Среди двух фундаментальных теорий, объясняющих окружающую нас реальность, квантовая теория апеллирует к взаимодействию между наименьшими частицами материи, а общая теория относительности обращается к гравитации и крупнейшим структурам во всей Вселенной. Со времен Эйнштейна физики пытались преодолеть разрыв между этими учениями, но с переменным успехом.

Один из способов согласования гравитации с квантовой механикой заключался в том, чтобы показать, что в основе гравитации лежат неделимые частицы материи, кванты. Этот принцип можно сравнить с тем, как сами кванты света, фотоны, представляют собой электромагнитную волну. До сих пор у ученых не было достаточно данных, чтобы подтвердить это предположение, но Антуан Тиллой (Antoine Tilloy) из Института квантовой оптики им. Макса Планка в Гархинге, Германия, попытался описать гравитацию принципами квантовой механики. Но как ему это удалось?

Квантовый мир

В квантовой теории состояние частицы описывается ее волновой функцией . Она, к примеру, позволяет рассчитать вероятность нахождения частицы в той или иной точке пространства. Перед самим измерением неясно не только то, где находится частица, но и то, существует ли она. Сам факт измерения буквально создает реальность, «разрушая» волновую функцию. Но квантовая механика редко обращается к измерениям — потому-то она и является одной из самых спорных областей физики. Вспомните парадокс Шредингера : вы не сможете разрешить его, пока не произведете измерение, открыв коробку и выяснив, жив кот или нет.

Одним из решений подобных парадоксов является так называемая модель GRW , которая была разработана в конце 1980-х годов. Эта теория включает в себя такое явление, как «вспышки » — спонтанные коллапсы волновой функции квантовых систем. Результат ее применения точно такой же, как если бы измерения были проведены без наблюдателей как таковых. Тиллой модифицировал ее, чтобы показать, как с ее помощью можно выйти на теорию гравитации. В его варианте вспышка, разрушающая волновую функцию и заставляющую частицу тем самым находиться в одном месте, также создает гравитационное поле в этот момент в пространстве-времени. Чем больше квантовая система — тем больше в ней частиц и тем чаще случаются вспышки, создавая тем самым флуктуирующее гравитационное поле.

Самое интересное, что среднее значение этих флуктуаций и является тем самым гравитационным полем, которое описывает теория гравитации Ньютона. Такой подход к объединению гравитации с квантовой механикой называется квазиклассическим: гравитация возникает из квантовых процессов, но остается классической силой. «Нет никакой реальной причины игнорировать квазиклассический подход, при котором гравитация является классической на фундаментальном уровне», говорит Тиллой.

Феномен гравитации

Клаус Хорнбергер из Университета Дуйсбург-Эссен в Германии, не принимавший участия в разработке теории, относится к ней с большой симпатией. Однако ученый указывает на то, что до того, как эта концепция ляжет в основу единой теории, объединяющей и объясняющей природу всех фундаментальных аспектов окружающего нас мира, необходимо будет решить еще целый ряд задач. К примеру, модель Тиллоя точно может быть использована для получения ньютоновской силы тяжести, а вот ее соответствие гравитационной теории еще нужно проверить с помощью математики.

Впрочем, ученый и сам согласен с тем, что его теория нуждается в доказательной базе. К примеру, он предсказывает, что гравитация будет вести себя по‑разному в зависимости от масштабов рассматриваемых объектов: для атомов и для сверхмассивных черных дыр правила могут сильно отличаться. Как бы то ни было, если тесты обнаружат, что модель Тиллроя и в самом деле отражает реальность, а гравитация и в самом деле является следствием квантовых флуктуаций, то это позволит физикам осмыслить окружающую нас действительность на качественно ином уровне.

#Вселенная #Физика #Квантовая механика #Наука #Сознание

Глава 2

Вселенская структура

За время исследований Чирена я сделал упрощенный, но всесторонний обзор его текущих результатов.

Это одна из интерпретаций работы по объединению квантовой физики и теории относительности .

Данная тема сложна, и, возможно, будет трудна для понимания. Также она содержит некоторые философские выводы, которые будут затронуты в эпилоге.

За последнее столетие было много поразительных достижений, которые привели к изменению научной системы понимания мира. Теория относительности Эйнштейна показала, что время и пространство образуют единую ткань. А Нильс Бор выявил базовые компоненты вещества, благодаря квантовой физике - области, которая существует только как "абстрактное физическое описание".

После этого Луи де Бройль открыл, что всё вещество, а не только фотоны и электроны, обладает квантовым корпускулярно- волновым дуализмом . Эти привело к появлению новых школ мысли о природе реальности, а также популярных метафизических и псевдонаучных теорий.

Например, что человеческий разум может управлять вселенной через позитивное мышление. Эти теории привлекательны, но они не поддаются проверке и могут препятствовать научному прогрессу.

Законы специальной и общей теории относительности Эйнштейна применяются в современных технологиях, например, спутниках GPS, где точность расчетов может отклоняться более чем на 10 км в день, если не учесть такие последствия, как замедление времени. То есть, для движущихся часов время идет медленнее, чем для неподвижных.

Другие эффекты теории относительности - это сокращение длины для движущихся объектов и относительность одновременности, из-за чего невозможно с точностью утверждать, что два события происходят в одно и то же время, если они разделены в пространстве. Ничто не движется быстрее скорости света. Это означает, что если трубу длиной 10 световых секунд толкнуть вперед, пройдет 10 секунд прежде, чем действие произойдет на другой стороне. Без интервала времени в 10 секунд труба не существует в полном объеме. Дело не в ограниченности наших наблюдений, а в прямом следствии теории относительности, где время и пространство взаимосвязаны, и одно не может существовать без другого.

Квантовая физика дает математическое описание многих вопросов корпускулярно- волнового дуализма и взаимодействия энергии и материи. Она отличается от классической физики, прежде всего, на атомном и субатомном уровне. Эти математические формулировки абстрактны, и их выводы часто неинтуитивны.

Квант - это минимальная единица любой физической сущности, участвующей во взаимодействии. Элементарные частицы – основные компоненты вселенной. Это частицы, из которых состоят все другие частицы. В классической физике мы всегда можем разделить объект на более мелкие части, в квантовой - это невозможно. Поэтому квантовый мир представляет собой множество уникальных явлений, необъяснимых по классическим законам. Например, квантовая сцепленность , фотоэффект , комптоновское рассеяние и многое другое.

Квантовый мир имеет много необычных интерпретаций. Среди наиболее широко признанных - копенгагенская интерпретация и многомировая интерпретация. В настоящее время набирают силу альтернативные интерпретации, такие как "голографическая вселенная".

Уравнения де Бройля

Хотя квантовая физика и законы относительности Эйнштейна одинаково необходимы для научного понимания вселенной, есть много нерешенных научных проблем и пока нет объединяющей теории.

Некоторые из текущих вопросов: Почему наблюдаемой материи во вселенной больше, чем антиматерии? Какова природа оси времени? Каково происхождение массы?

Одними из важнейших ключей к разгадке этих проблем являются уравнения де Бройля, за которые он был удостоен Нобелевской премии по физике. Эта формула показывает, что вся материя обладает корпускулярно-волновым дуализмом, то есть, в одних случаях ведет себя как волна, а в других - как частица. Формула сочетает в себе уравнение Эйнштейна E = mc^2 с квантовой природой энергии.

Экспериментальные доказательства включают в себя интерференцию молекул фуллерена C60 в эксперименте с двумя щелями.

