Var gjorde vi fel?

Fysiken har hamnat i en obehaglig återvändsgränd. Även om den har sin egen standardmodell, nyligen kompletterad med Higgspartikeln, gör alla dessa framsteg lite för att förklara de stora moderna mysterierna, mörk energi, mörk materia, gravitation, materia-antimateriaasymmetrier och till och med neutrinoscillationer.

Roberto Unger och Lee Smolin

Lee Smolin, en välkänd fysiker som i åratal har nämnts som en av de seriösa kandidaterna till Nobelpriset, nyligen publicerad med filosofen Roberto Ungerem, boken "The Singular Universe and the Reality of Time". I den analyserar författarna, var och en ur sin disciplins synvinkel, det förvirrade tillståndet i modern fysik. "Vetenskapen misslyckas när den lämnar riket av experimentell verifiering och möjligheten till förnekelse", skriver de. De uppmanar fysiker att gå tillbaka i tiden och leta efter en ny början.

Deras erbjudanden är ganska specifika. Smolin och Unger vill till exempel att vi ska återgå till konceptet Ett universum. Anledningen är enkel - vi upplever bara ett universum, och ett av dem kan undersökas vetenskapligt, medan påståenden om existensen av deras mångfald är empiriskt omöjliga att kontrollera.. Ett annat antagande som Smolin och Unger föreslår att acceptera är följande. tidens verklighetatt inte ge teoretiker en chans att komma bort från verklighetens väsen och dess transformationer. Och slutligen uppmanar författarna att hålla tillbaka passionen för matematik, som i sina "vackra" och eleganta modeller bryter sig loss från den verkligt erfarna och möjliga världen. experimentell kontroll.

Vem vet "matematisk vacker" strängteorin, den senare känner lätt igen sin kritik i ovanstående postulat. Problemet är dock mer generellt. Många uttalanden och publikationer tror idag att fysiken har hamnat i en återvändsgränd. Vi måste ha gjort ett misstag någonstans på vägen, erkänner många forskare.

Så Smolin och Unger är inte ensamma. För några månader sedan i "Nature" George Ellis i Joseph Silk publicerade en artikel om skydda fysikens integritetgenom att kritisera de som är mer och mer benägna att skjuta upp till en obestämd "imorgon"-experiment för att testa olika "fashionabla" kosmologiska teorier. De ska kännetecknas av "tillräcklig elegans" och förklaringsvärde. "Detta bryter den månghundraåriga vetenskapliga traditionen att vetenskaplig kunskap är kunskap. empiriskt bekräftatforskare påminner. Fakta visar tydligt den moderna fysikens "experimentella återvändsgränd".. De senaste teorierna om världens och universums natur och struktur kan som regel inte verifieras av experiment som är tillgängliga för mänskligheten.

Supersymmetriska partikelanaloger - Visualisering

Genom att upptäcka Higgs-bosonen har forskare "uppnått" Standardmodell. Fysikens värld är dock långt ifrån nöjd. Vi känner till alla kvarkar och leptoner, men vi har ingen aning om hur vi ska förena detta med Einsteins gravitationsteori. Vi vet inte hur man kombinerar kvantmekanik med gravitation för att skapa en sammanhängande teori om kvantgravitation. Vi vet inte heller vad Big Bang är (eller om det verkligen fanns en sådan).

För närvarande, låt oss kalla det mainstream-fysiker, de ser nästa steg efter Standardmodellen in supersymmetri (SUSY), som förutspår att varje elementarpartikel som vi känner till har en symmetrisk "partner". Detta fördubblar det totala antalet byggstenar för materia, men teorin passar perfekt in i de matematiska ekvationerna och, viktigare, erbjuder en chans att reda ut mysteriet med kosmisk mörk materia. Det återstod bara att vänta på resultaten av experiment vid Large Hadron Collider, som kommer att bekräfta förekomsten av supersymmetriska partiklar.

Ännu har dock inga sådana upptäckter hörts från Genève. Om inget nytt fortfarande kommer fram från LHC-experiment, anser många fysiker att supersymmetriska teorier tyst bör dras tillbaka, liksom överbyggnadsom bygger på supersymmetri. Det finns forskare som är redo att försvara det, även om det inte hittar experimentell bekräftelse, eftersom SUSA-teorin är "för vacker för att vara falsk." Vid behov avser de att omvärdera sina ekvationer för att bevisa att supersymmetriska partikelmassor helt enkelt ligger utanför LHC:s intervall.

