas ir daļiņu fizikā. Tā vietā cilpas kvantu gravitācija vienkārši mēģina izsecināt gravitācijas kvantu teoriju. Tā ir ierobežotāka nekā stīgu teorija, taču ne tik apgrūtinoša. Cilpas kvantu gravitācija pieņem, ka telpa-laiks ir sadalīts mazos gabaliņos. No tālienes šķiet, ka šī ir gluda lapa, bet, rūpīgāk apskatot, var redzēt punktu kaudzi, kas savienoti ar līnijām vai cilpām. Šīs mazās šķiedras, kas savijas kopā, sniedz gravitācijas skaidrojumu. Šī ideja ir tikpat nesaprotama kā stīgu teorija, un tai ir līdzīgas problēmas: nav eksperimentālu pierādījumu.

Kāpēc šīs teorijas joprojām tiek apspriestas? Varbūt mēs vienkārši nezinām pietiekami daudz. Ja tiek atklātas lielas parādības, kuras mēs nekad neesam redzējuši, mēs varam mēģināt izprast kopainu un vēlāk aizpildīt trūkstošos puzles gabalus.

"Ir vilinoši domāt, ka esam atklājuši visu," saka Barovs. – Bet būtu ļoti dīvaini, ja līdz 2015. gadam mēs būtu veikuši visus nepieciešamos novērojumus, lai par visu iegūtu teoriju. Kāpēc lai tā būtu?

Ir vēl viena problēma. Šīs teorijas ir grūti pārbaudīt, lielā mērā tāpēc, ka to matemātika ir tik brutāla. Candelas gadiem ilgi ir mēģinājis atrast veidu, kā pārbaudīt stīgu teoriju, taču nekad nav izdevies.

"Galvenais šķērslis stīgu teorijas attīstībai joprojām ir matemātikas attīstības trūkums, kam būtu jāpavada fizikālie pētījumi," saka Barovs. "Tas ir agrīnā stadijā, vēl ir daudz ko izpētīt."

Ar visu to stīgu teorija joprojām ir daudzsološa. "Gadiem ilgi cilvēki ir mēģinājuši integrēt gravitāciju ar pārējo fiziku," saka Kandela. – Mums bija teorijas, kas labi izskaidroja elektromagnētismu un citus spēkus, bet ne gravitāciju. Ar stīgu teoriju mēs cenšamies tās apvienot."

Patiesā problēma ir tā, ka teoriju par visu var vienkārši būt neiespējami identificēt.

Kad stīgu teorija kļuva populāra 1980. gados, patiesībā bija piecas tās versijas. "Cilvēki sāka uztraukties," saka Barovs. "Ja šī ir teorija par visu, kāpēc ir pieci?" Nākamajā desmitgadē fiziķi atklāja, ka šīs teorijas var pārvērst no vienas uz otru. Tie ir tikai dažādi veidi, kā redzēt vienu un to pašu. Rezultāts bija 1995. gadā izvirzītā M teorija. Šī ir stīgu teorijas dziļa versija, ieskaitot visas iepriekšējās versijas. Nu vismaz esam atgriezušies pie vienotas teorijas. M-teorija prasa tikai 11 dimensijas, kas ir daudz labāk nekā 26. Tomēr M-teorija nepiedāvā vienotu teoriju par visu. Viņa piedāvā miljardus no tiem. Kopumā M-teorija piedāvā mums 10^500 teorijas, kuras visas būs loģiski konsekventas un spēs aprakstīt Visumu.

Tas izskatās sliktāk nekā bezjēdzīgi, taču daudzi fiziķi uzskata, ka tas norāda uz dziļāku patiesību. Iespējams, ka mūsu Visums ir viens no daudzajiem, no kuriem katru apraksta viena no triljoniem M teorijas versiju. Un šo milzīgo visumu kolekciju sauc par "".

Laika sākumā multiverss bija kā "lielas visu formu un izmēru burbuļu putas," saka Barovs. Katrs burbulis pēc tam paplašinājās un kļuva par Visumu.

"Mēs esam vienā no šiem burbuļiem," saka Barovs. Burbuļiem izpletoties, to iekšienē varēja veidoties citi burbuļi, jauni Visumi. "Šajā procesā šāda Visuma ģeogrāfija ir kļuvusi nopietni sarežģīta."

Katrā burbuļu Visumā darbojas tie paši fiziskie likumi. Jo mūsu Visumā viss uzvedas tāpat. Bet citos Visumos var būt citi likumi. Tas noved pie dīvaina secinājuma. Ja stīgu teorija patiešām ir labākais veids, kā apvienot relativitāti un kvantu mehāniku, tad tās abas būs un nebūs teorija par visu vienlaikus.

No vienas puses, stīgu teorija var sniegt mums perfektu mūsu Visuma aprakstu. Bet tas neizbēgami novedīs arī pie tā, ka katrs no triljoniem citu Visumu būs unikāls. Būtiskas izmaiņas domāšanā būs tas, ka mēs pārstāsim gaidīt vienotu teoriju par visu. Par visu var būt daudz teoriju, un katra no tām būs patiesa savā veidā.

Šis teksts iepazīstina ar jauniem rezultātiem neiroloģijas jomā un daudzu neatrisinātu fizikas problēmu risināšanā. Tas neaplūko metafizikas jautājumus un balstās uz zinātniski pārbaudāmiem datiem, bet skar filozofiskas tēmas, kas saistītas ar dzīvību, nāvi un Visuma rašanos.
Ņemot vērā informācijas slāņošanos un piesātinājumu, var būt nepieciešams to izlasīt vairākas reizes, lai saprastu, neskatoties uz mūsu centieniem vienkāršot sarežģītus zinātniskos jēdzienus.



1. nodaļa
Dievs ir neironos







Cilvēka smadzenes ir aptuveni simts miljardu neironu tīkls. Dažādas sajūtas veido neironu savienojumus, kas atveido dažādas emocijas. Atkarībā no neironu stimulācijas daži savienojumi kļūst stiprāki un efektīvāki, bet citi vājina. Tas tiek saukts neiroplastiskums.

Mūzikas students veido spēcīgākus neironu savienojumus starp abām smadzeņu puslodēm, lai attīstītu muzikālo radošumu. Treniņos var attīstīt gandrīz jebkuru talantu vai prasmi.

Rudiger Gamm uzskatīja sevi par bezcerīgu studentu un pat nevarēja tikt galā ar elementāru matemātiku. Viņš sāka attīstīt savas spējas un pārvērtās par cilvēka kalkulatoru, kas spēj veikt ārkārtīgi sarežģītus aprēķinus. Racionalitāte un emocionālā stabilitāte darbojas tāpat. Nervu savienojumus var stiprināt.