Тот факт, что само наше сознание состоит из квантовых частиц, является предметом многочисленных мистических теорий. И хотя отношения между квантовой механикой и сознанием едва ли так волшебны, как утверждают эзотерические фильмы и книги, выводы из этого весьма серьезны. Так как уравнения де Бройля применяются ко всей материи, мы можем утверждать, что C = hf, где С - сознание, h - постоянная Планка, и f - частота."С" отвечает за то, что мы воспринимаем как "сейчас",квантовая, то есть минимальная, единица взаимодействия.

Сумма всех моментов "C" вплоть до текущего момента - это то, что формирует наше видение жизни. Это не философское или теоретическое утверждение, а прямое следствие квантовости всей материи и энергии. Формула показывает, что жизнь и смерть являются абстрактными совокупностями "C".

Другое следствие уравнений де Бройля - в том, что темп колебания материи или энергии и поведение ее как волны или частицы зависит от частоты системы отсчета. Повышения частоты из-за скорости соотносятся с другими и приводят к таким явлениям, как замедление времени. Причина этого - в том, что восприятие времени не меняется относительно системы отсчета, где пространство и время - это свойство квантов, а не наоборот.

Антиматерия и невозмущенное время

Большой адронный коллайдер. Швейцария.

Античастицы создаются везде во вселенной, где происходят высокоэнергетические столкновения между частицами. Этот процесс искусственно моделируется в ускорителях частиц. Одновременно с материей создается и антиматерия. Таким образом, недостаток антиматерии во вселенной до сих пор остается одним из крупнейший нерешенных вопросов физики.

Захватывая античастицы электромагнитными полями, мы можем исследовать их свойства. Квантовые состояния частиц и античастиц взаимно заменимы, если применить к ним операторы зарядового сопряжения (С), четности (Р) и обращения времени (Т).

То есть, если некий физик, состоящий из антивещества, будет проводить эксперименты в лаборатории, также из антивещества, используя химические соединения и вещества, состоящие из античастиц, он получит точно такие же результаты, как и его "вещественный" коллега. Но если они объединятся, произойдет огромный выброс энергии, пропорциональный их массе.

Недавно в лаборатории Ферми открыли, что такие кванты как мезоны со скоростью три триллиона раз в секунду переходят из вещества в антивещество и обратно.

Рассматривая вселенную в квантовой системе отсчета "С", необходимо принимать во внимание все экспериментальные результаты, применимые к квантам. Включая то, как материя и антиматерия создаются в ускорителях частиц, и как мезоны переходят из одного состояния в другое.

Применительно к "C" это имеет серьезные последствия. С квантовой точки зрения каждое мгновение "С" имеет и анти-С. Это объясняет отсутствие симметрии, то есть, антивещества во вселенной и также связано с произвольным выбором излучателя и поглотителя в теории поглощения Уилера-Фейнмана.

Невозмущенное время T в принципе неопределенности - это время или цикл, необходимый для существования квантов.

Так же, как в случае мезонов, границей нашего личного восприятия времени, то есть, диапазона текущего момента, является переход "C" в "анти-С". Этот момент самоаннигиляции и его толкование "С" заключен в рамки абстрактной оси времени.

Если определить взаимодействие и рассмотреть основные свойства корпускулярно-волнового дуализма кванта, все взаимодействия состоят из интерференции и резонанса.

Но так как этого не достаточно, чтобы объяснить фундаментальные силы, необходимо использовать различные модели. Это включает стандартную модель, которая выступает посредником между динамикой известных субатомных частиц через носители силы и общей теорией относительности, которая описывает макроскопические явления, такие, как орбиты планет, которые следуют эллипсу в пространстве и спирали в пространстве-времени. Но модель Эйнштейна не применима на квантовом уровне, и стандартная модель нуждается в дополнительных носителях силы, чтобы объяснить происхождение массы. Объединение двух моделей или Теория всего является предметом многих, пока безуспешных исследований.

Теория всего

Квантовая механика – это чисто математические описания, чьи практические выводы часто противоречат интуиции. Классические понятия, такие, как длина, время, масса и энергия могут быть описаны аналогично.

Опираясь на уравнения де Бройля, мы можем заменить эти понятия на абстрактные векторы. Этот вероятностный подход к основным существующим концепциям в физике позволяет объединить квантовую механику с теорией относительности Эйнштейна.

Уравнения де Бройля показывают, что все системы отсчета являются квантовыми, включая всю материю и энергию. Ускорители частиц показали, что материя и антиматерия всегда создаются одновременно.

Парадокс того, как реальность появляется из абстрактных взаимоуничтожаемых компонентов, можно объяснить, используя кванты в качестве системы отсчета.

Проще говоря, мы должны взглянуть на вещи глазами фотона. Система отсчета всегда является квантовой и определяет, как квантуется пространство-время.

Когда система "увеличивается" или "уменьшается", то же самое происходит с пространством-временем. В квантовой механике это математически описывается как амплитуда вероятности волновой функции, а в теории Эйнштейна - как замедление времени и сокращение длины.

Для квантовой системы отсчета масса и энергия могут быть определены только как абстрактные вероятности или, если быть более конкретными и создать математическую основу - как векторы, существующие только тогда, когда мы предполагаем ось времени. Они могут определяться как интерференция или резонанс с системой отсчета, которая определяет минимальную единицу или пространственно-временную константу "с", эквивалентную постоянной Планка в квантовой механике.

Эксперименты показывают, что преобразование материи в энергию через антиматерию порождает гамма-лучи с противоположным импульсом. То, что кажется преобразованием, является соотношением между противоположными векторами, интерпретируемыми как расстояние и время, материя и антиматерия, масса и энергия, или интерференция и резонанс в пределах абстрактной оси времени "C".

Сумма противоположных векторов всегда равна нулю. Именно это является причиной симметрии или законов сохранения в физике или того, почему при скорости "с" время и пространство равны нулю из-за сокращения длины и замедления времени. Следствием этого является принцип неопределенности Гейзенберга, который утверждает, что некоторые пары физических свойств, например, положение и импульс, нельзя знать одновременно с высокой точностью.

В некотором смысле, отдельная частица является собственным полем. Это не объясняет наше чувство непрерывности, где "С" уничтожает само себя в пределах собственного необходимого диапазона. Но когда эти векторы экспоненциально усилены или ускорены относительно оси времени и в ее пределах, основные математические алгоритмы, описывающие фундаментальные силы, могут породить непрерывную реальность из абстрактных компонентов.

Поэтому уравнения гармонического движения используются во многих областях физики, касающихся периодических явлений, например, в квантовой механике и электродинамике. И поэтому принцип эквивалентности Эйнштейна, из которого выводится модель пространства-времени, утверждает, что нет никакой разницы между гравитацией и ускорением.

Потому что гравитация является силой только при рассмотрении ее в колеблющейся системе отсчета.

Это иллюстрирует логарифмическая спираль, которая сводится к винтовой спирали в системе отсчета, заставляющей объекты вращаться и двигаться по орбитам. Для примера, два растущих яблока в растущей системе отсчета выглядят, словно они притягивают друг друга, в то время как размер кажется неизменным.

Противоположное возникает при интерференции. Проще говоря, увеличение или уменьшение размера объектов по мере нашего приближения или отдаления определяется смещением системы отсчета, как радио, которое настраивается на различные волны, чтобы поймать радиостанцию.

Это также применимо к силе тяжести. По сути, независимо от любой системы отсчета, фундаментальных сил не существует. Все взаимодействия в нашей абстрактной непрерывности можно математически описать через интерференцию и резонанс, если принята во внимание вечно меняющаяся и колеблющаяся минимальная единица или квант.

