Selles raamatus tutvustavad autoriteetsed teadlased Brian Cox ja Jeff Forshaw lugejatele kvantmehaanikat – maailma põhimudelit. Nad räägivad, millised tähelepanekud viisid füüsikud kvantteooria juurde, kuidas see välja töötati ja miks teadlased on hoolimata selle kummalisusest selles nii kindlad. Raamat on mõeldud kõigile, keda huvitab kvantfüüsika ja Universumi ehitus.

Midagi imelikku on tulemas.
Kvant. See sõna köidab ühtaegu meeli, ajab segadusse ja lummab. Olenevalt vaatenurgast on see kas tõend teaduse tohututest edusammudest või sümboliseerib inimliku intuitsiooni piiratust, mis on sunnitud võitlema subatomilise valdkonna paratamatu kummalisusega. Füüsiku jaoks on kvantmehaanika üks kolmest suurest tugisambast, millel looduse mõistmine toetub (teised kaks on Einsteini üld- ja erirelatiivsusteooriad). Einsteini teooriad käsitlevad ruumi ja aja olemust ning gravitatsioonijõudu. Kvantmehaanika hoolitseb kõige muu eest ja võib öelda, et ükskõik kui emotsionaalselt köitev, segane või paeluv on, on see lihtsalt füüsikaline teooria, mis kirjeldab, kuidas loodus tegelikult käitub. Kuid isegi selle väga pragmaatilise kriteeriumi järgi mõõdetuna torkab see silma oma täpsuse ja seletusvõime poolest. Kvantelektrodünaamika valdkonnast on üks eksperiment, mis on vanim ja kõige paremini mõistetav kaasaegsetest kvantteooriatest. See mõõdab, kuidas elektron käitub magneti läheduses. Teoreetilised füüsikud töötasid aastaid kõvasti pliiatsi ja paberiga ning hiljem arvutitega, et ennustada täpselt, mida sellised uuringud paljastavad. Praktikud mõtlesid välja ja korraldasid katseid, et loodusest rohkem üksikasju teada saada. Mõlemad leerid andsid üksteisest sõltumatult tulemusi Manchesteri ja New Yorgi vahemaa mõõtmisele sarnase täpsusega mõnesentimeetrise veaga. Tähelepanuväärne on see, et katsetajate saadud arvud vastasid täielikult teoreetikute arvutuste tulemustele; mõõtmised ja arvutused olid täiesti kooskõlas.
See pole mitte ainult muljetavaldav, vaid üllatav ja kui kvantteooria ainus mure oleks mudelite loomine, võiksite õigusega küsida, milles probleem seisneb. Teadus ei pea muidugi kasulik olema, kuid paljud tehnoloogilised ja sotsiaalsed muutused muutis meie elu revolutsiooni, tekkis tänapäevaste teadlaste läbiviidud fundamentaaluuringutest, keda juhib ainult soov paremini mõista maailm. Tänu nendele uudishimust lähtuvatele avastustele kõigis teadusharudes on meil pikenenud eluiga, rahvusvahelised lennureisid, meil on vabadus oma ellujäämise nimel taluda ning avar, inspireeriv ja silmiavav pilt meie kohast lõputus maailmas. tähtede meri. Kuid see kõik on teatud mõttes kõrvalsaadused. Uurime uudishimust, mitte sellepärast, et tahaksime tegelikkusest paremini aru saada või paremaid nipsasju välja töötada.

Sisu
Midagi imelikku on tulemas
Kahes kohas korraga
Mis on osake?
Kõik, mis võib juhtuda, juhtub tõesti
Liikumine kui illusioon
Aatomite muusika
Universum nööpnõela otsas (ja miks me läbi maa ei kuku)
Vastastikune sõltuvus
Kaasaegne maailm
Interaktsioon
Tühi ruum pole nii tühi Epiloog: Tähtede surm
Edasiseks lugemiseks.

Nupud ülal ja all "Osta paberraamat" ja kasutades linki "Osta", saate osta selle raamatu koos kohaletoimetamisega kogu Venemaal ja sarnaseid raamatuid parim hind paberkujul ametlike veebipoodide Labyrinth, Ozon, Bukvoed, Chitai-gorod, Litres, My-shop, Book24, Books.ru veebisaitidel.

Lehekülg 1 68-st

Teaduslikud toimetajad Vjatšeslav Maracha ja Mihhail Pavlov

Avaldatud Apollo's Children Ltd ning Jeff Forshow ja Diane Banks Associates Ltd loal.

Kirjastusele pakub õigusabi Vegas Lex advokaadibüroo.

* * *

1. Midagi imelikku on tulemas

Kvant. See sõna köidab ühtaegu meeli, ajab segadusse ja lummab. Olenevalt vaatenurgast on see kas tõend teaduse tohututest edusammudest või sümboliseerib inimliku intuitsiooni piiratust, mis on sunnitud võitlema subatomilise valdkonna paratamatu kummalisusega. Füüsiku jaoks on kvantmehaanika üks kolmest suurest tugisambast, millel looduse mõistmine toetub (ülejäänud kaks on Einsteini üld- ja erirelatiivsusteooriad). Einsteini teooriad käsitlevad ruumi ja aja olemust ning gravitatsioonijõudu. Kvantmehaanika hoolitseb kõige muu eest ja võib öelda, et ükskõik kui meeldejääv, segadust tekitav või lummav see ka poleks, on see vaid füüsikaline teooria, mis kirjeldab, kuidas loodus tegelikult käitub. Kuid isegi selle väga pragmaatilise kriteeriumi järgi mõõdetuna torkab see silma oma täpsuse ja seletusvõime poolest. Kvantelektrodünaamika valdkonnast on üks eksperiment, mis on vanim ja kõige paremini mõistetav kaasaegsetest kvantteooriatest. See mõõdab, kuidas elektron käitub magneti läheduses. Teoreetilised füüsikud töötasid aastaid kõvasti pliiatsi ja paberiga ning hiljem arvutitega, et ennustada täpselt, mida sellised uuringud paljastavad. Praktikud mõtlesid välja ja korraldasid katseid, et loodusest rohkem üksikasju teada saada. Mõlemad leerid andsid üksteisest sõltumatult tulemusi Manchesteri ja New Yorgi vahemaa mõõtmisele sarnase täpsusega mõnesentimeetrise veaga. Tähelepanuväärne on see, et katsetajate saadud arvud vastasid täielikult teoreetikute arvutuste tulemustele; mõõtmised ja arvutused olid täiesti kooskõlas.

See pole mitte ainult muljetavaldav, vaid üllatav ja kui kvantteooria ainus mure oleks mudelite loomine, võiksite õigusega küsida, milles probleem seisneb. Teadus ei pea muidugi kasulik olema, kuid paljud meie elusid muutnud tehnoloogilised ja sotsiaalsed muutused on tulnud tänapäevaste teadlaste läbiviidud fundamentaaluuringutest, keda juhib vaid soov ümbritsevat maailma paremini mõista. neid. Tänu nendele uudishimust lähtuvatele avastustele kõigis teadusharudes on meil pikenenud eluiga, rahvusvahelised lennureisid, meil on vabadus oma ellujäämise nimel taluda ning avar, inspireeriv ja silmiavav pilt meie kohast lõputus maailmas. tähtede meri. Kuid see kõik on teatud mõttes kõrvalsaadused. Uurime uudishimust, mitte sellepärast, et tahaksime tegelikkusest paremini aru saada või paremaid nipsasju välja töötada.