Kad jūs kaut ko darāt, jūs fiziski maināt savas smadzenes, lai sasniegtu labākus rezultātus. Tā kā tas ir galvenais un galvenais smadzeņu mehānisms, pašapziņa var ievērojami bagātināt mūsu dzīves pieredzi.



sociālā neirozinātne



Īpaši neironi un neirotransmiteri, piemēram, norepinefrīns, iedarbina aizsardzības mehānismu, kad jūtam, ka mūsu domas ir jāaizsargā no ārējās ietekmes. Ja kāda viedoklis atšķiras no mūsu, smadzenēs nonāk tās pašas ķīmiskās vielas, kas nodrošina mūsu izdzīvošanu bīstamās situācijās.








Šajā aizsardzības stāvoklī vairāk primitīvā smadzeņu daļa traucē racionālai domāšanai, un limbiskā sistēma var bloķēt mūsu darba atmiņu, fiziski radot "domāšanas ierobežojumus".

To var redzēt iebiedēšanas vai pokera spēlēšanas laikā, vai arī tad, kad kāds ir spītīgs strīdā.

Lai cik vērtīga būtu ideja, šādā stāvoklī smadzenes to nespēj apstrādāt. Neironu līmenī viņš to uztver kā draudus, pat ja tie ir nekaitīgi viedokļi vai fakti, kuriem mēs citādi varētu piekrist.

Bet, kad mēs izpaužamies un mūsu viedoklis tiek novērtēts, smadzenēs samazinās aizsargvielu līmenis, un dopamīna pārnese aktivizē atalgojuma neironus, un mēs jūtam savu spēku un pārliecību. Mūsu uzskati būtiski ietekmē mūsu ķermeņa ķīmiju. Uz to ir balstīts placebo efekts. Pašnovērtējums un pašapziņa ir saistīti ar neirotransmitera serotonīnu.

Smags trūkums bieži izraisa depresiju, pašiznīcinošu uzvedību un pat pašnāvību. Kad sabiedrība mūs novērtē, tas palielina dopamīna un serotonīna līmeni smadzenēs un ļauj mums atbrīvot emocionālo fiksāciju un palielināt mūsu pašapziņas līmeni.



Spoguļneironi un apziņa



Sociālā psiholoģija bieži pievēršas cilvēka pamatvajadzībai "atrast savu vietu" un sauc to par "normatīvu sociālo ietekmi". Kad mēs kļūstam vecāki, mūsu morālo un ētisko kompasu gandrīz pilnībā nosaka mūsu ārējā vide. Tādējādi mūsu rīcība bieži vien ir balstīta uz to, kā sabiedrība mūs vērtē.








Taču jauni atklājumi neirozinātnēs sniedz mums skaidrāku izpratni par kultūru un individualitāti. Jauni neiroloģiski pētījumi ir apstiprinājuši empātisko spoguļneironu esamību.

Kad mēs piedzīvojam emocijas vai veicam darbības, daži neironi uzliesmo. Bet, kad mēs redzam, ka kāds cits to dara vai iedomājas, daudzi no tiem pašiem neironiem iedegas tā, it kā mēs paši to darītu. Šie empātiskie neironi savieno mūs ar citiem cilvēkiem un ļauj sajust to, ko jūt citi.

Tā kā šie paši neironi reaģē uz mūsu iztēli, mēs no tiem saņemam emocionālu atgriezenisko saiti tāpat kā no citas personas. Šī sistēma dod mums iespēju veikt pašpārbaudi.

Spoguļneironi nešķiro sevi un citus. Tāpēc mēs esam tik atkarīgi no citu vērtējuma un vēlmes ievērot.

Mēs pastāvīgi esam pakļauti dualitātei starp to, kā mēs redzam sevi un to, kā mūs uztver citi. Tas var traucēt mūsu individualitātei un pašcieņai.






Smadzeņu skenēšana parāda, ka mēs piedzīvojam šīs negatīvās emocijas pat pirms mēs tās apzināmies. Bet, kad mēs apzināmies sevi, mēs varam mainīt nepareizās emocijas, jo mēs varam kontrolēt domas, kas tās izraisa.

Tās ir neiroķīmiskas sekas tam, kā atmiņas izgaist un kā tās tiek atjaunotas, izmantojot proteīnu sintēzi.

Introspekcija lielā mērā ietekmē smadzeņu darbību.Tā aktivizē neokortikālās pašregulācijas zonas, kas ļauj mums skaidri kontrolēt savas jūtas. Ikreiz, kad mēs to darām, mūsu racionalitāte un emocionālā stabilitāte tiek uzlabota. Bez paškontroles lielākā daļa mūsu domu un darbību ir impulsīvas, un tas, ka mēs reaģējam nejauši un neizdarām apzinātu izvēli,

mūs instinktīvi kaitina.






Lai to novērstu, smadzenes cenšas attaisnot mūsu uzvedību un fiziski pārraksta atmiņas, atjaunojot atmiņu, liekot mums domāt, ka mēs kontrolējam savas darbības. To sauc par retrospektīvu racionalizāciju, kas atstāj lielāko daļu mūsu negatīvo emociju neatrisinātu un var uzliesmot jebkurā brīdī. Tie rada iekšēju diskomfortu, kamēr smadzenes turpina attaisnot mūsu neracionālo uzvedību. Visa šī sarežģītā un gandrīz šizofrēniskā zemapziņas uzvedība ir plašo, paralēli sadalīto sistēmu darbs mūsu smadzenēs.



Apziņai nav noteikta centra. Šķietamā vienotība ir saistīta ar to, ka katra atsevišķa ķēde tiek aktivizēta un izpaužas noteiktā laika brīdī. Mūsu pieredze nepārtraukti maina mūsu nervu savienojumus, fiziski mainot mūsu apziņas paralēlo sistēmu. Tieša iejaukšanās tajā var radīt sirreālus efektus, kas rada jautājumu par to, kas ir apziņa un kur tā atrodas.



Ja smadzeņu kreisā puslode ir atdalīta no labās puslodes, kā tas ir pacientiem ar smadzeņu šķelšanos, jūs saglabāsit spēju runāt un domāt ar kreisās puslodes palīdzību, savukārt smadzeņu kognitīvās spējas. labā puslode būs stipri ierobežota. Kreisā puslode necietīs no labās puses trūkuma, lai gan tas nopietni mainīs jūsu uztveri.

Piemēram, jūs nevarēsiet aprakstīt kāda cilvēka sejas labo pusi, bet jūs to pamanīsit, neuztversiet to kā problēmu un pat neapzināsieties, ka kaut kas ir mainījies. Tā kā tas ietekmē ne tikai jūsu reālās pasaules uztveri, bet arī jūsu garīgos attēlus, tā nav tikai uztveres problēma, bet gan fundamentālas izmaiņas apziņā.



Dievs ir neironos



Katram neironam ir elektriskais spriegums, kas mainās, kad joni

ieiet vai iziet no kameras. Kad spriegums sasniedz noteiktu līmeni, neirons nosūta elektrisko signālu uz citām šūnām, kur process atkārtojas.

Kad daudzi neironi izstaro signālu vienlaikus, mēs varam to izmērīt kā vilni.