Экспериментальное доказательство включает невидимый эффект в стандартной модели, когда мы видим действие сил, но не носители силы.

Квантовая суперпозиция

Непрерывность реальности не требует, чтобы кванты имели последовательность во времени. Квант не является субъектом любого понятия пространства и времени и может одновременно занимать все его возможные квантовые состояния. Это называется квантовой суперпозицией и продемонстрировано, например, в эксперименте с двумя щелями или квантовой телепортации, где каждый электрон во вселенной может быть одним и тем же электроном. Единственное требование для абстрактной оси времени и последовательной непрерывности реальности - это алгоритм описания модели или абстрактная последовательность векторов.

Так как эта непрерывность определяет нашу способность к самосознанию, это подчиняет нас ее математическим следствиям - фундаментальным законам физики.

Взаимодействие - это просто толкование абстрактной модели. Именно поэтому квантовая механика дает только математические описания - она может лишь описать модели внутри бесконечных вероятностей.

Когда вероятность выражается как "C", информация, необходимая для описания текущего момента, или вероятностный диапазон "C",также воплощает собой ось времени. Природа оси времени является одним из крупнейших нерешенных вопросов физики, что привело ко многим новым популярным интерпретациям.

Например, голографический принцип - часть квантовой гравитациии теории струн - предполагает, что всю вселенную можно рассматривать как всего лишь двухмерную информационную структуру.

Время

Мы традиционно связываем понятие оси времени с последовательностью событий, которые мы переживаем через последовательность кратковременных и долговременных воспоминаний. Мы можем иметь воспоминания только о прошлом, но не будущем, и мы всегда полагали, что это отражает течение времени.

Ученые начали сомневаться в этой логике, только когда открытия в квантовой механике продемонстрировали, что некоторые явления не связаны с нашим понятием времени, и что наши представления о времени - всего лишь восприятие изменений наблюдаемых параметров.

Это также отражается в замедлении времени и сокращении длины, что является одной из причин, по которым Эйнштейн установил, что время и пространство - это единая ткань.

В абсолютном смысле, понятие времени не отличается от понятия расстояния.

Секунды равны световым секундам, но взаимно исключают друг друга. Проще говоря: так как расстояние и время противоположны, течение времени можно толковать как расстояние, пройденное стрелками часов, так как они движутся в направлении, противоположном времени.

Двигаясь вперед в расстоянии, они фактически движутся назад в так называемом времени. Именно поэтому каждая минимальная единица опыта немедленно поглощается вечным "сейчас".

Это толкование устраняет разногласие между коллапсом волновой функции и квантовой декогеренцией. Такие понятия, как "жизнь" и "смерть" - это чисто интеллектуальные конструкции. И любые религиозные рассуждения о загробной жизни, происходящей в мире, неподвластном математическим законам этой реальности, также вымышлены.

Еще одно важное следствие - в том, что теория Большого взрыва, где вселенная происходит из одной точки - это недоразумение. Традиционное представление пространства-времени где пространство является трехмерным, а время играет роль четвертого измерения - неправильно. Если мы хотим изучить происхождение вселенной, мы должны смотреть вперед, так как вектор времени "С" противоположен вектору расстояния, с которого мы воспринимаем расширяющуюся вселенную. Хотя эта временнАя карта вселенной даст лишь абстрактные понятия без учета ее квантовой основы.

Экспериментальные доказательства включают ускорение расширения вселенной, а также обратную или регрессивную метрику черных дыр и многие проблемы, связанные

с теорией Большого взрыва, например, проблема горизонта.

Неврологические следствия

Эти умозаключения могут поднимать вопросы о свободной воле, так как кажется, что в нашем восприятии времени сначала происходит действие, а потом осознание.

Большинство исследований, проливающих свет на этот вопрос, показывают, что действие действительно происходит до его осознания. Но детерминистская точка зрения опирается на ошибочное представление о времени, что показывают математические описания вероятности в квантовой механике.

Эти толкования будут важны для будущих неврологических исследований, так как они показывают, что любая нейронная цепь - это вектор, определяющий когнитивный диссонанс и интерференцию или резонанс в "С". Способность понимать и сознательно изменять эти векторы, обретенная за миллиарды лет эволюции, подтверждает, насколько важны наши системы убеждений для расширения нашего осознания, и как они влияют на нашу рабочую память, которая отвечает за нашу способность, устанавливать связи, и за нервные процессы, которые формируют смысл. Это также объясняет, что для искусственного сознания потребуется сеть

независимых процессоров, а не линейная последовательность сложных алгоритмов.

Ограниченное толкование

Единая теория Athene является решением, объединяющим квантовую физику и теорию относительности. Хотя она отвечает на многие вопросы физики, перечисленные здесь, это мое ограниченное толкование первых месяцев его научного исследования.

Независимо от итогов, становится ясно, что мы вступили в эпоху, в которой наука открыта для всех. И если мы сохраним доступность и нейтральность интернета, мы сможем проверить правильность наших идей, развивать наше воображение, создавая новые взаимосвязи, и мы можем продолжить развитие нашего понимания

вселенной и разума.

Эпилог

В квантовой механике мы научились другому подходу к реальности и рассматривать всё, как вероятности, а не как определенности. В математическом смысле всё возможно.

Как в науке, так и в нашей повседневной жизни наша способность вычислять или угадывать вероятности, определяется нашей интеллектуальной способностью распознавать закономерности.

Чем более мы открыты, тем более четко мы можем видеть эти закономерности и основывать свои действия на разумной вероятности.

Так как в саму природу нашего левого полушария заложено отрицание идей, которые не вписываются в наши текущие взгляды, чем более привязаны мы к своим убеждениям, тем менее мы способны сделать сознательный выбор для себя. Но, контролируя этот процесс, мы расширяем свое самосознание и увеличиваем свободную волю.

Говорят, что мудрость приходит с возрастом. Но с открытостью и скептицизмом - ключевыми научными принципами - нам не нужны десятилетия проб и ошибок, чтобы определить, какие из наших убеждений могут быть неправильны.

Вопрос не в том, верны наши убеждения или нет, а в том, принесет пользу или вред наша эмоциональная привязанность к ним.

Свободного выбора не существует, пока мы эмоционально привязаны к системе убеждений. Как только у нас будет достаточно самосознания, чтобы понять это, мы сможем работать вместе, чтобы понять вероятности того, что на самом деле принесет нам наибольшую пользу.

"Развитие квантовой механики подвергло беспрецедентной критике наши классические научные взгляды. Самосознание и готовность пересмотреть свои гипотезы, которые постоянно подвергаются испытанию наукой и человечеством, будут определять степень, в которой мы достигнем более глубокого понимания разума и вселенной."

Физика - самая загадочная из всех наук. Физика дает нам понимание окружающего мира. Законы физики абсолютны и действуют на всех без исключения, не взирая на лица и социальный статус.

Данная статья предназначена для лиц старше 18 лет

А вам уже исполнилось 18?

Фундаментальные открытия в области квантовой физики

Исаак Ньютон, Никола Тесла, Альберт Эйнштейн и многие другие — великие проводники человечества в удивительном мире физики, которые подобно пророкам открыли человечеству величайшие тайны мироздания и возможности управления физическими явлениями. Их светлые головы рассекли тьму невежества неразумного большинства и подобно путеводной звезде указали путь человечеству во мраке ночи. Одним из таких проводников в мире физики стал Макс Планк — отец квантовой физики.