Kvantteooria on võib-olla parim näide sellest, kuidas see, mida enamikule inimestele on ääretult raske mõista, muutub äärmiselt kasulikuks. Seda on raske mõista, kuna see kirjeldab maailma, milles osake võib tegelikult olla korraga mitmes kohas ja liikuda ühest kohast teise, uurides seeläbi kogu Universumit. See on kasulik, sest universumi väikseimate ehitusplokkide käitumise mõistmine tugevdab arusaamist kõigest muust. See seab meie kõrkusele piiri, sest maailm on palju keerulisem ja mitmekesisem, kui tundus. Vaatamata kõigele sellele keerukusele avastasime, et kõik koosneb paljudest pisikestest osakestest, mis liiguvad vastavalt kvantteooria seadustele. Need seadused on nii lihtsad, et neid saab kirjutada ümbriku tagaküljele. Ja see, et asjade sügava olemuse selgitamiseks ei nõuta tervet raamatukogu, on iseenesest üks maailma suurimaid saladusi.

Niisiis, mida rohkem me õpime tundma universumi elementaarset olemust, seda lihtsam see meile tundub. Järk-järgult hakkame mõistma kõiki seadusi ja seda, kuidas need väikesed ehituskivid maailma moodustavad. Kuid nii lummatud kui ka universumi aluseks olev lihtsus, peame meeles pidama, et kuigi mängu põhireeglid on lihtsad, pole nende tagajärgi alati lihtne välja arvutada. Meie igapäevase maailma tundmise kogemuse määravad paljude miljardite aatomite suhted ja oleks lihtsalt rumal püüda nende aatomite käitumise nüanssidest tuletada inimeste, loomade ja taimede käitumise põhimõtteid. Olles seda mõistnud, ei vähenda me selle tähtsust: kõigi nähtuste taga on lõpuks peidus mikroskoopiliste osakeste kvantfüüsika.

Kujutage ette maailma meie ümber. Sa hoiad käes raamatut, mis on valmistatud paberist – jahvatatud puidumassist. Puud on masinad, mis on võimelised võtma aatomeid ja molekule, neid lagundama ja ümber korraldama miljarditest üksikutest tükkidest koosnevateks kolooniateks. Nad teevad seda tänu klorofüllina tuntud molekulile, mis koosneb enam kui sajast süsiniku-, vesiniku- ja hapnikuaatomist, mis on erilisel viisil kõverad ning seotud veel mõne magneesiumi- ja vesinikuaatomiga. Selline osakeste kombinatsioon on võimeline kinni püüdma valgust, mis on lennanud 150 000 000 km kaugusele meie tähest – tuumakambrist, mille maht on miljon planeeti nagu Maa – ja transpordib selle energia sügavale rakkudesse, kus see tekitab süsihappegaasist ja süsinikdioksiidist uusi molekule. vett ja vabastab, andes meie elule hapnikku.

Just need molekulaarsed ahelad moodustavad pealisehituse, mis hoiab koos puid, selle raamatu paberit ja kogu elu. Saate lugeda raamatut ja mõista sõnu, sest teil on silmad, mis võivad muuta lehtedelt hajutatud valguse elektrilisteks impulssideks, mida aju, universumi kõige keerulisem struktuur, mida me teame, tõlgendada saab. Oleme avastanud, et kõik asjad maailmas pole midagi muud kui aatomite kogum ja kõige laiem aatomite valik koosneb vaid kolmest osakesest – elektronidest, prootonitest ja neutronitest. Teame ka, et prootonid ja neutronid ise koosnevad väiksematest üksustest, mida nimetatakse kvarkideks, ja sellega see kõik lõpeb – vähemalt nii me praegu arvame. Kõik see põhineb kvantteoorial.

Seega joonistab kaasaegne füüsika erakordse lihtsusega pildi Universumist, milles me elame; elegantsed nähtused tekivad kuskil, kus neid pole näha, tekitades makrokosmose mitmekesisuse. Võimalik, et suurim saavutus kaasaegne teadus- maailma, sealhulgas inimeste endi, uskumatu keerukuse taandamine käputäie kõige väiksemate subatomaarsete osakeste ja nende vahel mõjuva nelja jõu käitumise kirjelduseks. Parimad kirjeldused kolm neist neljast jõust – tugevad ja nõrgad tuumajõud, mis eksisteerivad aatomituuma sees, ning elektromagnetiline jõud, mis hoiab aatomeid ja molekule koos – on kvantteoorias. Ainult gravitatsioonijõul - kõige nõrgemal, kuid võib-olla kõige tuttavamal jõul - ei ole praegu rahuldavat kvantkirjeldust.

Olenevalt vaatenurgast on kvantteooria kas teaduse tohutute edusammude tunnistus või inimese intuitsiooni piiratuse sümbol, mis on sunnitud võitlema subatomilise valdkonna veidrustega. Füüsiku jaoks on kvantmehaanika üks kolmest suurest tugisambast, millel looduse mõistmine põhineb (koos Einsteini üld- ja erirelatiivsusteooriatega). Neile, kes on alati tahtnud mõista vähemalt midagi maailma struktuuri alusmudelist, selgitavad teadlased Brian Cox ja Jeff Forshaw oma raamatus "The Quantum Universe", mille avaldas MIF. T&P avaldab lühikese lõigu kvanti olemuse ja teooria päritolu kohta.

Einsteini teooriad käsitlevad ruumi ja aja olemust ning gravitatsioonijõudu. Kvantmehaanika hoolitseb kõige muu eest ja võib öelda, et ükskõik kui emotsionaalselt köitev, segane või paeluv on, on see lihtsalt füüsikaline teooria, mis kirjeldab, kuidas loodus tegelikult käitub. Kuid isegi selle väga pragmaatilise kriteeriumi järgi mõõdetuna torkab see silma oma täpsuse ja seletusvõime poolest. Kvantelektrodünaamika valdkonnast on üks eksperiment, mis on vanim ja kõige paremini mõistetav kaasaegsetest kvantteooriatest. See mõõdab, kuidas elektron käitub magneti läheduses. Teoreetilised füüsikud töötasid aastaid kõvasti pliiatsi ja paberiga ning hiljem arvutitega, et ennustada täpselt, mida sellised uuringud paljastavad. Praktikud mõtlesid välja ja korraldasid katseid, et loodusest rohkem üksikasju teada saada. Mõlemad leerid andsid üksteisest sõltumatult tulemusi Manchesteri ja New Yorgi vahemaa mõõtmisele sarnase täpsusega mõnesentimeetrise veaga. Tähelepanuväärne on see, et katsetajate saadud arvud vastasid täielikult teoreetikute arvutuste tulemustele; mõõtmised ja arvutused olid täiesti kooskõlas.