Smadzeņu viļņi ir atbildīgi par gandrīz visu, kas notiek mūsu smadzenēs, ieskaitot atmiņu, uzmanību un pat intelektu.

Dažādu frekvenču svārstības tiek klasificētas kā alfa, beta un gamma viļņi. Katrs viļņu veids ir saistīts ar dažādiem uzdevumiem. Viļņi ļauj smadzeņu šūnām pielāgoties uzdevumam atbilstošajai frekvencei, ignorējot svešus signālus.

Tāpat kā radio noskaņo radio staciju. Informācijas pārraide starp neironiem kļūst optimāla, kad to darbība tiek sinhronizēta.

Tāpēc mēs piedzīvojam kognitīvo disonansi – kairinājumu, ko izraisa divas nesavienojamas idejas. Griba ir vēlme samazināt disonansi starp katru no aktīvajām neironu ķēdēm.



Evolūciju var uzskatīt par to pašu procesu, kurā daba cenšas pielāgoties, tas ir, "rezonēt" ar vidi. Tā viņa attīstījās līdz līmenim, kurā ieguva pašapziņu un sāka domāt par savu eksistenci.

Kad cilvēks saskaras ar paradoksu, tiecoties pēc mērķa un domājot, ka pastāvēšana ir bezjēdzīga, rodas kognitīvā disonanse.






Tāpēc daudzi cilvēki pievēršas garīgumam un reliģijai, noraidot zinātni, kas nespēj atbildēt uz eksistenciāliem jautājumiem: kas es esmu? un priekš kam es esmu?



es...



"Spoguļneironi nešķiro sevi un citus. "

Kreisā puslode lielā mērā ir atbildīga par saskaņotas uzskatu sistēmas izveidi, kas uztur nepārtrauktības sajūtu mūsu dzīvē.

Jaunā pieredze tiek salīdzināta ar esošo uzskatu sistēmu, un, ja tā tajā neiederas, tad tā vienkārši tiek noraidīta. Līdzsvaru spēlē labā smadzeņu puslode, kas spēlē pretēju lomu.



Kamēr kreisā puslode cenšas saglabāt modeli, labā puslode nepārtraukti

apšauba status quo. Ja neatbilstības ir pārāk lielas, labā puslode liek mums pārskatīt savu pasaules uzskatu. Bet, ja mūsu pārliecība ir pārāk spēcīga, labās smadzenes var nepārvarēt mūsu noraidījumu. Tas var radīt lielas grūtības atspoguļot citus.

Kad neironu savienojumi, kas nosaka mūsu uzskatus, nav attīstīti vai aktīvi, mūsu apziņa, visu aktīvo ķēžu vienotība, ir piepildīta ar spoguļneironu darbību, tāpat kā tad, kad esam izsalkuši, mūsu apziņa ir piepildīta ar neironu procesiem, kas saistīti ar uzturu.



Tas nav rezultāts tam, ka centrālais "es" izdod komandas dažādām smadzeņu zonām.

Visas smadzeņu daļas var būt aktīvas vai neaktīvas un mijiedarboties bez centrālā kodola. Tāpat kā pikseļi uz ekrāna var veidot atpazīstamu attēlu, neironu mijiedarbības grupa var izpausties kā apziņa.

Jebkurā brīdī mēs esam cits tēls. Kad mēs atspoguļojam citus, kad esam izsalkuši, kad skatāmies šo filmu. Katru sekundi mēs kļūstam par citu cilvēku, izejot cauri dažādiem stāvokļiem.

Skatoties uz sevi caur spoguļneironiem, mēs radām ideju par individualitāti.

Bet, kad mēs to darām ar zinātnisku izpratni, mēs redzam kaut ko pavisam citu.






Neironu mijiedarbība, kas veido mūsu apziņu, sniedzas tālu ārpus mūsu neironiem. Mēs esam rezultāts elektroķīmiskai mijiedarbībai starp smadzeņu puslodēm un mūsu maņām, savienojot mūsu neironus ar citiem neironiem mūsu vidē. Nav nekā ārēja. Tā nav hipotētiska filozofija, tā ir spoguļneironu pamatīpašība, kas ļauj mums izprast sevi caur citiem.



Uzskatīt šo nervu darbību par savu, izslēdzot vidi, būtu nepareizi. Evolūcija atspoguļo arī mūsu superorganisma pusi, kur mūsu kā primātu izdzīvošana bija atkarīga no kolektīvajām spējām.

Laika gaitā neokortikālie reģioni ir attīstījušies, ļaujot instinktīvi mainīties un nomākt hedonistiskos impulsus grupas labā. Mūsu gēni sāka attīstīt savstarpēju sociālo uzvedību superorganisma struktūrās, tādējādi atsakoties no idejas par "vislabākā izdzīvošanu".



Smadzenes darbojas visefektīvāk, ja nav disonanses starp attīstītajām smadzeņu zonām un vecākajām un primitīvākajām zonām. Tas, ko mēs saucam par "savtīgām tieksmēm", ir tikai ierobežota savtīgas uzvedības interpretācija, kad cilvēka īpašības tiek uztvertas caur nepareizu individualitātes paradigmu...

… tā vietā, lai zinātnisks skatījums uz to, kas mēs esam, tūlītējs, pastāvīgi mainīgs attēls

vienots veselums bez centra.



Šīs uzskatu sistēmas psiholoģiskās sekas ir pašapziņa bez atsauces uz iedomāto "es", kas noved pie paaugstinātas garīgās skaidrības, sociālās apziņas, paškontroles un tā, ko bieži sauc par "būt šeit un tagad".






Pastāv uzskats, ka mums ir nepieciešama vēsture, hronoloģisks skatījums uz mūsu dzīvi, lai veidotu morālās vērtības.

Taču mūsu pašreizējā izpratne par smadzeņu empātisko un sociālo dabu liecina, ka tīri zinātnisks skatījums bez atsauces uz individualitāti un "vēsturi" nodrošina daudz precīzāku, konstruktīvāku un ētiskāku jēdzienu sistēmu nekā mūsu atšķirīgās vērtības.



Tas ir loģiski, jo mūsu parastā tieksme sevi definēt kā iedomātu indivīdu, kas konstanti izraisa kognitīvus traucējumus, piemēram, uzmācīgus stereotipus un vajadzību izvirzīt cerības.






Vēlme klasificēt ir visu mūsu mijiedarbības veidu pamatā. Bet, klasificējot ego kā iekšējo un vidi kā ārējo, mēs ierobežojam savus neiroķīmiskos procesus un piedzīvojam šķietamu atvienošanas sajūtu.

Personiskā izaugsme un tās blakusefekti, piemēram, laime un apmierinātība, tiek stimulēti, ja mēs savā mijiedarbībā neesam stereotipiski.



Mums var būt dažādi uzskati un nepiekrītam viens otram, taču mijiedarbība, kas pieņem mūs tādus, kādi esam bez sprieduma, kļūst par neiropsiholoģiskiem katalizatoriem, kas stimulē smadzenes.

pieņemt citus un pieņemt racionāli pierādāmas uzskatu sistēmas bez kognitīvās disonanses.

