Границе физике и физички експеримент

Пре сто година, ситуација у физици била је управо супротна од данашње. У рукама научника били су резултати доказаних експеримената, поновљених много пута, који се, међутим, често нису могли објаснити постојећим физичким теоријама. Искуство је јасно претходило теорији. Теоретичари су морали да приону на посао.

Тренутно, равнотежа нагиње ка теоретичарима чији се модели веома разликују од онога што се види из могућих експеримената као што је теорија струна. А чини се да је у физици све више нерешених проблема (1).

1. Најважнији савремени трендови и проблеми у физици – визуелизација

Познати пољски физичар, проф. Андрзеј Старусзкиевицз током дебате „Границе знања у физици“ јуна 2010. на Академији Игнатианум у Кракову рекао је: „Област знања је огромно порасла током прошлог века, али је поље незнања порасло још више. (...) Откриће опште релативности и квантне механике су монументална достигнућа људске мисли, упоредива са Њутновом, али доводе до питања односа између две структуре, питања чија је скала сложености просто шокантна. У овој ситуацији, природно се постављају питања: можемо ли то да урадимо? Хоће ли наша одлучност и воља да дођемо до дна истине бити сразмерни тешкоћама са којима се суочавамо?“

Експериментална пат позиција

Већ неколико месеци свет физике је заузет више контроверзи него обично. У часопису Натуре, Џорџ Елис и Џозеф Силк објавили су чланак у одбрану интегритета физике, критикујући оне који су све спремнији да одложе експерименте за проверу најновијих космолошких теорија до неодређеног „сутра”. Требало би да се одликују „довољном елеганцијом“ и вредношћу објашњења. „Ово разбија вековну научну традицију да је научно знање емпиријски доказано знање“, грме научници. Чињенице јасно показују „експериментални ћорсокак“ у савременој физици.

Најновије теорије о природи и структури света и Универзума, по правилу, не могу се проверити експериментима доступним човечанству.

Откривањем Хигсовог бозона, научници су „завршили” стандардни модел. Међутим, свет физике је далеко од задовољства. Знамо за све кваркове и лептоне, али немамо појма како да то ускладимо са Ајнштајновом теоријом гравитације. Не знамо како да комбинујемо квантну механику са гравитацијом да бисмо створили хипотетичку теорију квантне гравитације. Такође не знамо шта је Велики прасак (или да ли се заиста десио!) (КСНУМКС).

Тренутно, назовимо то класичним физичарима, следећи корак после Стандардног модела је суперсиметрија, која предвиђа да свака нама позната елементарна честица има „партнера“.

Ово удвостручује укупан број градивних блокова материје, али теорија се савршено уклапа у математичке једначине и, што је још важније, нуди прилику да се открије мистерија космичке тамне материје. Остаје само да се сачекају резултати експеримената на Великом хадронском сударачу који ће потврдити постојање суперсиметричних честица.

Међутим, из Женеве се још нису чула таква открића. Наравно, ово је само почетак нове верзије ЛХЦ-а, са двоструко већом енергијом удара (након недавне поправке и надоградње). За неколико месеци можда ће пуцати чепове за шампањац у част суперсиметрије. Међутим, да се то није догодило, многи физичари сматрају да би суперсиметричне теорије морале да се постепено повлаче, као и суперструна која се заснива на суперсиметрији. Јер ако Велики сударач не потврди ове теорије, шта онда?

Међутим, постоје неки научници који не мисле тако. Зато што је теорија суперсиметрије превише „лепа да би била погрешна“.

Због тога намеравају да поново процене своје једначине како би доказали да су масе суперсиметричних честица једноставно изван опсега ЛХЦ-а. Теоретичари су веома у праву. Њихови модели су добри у објашњавању феномена који се могу експериментално измерити и проверити. Стога се може запитати зашто бисмо искључили развој оних теорија које (још) не можемо емпиријски знати. Да ли је ово разуман и научни приступ?