Kvantteooria on ehk parim näide sellest, kuidas enamiku inimeste jaoks lõpmatult raskesti mõistetav muutub äärmiselt kasulikuks. Seda on raske mõista, kuna see kirjeldab maailma, milles osake võib tegelikult olla korraga mitmes kohas ja liikuda ühest kohast teise, uurides seeläbi kogu Universumit. See on kasulik, sest universumi väikseimate ehitusplokkide käitumise mõistmine tugevdab arusaamist kõigest muust. See seab meie kõrkusele piiri, sest maailm on palju keerulisem ja mitmekesisem, kui tundus. Vaatamata kõigele sellele keerukusele avastasime, et kõik koosneb paljudest pisikestest osakestest, mis liiguvad vastavalt kvantteooria seadustele. Need seadused on nii lihtsad, et neid saab kirjutada ümbriku tagaküljele. Ja see, et asjade sügava olemuse selgitamiseks ei nõuta tervet raamatukogu, on iseenesest üks maailma suurimaid saladusi.

Kujutage ette maailma meie ümber. Oletame, et hoiate käes paberist - jahvatatud puidumassist - raamatut. Puud on masinad, mis on võimelised võtma aatomeid ja molekule, neid lagundama ja ümber korraldama miljarditest üksikutest tükkidest koosnevateks kolooniateks. Nad teevad seda tänu klorofüllina tuntud molekulile, mis koosneb enam kui sajast süsiniku-, vesiniku- ja hapnikuaatomist, mis on erilisel viisil kõverad ning seotud veel mõne magneesiumi- ja vesinikuaatomiga. Selline osakeste kombinatsioon suudab kinni püüda valgust, mis on lennanud 150 000 000 km kaugusele meie tähest - tuumakambrist, mille maht on miljon planeeti nagu Maa - ja transportida selle energia sügavale rakkudesse, kus see tekitab süsihappegaasist uusi molekule. ja vesi ja eraldused annavad meie elule hapnikku.

Just need molekulaarsed ahelad moodustavad pealisehituse, mis hoiab koos puid, selle raamatu paberit ja kogu elu. Saate lugeda raamatut ja mõista sõnu, sest teil on silmad, mis võivad muuta lehtedelt hajutatud valguse elektrilisteks impulssideks, mida aju, universumi kõige keerulisem struktuur, mida me teame, tõlgendada saab. Oleme avastanud, et kõik asjad maailmas pole midagi muud kui aatomite kogum ja kõige laiem aatomite valik koosneb vaid kolmest osakesest – elektronidest, prootonitest ja neutronitest. Teame ka, et prootonid ja neutronid ise koosnevad väiksematest üksustest, mida nimetatakse kvarkideks, ja need on kõige lõpp – vähemalt nii me praegu arvame. Kõik see põhineb kvantteoorial.

Seega joonistab kaasaegne füüsika erakordse lihtsusega pildi Universumist, milles me elame; elegantsed nähtused tekivad kuskil, kus neid pole näha, tekitades makrokosmose mitmekesisuse. Võib-olla on see kaasaegse teaduse tähelepanuväärseim saavutus – maailma, sealhulgas inimeste endi, uskumatu keerukuse taandamine käputäie pisikeste subatomaarsete osakeste ja nende vahel mõjuva nelja jõu käitumise kirjelduseks. Neist neljast jõust kolme – tugevad ja nõrgad tuumajõud, mis eksisteerivad aatomituuma sees ning elektromagnetiline jõud, mis aatomeid ja molekule koos hoiab – kirjeldab kõige paremini kvantteooria. Ainult gravitatsioonijõul - kõige nõrgemal, kuid võib-olla kõige tuttavamal jõul - ei ole praegu rahuldavat kvantkirjeldust.

Peame tunnistama, et kvantteoorial on mõnevõrra kummaline maine ja selle nimega on kaetud palju tõelist jama. Kassid võivad olla korraga nii elus kui ka surnud; osakesed on korraga kahes kohas; Heisenberg väidab, et kõik on ebakindel. See kõik on tõepoolest tõsi, kuid järeldused, mis sellest sageli järelduvad – kui mikrokosmoses kord juhtub midagi kummalist, siis oleme uduvihmaga kaetud – on kindlasti valed. Ekstrasensoorsed tajud, müstilised tervenemised, vibreerivad käevõrud, mis kaitsevad kiirguse eest ja kes teab veel, hiilib sõna "kvant" varjus regulaarselt võimaliku panteoni. Selle jama põhjustab suutmatus selgelt mõelda, enesepettus, ehtne või teeseldud arusaamatus või mõni eriti kahetsusväärne kombinatsioon kõigest eelnevast. Kvantteooria kirjeldab maailma täpselt nii spetsiifiliste matemaatiliste seadustega kui Newtoni või Galileo omad. Seetõttu saame elektroni magnetvälja arvutada uskumatu täpsusega. Kvantteooria pakub looduse kirjeldust, millel, nagu me õpime, on tohutu ennustamis- ja selgitav jõud ning mis hõlmab kõike alates ränikiipidest kuni tähtedeni.

Nagu sageli juhtub, kutsus kvantteooria esilekerkimine esile loodusnähtuste avastamise, mida tolleaegsed teaduslikud paradigmad ei suutnud kirjeldada. Kvantteooria jaoks oli selliseid avastusi palju, pealegi mitmekesise iseloomuga. Mitmed seletamatud tulemused tekitasid elevust ja segadust ning kutsusid lõpuks esile eksperimentaalse ja teoreetilise innovatsiooni perioodi, mis väärib tõepoolest populaarset terminit "kuldaeg". Peategelaste nimed on iga füüsikatudengi peas igaveseks juurdunud ja neid mainitakse ülikooli kursustel tänapäevani sagedamini kui teisi: Rutherford, Bohr, Planck, Einstein, Pauli, Heisenberg, Schrödinger, Dirac. Võib-olla ei tule enam kunagi ajaloos perioodi, mil nii palju nimesid seostatakse teaduse suursugususega, liikudes samal ajal ühe eesmärgi – uue füüsikalist maailma valitsevate aatomite ja jõudude teooria loomise – poole. Aastal 1924, vaadates tagasi kvantteooria eelnevatele aastakümnetele, kirjutas Uus-Meremaal sündinud füüsik Ernest Rutherford, kes avastas aatomituuma: „1896 … tähistas algust sellele, mida on üsna tabavalt nimetatud füüsikateaduse kangelasajast. Kunagi varem pole füüsika ajaloos olnud sellist palavikulist tegevust, mille jooksul mõned põhimõtteliselt olulised avastused asendusid meeletu kiirusega teistega.

Ainult 30. juunini on T&P lugejatele soodustus raamatu paber- ja elektroonilisele versioonile. Allahindlused aktiveeritakse linkidel klõpsamisel.

Mõiste "kvant" ilmus füüsikas 1900. aastal tänu Max Plancki tööle. Ta püüdis teoreetiliselt kirjeldada kuumenenud kehade kiirgavat kiirgust – nn "üleni musta keha kiirgust". Muide, teadlase palkas selleks üks elektrivalgustusega tegelev ettevõte: nii avanevad mõnikord universumi uksed kõige proosalisematel põhjustel. Planck leidis, et musta keha kiirguse omadusi saab seletada vaid eeldusega, et valgust kiirgatakse väikestes osades energiast, mida ta nimetas kvantideks. Sõna ise tähendab "pakette" või "diskreetset". Algselt arvas ta, et see on lihtsalt matemaatiline trikk, kuid Albert Einsteini 1905. aasta töö fotoelektrilise efekti kohta toetas kvanthüpoteesi. Tulemused olid veenvad, sest väikesed energiakogused võivad olla osakeste sünonüümid.