Šīs neironu aktivitātes un mijiedarbības stimulēšana atbrīvo vajadzību pēc traucēkļiem un izklaides, kā arī rada konstruktīvas uzvedības ciklus mūsu vidē. Sociologi ir atklājuši, ka tādas parādības kā smēķēšana un pārēšanās, emocijas un idejas sabiedrībā tiek izplatītas tāpat kā neironu elektriskie signāli tiek pārraidīti, sinhronizējot to darbību.






Mēs esam globāls neiroķīmisko reakciju tīkls. Pašattīstošs novērtēšanas un atzinības cikls, ko uztur ikdienas lēmumi, ir ķēdes reakcija, kas galu galā nosaka mūsu kolektīvo spēju pārvarēt šķietamo šķelšanos un aplūkot dzīvi tās universālajā struktūrā.

2. nodaļa
universāla struktūra



Čirena pētījuma laikā esmu veicis vienkāršotu, bet visaptverošu viņa pašreizējo rezultātu pārskatu.

Šī ir viena no apvienošanās darba interpretācijām kvantu fizika un relativitātes teorija.

Šī tēma ir sarežģīta un var būt grūti saprotama. Tajā ir arī daži filozofiski secinājumi, kas tiks skarti epilogā.



Pēdējā gadsimta laikā ir bijuši daudzi pārsteidzoši sasniegumi, kas ir noveduši pie izmaiņām pasaules izpratnes zinātniskajā sistēmā. Einšteina relativitātes teorija parādīja, ka laiks un telpa veido vienu audumu. BET Nīls Bors atklāja matērijas pamatkomponentus, pateicoties kvantu fizikai - laukam, kas pastāv tikai kā "abstrakts fiziskais apraksts".








Pēc tam Louis de Broglie atklāja, ka visai matērijai, ne tikai fotoniem un elektroniem, ir kvanti viļņu-daļiņu dualitāte . Tā rezultātā radās jaunas domas skolas par realitātes būtību, kā arī populāras metafiziskas un pseidozinātniskas teorijas.

Piemēram, ka cilvēka prāts var kontrolēt Visumu, izmantojot pozitīvu domāšanu. Šīs teorijas ir pievilcīgas, taču tās nav pārbaudāmas un var kavēt zinātnes progresu.



Einšteina speciālās un vispārējās relativitātes likumi tiek izmantoti mūsdienu tehnoloģijās, piemēram, GPS satelītos, kur aprēķinu precizitāte var atšķirties par vairāk nekā 10 km dienā, ja neņem vērā tādus efektus kā laika dilatācija. Tas ir, kustīgam pulkstenim laiks rit lēnāk nekā nekustīgam.








Citas relativitātes teorijas sekas ir kustīgu objektu garuma saraušanās un vienlaicīguma relativitāte, kas neļauj droši apgalvot, ka divi notikumi notiek vienlaikus, ja tie ir atdalīti telpā.

Nekas nekustas ātrāk par gaismas ātrumu. Tas nozīmē, ka, ja 10 gaismas sekundes gara caurule tiek virzīta uz priekšu, paies 10 sekundes, pirms darbība notiks otrā pusē. Bez 10 sekunžu laika intervāla caurule pilnībā nepastāv.

Lieta nav mūsu novērojumu ierobežojumos, bet gan tiešās relativitātes teorijas sekas, kur laiks un telpa ir savstarpēji saistīti, un viens nevar pastāvēt bez otra.

Kvantu fizika sniedz matemātisku aprakstu daudziem viļņu un daļiņu dualitātes un enerģijas un matērijas mijiedarbības jautājumiem. Tas atšķiras no klasiskās fizikas galvenokārt atomu un subatomu līmenī. Šie matemātiskie formulējumi ir abstrakti, un to secinājumi bieži vien nav intuitīvi.



Kvants ir jebkuras mijiedarbībā iesaistītās fiziskās vienības mazākā vienība. Elementārās daļiņas ir Visuma pamatkomponenti. Tās ir daļiņas, kas veido visas pārējās daļiņas. Klasiskajā fizikā mēs vienmēr varam sadalīt objektu mazākās daļās; kvantu fizikā tas nav iespējams.

Tāpēc kvantu pasaule ir unikālu parādību kopums, kas saskaņā ar klasiskajiem likumiem ir neizskaidrojamas. Piemēram, kvantu sapīšanās, fotoelektrisks efekts , Compton izkliede un daudz kas cits.








Kvantu pasaulei ir daudz neparastu interpretāciju. Starp visplašāk atzītajām ir Kopenhāgenas interpretācija un Daudzu pasauļu interpretācija. Pašlaik alternatīvas interpretācijas, piemēram, "hologrāfiskais visums", uzņem apgriezienus.



de Broglie vienādojumi



Lai gan kvantu fizika un Einšteina relativitātes likumi ir vienlīdz būtiski Visuma zinātniskajā izpratnē, ir daudz neatrisinātu zinātnisku problēmu un vēl nav vienojošas teorijas.

Daži no pašreizējiem jautājumiem ir šādi: Kāpēc Visumā ir vairāk novērojamas matērijas nekā antimatērijas? Kāda ir laika ass būtība? Kāda ir masas izcelsme?

Viena no svarīgākajām norādēm uz šīm problēmām ir de Broglie vienādojumi, par kuriem viņam tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.

Šī formula parāda, ka visai matērijai ir korpuskulāro viļņu duālisms, tas ir, dažos gadījumos tā uzvedas kā vilnis, bet citos - kā daļiņa. Formula apvieno Einšteina vienādojumu E = mc^2 ar enerģijas kvantu dabu.



Eksperimentālie pierādījumi ietver C60 fullerēna molekulu iejaukšanos dubultā spraugas eksperimentā. Fakts, ka mūsu apziņa sastāv no kvantu daļiņām, ir daudzu mistisku teoriju priekšmets.



Un, lai gan attiecības starp kvantu mehāniku un apziņu diez vai ir tik maģiskas, kā apgalvo ezoteriskās filmas un grāmatas, sekas ir diezgan nopietnas.

Tā kā de Broglie vienādojumi attiecas uz visu matēriju, mēs varam teikt, ka C = hf, kur C ir apziņa, h ir Planka konstante un f ir frekvence. "C" ir atbildīgs par to, ko mēs uztveram kā "tagad", kvantu, tas ir, , minimālā mijiedarbības vienība.

Visu "C" momentu summa līdz pat pašreizējam brīdim veido mūsu dzīves redzējumu. Tas nav filozofisks vai teorētisks apgalvojums, bet gan tiešas visas matērijas un enerģijas kvantu rakstura sekas.

Formula parāda, ka dzīvība un nāve ir abstrakti agregāti "C".