универзум из ничега

Природне науке, посебно физика, заснивају се на натурализму, односно на веровању да све можемо објаснити силама природе. Задатак науке се своди на разматрање односа између различитих величина које описују појаве или неке структуре које постоје у природи. Физика се не бави проблемима који се не могу математички описати, који се не могу поновити. То је, између осталог, разлог његовог успеха. Математички опис који се користи за моделирање природних појава показао се изузетно ефикасним. Достигнућа природних наука резултирала су њиховим филозофским уопштавањем. Створени су правци као што су механистичка филозофија или научни материјализам, који су резултате природних наука, добијене пред крај КСНУМКС века, пренели у област филозофије.

Чинило се да можемо знати цео свет, да у природи постоји потпуни детерминизам, јер можемо одредити како ће се планете кретати за милионе година, или како су се кретале пре милион година. Ова достигнућа су изазвала понос који је апсолутизовао људски ум. Методолошки натурализам у одлучујућој мери и данас подстиче развој природне науке. Постоје, међутим, неке граничне тачке које изгледа указују на ограничења натуралистичке методологије.

Ако је Универзум ограничен у запремини и настао „ни из чега“ (3), без кршења закона одржања енергије, на пример, као флуктуација, онда у њему не би требало да буде промена. У међувремену, ми их посматрамо. Покушавајући да решимо овај проблем на основу квантне физике, долазимо до закључка да само свесни посматрач актуелизује могућност постојања таквог света. Зато се питамо зашто је онај у коме живимо створен из много различитих универзума. Тако долазимо до закључка да тек када се особа појави на Земљи, свет је - како видимо - заиста "постао" ...

Како мерења утичу на догађаје који су се десили пре милијарду година?

4. Вхеелер експеримент – визуализација

Један од савремених физичара, Џон Арчибалд Вилер, предложио је свемирску верзију чувеног експеримента са двоструким прорезом. У његовом менталном дизајну, светлост квазара, милијарду светлосних година удаљеног од нас, путује дуж две супротне стране галаксије (4). Ако посматрачи посматрају сваку од ових путања посебно, видеће фотоне. Ако обоје одједном, видеће талас. Дакле, сам чин посматрања мења природу светлости која је напустила квазар пре милијарду година!

За Вилера, горе наведено доказује да универзум не може постојати у физичком смислу, барем у смислу у којем смо навикли да разумемо „физичко стање“. Ни то се није могло десити у прошлости, док... нисмо извршили мерење. Дакле, наша садашња димензија утиче на прошлост. Својим запажањима, детекцијама и мерењима обликујемо догађаје из прошлости, дубоко у времену, све до ... почетка Универзума!

Неил Турк са Института Периметер у Ватерлоу, Канада, рекао је у јулском издању Нев Сциентист-а да „не можемо да разумемо шта налазимо. Теорија постаје све сложенија и софистициранија. Бацамо се у проблем са узастопним пољима, димензијама и симетријама, чак и са кључем, али не можемо објаснити најједноставније чињенице.” Многе физичаре очигледно нервира чињеница да ментална путовања модерних теоретичара, као што су горња разматрања или теорија суперструна, немају никакве везе са експериментима који се тренутно изводе у лабораторијама, и не постоји начин да се експериментално тестирају.

У квантном свету, морате гледати шире

Као што је једном рекао нобеловац Ричард Фајнман, нико заиста не разуме квантни свет. За разлику од доброг старог њутновског света, у коме се интеракције два тела са одређеним масама израчунавају једначинама, у квантној механици имамо једначине из којих оне не следе толико, већ су резултат чудног понашања уоченог у експериментима. Објекти квантне физике не морају бити повезани ни са чим „физичким“, а њихово понашање је домен апстрактног вишедимензионалног простора који се назива Хилбертов простор.