Ideel, et valgus koosneb väikeste kuulide voost, on pikk ja kuulsusrikas ajalugu, mis ulatub Isaac Newtoni ja tema sünnini. kaasaegne füüsika. Kuid 1864. aastal näis Šoti füüsik James Clark Maxwell lõplikult hajutavat kõik olemasolevad kahtlused teostes, mida Albert Einstein kirjeldas hiljem kui "kõige sügavamat ja viljakamat, mida füüsika on Newtoni ajast teadnud". Maxwell näitas, et valgus on kosmoses leviv elektromagnetlaine, seega oli valguse kui laine idee laitmatu ja näiliselt vaieldamatu päritolu. Siiski õnnestus Arthur Comptoni ja tema kolleegide katseseeria käigus Washingtoni ülikoolis St. Louisis eraldada valguskvante elektronidest. Mõlemad käitusid pigem piljardipallidena, mis kinnitas selgelt, et Plancki teoreetilistel eeldustel oli pärismaailmas kindel alus. 1926. aastal nimetati valguskvante footoniteks. Tõendid olid ümberlükkamatud: valgus käitub nii laine kui ka osakesena. See tähendas klassikalise füüsika lõppu – ja kvantteooria kujunemisperioodi lõppu.

Kvantteooria kirjeldab universumit, milles osake võib olla korraga mitmes kohas ja liikuda hetkega ühest kohast teise. See kontseptsioon seab meie ülbusele piiri, sest maailm on palju keerulisem ja mitmekesisem, kui tundus. Kvantteooria seadused on aga nii lihtsad, et neid saab kirjutada ümbriku tagaküljele.

Kuidas heli tihendamine töötab

Laine lagunemine selle koostisosadeks siinuslaineteks on heli tihendamise tehnoloogia aluseks. Kujutage ette helilaineid, mis moodustavad teie lemmikviisi. Selle keeruka laine saab jagada selle komponentideks. Originaalheli absoluutselt täpne taasesitus nõuab paljusid üksikuid siinuslaineid, kuid paljudest neist saab loobuda, mis ei mõjuta helisalvestuse kvaliteedi tajumist üldse.

"Tühjad" aatomid

Seestpoolt on aatom midagi kummalist. Kui seisate prootonil ja vaatate sealt aatomisisesesse ruumi, näete ainult tühjust. Elektronid on liiga väikesed, et neid näha isegi siis, kui nad asuvad käeulatuses, kuid tõenäoliselt ei juhtu ka seda. Kui seisate "prootonil" Inglismaa ranniku lähedal, siis aatomi ebamäärased piirid asuvad kuskil Põhja-Prantsusmaa farmides.

Greibi suurune universum

kena boonus Töötades elementaarsete mateeria fragmentidega, millel pole suurust, võime kergesti ette kujutada, et kogu nähtav universum suruti kunagi kokku greibi või isegi nööpnõelapea suuruseks objektiks. Ükskõik kui uimased sellised mõtted ka pole, pole põhjust sellist kokkusurumist võimatuks tunnistada.

Kvanthüpe

Kujutage ette, et paneme elektroni 1 aatomisse 1 ja elektroni 2 aatomisse 2. Mõne aja pärast pole väitel "elektron 1 on endiselt aatomis 1" mõtet. See võib olla ka aatomis 2, sest alati on võimalus, et elektron on teinud kvanthüppe. Kõik, mis juhtuda võib, juhtub ja elektronid võivad hetkega lennata ümber kogu universumi.

Higgsi bosonid

Peter Higgs väitis, et tühi ruum on osakesi täis. Nad suhtlevad pidevalt, ilma puhkamata kõigi universumi massiivsete osakestega, aeglustades valikuliselt nende liikumist ja luues massi. Tavalise aine ja Higgsi osakestega täidetud vaakumi vastastikmõju tulemuseks on see, et vormitu maailm muutub mitmekesiseks, asustatud tähtede, galaktikate ja inimestega.

Uus lähenemine kvantgravitatsiooni probleemile, mille üle teadlased on aastaid vaeva näinud, naaseb põhitõdede juurde ja näitab, kuidas "tellised", millest ruum ja aeg on ehitatud, "liituvad" üksteisega.

Kuidas tekkisid ruum ja aeg? Kuidas nad lõid sujuva 4D tühjuse, mis toimib meie füüsilise maailma taustaks? Millised need lähemal vaatlusel välja näevad? Sellised küsimused kerkivad tänapäeva teaduse esirinnas ja tõukuvad kvantgravitatsiooni uurimist, Einsteini üldise relatiivsusteooria ja kvantteooria veel lõpetamata liitu. Relatiivsusteooria kirjeldab, kuidas ruum ja aeg makroskoopilisel skaalal võivad võtta lugematuid vorme, luues selle, mida me nimetame gravitatsiooniks või gravitatsiooniks. Kvantteooria kirjeldab füüsikaseadusi aatomi- ja subatomilisel skaalal, jättes täielikult tähelepanuta gravitatsiooni mõju. Kvantgravitatsiooni teooria peab kirjeldama kvantseadustes aegruumi olemust kõige väiksematel skaaladel - väikseimate teadaolevate elementaarosakeste vahel - ja võib-olla selgitama seda mõne põhikomponendi kaudu.

Selle rolli peamist kandidaati nimetatakse sageli superstringiteooriaks, kuid see pole veel ühelegi põletavale küsimusele vastanud. Veelgi enam, järgides oma sisemist loogikat, avastas see uute eksootiliste komponentide ja nendevaheliste suhete veelgi sügavamad kihid, mis tõi kaasa hämmastava hulga võimalikke tulemusi.

PEAMISED SÄTTED

Teatavasti ei sobi kvantteooria ja Einsteini üldrelatiivsusteooria omavahel kokku. Füüsikud on pikka aega püüdnud neid siduda üheks kvantgravitatsiooni teooriaks, kuid pole saavutanud erilist edu.

Kavandatav uus lähenemine ei too sisse mingeid eksootilisi sätteid, vaid avab uue võimaluse teadaolevate seaduste rakendamiseks aegruumi üksikute elementide suhtes. Need elemendid langevad kokku nagu molekulid kristallis.

Meie lähenemisviis näitab, kuidas meile teadaolev neljamõõtmeline aegruum saab dünaamiliselt esile kerkida põhikomponentidest. Veelgi enam, see viitab sellele, kuidas see aegruum mikroskoopilisel skaalal läheb sujuvalt järjepidevusest järk-järgult üle veidrale fraktaalsusele.

IN viimased aastad meie tööst on saanud paljulubav alternatiiv teoreetilise füüsika hästi sissetallatud kiirteele. Kõige lihtsamat retsepti järgides – võta paar põhikomponenti, pane need kokku tuntud kvantpõhimõtete järgi (ilma igasuguse eksootikata), sega korralikult läbi ja lase seista – saad kvantruumi-aja. Protsess on piisavalt lihtne, et seda sülearvutis simuleerida.