Vēl viena de Broglie vienādojumu sekas ir tādas, ka vielas vai enerģijas svārstību ātrums un tās kā viļņa vai daļiņas izturēšanās ir atkarīga no atskaites rāmja frekvences.

Biežuma palielināšanās ātruma dēļ korelē ar citiem un izraisa tādas parādības kā laika paplašināšanās.

Iemesls tam ir tāds, ka laika uztvere nemainās attiecībā pret atskaites sistēmu, kur telpa un laiks ir kvantu īpašības, nevis otrādi.



Antimatērija un netraucēts laiks



Lielais hadronu paātrinātājs. Šveice

Antidaļiņas tiek radītas visur Visumā, kur notiek lielas enerģijas sadursmes starp daļiņām. Šis process ir mākslīgi modelēts daļiņu paātrinātājos.

Vienlaikus ar matēriju tiek radīta arī antimatērija. Tādējādi antimatērijas trūkums Visumā joprojām ir viena no lielākajām neatrisinātajām problēmām fizikā.

Ieslodzot antidaļiņas elektromagnētiskajos laukos, mēs varam izpētīt to īpašības. Daļiņu un antidaļiņu kvantu stāvokļi ir savstarpēji aizvietojami, ja tiem piemēro lādiņa konjugācijas ©, paritātes (P) un laika maiņas (T) operatorus.

Tas ir, ja fiziķis, kas sastāv no antimateriāla, veiks eksperimentus laboratorijā, arī no antimateriāla, izmantojot ķīmiskos savienojumus un vielas, kas sastāv no antidaļiņām, viņš iegūs tieši tādus pašus rezultātus kā viņa "īstais" kolēģis. Bet, ja tie apvienosies, notiks milzīga enerģijas izdalīšanās, kas ir proporcionāla to masai.

Nesen Fermi Labs atklāja, ka kvanti, piemēram, mezoni, pārvietojas no matērijas uz antimateriālu un atpakaļ ar ātrumu trīs triljoni reižu sekundē.

Ņemot vērā Visumu kvantu atskaites rāmī "C", ir jāņem vērā visi eksperimenta rezultāti, kas attiecas uz kvantiem. Tostarp, kā daļiņu paātrinātājos rodas matērija un antimateriāls un kā mezoni pāriet no viena stāvokļa uz otru.



Attiecībā uz C tam ir nopietnas sekas. No kvantu viedokļa katram "C" momentam ir anti-C. Tas izskaidro simetrijas, t.i., antimatērijas, trūkumu Visumā un ir saistīts arī ar patvaļīgu emitētāja un absorbētāja izvēli Vīlera-Finmena absorbcijas teorijā.

Netraucētais laiks T nenoteiktības principā ir laiks vai cikls, kas nepieciešams kvantu pastāvēšanai.

Tāpat kā mezonu gadījumā mūsu personīgās laika uztveres robeža, tas ir, pašreizējā momenta diapazons, ir "C" pāreja uz "anti-C". Šis pašiznīcināšanās brīdis un tā "C" interpretācija ir ietverta abstraktās laika ass ietvaros.



Ja mēs definējam mijiedarbību un ņemam vērā kvantu viļņu-daļiņu dualitātes pamatīpašības, visas mijiedarbības sastāv no traucējumiem un rezonanses.

Bet, tā kā ar to nepietiek, lai izskaidrotu pamatspēkus, ir jāizmanto dažādi modeļi. Tas ietver standarta modeli, kas ir starpnieks starp zināmo subatomisko daļiņu dinamiku, izmantojot spēka nesējus, un vispārējo relativitātes teoriju, kas apraksta makroskopiskas parādības, piemēram, planētu orbītas, kas seko elipsei telpā un spirālēm telpas laikā. Bet Einšteina modelis nav piemērojams kvantu līmenī, un standarta modelim ir nepieciešami papildu spēka nesēji, lai izskaidrotu masas izcelsmi. Divu modeļu apvienošana jeb visa teorija

ir bijis daudzu līdz šim neveiksmīgu pētījumu priekšmets.



Teorija par visu



Kvantu mehānika ir tīri matemātiski apraksti, kuru praktiskās sekas bieži vien ir pretrunā ar intuīciju. Klasiskos jēdzienus, piemēram, garums, laiks, masa un enerģija, var aprakstīt līdzīgi.

Pamatojoties uz de Broglie vienādojumiem, mēs varam aizstāt šos jēdzienus ar abstraktiem vektoriem. Šī varbūtības pieeja galvenajiem esošajiem fizikas jēdzieniem ļauj apvienot kvantu mehāniku ar Einšteina relativitātes teoriju.



De Broglie vienādojumi parāda, ka visi atskaites rāmji ir kvanti, ieskaitot visu matēriju un enerģiju. Daļiņu paātrinātāji ir parādījuši, ka matērija un antimatērija vienmēr tiek radītas vienlaikus.

Paradokss par to, kā realitāte rodas no abstraktiem komponentiem, kas viens otru atceļ, var izskaidrot, izmantojot kvantus kā atskaites sistēmu.

Vienkārši sakot, mums ir jāskatās uz lietām ar fotona acīm. Atskaites sistēma vienmēr ir kvantu un nosaka, kā tiek kvantificēts laiks-telpa.

Kad sistēma "palielinās" vai "samazinās", tas pats notiek ar telpu-laiku. Kvantu mehānikā to matemātiski raksturo kā viļņu funkcijas varbūtības amplitūdu, bet Einšteina teorijā - kā laika dilatāciju un garuma kontrakciju.

Kvantu atskaites sistēmai masu un enerģiju var definēt tikai kā abstraktas varbūtības vai, lai būtu precīzāk un radītu matemātisko pamatu, kā vektorus, kas pastāv tikai tad, kad mēs pieņemam laika asi. Tos var definēt kā traucējumus vai rezonansi ar atskaites sistēmu, kas nosaka minimālo vienotību vai telpas-laika konstanti "c", kas ir līdzvērtīga Planka konstantei kvantu mehānikā.

Eksperimenti liecina, ka vielas pārvēršana enerģijā ar antimateriāla palīdzību rada gamma starus ar pretēju impulsu. Šķiet, ka transformācija ir saistība starp pretējiem vektoriem, ko interpretē kā attālumu un laiku, vielu un antimateriālu, masu un enerģiju vai traucējumus un rezonansi abstraktajā laika asī "C".

Pretējo vektoru summa vienmēr ir nulle. Tas ir tas, kas izraisa simetrijas vai saglabāšanas likumus fizikā vai kāpēc ātrumā "c" laiks un telpa ir nulle garuma saraušanās un laika paplašināšanās dēļ. Tā sekas ir Heizenberga nenoteiktības princips, kas nosaka, ka dažus fizikālo īpašību pārus, piemēram, pozīciju un impulsu, nevar zināt vienlaikus ar augstu precizitāti.