Макс Планк не только основоположник квантовой физики, но и автор всемирно известной квантовой теории. Квантовая теория — важнейшая составляющая квантовой физики. Простыми словами, данная теория описывает движение, поведение и взаимодействие микрочастиц. Основатель квантовой физики также принес нам и множество других научных трудов, которые стали краеугольными камнями современной физики:

• теория теплового излучения;
• специальная теория относительности;
• исследования в области термодинамики;
• исследования в области оптики.

Теория квантовой физики о поведении и взаимодействии микрочастиц стала основой для физики конденсированного состояния, физики элементарных частиц и физики высоких энергий. Квантовая теория объясняет нам суть множества явлений нашего мира — от функционирования электронных вычислительных машин до строения и поведения небесных тел. Макс Планк, создатель данной теории, благодаря своему открытию позволил нам постигнуть истинную суть многих вещей на уровне элементарных частиц. Но создание данной теории — далеко не единственная заслуга ученого. Он стал первым, кто открыл фундаментальный закон Вселенной — закон сохранения энергии. Вклад в науку Макса Планка сложно переоценить. Если говорить кратко, то его открытия бесценны для физики, химии, истории, методологии и философии.

Квантовая теория поля

В двух словах, квантовая теория поля — это теория описания микрочастиц, а также их поведения в пространстве, взаимодействия между собой и взаимопревращения. Данная теория изучает поведение квантовых систем в рамках, так называемых степеней свободы. Это красивое и романтичное название многим из нас толком ничего не говорит. Для чайников, степени свободы — это количество независимых координат, которые необходимы для обозначения движения механической системы. Простыми словами, степени свободы — это характеристики движения. Интересные открытия в области взаимодействия элементарных частиц совершил Стивен Вайнберг. Он открыл так называемый нейтральный ток — принцип взаимодействия между кварками и лептонами, за что и получил Нобелевскую премию в 1979-ом году.

Квантовая теория Макса Планка

В девяностых годах восемнадцатого века немецкий физик Макс Планк занялся изучением теплового излучения и в итоге получил формулу для распределения энергии. Квантовая гипотеза, которая родилась в ходе данных исследований, положила начало квантовой физике, а также квантовой теории поля, открытой в 1900-ом году. Квантовая теория Планка заключается в том, что при тепловом излучении продуцируемая энергия исходит и поглощается не постоянно, а эпизодически, квантово. 1900-ый год, благодаря данному открытию, которое совершил Макс Планк, стал годом рождения квантовой механики. Также стоит упомянуть о формуле Планка. Если говорить кратко, то ее суть следующая — она основана на соотношении температуры тела и его излучения.

Квантово-механическая теория строения атома

Квантово-механическая теория строения атома является одной из базовых теорий понятий в квантовой физике, да и в физике вообще. Данная теория позволяет нам понять строение всего материального и открывает завесу тайны над тем, из чего же на самом деле состоят вещи. А выводы, исходя из данной теории, получаются весьма неожиданные. Рассмотрим строение атома кратко. Итак, из чего же на самом деле состоит атом? Атом состоит из ядра и облака электронов. Основа атома, его ядро, содержит в себе почти всю массу самого атома — более 99 процентов. Ядро всегда имеет положительный заряд, и он определяет химический элемент, частью которого является атом. Самым интересным в ядре атома является то, что он содержит в себе практически всю массу атома, но при этом занимает лишь одну десятитысячную его объема. Что же из этого следует? А вывод напрашивается весьма неожиданный. Это значит, что плотного вещества в атоме — всего лишь одна десятитысячная. А что же занимает все остальное? А все остальное в атоме — электронное облако.

Электронное облако — это не постоянная и даже, по сути, не материальная субстанция. Электронное облако — это лишь вероятность появления электронов в атоме. То есть ядро занимает в атоме лишь одну десятитысячную, а все остальное — пустота. И если учесть, что все окружающие нас предметы, начиная от пылинок и заканчивая небесными телами, планетами и звездами, состоят из атомов, то получается, что все материальное на самом деле более чем на 99 процентов состоит из пустоты. Эта теория кажется вовсе невероятной, а ее автор, как минимум, заблуждающимся человеком, ведь вещи, существующие вокруг, имеют твердую консистенцию, имеют вес и их можно осязать. Как же он могут состоять из пустоты? Не закралась ли ошибка в эту теорию строения вещества? Но ошибки тут никакой нет.

Все материальные вещи кажутся плотными лишь за счет взаимодействия между атомами. Вещи имеют твердую и плотную консистенцию лишь за счет притяжения или же отталкивания между атомами. Это и обеспечивает плотность и твердость кристаллической решетки химических веществ, из которых и состоит все материальное. Но, интересный момент, при изменении, например, температурных условий окружающей среды, связи между атомами, то есть их притяжение и отталкивание может слабеть, что приводит к ослаблению кристаллической решетки и даже к ее разрушению. Именно этим объясняется изменение физических свойств веществ при нагревании. Например, при нагревании железа оно становится жидким и ему можно придать любую форму. А при таянии льда, разрушение кристаллической решетки приводит к изменению состояния вещества, и из твердого оно превращается в жидкое. Это яркие примеры ослабления связей между атомами и, как следствие, ослабления или разрушения кристаллической решетки, и позволяют веществу стать аморфным. А причина таких загадочных метаморфоз как раз в том, что вещества лишь на одну десятитысячную состоят из плотной материи, а все остальное — пустота.

И вещества кажутся твердыми лишь по причине прочных связей между атомами, при ослаблении которых, вещество видоизменяется. Таким образом, квантовая теория строения атома позволяет совершенно по-другому взглянуть на окружающий мир.

Основатель теории атома,Нильс Бор, выдвинул интересную концепцию о том, что электроны в атоме не излучают энергию постоянно, а лишь в момент перехода между траекториями своего движения. Теория Бора помогла объяснить многие внутриатомные процессы, а также сделала прорыв в области такой науки, как химия, объясняя границу таблицы, созданной Менделеевым. Согласно , последний элемент, способный существовать во времени и пространстве, имеет порядковый номер сто тридцать семь, а элементы, начиная со сто тридцать восьмого, существовать не могут, так как их существование противоречит теории относительности. Также, теория Бора объяснила природу такого физического явления, как атомные спектры.

Это спектры взаимодействия свободных атомов, возникающие при излучении энергии между ними. Такие явления характерны для газообразных, парообразных веществ и веществ в состоянии плазмы. Таким образом, квантовая теория сделала революцию в мире физики и позволила продвинуться ученым не только в сфере этой науки, но и в сфере многих смежных наук: химии, термодинамики, оптики и философии. А также позволила человечеству проникнуть в тайны природы вещей.

Еще очень многое надлежит перевернуть человечеству в своем сознании, чтобы осознать природу атомов, понять принципы их поведения и взаимодействия. Поняв это, мы сможем понять и природу окружающего нас мира, ведь все, что нас окружает, начиная с пылинок и заканчивая самим солнцем, да и мы сами — все состоит из атомов, природа которых загадочна и удивительна и таит в себе еще массу тайн.

Как современные физики-теоретики разрабатывают новые теории, описывающие мир? Что такого они добавляют к квантовой механике и общей теории относительности, чтобы построить «теорию всего»? О каких ограничениях идет речь в статьях, говорящих про отсутствие «новой физики»? На все эти вопросы можно ответить, если разобраться, что такое действие - объект, лежащий в основе всех существующих физических теорий. В этой статье я расскажу, что физики понимают под действием, а также покажу, как с его помощью можно построить настоящую физическую теорию, используя всего несколько простых предположений о свойствах рассматриваемой системы.

