Самостоятельная работа упрощение выражений 5 класс виленкин: Контрольная работа №5 по математике 5 кл. (Виленкин)

Астрономия, Физика

29 июля 2017 г. Стенблог

За пределами Большого взрыва

Написано Стеном Оденвальдом Copyright (C) 1987, Kalmbach Publishing. Перепечатано с разрешения

Где-то между 15 и 20 миллиардами лет назад возникла Вселенная. С самого начала человеческого сознания мы пытались понять, как и почему произошло это событие, и в результате этих усилий возникло множество идей. Древняя египетская легенда описывает, как Осирис Хепера создал вселенную из темного, безбрежного океана под названием Ню, и что Осирис Хепера создал себя из этого океана, произнеся свое собственное имя. Человеческая изобретательность не остановилась за 5000 лет, прошедшие с тех пор, как эти идеи были популярны. Современная теория Большого взрыва утверждает, что наша Вселенная возникла из более ранней фазы, в миллиарды раз более горячей, чем ядро ​​нашего Солнца, и в триллионы раз более плотной, чем ядро ​​атома. Чтобы подробно описать такие экстремальные физические условия, мы должны сначала иметь четкое представление о природе материи и фундаментальных сил. При высоких температурах, которые, вероятно, сопровождали Большой взрыв, все известные нам формы материи превратились в их основные составляющие. Силы гравитации и электромагнетизма вместе с сильными и слабыми ядерными взаимодействиями были основными средствами, с помощью которых взаимодействовали элементарные частицы материи.
Нигде обратная связь между космологией и физикой элементарных частиц не видна так ясно, как в изучении ранней истории Вселенной. В октябре 1985 года на гигантском ускорителе в Фермилабе впервые произошло столкновение протонов и антипротонов при энергиях 1,6 триллиона электрон-вольт, что примерно в 1600 раз превышает массу покоя протона. Это было уникальное событие, потому что на одну долю секунды на крошечной планете в ничем не примечательной галактике впервые за по крайней мере 15 миллиардов лет открылось маленькое окно в Событие Сотворения.

ГРАНИЦЫ ДОСТОВЕРНОСТИ

Стремление физиков к единой, всеобъемлющей теории, способной описать четыре силы природы, в качестве побочного продукта привело к некоторым неожиданным проблескам События Сотворения. Хотя до завершения такой теории, возможно, еще несколько десятилетий, общепризнано, что такая теория будет описывать настолько экстремальные физические условия, что вполне возможно, что мы никогда не сможем исследовать их из первых рук, даже с помощью ускорителей частиц, которые разрабатываются в настоящее время. разработан сегодня. Например, сверхпроводящий суперколлайдер, который должен быть построен к началу XIX в.90-е будут стоить 6 миллиардов долларов и позволят физикам сталкивать частицы с энергиями 40 триллионов электрон-вольт (40 000 ГэВ), что соответствует условиям, преобладающим через 10 секунд после Большого взрыва. Ожидаемый непредвиденный доход от такого ускорителя огромен и поможет ответить на многие насущные вопросы, которые сейчас преследуют теоретическое сообщество, но можем ли мы позволить себе инвестировать, возможно, значительно большие суммы денег в создание машин, способных исследовать мир квантовой гравитации при 10 ГэВ? Ожидается, что при этих энергиях станет непосредственно наблюдаемым полное объединение сил природы. Как любопытно, что определенные ответы на такие вопросы, как «Каково было Сотворение?» и «Имеют ли электроны и кварки внутреннюю структуру?», так неразрывно переплетены. Наша способность находить ответы на эти два вопроса, среди прочих, кажется, не ограничена каким-то метафизическим запретом, а ресурсами, которые наша цивилизация может позволить себе выделить для поиска ответов. К счастью, ситуация не столь безрадостна, ведь «машина» уже «построена», и все возможные эксперименты, которые мы только можем себе представить, уже проведены!

ЧТО МЫ ДУМАЕМ, ЧТО ЗНАЕМ

Мы живем внутри крупнейшего из когда-либо созданных ускорителей частиц – Вселенной. За десять миллиардов лет до рождения Солнца был проведен эксперимент Природы по физике высоких энергий, и теперь экспериментальные данные можно исследовать, изучая свойства и содержание самой Вселенной. Сбор фундаментальных фактов, характеризующих нашу Вселенную, уникален тем, что он получен из самых разных источников. Частичный список этих «метафактов» выглядит так:

1) Мы здесь, следовательно, некоторые регионы Вселенной благоприятны для создания сложных молекул и живых разумных организмов.