Savā ziņā atsevišķa daļiņa ir savs lauks. Tas neizskaidro mūsu nepārtrauktības sajūtu, kad "C" iznīcina sevi savā vajadzīgajā diapazonā. Bet, kad šie vektori tiek eksponenciāli palielināti vai paātrināti ap laika asi un tās ietvaros, pamatā esošie matemātiskie algoritmi, kas apraksta pamatspēkus, var radīt nepārtrauktu realitāti.

no abstraktiem komponentiem.

Tāpēc harmoniskās kustības vienādojumi tiek izmantoti daudzās fizikas jomās, kas nodarbojas ar periodiskām parādībām, piemēram, kvantu mehānikā un elektrodinamikā. Un tāpēc Einšteina ekvivalences princips, no kura izriet telpas-laika modelis, nosaka, ka nav atšķirības starp gravitāciju un paātrinājumu.

Tā kā gravitācija ir spēks tikai tad, ja to aplūko svārstīgā atskaites sistēmā.

To ilustrē logaritmiskā spirāle, kas atskaites sistēmā samazinās līdz spirālveida spirālei, liekot objektiem griezties un pārvietoties pa orbītām. Piemēram, divi augoši āboli augošā atskaites sistēmā izskatās tā, it kā tie pievelk viens otru, bet izmērs, šķiet, ir vienāds.

Ar traucējumiem notiek pretējais. Vienkārši sakot, objektu lieluma palielināšanos vai samazināšanos, mums tuvojoties vai attālinoties, nosaka atskaites sistēmas maiņa, piemēram, radio, kas noskaņojas uz dažādiem viļņiem, lai uztvertu radiostaciju.



Tas attiecas arī uz gravitāciju. Patiesībā, neatkarīgi no jebkādas atskaites sistēmas, nav nekādu fundamentālu spēku. Visas mijiedarbības mūsu abstraktajā nepārtrauktībā var matemātiski aprakstīt ar traucējumiem un rezonansi, ja ņem vērā pastāvīgi mainīgo un svārstīgo minimālo vienību vai kvantu.

Eksperimentālais pierādījums ietver neredzamu efektu standarta modelī, kur mēs redzam spēku darbību, bet ne spēka nesējus.



kvantu superpozīcija



Realitātes nepārtrauktība neprasa, lai kvantiem būtu noteikta secība laikā. Kvants nav neviena telpas un laika jēdziena priekšmets un vienlaikus var aizņemt visus iespējamos kvantu stāvokļus. To sauc par kvantu superpozīciju, un to demonstrē, piemēram, dubultspraugas eksperimentā vai kvantu teleportācijā, kur katrs elektrons Visumā var būt viens un tas pats elektrons. Vienīgā prasība pēc abstraktas laika ass un konsekventas realitātes nepārtrauktības ir modeļa vai abstraktas vektoru secības aprakstīšanas algoritms.

Tā kā šī nepārtrauktība nosaka mūsu pašapziņas spēju, tā pakļauj mūs savām matemātiskajām sekām - fizikas pamatlikumiem.

Mijiedarbība ir tikai abstrakta modeļa interpretācija. Tāpēc kvantu mehānika sniedz tikai matemātiskos aprakstus - tā var aprakstīt modeļus tikai bezgalīgās varbūtības robežās.

Ja varbūtība ir izteikta kā "C", informācija, kas nepieciešama, lai aprakstītu pašreizējo momentu vai varbūtības diapazonu "C", arī ietver laika asi. Laika ass raksturs ir viens no lielākajiem neatrisinātajiem jautājumiem fizikā, kas ir radījis daudzas jaunas populāras interpretācijas.

Piemēram, hologrāfiskais princips – daļa no kvantu gravitācijas un stīgu teorijas – liek domāt, ka visu Visumu var uzskatīt tikai par divdimensiju informācijas struktūru.



Laiks



Mēs tradicionāli saistām laika ass jēdzienu ar notikumu secību, ko piedzīvojam, izmantojot īstermiņa un ilgtermiņa atmiņu secību. Mums var būt tikai atmiņas par pagātni, nevis nākotni, un mēs vienmēr esam pieņēmuši, ka tas atspoguļo laika ritējumu.

Zinātnieki sāka šaubīties par šo loģiku tikai tad, kad atklājumi kvantu mehānikā parādīja, ka dažas parādības nav saistītas ar mūsu laika jēdzienu un ka mūsu laika jēdziens ir tikai novērojamo parametru izmaiņu uztvere.

Tas atspoguļojas arī laika paplašināšanā un garuma kontrakcijā, kas ir viens no iemesliem, kāpēc Einšteins konstatēja, ka laiks un telpa ir viens audums.

Absolūtā nozīmē laika jēdziens neatšķiras no attāluma jēdziena.

Sekundes ir vienādas ar gaismas sekundēm, bet viena otru izslēdz. Vienkārši sakot: tā kā attālums un laiks ir pretstati, laika ritējumu var interpretēt kā attālumu, ko nobrauc pulksteņa rādītāji, jo tie pārvietojas pretējā laika virzienā.

Virzoties uz priekšu attālumā, viņi faktiski virzās atpakaļ tā sauktajā laikā. Tāpēc katra minimālā pieredzes vienība nekavējoties iesūcas mūžīgajā tagadnē.

Šī interpretācija novērš domstarpības starp viļņu funkcijas sabrukumu un kvantu dekoherenci. Tādi jēdzieni kā "dzīve" un "nāve" ir tīri intelektuālas konstrukcijas. Un jebkurš reliģisks arguments par pēcnāves dzīvi pasaulē, kas nav pakļauts šīs realitātes matemātiskajiem likumiem, arī ir izdomāts.



Citas svarīgas sekas ir tādas, ka Lielā sprādziena teorija, kur Visums rodas no viena punkta, ir pārpratums. Tradicionālais skatījums uz laiku, kur telpa ir trīsdimensionāla un laiks spēlē ceturtās dimensijas lomu, ir nepareizs. Ja vēlamies izpētīt Visuma izcelsmi, mums jāskatās uz priekšu, jo laika vektors "C" ir pretējs attāluma vektoram, no kura mēs uztveram izplešanās Visumu. Lai gan šī Visuma laika karte sniegs tikai abstraktus jēdzienus, neņemot vērā tās kvantu bāzi.



Eksperimentālie pierādījumi ietver Visuma izplešanās paātrinājumu, kā arī melno caurumu apgriezto vai regresīvo metriku un daudzas problēmas, kas saistītas ar

ar Lielā sprādziena teoriju, piemēram, horizonta problēmu.



Neiroloģiskas sekas



Šie secinājumi var radīt jautājumus par gribas brīvību, jo šķiet, ka mūsu laika uztverē vispirms ir darbība un tad apziņa.

Lielākā daļa pētījumu, kas atklāj šo jautājumu, liecina, ka darbība faktiski notiek, pirms tā tiek realizēta. Taču deterministiskais skatījums balstās uz nepareizu priekšstatu par laiku, kā to parāda varbūtības matemātiskie apraksti kvantu mehānikā.