Anomali hednisk anomali

Intryck – det är lätt att säga! Men när, till exempel, fysiker lyckas sätta en myon i omloppsbana runt en proton, och protonen "sväller upp", börjar konstiga saker att hända med fysiken som vi känner till. En tyngre version av väteatomen skapas och det visar sig att kärnan, d.v.s. protonen i en sådan atom är större (d.v.s. har en större radie) än den "vanliga" protonen.

Fysiken som vi känner den kan inte förklara detta fenomen. Myonen, leptonen som ersätter elektronen i atomen, borde bete sig som en elektron – och det gör den, men varför påverkar denna förändring storleken på protonen? Fysiker förstår inte detta. Kanske kunde de komma över det, men... vänta lite. Storleken på protonen är relaterad till nuvarande fysikaliska teorier, särskilt standardmodellen. Teoretiker har börjat ventilera denna oförklarliga interaktion en ny typ av grundläggande interaktion. Detta är dock bara spekulationer än så länge. Längs vägen gjordes experiment med deuteriumatomer i tron ​​att en neutron i kärnan kan påverka effekterna. Protoner var ännu större med myoner runt omkring än med elektroner.

En annan relativt ny fysisk märklighet är den existens som uppstod som ett resultat av forskning av forskare från Trinity College Dublin. ny form av ljus. En av ljusets uppmätta egenskaper är dess rörelsemängd. Fram till nu trodde man att i många former av ljus är rörelsemängden en multipel av Plancks konstant. Under tiden har Dr. Kyle Ballantine och professor Paul Eastham i John Donegan upptäckte en form av ljus där rörelsemängden för varje foton är hälften av Plancks konstant.

Denna anmärkningsvärda upptäckt visar att även de grundläggande egenskaperna hos ljus som vi trodde var konstanta kan ändras. Detta kommer att ha en verklig inverkan på studiet av ljusets natur och kommer att finna praktiska tillämpningar, till exempel i säker optisk kommunikation. Sedan 80-talet har fysiker undrat hur partiklar beter sig när de rör sig i endast två dimensioner av tredimensionellt rymd. De fann att vi då skulle ha att göra med många ovanliga fenomen, inklusive partiklar vars kvantvärden skulle vara fraktioner. Nu har det bevisats för ljus. Detta är väldigt intressant, men det betyder att många teorier fortfarande behöver uppdateras. Och detta är bara början på sambandet med nya upptäckter som ger jäsning till fysiken.

För ett år sedan dök det upp information i media som fysiker från Cornell University bekräftade i sitt experiment. Quantum Zeno-effekt – möjligheten att stoppa ett kvantsystem endast genom att utföra kontinuerliga observationer. Den är uppkallad efter den antika grekiska filosofen som hävdade att rörelse är en illusion som är omöjlig i verkligheten. Kopplingen mellan forntida tankar och modern fysik är arbetet Baidyanatha Egypten i George Sudarshan från University of Texas, som beskrev denna paradox 1977. David Wineland, en amerikansk fysiker och nobelpristagare i fysik, som MT talade med i november 2012, gjorde den första experimentella observationen av Zeno-effekten, men forskarna var oense om huruvida hans experiment bekräftade förekomsten av fenomenet.

Visualisering av Wheeler-experimentet

Förra året gjorde han en ny upptäckt Mukund Vengalattoresom tillsammans med sin forskargrupp genomförde ett experiment vid det ultrakalla laboratoriet vid Cornell University. Forskarna skapade och kylde en gas på cirka en miljard rubidiumatomer i en vakuumkammare och suspenderade massan mellan laserstrålar. Atomerna organiserade sig och bildade ett gittersystem – de betedde sig som om de befann sig i en kristallin kropp. I mycket kallt väder kunde de flytta från plats till plats med mycket låg hastighet. Fysikerna observerade dem under ett mikroskop och belyste dem med ett laseravbildningssystem så att de kunde se dem. När lasern var avstängd eller vid låg intensitet, tunnlade atomerna fritt, men när laserstrålen blev ljusare och mätningar gjordes oftare, penetrationsgraden sjönk kraftigt.

Vengalattore sammanfattade sitt experiment på följande sätt: "Nu har vi en unik möjlighet att kontrollera kvantdynamiken enbart genom observation." Blev "idealistiska" tänkare, från Zeno till Berkeley, förlöjligade i "förnuftets tidsålder", hade de rätt i att föremål bara existerar för att vi tittar på dem?