Сразу предупреждаю: в статье будут формулы и даже несложные вычисления. Впрочем, их вполне можно пропускать без большого вреда для понимания. Вообще говоря, я привожу здесь формулы только для тех заинтересованных читателей, которые непременно хотят разобраться во всем самостоятельно.

Уравнения

Физика описывает наш мир с помощью уравнений, связывающих вместе различные физические величины - скорость, силу, напряженность магнитного поля и так далее. Практически все такие уравнения являются дифференциальными, то есть содержат не только функции, зависящие от величин, но и их производные. Например, одно из самых простых уравнений, описывающее движение точечного тела, содержит вторую производную от его координаты:

Здесь я обозначил вторую производную по времени двумя точками (соответственно, одной точкой будет обозначаться первая производная). Конечно же, это второй закон Ньютона, открытый им в конце XVII века. Ньютон одним из первых осознал необходимость записывать уравнения движения в такой форме, а также разработал дифференциальное и интегральное исчисление, необходимое для их решения. Разумеется, большинство физических законов гораздо сложнее, чем второй закон Ньютона. Например, система уравнений гидродинамики настолько сложна, что ученые до сих пор не знают, разрешима она в общем случае или нет. Проблема существования и гладкости решений этой системы даже входит в список «проблем тысячелетия» , и математический институт Клэя назначил за ее решение приз в один миллион долларов.

Однако как же физики находят эти дифференциальные уравнения? В течение долгого времени единственным источником новых теорий был эксперимент. Другими словами, первым делом ученый проводил измерения нескольких физических величин, и только потом пытался определить, как они связаны. Например, именно таким образом Кеплер открыл три знаменитых закона небесной механики, которые впоследствии привели Ньютона к его классической теории тяготения. Получалось, что эксперимент как будто «бежит впереди теории».

В современной же физике дела устроены немного по-другому. Конечно, эксперимент до сих пор играет в физике очень важную роль. Без экспериментального подтверждения любая теория является всего лишь математической моделью - игрушкой для ума, не имеющей отношения к реальному миру. Однако сейчас физики получают уравнения, описывающие наш мир, не эмпирическим обобщением экспериментальных фактов, а выводят их «из первых принципов», то есть на основании простых предположений о свойствах описываемой системы (например, пространства-времени или электромагнитного поля). В конечном счете, из эксперимента определяются только параметры теории - произвольные коэффициенты, которые входят в выведенное теоретиком уравнение. При этом ключевую роль в теоретической физике играет принцип наименьшего действия , впервые сформулированный Пьером Мопертюи в середине XVIII века и окончательно обобщенный Уильямом Гамильтоном в начале XIX века.

Действие

Что же такое действие? В самой общей формулировке действие - это функционал, который ставит в соответствие траектории движения системы (то есть функции от координат и времени) некоторое число. А принцип наименьшего действия утверждает, что на истинной траектории действие будет минимально. Чтобы разобраться в значении этих умных слов, рассмотрим следующий наглядный пример, взятый из Фейнмановских лекций по физике .

Допустим, мы хотим узнать, по какой траектории будет двигаться тело, помещенное в поле тяжести. Для простоты будем считать, что движение полностью описывается высотой x (t ), то есть тело движется вдоль вертикальной прямой. Предположим, что мы знаем о движении только то, что тело стартует в точке x 1 в момент времени t 1 и приходит в точку x 2 в момент t 2 , а полное время в пути составляет T = t 2 − t 1 . Рассмотрим функцию L , равную разности кинетической энергии К и потенциальной энергии П : L = К − П . Будем считать, что потенциальная энергия зависит только от координаты частицы x (t ), а кинетическая - только от ее скорости ẋ (t ). Также определим действие - функционал S , равный среднему значению L за все время движения: S = ∫ L (x , ẋ , t ) dt .

Очевидно, что значение S будет существенно зависеть от формы траектории x (t ) - собственно, поэтому мы называем его функционалом, а не функцией. Если тело слишком высоко поднимется (траектория 2), вырастет средняя потенциальная энергия, а если оно станет слишком часто петлять (траектория 3), увеличится кинетическая - мы ведь предположили, что полное время движения в точности равно T , а значит, телу нужно увеличить скорость, чтобы успеть пройти все повороты. В действительности функционал S достигает минимума на некоторой оптимальной траектории, которая является участком параболы, проходящей через точки x 1 и x 2 (траектория 1). По счастливому стечению обстоятельств, эта траектория совпадает с траекторией, предсказанной вторым закон Ньютона.

Примеры траекторий, соединяющих точки x 1 и x 2 . Серым отмечена траектория, полученная вариацией истинной траектории. Вертикальное направление отвечает оси x , горизонтальное - оси t

Случайно ли это совпадение? Разумеется, не случайно. Чтобы показать это, предположим, что мы знаем истинную траекторию, и рассмотрим ее вариации . Вариация δx (t ) - это такая добавка к траектории x (t ), которая изменяет ее форму, но оставляет начальную и конечную точки на своих местах (смотри рисунок). Посмотрим, какое значение принимает действие на траекториях, отличающихся от истинной траектории на бесконечно малую вариацию. Раскладывая функцию L и вычисляя интеграл по частям, мы получаем, что изменение S пропорционально вариации δx :

Здесь нам пригодился тот факт, что вариация в точках x 1 и x 2 равна нулю - это позволило отбросить члены, которые появляются после интегрирования по частям. Получившееся выражение очень напоминает формулу для производной, записанную через дифференциалы. Действительно, выражение δS /δx иногда называют вариационной производной. Продолжая эту аналогию, мы заключаем, что при добавлении малой добавки δx к истинной траектории действие измениться не должно, то есть δS = 0. Поскольку добавка может быть практически произвольной (мы зафиксировали только ее концы), это означает, что подынтегральное выражение тоже обращается в ноль. Таким образом, зная действие, можно получить дифференциальное уравнение, описывающее движение системы, - уравнение Эйлера-Лагранжа.

Вернемся к нашей задаче с телом, перемещающимся в поле силы тяжести. Напомню, что мы определили функцию L как разность кинетической и потенциальной энергии тела. Подставляя это выражение в уравнение Эйлера-Лагранжа, мы действительно получаем второй закон Ньютона. В самом деле, наша догадка о виде функции L оказалась очень удачной:

Получается, что с помощью действия можно записывать уравнения движения в очень краткой форме, как будто «упаковывая» все особенности системы внутри функции L . Уже само по себе это достаточно интересно. Однако действие является не просто математической абстракцией, оно обладает глубоким физическим смыслом. В общем-то, современный физик-теоретик первым делом выписывает действие, а только потом выводит уравнения движения и исследует их. Во многих случаях действие для системы можно построить, делая только простейшие предположения о ее свойствах. Посмотрим, как это можно сделать, на нескольких примерах.