Teisisõnu, kui pidada tühja aegruumi (vaakumit) omamoodi mittemateriaalseks aineks, mis koosneb väga suurest hulgast mikroskoopilistest struktuurita elementidest, siis lubame neil omavahel suhelda lihtsate reeglite järgi. gravitatsiooniteooria ja kvantteooria, siis organiseeruvad need elemendid spontaanselt üheks tervikuks, mis näeb paljudes aspektides välja samasugune kui vaadeldav universum. Protsess sarnaneb sellega, kuidas molekulid organiseeruvad kristalliliseks või amorfseks tahkeks aineks.

Nii võttes võib aegruum tunduda pigem tavapärase segaprae kui peene pulmatordi moodi. Veelgi enam, erinevalt teistest kvantgravitatsiooni lähenemisviisidest on meie oma väga stabiilne. Kui muudame oma mudeli üksikasju, siis tulemus peaaegu ei muutu. See vastupidavus annab põhjust loota, et oleme õigel teel. Kui tulemus oleks tundlik selle suhtes, kuhu me oma tohutust ansamblist iga tüki paigutasime, saaksime tulemuseks kolossaalse arvu võrdselt tõenäolisi barokkvorme, mis välistaks võimaluse selgitada, miks universum kujunes selliseks, nagu ta on.

Sarnased isekogunemise ja iseorganiseerumise mehhanismid toimivad füüsikas, bioloogias ja teistes teadusvaldkondades. Ilus näide on suurte linnuparvede, näiteks kuldnokkade käitumine. Üksikud linnud suhtlevad vaid väikese arvu naabritega; pole juhti, kes neile selgitaks, mida teha. Sellegipoolest moodustab ja liigub pakk tervikuna, omades kollektiivseid või tuletatud omadusi, mis ei avaldu üksikute indiviidide käitumises.

Kvantgravitatsiooni lühiajalugu

Varasemad katsed seletada aegruumi kvantstruktuuri kui spontaanse tärkamise protsessis tekkivat ei toonud märgatavat edu. Need pärinesid Eukleidilise kvantgravitatsioonist. Uurimisprogrammiga alustati 1970. aastate lõpus. ja sai populaarseks tänu füüsik Stephen Hawkingi enimmüüdud raamatule Brief History of Time. See programm põhineb superpositsiooni põhimõttel, mis on kvantmehaanika jaoks põhiline. Iga objekt, olgu see klassikaline või kvant, on mingis olekus, mida iseloomustavad näiteks asukoht ja kiirus. Aga kui klassikalise objekti olekut saab kirjeldada ainult talle omase arvude hulgaga, siis on kvantobjekti olek palju rikkalikum: see on kõigi võimalike klassikaliste olekute summa.

KVANTGRAVITATSIOONI TEOORIAD

STRINGI TEOORIA
See teooria, mida toetab enamik teoreetilisi füüsikuid, ei puuduta mitte ainult kvantgravitatsiooni, vaid ka igasugust ainet ja jõude. See põhineb arusaamal, et kõik osakesed (sh hüpoteetilised, mis kannavad gravitatsiooni) on võnkuvad stringid

KONTROLL KVANTGRAVITSIOON
Peamine alternatiiv stringiteooriale. See hõlmab uut meetodit kvantmehaanika reeglite rakendamiseks Einsteini üldises relatiivsusteoorias. Ruum jaguneb ruumala diskreetseteks "aatomiteks".

EUCLIDAN KVANTGRAVITSIOON
Füüsik Stephen Hawkingi kuulsaks saanud lähenemine põhineb eeldusel, et aegruum tuleneb kõigi ühisest kvantkeskmisest. võimalikud vormid. Selles teoorias peetakse aega võrdseks ruumimõõtmetega.

KAUSAALNE DÜNAAMILINE TRIANGULATSIOON
See lähenemine, mis on käesoleva artikli teemaks, on eukleidilise lähenemise kaasaegne versioon. See põhineb aegruumi lähendamisel kolmnurkade mosaiigi abil, mille algne vahe on ruumi ja aja vahel. Väikeses mastaabis omandab aegruum fraktaalstruktuuri

Näiteks klassikaline piljardipall liigub mööda kindlat trajektoori ning selle asukohta ja kiirust saab igal ajal täpselt määrata. Palju väiksema elektroni puhul on asjad teisiti. Selle liikumine järgib kvantseadusi, mille kohaselt võib elektron eksisteerida samaaegselt paljudes kohtades ja omada palju kiirusi. Väliste mõjude puudumisel punktist A punkti B ei liigu elektron sirgjooneliselt, vaid mööda kõiki võimalikke radu üheaegselt. Kvaliteetne pilt kõigist võimalikud viisid selle liigutused kokku tõlgituna tõlgivad Nobeli preemia laureaadi Richard Feynmani sõnastatud range matemaatilise kvantsuperpositsiooni "retsepti", mis annab kõigi individuaalsete võimaluste kaalutud keskmise.

Kasutades pakutud retsepti, on võimalik arvutada tõenäosus leida elektron mis tahes kindlas positsioonide ja kiiruste vahemikus, eemal otsesest teest, mida mööda see klassikalise mehaanika seaduste kohaselt peaks liikuma. Osakese kvantmehaanilise käitumise eristavaks omaduseks on kõrvalekalded ühest selgest trajektoorist, nn. kvantkõikumised. Mida väiksem on vaadeldava füüsilise süsteemi suurus, seda suurem on kvantkõikumiste roll.

Eukleidilise kvantgravitatsiooni puhul kehtib superpositsiooni printsiip kogu universumile tervikuna. Sel juhul ei koosne superpositsioon osakese erinevatest trajektooridest, vaid universumi võimalikest evolutsiooniteedest ajas, eelkõige aegruumi vormidest. Probleemi taandamiseks vormile, mis võimaldab lahendust otsida, võtavad füüsikud tavaliselt arvesse ainult aegruumi üldist kuju ja suurust, mitte aga iga mõeldavat selle moonutust (vt: Jonathan J. Halliwell. Quantum Cosmology and the Creation universumist // Scientific American, detsember 1991).

1980.–1990 Eukleidilise kvantgravitatsiooni alased uuringud on võimsate tööriistade väljatöötamisega seotud pika tehnilise tee. arvutisimulatsioon. Kasutatud mudelid kujutasid kõvera aegruumi geomeetriat elementaarsete "telliste" abil, mida mugavuse huvides peeti kolmnurkseteks. Kolmnurksed võrgud suudavad tõhusalt lähendada kumeraid pindu, mistõttu kasutatakse neid sageli arvutianimatsioonis. Aegruumi modelleerimise puhul on need elementaarsed "ehituskivid" kolmnurkade üldistused neljamõõtmelise ruumi suhtes ja neid nimetatakse 4-lihtsusteks. Nii nagu kolmnurkade ja nende servadega kokku liimimine loob kumerad 2D pinnad, tekib 4D lihtsuste (mis on 3D tetraeedrid) "nägude" liimimine 4D aegruumi mudel.