Постоје промене које описује Шредингерова једначина, али зашто тачно није познато. Може ли се ово променити? Да ли је уопште могуће извести квантне законе из принципа физике, као што су десетине закона и принципа, на пример, који се тичу кретања тела у свемиру, изведени из Њутнових принципа? Научници са Универзитета у Павији у Италији Ђакомо Мауро Д'Аријано, Ђулио Ћирибела и Паоло Периноти тврде да се чак и квантни феномени који су очигледно супротни здравом разуму могу открити у мерљивим експериментима. Све што вам треба је права перспектива - Можда је погрешно разумевање квантних ефеката због недостатка широког погледа на њих. Према поменутим научницима у Нев Сциентист-у, смислени и мерљиви експерименти у квантној механици морају испунити неколико услова. Ово је:

• узрочност - будући догађаји не могу утицати на прошле догађаје;
• разликовност - државе морамо бити у стању да одвојимо једно од другог као одвојено;
• композиция - ако знамо све фазе процеса, знамо цео процес;
• компресија – постоје начини за пренос важних информација о чипу без потребе за преносом целог чипа;
• томографија – ако имамо систем који се састоји од више делова, статистика мерења по деловима је довољна да открије стање целог система.

Италијани желе да прошире своје принципе пречишћавања, шире перспективе и смисленог експериментисања како би укључили и неповратност термодинамичких феномена и принцип раста ентропије, који не импресионирају физичаре. Можда су и овде на посматрања и мерења утичу артефакти перспективе која је сувише уска да би се схватио цео систем. „Основна истина квантне теорије је да се бучне, неповратне промене могу учинити реверзибилним додавањем новог распореда опису“, каже италијански научник Ђулио Ћирибела у интервјуу за Нев Сциентист.

Нажалост, кажу скептици, „чишћење” експеримената и шира перспектива мерења могли би да доведу до хипотезе о више светова у којој је сваки исход могућ и у којој научници, мислећи да мере исправан ток догађаја, једноставно „изаберу” одређени континуум њиховим мерењем.

5. Временске казаљке у облику казаљки на сату

Нема времена?

Концепт такозваних стрела времена (5) увео је 1927. године британски астрофизичар Артур Едингтон. Ова стрелица показује време које увек тече у једном правцу, односно од прошлости ка будућности, и овај процес се не може обрнути. Стивен Хокинг је у својој Краткој историји времена написао да се поремећај временом повећава зато што време меримо у правцу у коме се поремећај повећава. То би значило да имамо избор – можемо, на пример, прво да посматрамо комаде разбијеног стакла разбацане по поду, затим тренутак када стакло падне на под, затим стакло у ваздуху и на крају у руци особа која га држи. Не постоји научно правило да „психолошка стрела времена” мора да иде у истом правцу као термодинамичка стрела, а ентропија система расте. Међутим, многи научници сматрају да је то тако јер се у људском мозгу дешавају енергетске промене, сличне онима које посматрамо у природи. Мозак има енергију да делује, посматра и расуђује, јер људски „мотор” сагорева гориво-храну и, као у мотору са унутрашњим сагоревањем, овај процес је неповратан.

Међутим, постоје случајеви када, уз одржавање истог смера психолошке стреле времена, ентропија расте и опада у различитим системима. На пример, приликом чувања података у меморији рачунара. Меморијски модули у машини прелазе из неуређеног стања у редослед писања на диск. Тако се ентропија у рачунару смањује. Међутим, сваки физичар ће рећи да са становишта универзума у ​​целини - расте, јер је потребна енергија за писање на диск, а та енергија се расипа у облику топлоте коју генерише машина. Дакле, постоји мали "психолошки" отпор према утврђеним законима физике. Тешко нам је да сматрамо да је оно што излази уз буку вентилатора важније од записа дела или друге вредности у сећању. Шта ако неко на свом рачунару напише аргумент који ће поништити савремену физику, теорију уједињене силе или Теорију свега? Било би нам тешко да прихватимо идеју да је, упркос томе, општи неред у универзуму повећан.

Давне 1967. године појавила се Вилер-ДеВитова једначина, из које је произилазило да време као такво не постоји. Био је то покушај да се математички споје идеје квантне механике и опште релативности, корак ка теорији квантне гравитације, тј. Теорија свега коју желе сви научници. Тек 1983. физичари Дон Пејџ и Вилијам Ватерс су понудили објашњење да се проблем времена може заобићи коришћењем концепта квантне испреплетености. Према њиховом концепту, могу се мерити само својства већ дефинисаног система. Са математичке тачке гледишта, овај предлог је значио да сат не ради изоловано од система и да почиње тек када је уплетен у одређени универзум. Међутим, ако би нас неко погледао из другог универзума, видео би нас као статичне објекте, а тек би њихов долазак код нас изазвао квантно заплетање и буквално натерао да осетимо проток времена.