Свободная релятивистская частица

Когда Эйнштейн строил специальную теорию относительности (СТО), он постулировал несколько простых утверждений о свойствах нашего пространства-времени. Во-первых, оно является однородным и изотропным, то есть не меняется при конечных смещениях и поворотах. Другими словами, неважно, где вы находитесь - на Земле, на Юпитере или в галактике Малое Магелланово Облако - во всех этих точках законы физики работают одинаково. Кроме того, вы не заметите никаких отличий, если будете двигаться равномерно прямолинейно - в этом заключается принцип относительности Эйнштейна. Во-вторых, никакое тело не может превысить скорость света. Это приводит к тому, что привычные правила пересчета скоростей и времени при переходе между различными системами отсчета - преобразования Галилея - нужно заменить на более правильные преобразования Лоренца . В результате по-настоящему релятивистской величиной, одинаковой во всех системах отсчета, становится не расстояние, а интервал - собственное время частицы. Интервал s 1 − s 2 между двумя заданными точками можно найти с помощью следующей формулы, где c - скорость света:

Как мы увидели в предыдущей части, нам достаточно выписать действие для свободной частицы, чтобы найти ее уравнение движения. Разумно предположить, что действие является релятивистским инвариантом, то есть выглядит одинаково в разных системах отсчета, поскольку физические законы в них одинаковы. Кроме того, мы хотели бы, чтобы действие записывалось как можно проще (сложные выражения оставим на потом). Самый простой релятивистский инвариант, который можно связать с точечной частицей - это длина ее мировой линии . Выбирая этот инвариант в качестве действия (чтобы размерность выражения была правильной, умножим его на коэффициент −mc ) и варьируя его, мы получаем следующее уравнение:

Проще говоря, 4-ускорение свободной релятивистской частицы должно быть равно нулю. 4-ускорение, как и 4-скорость - это обобщения понятий ускорения и скорости на четырехмерное пространство-время. В результате свободная частица может двигаться только вдоль заданной прямой с постоянной 4-скоростью. В пределе низких скоростей изменение интервала практически совпадает с изменением времени, а потому полученное нами уравнение переходит в уже обсуждавшийся выше второй закон Ньютона: mẍ = 0. С другой стороны, условие равенства нулю 4-ускорения выполняется для свободной частицы и в общей теории относительности, только в ней пространство-время уже начинает искривляться и частица не обязательно будет двигаться вдоль прямой даже при отсутствии внешних сил.

Электромагнитное поле

Как известно, электромагнитное поле проявляет себя во взаимодействии с заряженными телами. Обычно это взаимодействие описывают с помощью векторов напряженности электрического и магнитного поля, которые связаны системой из четырех уравнений Максвелла . Практически симметричный вид уравнений Максвелла наводит на мысль, что эти поля не являются независимыми сущностями - то, что кажется нам электрическим полем в одной системе отсчета, может превратиться в магнитное поле, если перейти в другую систему.

В самом деле, рассмотрим провод, по которому бегут с одинаковой и постоянной скоростью электроны. В системе отсчета, связанной с электронами, есть только постоянное электрическое поле, которое можно найти с помощью закона Кулона . Однако в исходной системе отсчета движение электронов создает постоянный электрический ток, который, в свою очередь, наводит постоянное магнитное поле (закон Био-Савара). В то же время, согласно с принципом относительности, в выбранных нами системах отсчета законы физики должны совпадать. Это значит, что и электрическое, и магнитное поля являются частями какой-то одной, более общей сущности.

Тензоры

Прежде чем мы перейдем к ковариантной формулировке электродинамики, стоит сказать несколько слов по поводу математики специальной и общей теории относительности. Важнейшую роль в этих теориях играет понятие тензора (да и в других современных теориях тоже, если честно). Если совсем грубо, то тензор ранга (n , m ) можно представлять себе как (n +m )-мерную матрицу, компоненты которой зависят от координат и времени. Вдобавок к этому тензор должен определенным хитрым образом меняться при переходе из одной системы отсчета в другую или при изменениях координатной сетки. Как именно, определяет число контравариантных и ковариантных индексов (n и m соответственно). При этом сам тензор как физическая сущность при подобных преобразованиях не меняется - так же как не меняется при них 4-вектор, который является частным случаем тензора ранга 1.

Нумеруются компоненты тензора с помощью индексов. Для удобства различают верхние и нижние индексы, чтобы сразу видеть, как преобразуется тензор при смене координат или системы отсчета. Так, например, компонента тензора T ранга (3, 0) записывается как T αβγ , а тензора U ранга (2, 1) - как U α β γ . По сложившейся традиции, компоненты четырехмерных тензоров нумеруют греческими буквами, а трехмерных - латинскими. Впрочем, некоторые физики предпочитают делать наоборот (например, Ландау).

Кроме того, для краткости Эйнштейн предложил не писать знак суммы «Σ» при сворачивании тензорных выражений. Свертка - это суммирование тензора по двум заданным индексам, причем один из них обязательно должен быть «верхним» (контравариантным), а другой - «нижним» (ковариантным). Например, чтобы вычислить след матрицы - тензора ранга (1, 1) - нужно свернуть ее по двум имеющимся индексам: Tr[A μ ν ] = Σ A μ μ = A μ μ . Поднимать и опускать индексы можно с помощью метрического тензора: T αβ γ = T αβμ g μγ .

Наконец, удобно ввести абсолютно антисимметричный псевдотензор ε μνρσ - тензор, который меняет знак при любых перестановках индексов (например, ε μνρσ = −ε νμρσ) и у которого компонента ε 1234 = +1. Еще его называют тензором Леви-Чивита. При поворотах системы координат ε μνρσ ведет себя как обычный тензор, однако при инверсиях (замене вроде x → −x ) он преобразуется по-другому.

Действительно, векторы электрического и магнитного поля объединяются в такую структуру, которая является инвариантной относительно преобразований Лоренца - то есть не меняется при переходе между различными (инерциальными) системами отсчета. Это так называемый тензор электромагнитного поля F μν . Нагляднее всего будет записать его в виде следующей матрицы:

Здесь компоненты электрического поля обозначены буквой E , а компоненты магнитного поля - буквой H . Легко видеть, что тензор электромагнитного поля является антисимметричным, то есть его компоненты, стоящие по разные стороны от диагонали, равны по модулю и имеют противоположные знаки. Если мы хотим получить уравнения Максвелла «из первых принципов», нам нужно выписать действие электродинамики. Чтобы сделать это, мы должны сконструировать самую простую скалярную комбинацию из имеющихся у нас тензорных объектов, так или иначе связанных с полем или со свойствами пространства-времени.

Если задуматься, выбор у нас невелик - в качестве «строительных блоков» может выступать только тензор поля F μν , метрический тензор g μν и абсолютно антисимметричный тензор ε μνρσ . Из них можно собрать всего две скалярные комбинации, причем одна из них является полной производной, то есть ее можно не учитывать при выводе уравнений Эйлера-Лагранжа - после интегрирования эта часть просто обратится в ноль. Выбирая оставшуюся комбинацию в качестве действия и варьируя его, мы получим пару уравнений Максвелла - половину системы (первая строчка). Казалось бы, двух уравнений мы не досчитались. Однако на самом деле нам не нужно выписывать действие, чтобы вывести оставшиеся уравнения - они следуют напрямую из антисимметричности тензора F μν (вторая строчка):

И снова мы получили правильные уравнения движения, выбрав в качестве действия простейшую возможную комбинацию. Правда, поскольку мы не учитывали существование зарядов в нашем пространстве, мы получили уравнения для свободного поля, то есть для электромагнитной волны. При добавлении зарядов в теорию их влияние тоже нужно учитывать. Это делается включением вектора 4-тока в действие.

Гравитация

Настоящим триумфом принципа наименьшего действия в свое время стало построение общей теории относительности (ОТО). Благодаря ему впервые были выведены законы движения, которые ученые не могли получить путем анализа экспериментальных данных. Или могли, но не успели. Вместо этого Эйнштейн (и Гильберт, если угодно) вывел уравнения на метрику, отталкиваясь от предположений о свойствах пространства-времени. Начиная с этого момента, теоретическая физика стала «обгонять» экспериментальную.