2) Наша Вселенная имеет 4 больших измерения, и все они увеличиваются в размерах по мере расширения Вселенной во времени и пространстве.

3) В Природе действуют 4 разные силы.

4) Доминирует только материя; галактик из антиматерии не существует, и эта материя состоит из 6 кварков и 6 типов лептонов.

Задача, стоящая перед физиком и астрономом, состоит в том, чтобы создать единую теорию, согласующуюся с этими метафактами, которую затем можно будет использовать для получения вторичных характеристик нашей Вселенной, таких как фоновое излучение 2,7 К, распространенность первичных элементов и формирование галактики. Взаимодействие между изучением макрокосма и микрокосма стало настолько интенсивным, что астрономы помогли физикам установить ограничения на число лептонных семейств — разрешено не более 4, иначе предсказанное космологическое изобилие гелия будет серьезно расходиться с тем, что наблюдается. . Физики, с другой стороны, используют астрономические верхние пределы текущего значения космологической постоянной, чтобы ограничить свои теории объединения.

Расширение стандартной модели Большого взрыва под названием «Инфляционная Вселенная» (см. «Распад ложного вакуума») было создано физиком Массачусетского технологического института Аланом Гутом в 1981 году. Эта теория объединила теорию Великого объединения с космологией и, если она верна, позволяет астрономам проследить история Вселенной восходит к 10 секундам после Большого Взрыва, когда сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия были объединены в единую «электроядерную» силу. В течение 4 лет, прошедших с тех пор, как была предложена модель инфляционной Вселенной, появились другие теоретические разработки, которые могут помочь нам исследовать события, происходящие на еще более ранней стадии, возможно, даже после самого События Сотворения. Десять лет назад теоретики открыли новый класс теорий, названных Суперсимметричными Теориями Великого Объединения (SUSY GUT). Эти теории, среди которых есть несколько конкурирующих типов, продемонстрировали большие надежды, обеспечив физиков единой структурой для описания не только электроядерной силы, но и гравитации, в дополнение к частицам, на которые они действуют (см. 1984). К сожалению, по мере более тщательного изучения SUSY GUT вскоре обнаружилось, что даже самые многообещающие кандидаты для Единой теории поля страдают некоторыми фундаментальными недостатками. Например:

1) Было предсказано недостаточно основных полей для размещения известных частиц.

2) Левосторонняя и правосторонняя симметрия была предписана так, что слабую силу, нарушающую эту симметрию, приходилось прикладывать «вручную».

3) Имеются аномалии, включающие нарушение сохранения энергии и заряда.

4) Космологическая постоянная в 10 раз больше, чем предполагают нынешние верхние пределы.

В последние годы были предприняты значительные усилия по расширению и изменению постулатов SUSY GUT, чтобы избежать этих проблем. Один из способов заключался в том, чтобы подвергнуть сомнению легитимность самой основной предпосылки теорий поля, разработанных до сих пор. Наиболее активное направление теоретических исследований за последние 25 лет связано с изучением так называемых «точечных групп симметрии». Например, шестиугольник, повернутый на 60 градусов вокруг точки в его центре, неотличим от шестиугольника, повернутого на 120, 180, 240, 300 и 360 градусов. Эти 6 операций вращения образуют математическую группу, так что сложение или вычитание любых двух операций всегда приводит к операции вращения, которая уже является членом группы (180 = 120 + 60 и т. д.). Теории Великого объединения электроядерного взаимодействия основаны на группах точечной симметрии, названных SU(3), SU(2) и U(1), которые представляют собой аналогичные «вращения» в более сложном математическом пространстве. В контексте весомой материи группы точечной симметрии также являются математическим утверждением того, что мы считаем структурой фундаментальных частиц материи, а именно, что частицы имеют точечную форму и вообще не имеют физического размера. Но что, если это не так? Лучшее, что может предложить экспериментальная физика, это то, что электрон, принадлежащий к семейству 6 известных лептонов, ведет себя как точечная частица на масштабах до 10 см, но это все равно огромное расстояние по сравнению с гравитационным масштабом Планка в 10 см. где ожидается полное объединение с гравитацией.