"Tellistel" endal otsest füüsilist tähendust pole. Kui aegruumi saaks vaadata ülivõimsa mikroskoobi all, poleks kolmnurki näha. Need on vaid ligikaudsed hinnangud. Ainus teave, millel on füüsiliselt mõtet, sisaldub nende kollektiivses käitumises arusaamas, et igaüks neist on kahanenud nullini. Selle piiri puhul ei oma "telliste" geomeetria (olgu need kolmnurksed, kuupkujulised, viisnurksed või nende kujundite segud) tähtsust.

Tundmatust mitmesuguste väikesemahuliste detailide suhtes nimetatakse sageli mitmekülgsuseks. Tuntud nähtus statistilises füüsikas, mis uurib molekulide liikumist gaasides ja vedelikes: molekulid käituvad peaaegu ühtemoodi, olenemata nende koostisest. Universaalsus on seotud suurest hulgast üksikutest elementidest koosnevate süsteemide omadustega ja avaldub ühe komponendi mastaabist palju suuremas skaalas. Sarnane väide linnukarja kohta on see, et üksikute lindude värvusel, suurusel, tiibade siruulatusel ja vanusel pole mingit pistmist parve kui terviku käitumisega. Makroskoopilisel skaalal kuvatakse väga vähe mikroskoopilisi detaile.

kripeldama

Arvutimudelite abil asusid kvantgravitatsiooni uurijad uurima aegruumi vormide superpositsiooni mõjusid, mida klassikalise relatiivsusteooria meetoditega ei saa uurida, eriti väga väikestel vahemaadel tugevalt kõverdatud kujul. See niinimetatud mittehäiriv režiim pakub füüsikutele kõige rohkem huvi, kuid seda on peaaegu võimatu analüüsida ilma arvutite kasutamiseta.

RUUMI VORMI KIRJELDUS

MOSAIK KOLMNURKEST
Et teha kindlaks, kuidas ruum ennast kujundab, vajavad füüsikud kõigepealt viisi selle kuju kirjeldamiseks. Nad kirjeldavad seda kolmnurkade ja nende suuremõõtmeliste vastetena, mille mosaiik võimaldab kõveraid kujundeid ligikaudselt hinnata. Konkreetse punkti kõveruse määrab kogu nurk, millest lahutatakse seda punkti ümbritsevad kolmnurgad. Lameda pinna puhul on see nurk täpselt 360°, kuid kumerate pindade puhul võib see olla väiksem või suurem.

Kahjuks on simulatsioonid näidanud, et eukleidiline kvantgravitatsioon ei võta arvesse käitumise olulisi komponente. Kõik mittehäirivad superpositsioonid neljamõõtmelises universumis osutusid põhimõtteliselt ebastabiilseteks. Väikesemahulised kõveruse kvantkõikumised, mis iseloomustavad erinevaid üksteise peal asetsevaid universumeid, mis annavad oma panuse keskmisele, ei tühista, vaid tugevdavad üksteist, mistõttu kogu ruum kahaneb lõpmatu arvu mõõtmetega väikeseks palliks. Sellises ruumis jääb kahe punkti vaheline kaugus alati väga väikeseks, isegi kui selle maht on tohutu. Mõnel juhul läheb ruum teise äärmusse, muutudes äärmiselt õhukeseks ja venivaks, nagu paljude harudega polümeer. Ükski neist võimalustest pole meie tegeliku universumiga sarnane.

Enne kui pöördume veel kord tagasi eelduste juurde, mis viisid füüsikud ummikusse, mõelgem tulemuse ühele veidrusele. "Tellised" on neljamõõtmelised, kuid koos moodustavad nad kas lõpmatu arvu mõõtmetega ruumi (kahanev universum) või kahemõõtmelise ruumi (polümeeruniversum). Kui vaakumi suurte kvantkõikumiste oletus lasi džinni pudelist välja, sai võimalikuks muuta kõige fundamentaalsemaid mõisteid, nagu mõõde. Võib-olla ei oleks klassikaline gravitatsiooniteooria, mille puhul eeldatakse, et mõõtmete arv on alati kindel, sellist tulemust ette näha.

Üks tagajärg võib olla ulmefännidele mõnevõrra pettumus. Ulmekirjanikud kasutavad sageli aegruumi tunnelite mõistet, justkui võimaldaksid need üksteisest kaugel asuvaid alasid üksteisele lähemale tuua. Need köidavad paljutõotava ajarännakute ja signaalide edastamise võimalusega valguse kiirust ületava kiirusega. Hoolimata asjaolust, et midagi sellist pole kunagi täheldatud, tunnistavad füüsikud, et selliseid tunneleid saab taastada veel loomata kvantgravitatsiooni teooria raames. Eukleidilise kvantgravitatsiooni arvutisimulatsioonide negatiivse tulemuse valguses tundub selliste tunnelite olemasolu äärmiselt ebatõenäoline. Ajaruumi tunnelitel on nii palju variatsioone, et nad peavad domineerima superpositsiooni üle, muutes selle ebastabiilseks, nii et kvantuniversum ei saaks kunagi kasvada kaugemale väikesest, kuid omavahel tihedalt seotud tervikust.

KVANTREEGELITE RAKENDAMINE RUUM-AJAS

KESKMINE
Aegruum võib võtta väga palju erinevaid vorme. Kvantteooria järgi on kuju, mida me kõige tõenäolisemalt näeme, superpositsioon ehk kõigi võimalike kujundite kaalutud keskmine. Kolmnurkadest kujundeid koostades määravad teoreetikud igaühele neist kaalu, olenevalt sellest, kuidas need kolmnurgad antud kujundi koostamisel konkreetselt on ühendatud. Autorid leidsid, et selleks, et saadud keskmine oleks vaadeldava reaalse universumiga kooskõlas, peavad kolmnurgad järgima teatud reegleid, eelkõige peavad need sisaldama sisseehitatud "nooleid", mis näitavad aja suunda.

Mis võib olla häda juur? Otsides eukleidilises käsitluses lünki ja "lõdvaid otsi", jõudsime võtmeideeni – ühe komponendini, mis on meie segaprae valmistamise võimaluse jaoks hädavajalik: universumi kood peab sisaldama põhjuslikkuse printsiipi, s.t. vaakumi struktuur peab andma võimaluse põhjuse ja tagajärje ühemõtteliseks eristamiseks. Põhjuslikkus on klassikaliste partikulaarsete ja üldiste relatiivsusteooriate lahutamatu osa.

Põhjuslikkus ei sisaldu Eukleidilise kvantgravitatsioonis. "Eukleidilise" määratlus tähendab, et ruumi ja aega peetakse samaväärseteks. Eukleidilise superpositsiooniga hõlmatud universumitel on ühe ajalise ja kolme ruumilise asemel neli ruumimõõdet. Kuna eukleidilistel universumitel ei ole eraldi aja mõistet, siis puudub neil ka struktuur, mis võimaldaks sündmusi kindlas järjekorras järjestada. Selliste universumite elanikel ei saa olla mõisteid "põhjus" ja "tagajärg". Hawking ja teised eukleidilised teadlased on öelnud, et "aeg on kujuteldav" nii matemaatilises kui ka kõnekeeles. Nad lootsid, et põhjuslikkus tekib makroskoopilise omadusena mikroskoopilistest kvantkõikumistest, millel ei olnud üksikult põhjusliku struktuuri märke. Arvutisimulatsioon aga purustas nende lootused.