В ОТО метрика перестает быть постоянной (как в СТО) и начинает зависеть от плотности помещенной в нее энергии. Замечу, что корректнее говорить все-таки об энергии, а не о массе, хотя эти две величины связаны соотношением E = mc 2 в собственной системе отсчета. Напомню, что метрика задает правила, по которым вычисляется расстояние между двумя точками (строго говоря, бесконечно близкими точками). Важно, что метрика не зависит от выбора системы координат. Например, плоское трехмерное пространство можно описать с помощью декартовой либо сферической системы координат, но в обоих случаях метрика пространства будет совпадать.

Чтобы выписать действие для гравитации, нам нужно построить из метрики какой-нибудь инвариант, который не будет меняться при изменении координатной сетки. Самым простым таким инвариантом является детерминант метрики. Тем не менее, если мы включим в действие только его, мы не получим дифференциальное уравнение, поскольку это выражение не содержит производных метрики. А если уравнение не является дифференциальным, оно не может описывать ситуации, в которых метрика меняется со временем. Поэтому нам нужно добавить к действию простейший инвариант, который содержит производные g μν . Таким инвариантом является так называемый скаляр Риччи R , который получается сверткой тензора Римана R μνρσ , описывающего кривизну пространства-времени:

Robert Couse-Baker / flickr.com

Теория всего

Наконец, пришло время поговорить о «теории всего». Так называют несколько теорий, которые пытаются объединить ОТО и Стандартную модель - две основные известные на данный момент физические теории. Ученые предпринимают такие попытки не только из эстетических соображений (чем меньше теорий нужно для понимания мира - тем лучше), но и по более веским причинам.

И у ОТО, и у Стандартной модели есть границы применимости, после которых они перестают работать. Например, ОТО предсказывает существование сингулярностей - точек, в которых плотность энергии, а значит, и кривизна пространства-времени, стремится к бесконечности. Мало того, что бесконечности сами по себе малоприятны - вдобавок к этой проблеме Стандартная модель утверждает, что энергию невозможно локализовать в точке, ее нужно размазывать по некоторому, пусть и небольшому, объему. Поэтому вблизи сингулярности эффекты и ОТО, и Стандартной модели должны быть велики. В то же время ОТО до сих пор не удалось проквантовать, а Стандартная модель строится в предположении плоского пространства-времени. Если мы хотим понимать, что происходит около сингулярностей, нам нужно разработать теорию, которая будет включать в себя обе указанные теории.

Имея в виду, какой успех имел принцип наименьшего действия в прошлом, ученые основывают на нем все свои попытки построить новую теорию. Помните, мы рассматривали только самые простые комбинации, когда строили действие для различных теорий? Тогда наши действия увенчались успехом, но это вовсе не значит, что самое простое действие является самым правильным. Вообще говоря, природа не обязана подстраивать свои законы, чтобы упростить нашу жизнь.

Поэтому разумно включить в действие следующие, более сложные инвариантные величины и посмотреть, к чему это приведет. Чем-то это напоминает последовательное приближении функции многочленами все более высоких степеней. Проблема тут только в том, что все такие поправки входят в действие с некими неизвестными коэффициентами, которые нельзя вычислить теоретически. К тому же, поскольку Стандартная модель и ОТО в целом все-таки хорошо работают, эти коэффициенты должны быть очень маленькими - следовательно, их сложно определить из эксперимента. Многочисленные работы, сообщающие об «ограничениях на новую физику», как раз-таки направлены на определение коэффициентов при высших порядках теории. До сих пор им удалось найти только ограничения сверху.

Кроме того, существуют подходы, вводящие новые, нетривиальные концепции. Например, теория струн предполагает, что свойства нашего мира можно описать с помощью колебаний не точечных, а протяженных объектов - струн. К сожалению, экспериментальные подтверждения теории струн до сих пор не найдены. Например, она предсказывала некоторые возбуждения на ускорителях, но они так и не проявились.

В общем, пока не похоже, что ученые близко подобрались к открытию «теории всего». Наверное, теоретикам все-таки придется придумывать что-то существенно новое. Впрочем, можно не сомневаться, что первым делом они выпишут для новой теории действие.

***

Если все эти рассуждения показались вам сложными и вы пролистали статью не читая, вот краткая выжимка тех фактов, которые в ней обсуждались. Во-первых, все современные физические теории так или иначе полагаются на понятие действия - величины, которая описывает, насколько системе «нравится» та или иная траектория движения. Во-вторых, уравнения движения системы можно получить, разыскивая траекторию, на которой действие принимает наименьшее значение. В-третьих, действие можно построить, используя всего несколько элементарных предположений о свойствах системы. Например, о том, что законы физики совпадают в системах отсчета, которые движутся с разными скоростями. В-четвертых, некоторые из кандидатов на «теорию всего» получаются простым добавлением в действие Стандартной модели и ОТО членов, которые нарушают какое-то из предположений этих теорий. Например, лоренц-инвариантность. Если после прочтения статьи вы запомнили перечисленные утверждения, это уже хорошо. А если вы еще и поняли, откуда они берутся - просто замечательно.

Дмитрий Трунин

Ярко блестела золотистая осенняя листва деревьев. Лучи вечернего солнца коснулись поредевших верхушек. Свет пробился сквозь ветки и устроил спектакль из причудливых фигур, мелькавших на стене университетской «каптёрки».

Задумчивый взгляд сэра Гамильтона медленно скользил, наблюдая за игрой светотени. В голове ирландского математика шла настоящая плавильня мыслей, идей и выводов. Он прекрасно понимал, что объяснение многих явлений с помощью Ньютоновской механики подобно игре теней на стене, обманчиво сплетающих фигуры и оставляющих без ответа многие вопросы. «Возможно, это волна… а может быть, поток частиц, - размышлял учёный, - или свет является проявлением обоих явлений. Подобно фигурам, сотканным из тени и света».

Начало квантовой физики

Интересно наблюдать за великими людьми и пытаться осознать, как рождаются великие идеи, изменяющие ход эволюции всего человечества. Гамильтон - один из тех, кто стоял у истоков зарождения квантовой физики. Спустя пятьдесят лет, в начале двадцатого века, изучением элементарных частиц занимались многие учёные. Полученные знания были противоречивы и нескомпилированы. Однако первые шаткие шаги были сделаны.

Понимание микромира в начале ХХ века

В 1901 году была представлена первая модель атома и показана её несостоятельность, с позиции обычной электродинамики. В этот же период Макс Планк и Нильс Бор публикуют множество трудов о природе атома. Несмотря на их полного понимания структуры атома не существовало.

Спустя несколько лет, в 1905 году, малоизвестный немецкий учёный Альберт Эйнштейн опубликовал доклад о возможности существования светового кванта в двух состояниях - волнового и корпускулярного (частицы). В его труде приводились доводы, поясняющие причину несостоятельности модели. Однако видение Эйнштейна было ограничено старым пониманием модели атома.

После многочисленных трудов Нильса Бора и его коллег в 1925 году зародилось новое направление - некое подобие квантовой механики. Распространённое выражение - «квантовая механика» появилось спустя тридцать лет.

Что мы знаем о квантах и их причудах?

На сегодня квантовая физика ушла достаточно далеко. Открыто много различных явлений. Но что мы знаем на самом деле? Ответ представлен одним учёным современности. "В квантовую физику можно либо верить, либо ее не понимать", - таково определение Подумайте над этим сами. Достаточно будет упомянуть такое явление, как квантовая запутанность частиц. Это явление ввергло научный мир в положение полного недоумения. Ещё большим шоком стало то, что возникший парадокс несовместим с и Эйнштейна.