På senare tid har det ofta dykt upp olika anomalier och inkonsekvenser med de (uppenbarligen) teorierna som stabiliserats under åren. Ett annat exempel kommer från astronomiska observationer – för några månader sedan visade det sig att universum expanderar snabbare än vad kända fysiska modeller antyder. Enligt en Nature-artikel från april 2016 var mätningarna av forskare från Johns Hopkins University 8% högre än förväntat av modern fysik. Forskare använde en ny metod analys av de så kallade standardljusen, dvs. ljuskällor anses vara stabila. Återigen säger kommentarer från det vetenskapliga samfundet att dessa resultat pekar på ett allvarligt problem med nuvarande teorier.

En av de framstående moderna fysikerna, John Archibald Wheeler, föreslog en rymdversion av det vid den tiden kända dubbelslitsexperimentet. I hans mentala design passerar ljus från en kvasar, en miljard ljusår bort, genom två motsatta sidor av galaxen. Om observatörer observerar var och en av dessa banor separat, kommer de att se fotoner. Om båda samtidigt kommer de att se vågen. Därav Sam handlingen att observera förändrar ljusets natursom lämnade kvasaren för en miljard år sedan.

Enligt Wheeler bevisar ovanstående att universum inte kan existera i fysisk mening, åtminstone i den mening som vi är vana vid att förstå "ett fysiskt tillstånd". Det kan inte ha hänt tidigare heller, förrän... vi har tagit en mätning. Således påverkar vår nuvarande dimension det förflutna. Så, med våra observationer, upptäckter och mätningar formar vi händelserna från det förflutna, bakåt i tiden, fram till ... universums början!

Hologramupplösningen slutar

Svarta håls fysik tycks indikera, som åtminstone vissa matematiska modeller antyder, att vårt universum inte är vad våra sinnen säger till oss att vara, det vill säga tredimensionellt (den fjärde dimensionen, tiden, informeras av sinnet). Verkligheten som omger oss kan vara hologram är en projektion av ett väsentligen tvådimensionellt, långt plan. Om denna bild av universum stämmer kan illusionen om rumtidens tredimensionella natur skingras så snart de forskningsverktyg som står till vårt förfogande blir tillräckligt känsliga. Craig Hogan, en professor i fysik vid Fermilab som har ägnat år åt att studera universums grundläggande struktur, antyder att denna nivå just har nåtts. Om universum är ett hologram, kanske vi har nått gränserna för verklighetens upplösning. Vissa fysiker har lagt fram den spännande hypotesen att den rum-tid vi lever i i slutändan inte är kontinuerlig, utan, som en bild i ett digitalt fotografi, på sin mest grundläggande nivå består av någon form av "korn" eller "pixel". Om så är fallet måste vår verklighet ha någon form av slutgiltig "upplösning". Så tolkade vissa forskare "bruset" som dök upp i resultaten från gravitationsvågsdetektorn Geo600 för några år sedan.

För att testa denna ovanliga hypotes utvecklade Craig Hogan och hans team världens mest exakta interferometer, kallad Hogan holometervilket borde ge oss den mest exakta mätningen av själva essensen av rum-tid. Experimentet, med kodnamnet Fermilab E-990, är ​​inte ett av många andra. Det syftar till att demonstrera själva rymdens kvantnatur och närvaron av vad forskare kallar "holografiskt brus". Holometern består av två sida vid sida-interferometrar som skickar laserstrålar på en kilowatt till en enhet som delar upp dem i två vinkelräta 40-metersstrålar. De reflekteras och återgår till punkten för separation, vilket skapar fluktuationer i ljusstrålarnas ljusstyrka. Om de orsakar en viss rörelse i delningsanordningen, kommer detta att vara bevis på själva rymdens vibration.

Ur kvantfysikens synvinkel kan det uppstå utan anledning. valfritt antal universum. Vi hamnade i just den här, som var tvungen att uppfylla ett antal subtila villkor för att en person skulle kunna leva i den. Vi pratar då om antropisk värld. För en troende räcker det med ett antropiskt universum skapat av Gud. Den materialistiska världsbilden accepterar inte detta och antar att det finns många universum eller att det nuvarande universum bara är ett stadium i multiversums oändliga utveckling.