Ова хипотеза је била основа рада научника са истраживачког института у Торину, Италија. Физичар Марко Ђеновезе одлучио је да изгради модел који узима у обзир специфичности квантне испреплетености. Било је могуће поново створити физички ефекат који указује на исправност овог резоновања. Створен је модел Универзума који се састоји од два фотона.

Један пар је био оријентисан - вертикално поларизован, а други хоризонтално. Њихово квантно стање, а самим тим и њихова поларизација, се затим детектује низом детектора. Испоставља се да док се не дође до посматрања које на крају одређује референтни оквир, фотони су у класичној квантној суперпозицији, тј. били су оријентисани и вертикално и хоризонтално. То значи да посматрач који чита сат одређује квантну испреплетеност која утиче на универзум чији он постаје део. Такав посматрач је тада у стању да уочи поларизацију узастопних фотона на основу квантне вероватноће.

Овај концепт је веома примамљив јер објашњава многе проблеме, али природно доводи до потребе за „суперпосматрачем“ који би био изнад свих детерминизама и који би контролисао све у целини.

6. Мултиверзум – Визуелизација

Оно што посматрамо и што субјективно доживљавамо као „време” је у ствари производ мерљивих глобалних промена у свету око нас. Како дубље улазимо у свет атома, протона и фотона, схватамо да појам времена постаје све мање важан. Према научницима, сат који нас свакодневно прати, са физичке тачке гледишта, не мери његов пролазак, већ нам помаже да организујемо живот. За оне који су навикли на њутновске концепте универзалног и свеобухватног времена, ови концепти су шокантни. Али не само научни традиционалисти их не прихватају. Истакнути теоријски физичар Ли Смолин, којег смо раније помињали као једног од могућих добитника овогодишње Нобелове награде, сматра да време постоји и да је сасвим реално. Једном је - као и многи физичари - тврдио да је време субјективна илузија.

Сада, у својој књизи Реборн Тиме, он заузима потпуно другачији поглед на физику и критикује популарну теорију струна у научној заједници. По њему мултиверзум не постоји (6) јер живимо у истом универзуму и у исто време. Он сматра да је време од највеће важности и да наш доживљај стварности садашњег тренутка није илузија, већ кључ за разумевање фундаменталне природе стварности.

Ентропија нула

Санду Попеску, Тони Шорт, Ноа Линден (7) и Андреас Винтер описали су своја открића 2009. године у часопису Пхисицал Ревиев Е, која су показала да објекти постижу равнотежу, односно стање равномерне расподеле енергије, улазећи у стања квантне испреплетености са својим околина. У 2012, Тони Схорт је доказао да запетљаност узрокује мирноћу коначног времена. Када објекат ступи у интеракцију са околином, на пример када се честице у шољици кафе сударе са ваздухом, информације о њиховим својствима „цуре“ напоље и постају „замућене“ у околини. Губитак информација доводи до стагнације стања кафе, чак и када се стање чистоће целе собе наставља мењати. Према речима Попескуа, њено стање временом престаје да се мења.

7. Ноа Линден, Санду Попеску и Тони Шорт

Како се стање чистоће собе мења, кафа може изненада престати да се меша са ваздухом и уђе у своје чисто стање. Међутим, постоји много више стања помешаних са околином него што је чистих стања доступних кафи, и стога се скоро никада не дешавају. Ова статистичка вероватноћа даје утисак да је стрела времена неповратна. Проблем стрелице времена је замагљен квантном механиком, што отежава одређивање природе.