Предполагая, что элементарные частицы имеют внутреннюю структуру, Майкл Грин из Колледжа Королевы Марии и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института сделали ряд замечательных открытий, о которых было объявлено в журнале NATURE в апреле 1985 года. Они предположили, что если заменить точечную частицу вибрирующей «струны», движущейся через 10-мерное пространство-время, казалось, что многие проблемы, преследующие SUSY кишка, исчезли чудесным образом. Более того, из всех возможных теорий «суперструн» было только две (называемые SO(32) и E8 x E8′), которые: 1) соответствовали как принципам относительности, так и принципам квантовой механики,2) допускали асимметрия между левыми и правыми отростками и, 3) Были свободны от аномалий. В обеих версиях также было достаточно места для 496 различных типов полей; достаточно, чтобы вместить все известные элементарные частицы, а затем и некоторые! Теории суперструн также имеют очень мало настраиваемых параметров, и с их помощью можно выполнять определенные вычисления квантовой гравитации, которые дают конечные ответы вместо бесконечных. Несмотря на свои теоретические успехи, теории суперструн страдают от трудности, заключающейся в том, что самые легкие частицы суперструн будут полностью безмассовыми, в то время как следующее более массивное поколение будет иметь массу 10 ГэВ. Непонятно даже, как эти сверхмассивные струнные частицы связаны с известными частицами, практически безмассовыми по сравнению с ними (протон имеет массу 1 ГэВ!). Также неизвестно, будет ли 496 различных частиц охватят весь диапазон масс от 0 до 10 ГэВ. Возможно, что они могут сгруппироваться в две семьи с массами, сгруппированными вокруг этих двух крайних точек. В последнем случае у физиков-экспериментаторов может буквально закончиться количество новых частиц для открытия, пока не будут построены ускорители, достаточно мощные для создания сверхмассивных частиц.

Привлекательной чертой модели SO(32), которая представляет частицы как открытые струны, является то, что гравитация должна быть включена с самого начала, чтобы сделать теорию внутренне непротиворечивой и способной давать конечные предсказания. Это также теория, которая сводится к обычным точечным теориям поля при энергиях ниже 10 ГэВ. Комплементарная теория, E8 x E8′, является единственной другой теорией суперструн, которая, по-видимому, работает так же, как SO(32), и рассматривает частицы так, как если бы они были замкнутыми струнами без оголенных концов. Эта модель считается наиболее перспективной для описания реальных физических частиц. Он также включает гравитацию, но, в отличие от SO(32), E8 x E8′, по-видимому, сводится при низкой энергии к группам симметрии, связанным с сильными, слабыми и электромагнитными взаимодействиями, а именно, SU(3), SU(2) и У(1).

Если Е8 х Е8′ суждено стать «окончательной единой теорией поля», нас ждут дополнительные сюрпризы. Каждая группа, E8 и E8′, может быть математически сведена к произведениям групп, которые представляют сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия; ВП(3) х ВП(2) х В(1). Если группа Е8 соответствует известным частицам, что представляет собой Е8′? С точки зрения математических свойств, одни только соображения симметрии, по-видимому, требуют, чтобы группа E8′ была зеркальным отображением группы E8. Если E8 содержит группы SU(3), SU(2) и U(1), то E8′ содержит SU(3)’, SU(2)’ и U(1)’. Штрихованные поля в E8′ будут иметь те же свойства, что и поля, которые мы приписываем сильным, слабым и электромагнитным взаимодействиям. Поля частиц E8′ могут соответствовать совершенно другому виду материи, чьи свойства так же отличаются от материи и антиматерии, как обычная материя отличается от антиматерии! «Теневая материя», как ее назвали Эдвард Колб, Дэвид Секель и Майкл Тернер из Фермилаб, может на самом деле сосуществовать с нашей материей — возможно, из-за недостающей массы, необходимой для закрытия Вселенной. Теневая материя обнаруживается только благодаря ее гравитационному влиянию и совершенно невидима, потому что электромагнитная сила теневого мира (теневой свет) не взаимодействует ни с одной из частиц в обычном мире.