Författare till den moderna versionen Universumhypoteser som en simulering (ett relaterat begrepp till hologrammet) är en teoretiker Niklas Bostrum. Den säger att verkligheten vi uppfattar bara är en simulering som vi inte är medvetna om. Forskaren föreslog att om du kan skapa en pålitlig simulering av en hel civilisation eller till och med hela universum med en tillräckligt kraftfull dator, och de simulerade människorna kan uppleva medvetande, är det mycket troligt att det kommer att finnas ett stort antal sådana varelser. simuleringar skapade av avancerade civilisationer - och vi lever i en av dem, i något som liknar "Matrix".

Tiden är inte oändlig

Så det kanske är dags att bryta paradigm? Deras avslöjande är inget särskilt nytt i vetenskapens och fysikens historia. När allt kommer omkring var det möjligt att undergräva geocentrism, föreställningen om rymden som ett inaktivt stadium och universell tid, från tron ​​att universum är statiskt, från tron ​​på mätningens hänsynslöshet ...

lokalt paradigm han är inte längre så välinformerad, men han är också död. Erwin Schrödinger och andra skapare av kvantmekaniken märkte att före mätningen, är vår foton, liksom den berömda katten placerad i en låda, ännu inte i ett visst tillstånd, eftersom den är polariserad vertikalt och horisontellt samtidigt. Vad kan hända om vi placerar två intrasslade fotoner väldigt långt ifrån varandra och undersöker deras tillstånd separat? Nu vet vi att om foton A är horisontellt polariserad, så måste foton B vara vertikalt polariserad, även om vi placerade den en miljard ljusår tidigare. Båda partiklarna har inget exakt tillstånd före mätning, men efter att ha öppnat en av lådorna "vet" den andra direkt vilken egenskap den ska ta på sig. Det kommer till någon extraordinär kommunikation som äger rum utanför tid och rum. Enligt den nya teorin om intrassling är lokalitet inte längre en säkerhet, och två till synes separata partiklar kan uppträda som en referensram och ignorera detaljer som avstånd.

Eftersom vetenskapen sysslar med olika paradigm, varför skulle den inte bryta ner de fasta åsikter som finns kvar i fysikernas medvetande och som upprepas i forskarkretsar? Kanske kommer det att vara den ovan nämnda supersymmetrin, kanske tron ​​på existensen av mörk energi och materia, eller kanske idén om Big Bang och universums expansion?

Hittills har den rådande uppfattningen varit att universum expanderar i en ständigt ökande takt och förmodligen kommer att fortsätta att göra det på obestämd tid. Det finns dock några fysiker som har noterat att teorin om universums eviga expansion, och särskilt dess slutsats att tiden är oändlig, utgör ett problem när det gäller att beräkna sannolikheten för att en händelse ska inträffa. Vissa forskare hävdar att under de kommande 5 miljarderna åren kommer tiden förmodligen att ta slut på grund av någon form av katastrof.

fysiker Rafael Busso från University of California och kollegor publicerade en artikel på arXiv.org där de förklarade att i ett evigt universum kommer även de mest otroliga händelser att hända förr eller senare - och dessutom kommer de att hända ett oändligt antal gånger. Eftersom sannolikhet definieras i termer av det relativa antalet händelser, är det ingen mening att ange någon sannolikhet i evigheten, eftersom varje händelse kommer att vara lika trolig. "Evig inflation har djupgående konsekvenser", skriver Busso. "Varje händelse som har en icke-noll sannolikhet att inträffa kommer att inträffa oändligt många gånger, oftast i avlägsna regioner som aldrig har varit i kontakt." Detta undergräver grunden för probabilistiska förutsägelser i lokala experiment: om ett oändligt antal observatörer i hela universum vinner på lotteriet, på vilken grund kan du då säga att det är osannolikt att vinna på lotteriet? Naturligtvis finns det också oändligt många icke-vinnare, men i vilken mening är det fler av dem?

En lösning på detta problem, förklarar fysiker, är att anta att tiden kommer att ta slut. Då kommer det att finnas ett begränsat antal händelser, och osannolika händelser kommer att inträffa mer sällan än troliga.