TÄIELIKULT UUS DIMENSIOON KOSMOS

Tavaelus on ruumi mõõde minimaalne mõõtmete arv, mis on vajalik punkti asukoha määramiseks, näiteks pikkus-, laius- ja kõrguskraad. See määratlus põhineb eeldusel, et ruum on pidev ja allub klassikalise füüsika seadustele. Ja kui ruum ei käitu nii lihtsalt? Mis siis, kui selle vormi määravad kvantprotsessid, mis tavaelus ei avaldu? Sellistel juhtudel peavad füüsikud ja matemaatikud välja töötama keerukama mõõtme mõiste. Mõõtmete arv ei pruugi isegi tingimata olla täisarv, nagu fraktalide puhul – struktuuride puhul, millel on kõikidel mõõtkavadel ühesugune välimus.

ÜLDISED MÕÕTMED

Hausdorffi mõõde
20. sajandi alguses sõnastatud määratlus. Saksa matemaatik Felix Hausdorff lähtub piirkonna mahu V sõltuvusest selle lineaarsuurusest r. Tavalises kolmemõõtmelises ruumis on V võrdeline väärtusega $r^3$. Eksponent selles seoses on mõõtmiste arv. "Mahuks" võib pidada muid kogusuuruse näitajaid, näiteks pindala. Sierpinski tihendi puhul on V võrdeline väärtusega $r^(1.5850)$. See asjaolu peegeldab asjaolu, et see arv ei täida kogu ala

Spektri mõõde
See määratlus iseloomustab eseme või nähtuse levikut keskkonnas ajas, olgu selleks tinditilk veega anumas või haigus populatsioonis. Igal populatsiooni veemolekulil või isendil on teatud arv lähinaabreid, mis määrab tindi difusiooni või haiguste leviku kiiruse. 3D-keskkonnas kasvab tindipilve suurus proportsionaalselt ajaga 3/2 astmeni. Sierpiński padjas peab tint imbuma läbi lookleva kuju, nii et see levib aeglasemalt – proportsionaalselt ajaga 0,6826 astmega, mis vastab spektrimõõtmele 1,3652

Definitsioonide rakendamine
Üldiselt erinevatel viisidel mõõtmete arvutused annavad erineva arvu mõõtmeid, kuna need lähtuvad geomeetria erinevatest omadustest. Mõne geomeetrilise kujundi puhul ei ole mõõtmete arv konstantne. Eelkõige võib difusioon olla mingil konstantsel määral keerulisem funktsioon kui aeg.
Kvantgravitatsiooni modelleerimisel on rõhk spektraalmõõtmel. Kvantruumi-aja mudeli ühte elementaarsesse tellisse sisestatakse väike kogus mingit ainet. Sellest tellisest levib see juhuslikult. Aegruumi telliste koguarv, milleni see aine teatud aja jooksul jõuab, määrab spektraalse mõõtme

Selle asemel, et jätta põhjuslikkus eraldiseisvate universumite ühendamisel tähelepanuta, lootes, et see tuleneb superpositsiooni kollektiivsest tarkusest, otsustasime põhjuslikkuse kaasamise palju varasemas etapis. Me nimetasime oma meetodit dünaamiliseks triangulatsiooniks. Oleme määranud igale simpleksile aja noole, mis osutab minevikust tulevikku. Seejärel tutvustasime põhjusliku liimimise reeglit: kaks simpleksit tuleb liimida nii, et nende nooled oleksid joondatud. Aja mõiste liimitavates lihtsustes peab olema sama: aeg peab voolama ühtlase kiirusega nende noolte suunas, mitte kunagi peatuma ega tagasi pöörduma. Aja jooksul peab ruum säilitama oma üldine vorm, mitte lagunema eraldi osadeks ega looma aegruumi tunneleid.

Olles selle strateegia 1998. aastal sõnastanud, näitasime äärmiselt lihtsustatud mudelitel, et lihtsuste liimimise reeglid viivad makroskoopilise vormini, mis erineb Eukleidilise kvantgravitatsioonist. See oli julgustav, kuid ei tähendanud, et aktsepteeritud liimimisreeglid oleksid piisavad, et tagada kogu neljamõõtmelise universumi stabiilsus. Nii hoidsime hinge kinni, kui 2004. aastal oli meie arvuti peaaegu valmis tegema esimesed arvutused neljamõõtmeliste lihtsuste põhjusliku superpositsiooni kohta. Kas see aegruum käitub suurte vahemaade tagant nagu laiendatud neljamõõtmeline objekt, mitte nagu kokkutõmbunud pall või polümeer?

Kujutage ette meie rõõmu, kui arvutatud universumi mõõtmete arv osutus 4 (täpsemalt 4,02 ± 0,1). See oli esimene kord, kui vaadeldud mõõtmete arv tuletati aluspõhimõtetest. Tänapäeval on põhjuslikkuse mõiste toomine kvantgravitatsiooni mudelisse ainus teadaolev viis aegruumi geomeetriate superpositsiooni ebastabiilsustega toimetulemiseks.

Aegruum üldiselt

See simulatsioon oli esimene käimasolevas arvutuslike katsete seerias, milles proovime arvutisimulatsioonide abil tuletada kvantruumiaja füüsikalisi ja geomeetrilisi omadusi. Meie järgmine samm oli uurida aegruumi kuju suurte vahemaade tagant ja kontrollida selle vastavust päris maailm, st. üldise relatiivsusteooria ennustused. Kvantgravitatsiooni mitteperturbatiivsete mudelite puhul, mis ei sisalda a priori eeldust aegruumi kuju kohta, on selline test väga keeruline – sedavõrd, et enamikus kvantgravitatsiooni käsitlustes, sealhulgas stringiteoorias, välja arvatud erijuhtudel. , saavutatud edust ei piisa selle teostamiseks.

RUUMIAJASSE SÜVENEMINE

Autorite arvutuste kohaselt väheneb aegruumi spektraalne mõõde neljalt (suure skaala piiril) kahele (väikese skaala piiril) ning pidev aegruum katkeb, muutudes a. hargnenud fraktal. Füüsikud ei suuda veel mõista, kas see järeldus tähendab, et aegruum koosneb lõpuks lokaliseeritud "aatomitest" või on see ehitatud mikroskoopilistest struktuuridest, mis on tavapärase geomeetria mõistega väga lõdvalt seotud.

Nagu selgus, on meie mudeli toimimiseks vaja algusest peale kasutusele võtta nn kosmoloogiline konstant - nähtamatu ja mittemateriaalne aine, mis sisaldub ruumis isegi siis, kui puuduvad muud ainevormid ja energiat. See vajadus on hea uudis, sest kosmoloogid on leidnud eksperimentaalse kinnituse selle konstandi olemasolule. Pealegi vastas saadud aegruumi vorm de Sitteri geomeetriale, s.t. Einsteini võrrandite lahendamine universumi jaoks, mis ei sisalda midagi peale kosmoloogilise konstandi. On tõesti tähelepanuväärne, et mikroskoopiliste "telliste" kogumi kokkupanek peaaegu juhuslikul viisil – ilma igasuguse sümmeetria või eelistatud geomeetrilise struktuuri eelduseta – viis aegruumi, millel on suures plaanis väga sümmeetriline kuju. de Sitteri universum.