ЗА ПРОСТРАНСТВОМ И ВРЕМЕНЕМ

Поиски математического описания физического мира, объединяющего очевидные различия между известными частицами и силами, привели физиков к замечательному выводу, что Вселенная населяет не только 4 измерения пространства и время, но гораздо большую арену, размерность которой может быть огромной (см. «Есть ли пространство больше трех измерений?»). И теории суперструн, и SUSY GUT согласны с тем, что наш физический мир должен иметь больше, чем 4 измерения, о которых мы привыкли думать. Замечательной особенностью теории суперструн является то, что из всех возможных размерностей пространства-времени только 10-мерное ( 9пространственные измерения и 1 временное измерение) приведет ли теория к вычислительно конечной и внутренне непротиворечивой модели физического мира, которая с самого начала включает слабое взаимодействие и где все неприятные аномалии точно компенсируются. Предполагается, что в таком 10-мерном мире 6 измерений теперь свернуты или «уплотнены» в крошечные сферы, которые сопровождают 4 координаты каждой точки пространства-времени. Как могло бы выглядеть описание ранней Вселенной с этой новой точки зрения? Считается, что шесть внутренних измерений имеют размер порядка 10 см.

По мере того, как мы следим за историей Вселенной в прошлое, 3 больших измерения пространства быстро сокращаются, пока в конце концов не станут всего 10 см в размере. Это произошло во времена Планковской эры, через 10 секунд после Сотворения. Внешний вид Вселенной в этих условиях почти невообразим. Сегодня, когда мы смотрим на самые далекие квазары, мы видим их на расстоянии миллиардов световых лет. В эпоху Планка материя, составляющая эти отдаленные системы, находилась всего в 10 см от материи, из которой состоит ваше собственное тело!

Что было такого особенного в этой эпохе, что только 4 из 10 измерений были выделены, чтобы вырасти до их огромных нынешних размеров?. Почему не 3 (2 пробела + 1 время) или 5 (4 пробела + 1 время)? Физики до сих пор не смогли найти объяснение этой фундаментальной загадке нашего пленума, с другой стороны, возможно, что если бы разбивка пространства-времени по измерениям была иной, чем «4 + 6», физические законы, которыми мы являемся продукты, были бы совершенно негостеприимны для жизни, какой мы ее знаем. 9-13 грамм каждый. Эти частицы в конечном итоге распались на знакомые нам кварки и лептоны, как только Вселенная по мере расширения стала холоднее. Кроме того, на эти частицы могла действовать только одна «сверхсила»; сила, характер которой содержал все индивидуальные атрибуты, которые мы теперь связываем с гравитацией, электромагнетизмом и сильными и слабыми ядерными взаимодействиями. Поскольку частицы, несущие «сверхсилу», имели массы, сходные с массами сосуществовавших тогда сверхмассивных частиц, различие между носителями силы и частицами, на которые они действуют, вероятно, полностью исчезло, и мир стал полностью суперсимметричным.

Чтобы выйти за пределы эры Планка, может потребоваться радикальное изменение нашего привычного образа мышления о времени и пространстве. В уравнениях и теориях современной физики можно найти лишь проблески правильного способа осмысления этого многомерного ландшафта. После эры Планка все 10 измерений (и, возможно, другие) становятся равными, по крайней мере, с точки зрения их физического размера. Сверхмассивные частицы Суперструн начинают приобретать больше характеристик флуктуаций в геометрии пространства-времени, чем в качестве различимых ингредиентов изначального космологического «супа». Не было единой уникальной геометрии пространства-времени, вместо этого существовало постоянно меняющееся квантовое взаимодействие между пространствами-временями с неограниченным диапазоном геометрии. Подобно звуковым волнам, которые комбинируются друг с другом, создавая интерференцию и усиление, пространство-время, появившееся в эпоху Планка, считается результатом суперпозиции бесконечного числа альтернативных геометрий пространства-времени, которые, сложенные вместе, создали пространство-время, которое теперь мы являемся частью. 9-36 секунд после Большого Взрыва, вполне возможно, что в самые ранние моменты Вселенная родилась из тьмы, а не в ослепляющей вспышке света. Все, что существовало в этой тьме до появления света, было пустым пространством, из которого позднее возникло наше 10-мерное пространство-время. Конечно, в этих условиях непонятно, как нам дальше думать о самом времени.

С точки зрения доступных сегодня теорий вполне может быть, что конкретное измерение, которое мы называем Временем, имело определенную нулевую точку, так что мы даже не можем логически говорить о том, что произошло до существования времени. Понятие «до» основано на презумпции упорядоченности во времени. Путешественник, стоящий на северном полюсе, никогда не сможет переместиться на землю на 1 милю севернее севера! Тем не менее, по укоренившейся привычке, мы говорим о времени до зарождения Вселенной, когда времени не существовало, и спрашиваем: «Что было до Большого взрыва?». Список физиков, исследующих это «состояние», сильно вырос за последние 15 лет. Число физиков во всем мире, которые публикуют исследования по этой теме, составляет немногим более 200 человек на 5-миллиардное население мира!