Detta "klipp"-ögonblick definierar en uppsättning av vissa tillåtna händelser. Så fysiker försökte beräkna sannolikheten för att tiden skulle ta slut. Fem olika metoder för tidsavslutning ges. I de två scenarierna finns det 50 procents chans att detta händer om 3,7 miljarder år. De andra två har 50 % chans inom 3,3 miljarder år. Det är väldigt kort tid kvar i det femte scenariot (Planck-tid). Med en hög grad av sannolikhet kan han till och med vara i ... nästa sekund.

Fungerade det inte?

Lyckligtvis förutspår dessa beräkningar att de flesta observatörer är de så kallade Boltzmann-barnen, som kommer ur kaoset av kvantfluktuationer i det tidiga universum. Eftersom de flesta av oss inte är det, har fysiker avfärdat detta scenario.

"Gränsen kan ses som ett objekt med fysiska egenskaper, inklusive temperatur", skriver författarna i sin uppsats. "Efter att ha träffat tidens ände kommer materia att nå termodynamisk jämvikt med horisonten. Detta liknar beskrivningen av materia som faller in i ett svart hål, gjord av en utomstående observatör.”

Kosmisk inflation och multiversum

Det första antagandet är det Universum expanderar ständigt till oändlighetenvilket är en konsekvens av den allmänna relativitetsteorin och bekräftas väl av experimentella data. Det andra antagandet är att sannolikheten baseras på relativ händelsefrekvens. Slutligen är det tredje antagandet att om rumtiden verkligen är oändlig, så är det enda sättet att bestämma sannolikheten för en händelse att begränsa din uppmärksamhet en finit delmängd av den oändliga multiversum.

Kommer det att vara vettigt?

Smolin och Ungers argument, som ligger till grund för den här artikeln, antyder att vi bara kan utforska vårt universum experimentellt, och avvisar föreställningen om ett multiversum. Samtidigt har en analys av data som samlats in av det europeiska rymdteleskopet Planck avslöjat förekomsten av anomalier som kan tyda på en långvarig interaktion mellan vårt universum och ett annat. Således pekar blotta observationer och experiment på andra universum.

Anomalier upptäckta av Planck-observatoriet

Vissa fysiker spekulerar nu att om det finns en varelse som kallas multiversum, och alla dess ingående universum, kom till i en enda Big Bang, så kunde det ha hänt mellan dem. sammandrabbningar. Enligt forskning från Planck Observatory-teamet skulle dessa kollisioner likna kollisionen av två såpbubblor och lämna spår på universums yttre yta, vilket teoretiskt skulle kunna registreras som anomalier i distributionen av mikrovågsbakgrundsstrålning. Intressant nog verkar signalerna som registrerats av Planck-teleskopet antyda att något slags universum nära oss skiljer sig mycket från vårt, eftersom skillnaden mellan antalet subatomära partiklar (baryoner) och fotoner i det kan vara till och med tio gånger större än " här". . Detta skulle innebära att de underliggande fysiska principerna kan skilja sig från vad vi känner till.

De upptäckta signalerna kommer sannolikt från en tidig era av universum - den sk rekombinationnär protoner och elektroner först började smälta samman för att bilda väteatomer (sannolikheten för en signal från relativt närliggande källor är ca 30%). Närvaron av dessa signaler kan indikera en intensifiering av rekombinationsprocessen efter kollisionen av vårt universum med ett annat, med en högre täthet av baryonmateria.

I en situation där motsägelsefulla och oftast rent teoretiska gissningar ackumuleras, tappar vissa forskare märkbart sitt tålamod. Detta bevisas av ett starkt uttalande av Neil Turok från Perimeter Institute i Waterloo, Kanada, som i en intervju med NewScientist 2015 var irriterad över att "vi inte kan förstå vad vi hittar." Han tillade: "Teorin blir mer och mer komplex och sofistikerad. Vi kastar successiva fält, mätningar och symmetrier på problemet, även med en skiftnyckel, men vi kan inte förklara de enklaste fakta. Många fysiker är uppenbarligen irriterade över det faktum att moderna teoretikers mentala resor, som resonemanget ovan eller supersträngteorin, inte har något att göra med de experiment som just nu utförs i laboratorier, och det finns inga bevis för att de kan testas. experimentellt. .

Är det verkligen en återvändsgränd och det är nödvändigt att ta sig ur den, som Smolin och hans vän filosofen föreslog? Eller kanske vi pratar om förvirring och förvirring inför någon slags epokgörande upptäckt som snart väntar oss?

Vi inbjuder dig att bekanta dig med ämnet för frågan i.