Впервые эффект квантовой запутанности фотонов обсуждался в 1927 году на пятом Солвеевском Конгрессе. Между Нильсом Бором и Эйнштейном возник жаркий спор. Парадокс квантовой спутанности полностью изменил понимание сути материального мира.

Известно, что все тела состоят из элементарных частиц. Соответственно, все явления квантовой механики отражаются в обычном мире. Нильс Бор говорил, что если мы не смотрим на Луну, то её не существует. Эйнштейн считал это неразумным и полагал, что объект существует независимо от наблюдателя.

При изучении проблем квантовой механики следует понимать, что её механизмы и законы взаимосвязаны между собой и не подчиняются классической физике. Попробуем разобраться в самой противоречивой области - квантовой запутанности частиц.

Теория квантовой запутанности

Для начала стоит понимать, что квантовая физика подобна бездонному колодцу, в котором можно обнаружить все, что угодно. Явление квантовой запутанности в начале прошлого века изучалось Эйнштейном, Бором, Максвеллом, Бойлем, Беллом, Планком и многими другими физиками. На протяжении двадцатого века по всему миру активно изучали это и экспериментировали тысячи учёных.

Мир подчинён строгим законам физики

Почему такой интерес к парадоксам квантовой механики? Все очень просто: мы живём, подчиняясь определённым законам физического мира. Умение «обходить» предопределённость открывает магическую дверь, за которой все становится возможным. К примеру, концепция «Кота Шрёдингера» ведёт к управлению материей. Также станет возможна телепортация информации, которую вызывает квантовая запутанность. Передача информации станет мгновенной, независимо от расстояния.
Этот вопрос пока находится в стадии изучения, однако имеет положительную тенденцию.

Аналогия и понимание

Чем же уникальна квантовая запутанность, как её понять и что происходит при этом? Попробуем разобраться. Для этого потребуется провести некий мысленный эксперимент. Представьте, что у вас в руках две коробки. В каждой из них лежит по одному мячу с полосой. Теперь одну коробку отдаём космонавту, и он улетает на Марс. Как только вы открываете коробку и видите, что полоса на мяче горизонтальна, то в другой коробке мяч автоматически будет иметь вертикальную полосу. Это и будет квантовая запутанность простыми словами выраженная: один объект предопределяет положение другого.

Однако следует понимать, что это лишь поверхностное объяснение. Для того чтобы получить квантовую запутанность, необходимо, чтобы частицы имели одинаковое происхождение, подобно близнецам.

Очень важно понимать, что эксперимент будет сорван, если до вас кто-то имел возможность посмотреть хотя бы на один из объектов.

Где может быть использована квантовая спутанность?

Принцип квантовой запутанности может быть использован для передачи информации на большие расстояния мгновенно. Подобный вывод противоречит теории относительности Эйнштейна. Она гласит, что максимальная скорость перемещения присуща только свету - триста тысяч километров в секунду. Подобная передача информации даёт возможность существования физической телепортации.

Все в мире - информация, в том числе и материя. К такому выводу пришли квантовые физики. В 2008 году на основании теоретической базы данных удалось увидеть квантовую спутанность невооружённым глазом.

Это в очередной раз говорит о том, что мы стоим на пороге великих открытий - перемещения в пространстве и во времени. Время во Вселенной дискретно, поэтому мгновенное перемещение на огромные расстояния даёт возможность попадать в различную плотность времени (на основании гипотез Эйнштейна, Бора). Возможно, в будущем это будет реальностью так же, как мобильный телефон сегодня.

Эфиродинамика и квантовая запутанность

По мнению некоторых ведущих учёных, квантовая спутанность поясняется тем, что пространство заполнено неким эфиром - чёрной материей. Любая элементарная частица, как нам известно, пребывает в виде волны и корпускулы (частицы). Некоторые учёные считают, что все частицы находятся на «полотне» тёмной энергии. Понять это непросто. Давайте попробуем разобраться другим путём - методом ассоциации.

Представьте себя на берегу моря. Лёгкий бриз и слабое дуновение ветра. Видите волны? А где-то вдалеке, в отблесках лучей солнца, виден парусник.
Корабль будет нашей элементарной частицей, а море - эфиром (тёмной энергией).
Море может находиться в движении в виде видимых волн и капель воды. Точно так же и все элементарные частицы могут быть просто морем (её составляющей неотъемлемой частью) или же отдельной частицей - каплей.

Это упрощённый пример, все несколько сложнее. Частицы без присутствия наблюдателя находятся в виде волны и не имеют определённого местоположения.

Белый парусник - это выделенный объект, он отличается от глади и структуры воды моря. Точно так же существуют «пики» в океане энергии, которые мы можем воспринимать как проявление известных нам сил, сформировавших материальную часть мира.

Микромир живёт по своим законам

Принцип квантовой запутанности можно понять, если брать в учёт то, что элементарные частицы находятся в виде волн. Не имея определённого местоположения и характеристик, обе частицы пребывают в океане энергии. В момент появления наблюдателя волна «превращается» в доступный осязанию объект. Вторая частица, соблюдая систему равновесия, приобретает противоположные свойства.

Описанная статья не направлена на ёмкие научные описания квантового мира. Возможность осмысления обычного человека базируется на доступности понимания изложенного материала.

Физика элементарных частиц изучает запутанность квантовых состояний на основании спина (вращения) элементарной частицы.

Научным языком (упрощённо) - квантовая спутанность определяется по разному спину. В процессе наблюдения за объектами учёные увидели, что может существовать только два спина - вдоль и поперёк. Как ни странно, в других положениях частицы наблюдателю не «позируют».

Новая гипотеза - новый взгляд на мир

Изучение микрокосмоса - пространства элементарных частиц - породило множество гипотез и предположений. Эффект квантовой запутанности натолкнул учёных на мысль о существовании некой квантовой микрорешётки. По их мнению, в каждом узле - точке пересечения - находится квант. Вся энергия - целостная решётка, а проявление и движение частиц возможно только через узлы решётки.

Размер «окна» такой решётки достаточно мал, и измерение современным оборудованием невозможно. Однако, чтобы подтвердить или опровергнуть данную гипотезу, учёные решили изучить движение фотонов в пространственной квантовой решётке. Суть в том, что фотон может двигаться либо прямо, либо зигзагами - по диагонали решётки. Во втором случае, преодолев большую дистанцию, он потратит больше энергии. Соответственно, будет отличаться от фотона, движущегося по прямой линии.

Возможно, со временем мы узнаем, что живём в пространственной квантовой решётке. Или же может оказаться неверным. Однако именно принцип квантовой запутанности указывает на возможность существования решётки.

Если говорить простым языком, то в гипотетическом пространственном «кубе» определение одной грани несёт за собой чёткое противоположное значение другой. Таков принцип сохранения структуры пространство - время.

Эпилог

Чтобы понимать волшебный и загадочный мир квантовой физики, стоит внимательно всмотреться в ход развития науки за последние пятьсот лет. Раньше считалось, что Земля имеет плоскую форму, а не сферическую. Причина очевидна: если принять её форму круглой, то вода и люди не смогут удержаться.

Как мы видим, проблема существовала в отсутствии полного видения всех действующих сил. Возможно, что современной науке для понимания квантовой физики не хватает видения всех действующих сил. Пробелы видения порождают систему противоречий и парадоксов. Возможно, магический мир квантовой механики хранит в себе ответы на поставленные вопросы.