КВАНТОВАЯ КОСМОЛОГИЯ

В начале 1970-х годов Ю. Зельдович и А. Старобинский из СССР вместе с Эдвардом Трайоном из Хантер-колледжа предположили, что Вселенная возникла в результате флуктуации в вакууме. Эта флуктуация вакуума «убежала» сама с собой, создав все известные частицы из пустого пространства в «момент» безвременья. Чтобы понять, что это значит, необходимо применить фундаментальный факт релятивистской квантовой физики, открытый во второй половине XIX в.20-е годы. Флуктуации вакуума являются прямым следствием принципа неопределенности Гейзенберга, который ограничивает то, насколько хорошо мы можем одновременно знать импульс и местоположение частицы (или ее полную энергию и время жизни). То, что мы называем пустым пространством или физическим вакуумом, — такая же ньютоновская фикция, как абсолютное пространство и время. Известно, что пустое пространство не является бесплодной сценой, на которой материя играет свою роль. Известно, что пустое пространство заполнено «виртуальными частицами», которые спонтанно появляются и исчезают за пределами возможности прямого физического измерения. По этим частицам-призракам можно с поразительной точностью предсказать множество очень тонких явлений. В зависимости от общей энергии массы покоя виртуальных частиц, созданных флуктуациями вакуума, они могут прожить определенное время жизни, прежде чем принцип неопределенности Гейзенберга потребует, чтобы они снова исчезли в небытии вакуумного состояния. В таком квантовом мире менее массивные виртуальные частицы могут жить дольше, чем более массивные. Эдвард Тайрон предположил, что Вселенная — это всего лишь особенно долгоживущие вакуумные флуктуации, отличающиеся лишь по величине от тех, которые незаметно происходят повсюду вокруг нас. Причина, по которой вселенная живет так долго, несмотря на ее огромную массу, заключается в том, что положительная энергия, скрытая во всей материи во вселенной, уравновешивается отрицательной потенциальной энергией гравитационного поля вселенной. Таким образом, полная энергия Вселенной точно равна нулю, а ее максимальное время жизни в качестве «квантовой флуктуации» может быть огромным и даже бесконечным! По словам Трайона, «Вселенная — это просто одна из тех вещей, которые происходят время от времени».

Это предложение Трайона было воспринято астрономами с некоторым скептицизмом и даже удивлением и не получило дальнейшего развития. Это была судьба, которая также постигла работу Теодора Калуцы и Оскара Кляйна по пятимерной общей теории относительности в 1920-х годах, которая была возрождена только в конце 1970-х годов как мощное лекарство от болезней, преследующих теорию суперсимметрии.

В 1978 г. Р. Браут, П. Энглерт, Э. Гунциг и П. Шпиндель из Брюссельского университета предположили, что флуктуация, приведшая к созданию нашей Вселенной, началась в пустом плоском четырехмерном пространстве-времени. . Флуктуации в пространстве начались слабо, создав, возможно, единственную пару сверхмассивных частиц материя-антиматерия с массами 10^19ГэВ. Существование этой «первой пары» стимулировало создание из вакуума большего количества пар частица-античастица, которые стимулировали появление еще других и так далее. Пространство сильно искривилось и взорвалось, извергнув все суперчастицы, которые позже распались на знакомые лептоны, кварки и фотоны.

Хайнц Пейджелс и Дэвид Аткатц из Рокфеллеровского университета в 1981 году предположили, что пусковым агентом, стоящим за Событием Сотворения, было явление туннелирования вакуума из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией. В отличие от модели Браута-Энглера-Гунзига-Шпинделя, которая исходила из плоского пространства-времени, Пейджелс и Аткатц использовали дополнительный подход, согласно которому изначальное ничто, из которого возникла Вселенная, было пространственно замкнутым, компактным пустым пространством, другими словами, оно имело геометрическую форму. как двумерная поверхность сферы. но размерность его поверхности была намного выше 2. Опять же, это пространство содержало неважно что-всегда. Характеристики (пока еще неизвестные) процесса туннелирования определяли, возможно, случайным образом, как размерность пространства-времени будет «кристаллизоваться» в комбинацию 6+4, которая представляет полноту нашей вселенной.