Šīs interpretācijas būs svarīgas turpmākajos neiroloģiskajos pētījumos, jo tās parāda, ka jebkura neironu ķēde ir vektors, kas nosaka kognitīvo disonansi un traucējumus vai rezonansi "C". Spēja saprast un apzināti mainīt šos vektorus, kas iegūti miljardos evolūcijas gadu laikā, apstiprina, cik svarīgas ir mūsu uzskatu sistēmas mūsu apziņas paplašināšanā un kā tās ietekmē mūsu darba atmiņu, kas ir atbildīga par mūsu spēju izveidot savienojumus un neironu procesi, kas veido nozīmi. Tas arī paskaidro, ka mākslīgai apziņai būtu nepieciešams tīkls

neatkarīgi procesori, nevis lineāra sarežģītu algoritmu secība.



Ierobežota interpretācija



Atēnas vienotā teorija ir risinājums, kas apvieno kvantu fiziku un relativitāti. Lai gan tas sniedz atbildes uz daudziem šeit uzskaitītajiem fizikas jautājumiem, šī ir mana ierobežotā interpretācija par viņa pētījuma pirmajiem mēnešiem.

Neatkarīgi no iznākuma ir skaidrs, ka esam iegājuši laikmetā, kurā zinātne ir atvērta visiem. Un, ja mēs saglabājam internetu pieejamu un neitrālu, mēs varam pārbaudīt savu ideju pamatotību, attīstīt iztēli, veidojot jaunas attiecības, un mēs varam turpināt attīstīt savu izpratni.

Visums un prāts.



Epilogs



Kvantu mehānikā mēs esam iemācījušies pieņemt atšķirīgu pieeju realitātei un redzēt visu kā varbūtības, nevis noteiktību. Matemātiskā nozīmē viss ir iespējams.

Gan zinātnē, gan ikdienas dzīvē mūsu spēju aprēķināt vai uzminēt varbūtības nosaka mūsu intelektuālā spēja atpazīt modeļus.

Jo atvērtāki mēs esam, jo ​​skaidrāk varam redzēt šos modeļus un balstīt savas darbības uz saprātīgu varbūtību.

Tā kā mūsu kreisās puslodes dabā ir noraidīt idejas, kas neatbilst mūsu pašreizējiem uzskatiem, jo ​​vairāk mēs esam pieķērušies saviem uzskatiem, jo ​​mazāk spējam izdarīt apzinātu izvēli. Bet, kontrolējot šo procesu, mēs paplašinām savu pašapziņu un vairojam savu brīvo gribu.

Viņi saka, ka gudrība nāk ar vecumu. Taču, ņemot vērā atklātību un skepsi – galvenos zinātniskos principus – mums nav vajadzīgi gadu desmitiem ilgi mēģinājumi un kļūdas, lai noteiktu, kurš no mūsu uzskatiem varētu būt nepareizs.

Jautājums nav par to, vai mūsu uzskati ir patiesi vai nē, bet gan par to, vai mūsu emocionālā pieķeršanās tiem dos labumu vai kaitēs.



Brīva izvēle neeksistē, kamēr mēs esam emocionāli piesaistīti kādai uzskatu sistēmai. Kad mums ir pietiekami daudz pašapziņas, lai to saprastu, mēs varam strādāt kopā, lai saprastu varbūtību, kas patiesībā mums dos visvairāk labumu.

“Kvantu mehānikas attīstība ir pakļāvusi mūsu klasiskos zinātniskos uzskatus nepieredzētai kritikai. Pašapziņa un vēlme pārskatīt mūsu hipotēzes, kuras pastāvīgi pārbauda zinātne un cilvēce, noteiks to, cik lielā mērā mēs panāksim dziļāku izpratni par prātu un Visumu.

Fizika ir visnoslēpumainākā no visām zinātnēm. Fizika sniedz mums izpratni par apkārtējo pasauli. Fizikas likumi ir absolūti un attiecas uz visiem bez izņēmuma neatkarīgi no personas un sociālā stāvokļa.

Šis raksts ir paredzēts personām, kas vecākas par 18 gadiem.

Vai tev jau ir 18 gadi?

Fundamentāli atklājumi kvantu fizikā

Īzaks Ņūtons, Nikola Tesla, Alberts Einšteins un daudzi citi ir lielie cilvēces ceļveži brīnišķīgajā fizikas pasaulē, kuri, tāpat kā pravieši, atklāja cilvēcei Visuma lielākos noslēpumus un spēju kontrolēt fiziskās parādības. Viņu gaišās galvas griezās cauri nesaprātīgā vairākuma neziņas tumsai un kā vadzvaigzne rādīja ceļu cilvēcei nakts tumsā. Viens no šiem vadītājiem fizikas pasaulē bija Makss Planks, kvantu fizikas tēvs.

Makss Planks ir ne tikai kvantu fizikas pamatlicējs, bet arī pasaulslavenās kvantu teorijas autors. Kvantu teorija ir vissvarīgākā kvantu fizikas sastāvdaļa. Vienkāršā izteiksmē šī teorija apraksta mikrodaļiņu kustību, uzvedību un mijiedarbību. Kvantu fizikas pamatlicējs mums atnesa arī daudzus citus zinātniskus darbus, kas kļuvuši par mūsdienu fizikas stūrakmeņiem:

• termiskā starojuma teorija;
• speciālā relativitātes teorija;
• pētījumi termodinamikas jomā;
• pētījumi optikas jomā.

Kvantu fizikas teorija par mikrodaļiņu uzvedību un mijiedarbību kļuva par kondensētās vielas fizikas, elementārdaļiņu fizikas un augstas enerģijas fizikas pamatu. Kvantu teorija mums izskaidro daudzu mūsu pasaules parādību būtību – no elektronisko datoru darbības līdz debess ķermeņu uzbūvei un uzvedībai. Makss Planks, šīs teorijas radītājs, pateicoties viņa atklājumam, ļāva mums izprast daudzu lietu patieso būtību elementārdaļiņu līmenī. Bet šīs teorijas radīšana nebūt nav vienīgais zinātnieka nopelns. Viņš bija pirmais, kurš atklāja Visuma pamatlikumu – enerģijas nezūdamības likumu. Maksa Planka ieguldījumu zinātnē ir grūti pārvērtēt. Īsāk sakot, viņa atklājumi ir nenovērtējami fizikas, ķīmijas, vēstures, metodoloģijas un filozofijas jomā.

kvantu lauka teorija

Īsumā, kvantu lauka teorija ir teorija par mikrodaļiņu aprakstu, kā arī to uzvedību telpā, savstarpējo mijiedarbību un savstarpējām transformācijām. Šī teorija pēta kvantu sistēmu uzvedību tā sauktajās brīvības pakāpēs. Šis skaistais un romantiskais vārds daudziem no mums neko neizsaka. Manekeniem brīvības pakāpes ir neatkarīgo koordinātu skaits, kas nepieciešams, lai norādītu mehāniskās sistēmas kustību. Vienkārši izsakoties, brīvības pakāpes ir kustības īpašības. Interesantus atklājumus elementārdaļiņu mijiedarbības jomā veica Stīvens Veinbergs. Viņš atklāja tā saukto neitrālo strāvu – kvarku un leptonu mijiedarbības principu, par ko 1979. gadā saņēma Nobela prēmiju.