Елементарна честица нема тачна физичка својства и одређена је само вероватноћом да се налази у различитим стањима. На пример, у било ком тренутку, честица може имати 50 процената шансе да се окрене у смеру казаљке на сату и 50 процената шансе да се окрене у супротном смеру. Теорема, појачана искуством физичара Џона Бела, каже да право стање честице не постоји и да је остављено да се руководи вероватноћом.

Тада квантна несигурност доводи до забуне. Када две честице интерагују, оне се не могу чак ни дефинисати саме, независно развијајући вероватноће познате као чисто стање. Уместо тога, оне постају заплетене компоненте сложеније дистрибуције вероватноће коју обе честице описују заједно. Ова расподела може да одлучи, на пример, да ли ће се честице ротирати у супротном смеру. Систем у целини је у чистом стању, али је стање појединачних честица повезано са другом честицом.

Дакле, оба могу путовати много светлосних година, а ротација сваког ће остати у корелацији са другом.

Нова теорија стреле времена ово описује као губитак информација због квантне запетљаности, која шаљу шољицу кафе у равнотежу са околном просторијом. На крају, соба достиже равнотежу са својим окружењем, а она се, заузврат, полако приближава равнотежи са остатком универзума. Стари научници који су проучавали термодинамику посматрали су овај процес као постепено расипање енергије, повећавајући ентропију универзума.

Данас физичари верују да се информације све више распршују, али никада у потпуности не нестају. Иако се ентропија локално повећава, они верују да укупна ентропија универзума остаје константна на нули. Међутим, један аспект стреле времена остаје нерешен. Научници тврде да се способност особе да се сећа прошлости, али не и будућности, такође може схватити као формирање односа између честица које делују. Када прочитамо поруку на комаду папира, мозак комуницира са њом преко фотона који доспевају у очи.

Тек од сада можемо да се сетимо шта нам ова порука поручује. Попеску верује да нова теорија не објашњава зашто је почетно стање универзума било далеко од равнотеже, додајући да треба објаснити природу Великог праска. Неки истраживачи су изразили сумњу у овај нови приступ, али развој овог концепта и новог математичког формализма сада помаже у решавању теоријских проблема термодинамике.

Посегните за зрнцима простор-времена

Чини се да физика црне рупе указује, као што неки математички модели сугеришу, да наш универзум уопште није тродимензионалан. Упркос ономе што нам наша чула говоре, стварност око нас може бити холограм — пројекција удаљене равни која је заправо дводимензионална. Ако је ова слика универзума тачна, илузија о тродимензионалној природи простор-времена може се разбити чим истраживачки алати који су нам на располагању постану адекватно осетљиви. Крег Хоган, професор физике у Фермилабу који је годинама проучавао фундаменталну структуру универзума, сугерише да је овај ниво тек достигнут.

8. ГЕО600 Детектор гравитационих таласа

Ако је универзум холограм, онда смо можда управо достигли границе резолуције стварности. Неки физичари постављају интригантну хипотезу да простор-време у којем живимо није у крајњој линији континуирано, већ се, попут дигиталне фотографије, на свом најосновнијем нивоу састоји од одређених „зрнаца” или „пиксела”. Ако је тако, наша стварност мора имати неку врсту коначног „резолуције“. Овако су неки истраживачи протумачили „шум“ који се појавио у резултатима детектора гравитационих таласа ГЕО600 (8).

Да би тестирао ову изванредну хипотезу, Крег Хоган, физичар гравитационих таласа, он и његов тим развили су најпрецизнији интерферометар на свету, назван Хоган холометар, који је дизајниран да мери најосновнију суштину простор-времена на најтачнији начин. Експеримент, кодног назива Фермилаб Е-990, није један од многих других. Овај има за циљ да демонстрира квантну природу самог простора и присуство онога што научници називају "холографском буком".

Холометар се састоји од два интерферометра постављена један поред другог. Они усмеравају ласерске зраке од једног киловата на уређај који их дели на два окомита зрака дужине 40 метара, који се одбијају и враћају у тачку раздвајања, стварајући флуктуације у осветљености светлосних снопова (9). Ако изазову одређено кретање у уређају за поделу, онда ће то бити доказ вибрације самог простора.