Алекс Виленкин из Университета Тафтса в 1983 году предположил, что наше пространство-время было создано из «ничто», настолько полного, что даже его размерность не определена. В 1984 году Стивен Хокингс из Кембриджа и Джеймс Хартл из Калифорнийского университета в Сан-Франциско пришли к аналогичному выводу, проведя серию квантово-механических расчетов. Они описали геометрическое состояние Вселенной в терминах волновой функции, определяющей вероятность того, что пространство-время будет иметь одну из бесконечного числа возможных геометрий. Основная проблема с обычной теорией Большого взрыва заключалась в том, что Вселенная возникла из состояния, в котором пространство и время исчезли, а плотность Вселенной стала бесконечной; состояние, называемое Сингулярностью. Хокингс и Хартл смогли показать, что эта сингулярность Большого взрыва представляет собой особый вид геометрии, которая размывается в пространстве-времени из-за квантовой неопределенности. Вселенная, казалось, возникла из несингулярного состояния «небытия», похожего на неопределенное состояние, предложенное Виленкиным. Физик Фрэнк Вильчик лучше всего выражает эту замечательную ситуацию, говоря: «Причина того, что существует Нечто, а не Ничто, заключается в том, что Ничто неустойчиво».

СОВЕРШЕННАЯ СИММЕТРИЯ

Теории, подобные теориям SUSY GUTS и Superstrings, кажется, предполагают, что всего через несколько мгновений после Творения законы физики и содержание мира находились в высокосимметричном состоянии; одна сверхсила и, возможно, один вид суперчастицы. Единственным, что нарушало совершенную симметрию этой эпохи, было определенное направление и характер измерения, называемого Временем. До Творения изначальная симметрия могла быть настолько совершенной, что, как предположил Виленкин, размерность пространства сама по себе была неопределенной. Описать это состояние — сложная задача семантики и математики, потому что математический акт определения его размерности подразумевал бы выбор одной возможности из всех других и, таким образом, нарушение идеальной симметрии этого состояния. Предположительно, тогда не было ни частиц материи, ни даже фотонов света, потому что эти частицы родились из вакуумных флуктуаций в ткани пространства-времени, сопровождавших создание Вселенной. В таком мире ничего не происходит, потому что все «происшествия» происходят в системе отсчета времени и пространства. Присутствие единственной частицы в этом ничто мгновенно нарушило бы совершенную симметрию этой эпохи, потому что тогда была бы излюбленная точка в пространстве, отличная от всех других; точка, занятая частицей. Это ничто тоже не эволюционировало, потому что эволюция — это процесс, упорядоченный во времени. Введение времени в качестве предпочтительной координаты также нарушило бы симметрию. Казалось бы, состояние «Транс-Творения» не поддается общепринятому описанию, потому что любые слова, которые мы можем выбрать для его описания, изначально пронизаны концептуальным багажом времени и пространства. Хайнц Пейгельс размышляет об этой «самой ранней» стадии, говоря: «Ничто «до» сотворения вселенной — это самая полная пустота, которую мы можем себе представить. Не существовало ни пространства, ни времени, ни материи. Это мир без места, без длительности и вечности…»

Изучение научной литературы за последние 20 лет позволяет предположить, что мы, возможно, быстро приближаемся к главному перекрестку в физике. Кажется, что одна дорога ведет к единой теории объединения, которая настолько уникальна среди всех остальных, что является единственной, которая согласуется со всеми известными нам основными законами. Он внутренне непротиворечив; удовлетворяет принципам относительности и квантовой механики и не требует никакой внешней информации для описания содержащихся в ней частиц и сил. Прототипом этого может быть теория суперструн с ее единственным регулируемым параметром, а именно натяжением струны. Другая дорога намного мрачнее. Может также оказаться, что мы создадим несколько теоретических систем, которые вроде бы все объясняют, но имеют в себе трудноуловимые изъяны. 19ГэВ.