Maksa Planka kvantu teorija

Astoņpadsmitā gadsimta deviņdesmitajos gados vācu fiziķis Makss Planks sāka pētīt termisko starojumu un galu galā saņēma enerģijas sadales formulu. Kvantu hipotēze, kas dzima šo pētījumu gaitā, iezīmēja kvantu fizikas, kā arī 1900. gadā atklātās kvantu lauka teorijas sākumu. Planka kvantu teorija ir tāda, ka termiskā starojuma laikā saražotā enerģija tiek emitēta un absorbēta nevis pastāvīgi, bet gan epizodiski, kvantiski. 1900. gads, pateicoties šim Maksa Planka atklājumam, kļuva par kvantu mehānikas dzimšanas gadu. Ir vērts pieminēt arī Planka formulu. Īsāk sakot, tā būtība ir šāda – tās pamatā ir ķermeņa temperatūras un tā starojuma attiecība.

Atoma uzbūves kvantu mehāniskā teorija

Atomu struktūras kvantu mehāniskā teorija ir viena no kvantu fizikas un arī fizikas pamatteorijām. Šī teorija ļauj mums izprast visa materiālā struktūru un paver noslēpumainības plīvuru pār to, no kā lietas patiesībā sastāv. Un uz šo teoriju balstītie secinājumi ir ļoti negaidīti. Īsi apsveriet atoma struktūru. Tātad, no kā īsti sastāv atoms? Atoms sastāv no kodola un elektronu mākoņa. Atoma pamats, tā kodols satur gandrīz visu paša atoma masu - vairāk nekā 99 procentus. Kodolam vienmēr ir pozitīvs lādiņš, un tas nosaka ķīmisko elementu, kura sastāvdaļa ir atoms. Pats interesantākais atoma kodolā ir tas, ka tajā ir gandrīz visa atoma masa, bet tajā pašā laikā tas aizņem tikai vienu desmittūkstošdaļu no tā tilpuma. Kas no tā izriet? Un secinājums ir ļoti negaidīts. Tas nozīmē, ka blīvā viela atomā ir tikai viena desmittūkstošā daļa. Un kā ar visu pārējo? Viss pārējais atomā ir elektronu mākonis.

Elektronu mākonis nav pastāvīga un pat faktiski nav materiāla viela. Elektronu mākonis ir tikai elektronu parādīšanās varbūtība atomā. Tas ir, kodols aizņem tikai vienu desmit tūkstošdaļu atomā, un viss pārējais ir tukšums. Un, ja ņemam vērā, ka visi objekti mums apkārt, sākot no putekļu daļiņām līdz debess ķermeņiem, planētām un zvaigznēm, sastāv no atomiem, izrādās, ka viss materiālais patiesībā ir vairāk nekā 99 procenti no tukšuma. Šī teorija šķiet pilnīgi neticama, un tās autors vismaz maldīgs cilvēks, jo apkārt esošajām lietām ir pamatīga konsistence, ir svars un tās ir jūtamas. Kā tas var sastāvēt no tukšuma? Vai šajā matērijas uzbūves teorijā ir iezagusies kļūda? Bet šeit nav kļūdu.

Visas materiālās lietas šķiet blīvas tikai atomu mijiedarbības dēļ. Lietām ir cieta un blīva konsistence tikai atomu pievilkšanās vai atgrūšanās dēļ. Tas nodrošina ķīmisko vielu kristāliskā režģa blīvumu un cietību, no kura sastāv viss materiāls. Bet interesants moments, kad, piemēram, mainās vides temperatūras apstākļi, var vājināties saites starp atomiem, tas ir, to pievilkšanās un atgrūšanās, kas noved pie kristāla režģa vājināšanās un pat tā iznīcināšanas. Tas izskaidro vielu fizikālo īpašību izmaiņas karsējot. Piemēram, kad dzelzi karsē, tas kļūst šķidrs un var tikt veidots jebkurā formā. Un, kad ledus kūst, kristāla režģa iznīcināšana izraisa izmaiņas vielas stāvoklī, un tas kļūst no cietas uz šķidru. Tie ir skaidri piemēri, kas liecina par saišu vājināšanos starp atomiem un tā rezultātā kristāliskā režģa vājināšanos vai iznīcināšanu, un ļauj vielai kļūt amorfai. Un šādu noslēpumainu metamorfožu cēlonis ir tieši tas, ka vielas no blīvās matērijas sastāv tikai par vienu desmittūkstošdaļu, un viss pārējais ir tukšums.

Un vielas šķiet cietas tikai tāpēc, ka starp atomiem ir spēcīgas saites, kurām, vājinoties, viela mainās. Tādējādi atoma uzbūves kvantu teorija ļauj paskatīties uz apkārtējo pasauli pavisam citādāk.

Atoma teorijas pamatlicējs Nīls Bors izvirzīja interesantu koncepciju, ka elektroni atomā neizstaro enerģiju pastāvīgi, bet tikai pārejas brīdī starp to kustības trajektorijām. Bora teorija palīdzēja izskaidrot daudzus iekšējos atomu procesus, kā arī radīja izrāvienu ķīmijas zinātnē, izskaidrojot Mendeļejeva izveidotās tabulas robežu. Saskaņā ar , pēdējam elementam, kas var pastāvēt laikā un telpā, ir kārtas numurs simts trīsdesmit septiņi, un elementi, kas sākas no simts trīsdesmit astotā, nevar pastāvēt, jo to esamība ir pretrunā ar relativitātes teoriju. Arī Bora teorija izskaidroja tādas fiziskas parādības kā atomu spektri būtību.

Tie ir brīvo atomu mijiedarbības spektri, kas rodas, starp tiem izstarojot enerģiju. Šādas parādības ir raksturīgas gāzveida, tvaiku vielām un vielām plazmas stāvoklī. Tādējādi kvantu teorija radīja revolūciju fizikas pasaulē un ļāva zinātniekiem virzīties uz priekšu ne tikai šīs zinātnes jomā, bet arī daudzu saistīto zinātņu jomā: ķīmijā, termodinamikā, optikā un filozofijā. Un arī ļāva cilvēcei iekļūt lietu būtības noslēpumos.

Cilvēcei savā apziņā vēl ir daudz darāmā, lai apzinātos atomu būtību, izprastu to uzvedības un mijiedarbības principus. To sapratuši, varēsim izprast apkārtējās pasaules dabu, jo viss, kas mūs ieskauj, sākot ar putekļu daļiņām un beidzot ar pašu sauli, un mēs paši - viss sastāv no atomiem, kuru būtība ir noslēpumaina un pārsteidzošs un pilns ar daudziem noslēpumiem.