Peaaegu korrapärase geomeetrilise kujuga neljamõõtmelise universumi dünaamiline esilekerkimine põhiprintsiipidest on muutunud meie modelleerimise keskseks saavutuseks. Küsimus, kas seda silmapaistvat tulemust saab mõista mõnede veel väljakujunemata aegruumi "aatomite" koostoime ideede raames, on meie käimasoleva uurimistöö eesmärk. Kuna oleme veendunud, et meie kvantgravitatsiooni mudel on läbinud mitmeid klassikalisi katseid, on aeg pöörduda teistsuguste katsete poole – paljastada aegruumi eripärane kvantstruktuur, mida Einsteini klassikaline teooria ei suutnud paljastada. Ühes neist katsetest modelleerisime difusiooniprotsessi: viisime tinditilga sobiva analoogi universumite superpositsioonile ja vaatlesime, kuidas see levib ja kvantkõikumised häirivad. Tindipilve suuruse leidmine aja jooksul võimaldas meil määrata mõõtmete arvu ruumis (vt külgriba).

Tulemus oli vapustav: mõõtmiste arv sõltub skaalast. Ehk kui difusioon jätkus lühikest aega, siis osutus aegruumi dimensioonide arv teistsuguseks kui siis, kui difusiooniprotsess kestis pikka aega. Isegi need meist, kes on spetsialiseerunud kvantgravitatsioonile, ei suudaks ette kujutada, kuidas aegruumi mõõtmete arv võib meie "mikroskoobi" eraldusvõimest sõltuvalt pidevalt muutuda. Ilmselgelt on väikeste objektide aegruum väga erinev suurte objektide omast. Väikeste objektide jaoks on universum nagu fraktalstruktuur – ebatavaline ruum, milles suuruse mõistet lihtsalt ei eksisteeri. See on enesesarnane, st. näeb kõikides mõõtkavades ühesugune välja. See tähendab, et pole iseloomuliku suurusega objekte, mis võiksid toimida mastaabiribana.

Kui väike on "väike"? Kuni suuruseni umbes $10^(–34)$m, kirjeldab kvantuniversumit tervikuna hästi klassikaline neljamõõtmeline de Sitteri geomeetria, kuigi kvantkõikumiste roll kauguse vähenedes suureneb. Asjaolu, et klassikaline lähendus jääb kehtima nii väikeste vahemaadeni, on üllatav. Sellest tulenevad väga olulised tagajärjed nii universumi ajaloo varaseimate etappide kui ka selle väga kauge tuleviku jaoks. Mõlemas neis piirides on universum praktiliselt tühi. Tegelikult esialgne etapp kvantkõikumised olid nii suured, et ainet oli vaevu tuvastatav. Ta oli pisike parv lainelisel ookeanil. Miljardeid aastaid pärast meid on Universumi kiire paisumise tõttu aine nii haruldane, et see mängib väga väikest rolli või ei mängi üldse rolli. Meie lähenemisviis võimaldab meil selgitada ruumi kuju mõlemal piiraval juhul.

MIS ON PÕHJUS?

Põhjuslikkus on põhimõte, et sündmused toimuvad ajas kindlas järjestuses, mitte korratuses, mis võimaldab teha vahet põhjuse ja tagajärje vahel. Autorite lähenemisviisis kvantgravitatsioonile ilmneb põhjuse ja tagajärje erinevus looduse põhiomadusena, mitte tuletatud omadusena.

Veelgi väiksematel mõõtkavadel suurenevad aegruumi kvantkõikumised nii palju, et klassikalised intuitsioonid geomeetria kohta kaotavad täielikult oma tähenduse. Mõõtmete arvu vähendatakse klassikaliselt neljalt ligikaudu kahele. Ent niipalju kui me aru saame, jääb aegruum pidevaks ega sisalda tunneleid. See pole nii eksootiline kui kiisev aegruumi vaht, mida füüsik John Wheeler ja paljud teised on näinud. Ajaruumi geomeetria järgib ebatavalisi ja mitteklassikalisi seadusi, kuid kauguse mõiste jääb kohaldatavaks. Nüüd proovime tungida veelgi väiksemale alale. Üks võimalus on see, et universum muutub enesesarnaseks ja näeb alla teatud piiri kõikides skaalades ühesugune. Kui jah, siis universum ei koosne aegruumi stringidest ega aatomitest, vaid see on lõputu igavuse maailm: läve all olev struktuur lihtsalt kordab end lõpmatuseni, kui see läheb sügavamale üha väiksemasse piirkonda. mõõtmed.

Raske on ette kujutada, kuidas füüsikud saavad hakkama vähemate komponentide ja tehniliste vahenditega, kui me kasutasime realistlike omadustega kvantuniversumi ehitamiseks. Meil on veel palju katseid ja katseid teha, näiteks selleks, et mõista mateeria käitumist universumis ja selle mõju selle üldisele kujule. Meie peamine eesmärk, nagu iga kvantgravitatsiooni teooria puhul, on ennustada mikroskoopilise kvantstruktuuri jälgitavaid tagajärgi. See on meie mudeli kui kvantgravitatsiooni teooria õigsuse määrav kriteerium.

Tõlge: I.E. Satsevitš

LISAKIRJANDUS

Plancki universumi Quantum de Sitter sünd. J. Ambjorn, A. Gorlich, J. Jurkiewicz ja R. Loll, Physical Review Letters, Vol. 100, artikli nr. 091304; 7. märts 2008. Saadaval eeltrükk
Täielik idioodi juhend stringiteooriasse. George Musser. Alfa, 2008.
Ajaruumi ehk kvantgravitatsiooni tekkimine teie töölaual. R. Loll raamatus Classical and Quantum Gravity, Vol. 25, nr. 11, artikli nr. 114006; 7. juuni 2008. Saadaval eeltrükk
Renata Lolli veebisait

Jan Ambjorn, Renate Loll Ja Jerzy Jurkewicz aastal. Ambjorn on Taani Kuningliku Akadeemia liige, Kopenhaageni Niels Bohri Instituudi ja Hollandi Utrechti ülikooli professor. Teda teatakse kui Tai köögi meistrit – seda asjaolu kipuvad kirjastajad esimesena tähele panema. Renata Loll on Utrechti ülikooli professor, kus ta juhib üht suurimat kvantgravitatsiooni uurimisrühma Euroopas. Varem töötas ta Max Plancki gravitatsioonifüüsika instituudis Holmis (Saksamaa). Haruldastel vabadel tundidel kõlab kammermuusika. Jerzy Yurkiewicz on Krakowi Jagelloonia ülikooli füüsikainstituudi komplekssüsteemide teooria osakonna juhataja. Tema varasemate töökohtade hulgas on Niels Bohri instituut Kopenhaagenis, kus teda võlus purjetamise ilus.