Мне очень трудно устоять перед аналогией между нашим нынешним положением и положением греческих геометров. В течение 2000 лет основные постулаты евлиевой геометрии и следствия этой логической системы оставались неизменными. Это стало закрытой книгой, и лишь несколько человек в мире пытались найти исключения из нее, такие как опровержения постулата о параллельности. Наконец, в 19 веке была открыта неевклидова геометрия, и в геометрии произошел ренессанс. Не находятся ли физики на пороге такого же великого возраста, оказавшись в затруднении из-за того, что не могут изобрести новые способы осмысления старых проблем? Египетская космология основывалась на мотивах, которые люди той эпохи могли видеть в окружающем их мире; вода, небо, земля, биологическая репродукция. Сегодня мы все еще используем мотивы, которые находим в природе, чтобы объяснить происхождение вселенной; геометрия пространства, виртуальные частицы и флуктуации вакуума. Можно, вероятно, ожидать, что в последующие века наши потомки найдут еще другие мотивы, а от них и космологии моды, которые будут удовлетворять требованиям того будущего века, возможно, с гораздо большей точностью и эффективностью, чем наши сегодня. Возможно, в те будущие века ученые будут удивляться изобретательности современных физиков и астрономов и тому, как всего за 300 лет нам удалось создать собственную причудливую теорию, как это сделали египтяне до нас.

Тем временем физики и астрономы делают все возможное, чтобы создать космологию, которая удовлетворит интеллектуальные потребности нашего века. Сегодня, размышляя о происхождении Вселенной, мы обнаруживаем, что смотрим на темную, пустую пустоту, мало чем отличающуюся от той, которую могли вообразить наши египетские предшественники. Эта пустота — состояние изысканного совершенства и симметрии, которое, кажется, не поддается описанию в любых лингвистических терминах, которые мы можем вообразить. С помощью наших теорий мы запускаем математические исследовательские путешествия и наблюдаем, как пустота дрожит от квантовых возможностей невообразимых вселенных.

Астрономия, физика

29 июля 2017 г. СтенБлог

Распад ложного вакуума

Автор Стен Оденвальд. Авторское право (C) 1983 Kalmbach Publishing. Перепечатано с разрешения

В недавно разработанной Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом теории, объединяющей электромагнитное и слабое взаимодействия, вакуум не пуст. Эта своеобразная ситуация возникает из-за существования поля нового типа, называемого полем Хиггса. Поле Хиггса имеет важное физическое следствие, поскольку его взаимодействие с частицами W, W и Z (носителями слабого взаимодействия) заставляет их набирать массу при энергиях ниже 100 миллиардов электрон-вольт (100 Гэв). Выше этой энергии они совершенно безмассовы, как и фотон, и именно эта характеристика делает слабые и электромагнитные взаимодействия такими похожими при высоких энергиях.

На несколько более абстрактном уровне рассмотрим рисунки 1 и 2, представляющие среднюю энергию вакуумного состояния. Если бы Вселенная была основана на вакуумном состоянии, показанном на рис. 1, предсказано, что симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействиями была бы совершенно очевидной. Все частицы, передающие силы, были бы безмассовыми и вели бы себя одинаково. Соответствующие силы были бы неразличимы. Так было бы, если бы Вселенная имела среднюю температуру 1 триллион градусов, так что существующие частицы сталкивались бы при энергиях 100 Гэв. На рисунке 2, представляющем энергию вакуумного состояния для энергий столкновения ниже 100 ГэВ, вакуумное состояние теперь содержит поле Хиггса, а симметрия между силами внезапно теряется или «нарушается». Хотя при низкой энергии поведение сил асимметрично, фундаментальные законы, управляющие электромагнитными и слабыми взаимодействиями, по своей сути остаются симметричными. Это очень замечательное и глубокое предсказание, поскольку оно подразумевает, что определенные симметрии в Природе могут быть скрыты от нас, но, тем не менее, существуют.