9. Графички приказ холографског експеримента

Највећи изазов Хогановог тима је да докаже да ефекти које су открили нису само пертурбације узроковане факторима изван експерименталне поставке, већ резултат просторно-временских вибрација. Због тога ће огледала која се користе у интерферометру бити синхронизована са фреквенцијама свих најмањих шумова који долазе изван уређаја и покупе их специјални сензори.

Антропски универзум

Да би свет и човек у њему постојали, закони физике морају имати врло специфичну форму, а физичке константе морају имати прецизно одабране вредности...и јесу! Зашто?

Почнимо са чињеницом да постоје четири врсте интеракција у Универзуму: гравитационе (падају, планете, галаксије), електромагнетне (атоми, честице, трење, еластичност, светлост), слабе нуклеарне (извор звездане енергије) и јаке нуклеарне ( везује протоне и неутроне у атомска језгра). Гравитација је 1039 пута слабија од електромагнетизма. Да је мало слабија, звезде би биле лакше од Сунца, супернове не би експлодирале, не би се формирали тешки елементи. Да је чак и мало јачи, створења већа од бактерија би била згњечена, а звезде би се често сударале, уништавајући планете и пребрзо се спаљивале.

Густина Универзума је блиска критичној густини, односно испод које би се материја брзо распршила без формирања галаксија или звезда, а изнад које би Универзум живео предуго. За настанак оваквих услова, тачност подударања параметара Великог праска је требало да буде у границама ±10-60. Почетне нехомогености младог Универзума биле су на скали од 10-5. Да су мање, галаксије се не би формирале. Да су веће, уместо галаксија би се формирале огромне црне рупе.

Симетрија честица и античестица у Универзуму је нарушена. А за сваки барион (протон, неутрон) постоји 109 фотона. Да их има више, галаксије се не би могле формирати. Да их је мање, не би било ни звезда. Такође, чини се да је број димензија у којима живимо „тачан“. Сложене структуре не могу настати у две димензије. Са више од четири (три димензије плус време), постојање стабилних планетарних орбита и енергетских нивоа електрона у атомима постаје проблематично.

10. Човек као центар универзума

Концепт антропског принципа увео је Брендон Картер 1973. године на конференцији у Кракову посвећеној 500. годишњици рођења Коперника. Уопштено говорећи, може се формулисати на такав начин да посматрани Универзум мора да испуни услове које испуњава да би га ми посматрали. До сада постоје различите верзије тога. Слаб антропски принцип каже да можемо постојати само у универзуму који омогућава наше постојање. Да су вредности константи различите, ово никада не бисмо видели, јер нас не би било. Снажан антропски принцип (намерно објашњење) каже да је универзум такав да можемо постојати (КСНУМКС).

Са тачке гледишта квантне физике, било који број универзума је могао настати без разлога. Завршили смо у специфичном универзуму, који је морао да испуни низ суптилних услова да би човек у њему живео. Тада говоримо о антропском свету. За верника је, на пример, довољан један антропски универзум који је створио Бог. Материјалистички поглед на свет то не прихвата и претпоставља да постоји много универзума или да је тренутни универзум само фаза у бесконачној еволуцији мултиверзума.

Аутор модерне верзије хипотезе о универзуму као симулацији је теоретичар Никлас Бостром. Према његовим речима, стварност коју сагледавамо је само симулација које нисмо свесни. Научник је сугерисао да ако је могуће створити поуздану симулацију целе цивилизације или чак целог универзума користећи довољно моћан рачунар, а симулирани људи могу да искусе свест, онда је врло вероватно да су напредне цивилизације створиле само велики број таквих симулација, а ми живимо у једној од њих у нечему сличном Матриксу (11).

Овде су изговорене речи „Бог“ и „Матрикс“. Овде долазимо до границе разговора о науци. Многи, укључујући и научнике, сматрају да управо због немоћи експерименталне физике наука почиње да улази у области које су супротне реализму, миришући на метафизику и научну фантастику. Остаје да се надамо да ће физика превазићи своју емпиријску кризу и поново наћи начин да се радује као експериментално проверљива наука.