За последние 10 лет физики разработали еще более мощные теории, пытающиеся объединить не только электромагнитное и слабое взаимодействие, но и сильное ядерное взаимодействие. Они называются Теориями Великого Объединения (ТВО), а известная упрощенная теория была разработана Говардом Джорджи, Хелен Куинн и Стивеном Вайнбергом и называется SU(5) (произносится как «ess you Five»). Эта теория предсказывает, что ядерные и «электрослабые» силы в конечном итоге будут иметь одинаковую силу, но только тогда, когда частицы сталкиваются при энергиях выше 1 тысячи триллионов ГэВ, что соответствует невообразимой температуре в 10 тысяч триллионов триллионов градусов! SU(5) требует ровно 24 частиц для передачи сил, из которых 8 безмассовых глюонов ядерного взаимодействия, 3 безмассовых промежуточных векторных бозона слабого взаимодействия и один безмассовый фотон электромагнитного взаимодействия составляют 12. Остальные 12 представляют собой полностью новый класс частиц, называемых лептокварковыми бозонами, которые обладают замечательным свойством превращать кварки в электроны. Таким образом, SU(5) предсказывает существование «сверхслабого» взаимодействия; новая пятая сила во Вселенной! В настоящее время это взаимодействие в 10 тысяч триллионов триллионов раз слабее слабого взаимодействия, но тем не менее в 100 миллионов раз сильнее гравитации. 29Приблизительно через 32 года вся материя катастрофически распалась на электроны, нейтрино и фотоны. Эра Материи с ее живыми организмами, звездами и галактиками была бы сметена навсегда, представив лишь мимолетный эпизод в истории вселенной. В дополнение к распаду протона, SU(5) предсказывает, что при энергетической характеристике перехода ТВО мы увидим влияние нового семейства частиц, называемых сверхмассивными бозонами Хиггса, массы которых, как ожидается, составят примерно 1 тысячу триллионов ГэВ! Эти частицы взаимодействуют с 12 лептокварками и делают их массивными точно так же, как бозоны Хиггса при 100 ГэВ сделали тяжелыми частицы W, W и Z. Вооружившись этими знаниями, давайте рассмотрим некоторые из замечательных космологических следствий этих захватывающих теорий. 9-37 секунд после Создания. Протоны и нейтроны, с которыми мы знакомы сегодня, еще не сформировались, поскольку составляющие их кварки взаимодействовали слишком слабо, чтобы позволить им связываться вместе в «пакеты», такие как нейтроны и протоны. Остальные составляющие материи, электроны, мюоны и тау-лептоны, также не имели массы и перемещались по существу со скоростью света; Они были буквально новой формой излучения, во многом похожей на современный свет! Двенадцать сверхмассивных лептокварков, а также сверхмассивные бозоны Хиггса существовали бок о бок со своими античастицами. Каждая пара частица-античастица, которая была уничтожена, была уравновешена воскрешением новой пары где-то еще во Вселенной. В этот период частицы, которые передавали сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, были совершенно безмассовыми, так что эти силы уже нельзя было различить. Жителю той эпохи не пришлось бы теоретизировать о существовании симметрии между сильными, слабыми и электромагнитными взаимодействиями, эту симметрию можно было бы непосредственно наблюдать, и, кроме того, существовало бы меньше типов частиц, за которыми жители могли бы следить. Тогда Вселенная была бы намного проще!

Поскольку Вселенная продолжала расширяться, температура продолжала стремительно падать. 15 и 100 ГэВ, когда силы Природы внезапно стали различимы, все еще исследуется, но недавно различные группы теоретиков, работающих над этой проблемой, предложили некоторые дразнящие описания. . Согласно исследованиям Алана Гута, Стивена Вайнберга и Фрэнка Уилчика между 1979 и 1981, когда произошел переход ТВО, это произошло так же, как образование пузырьков пара в котле с кипящей водой. В этой аналогии внутренняя часть пузырей представляет собой состояние вакуума в новой фазе, где силы различимы, встроенные в старую симметричную фазу, где ядерные, слабые и электромагнитные силы неразличимы. Внутри этих пузырей энергия вакуума относится к типу, показанному на рисунке 2, а снаружи она представлена ​​на рисунке 1. Поскольку мы живем в новой фазе с ее четырьмя различимыми силами, это состояние было названо «истинным» состоянием вакуума. В состоянии ложного вакуума силы остаются неразличимыми, что, конечно же, не та ситуация, в которой мы находимся сегодня!

Космическая инфляция

Захватывающее предсказание модели Гута состоит в том, что Вселенная, возможно, прошла по крайней мере один период в своей истории, когда расширение было гораздо более быстрым, чем предсказывает «стандартная» модель Большого взрыва. Причина этого в том, что сам вакуум также вносит свой вклад в энергетическое содержание Вселенной точно так же, как материя и излучение, однако вклад в противоположном смысле. Хотя гравитация является силой притяжения, космический вакуум создает силу отталкивания. Как показано на рисунках 1 и 2, минимальное энергетическое состояние ложного вакуума в точке «А» до перехода ТВО имеет более высокую энергию, чем состояние истинного вакуума в точке «В» после перехода. Эта разница энергий и вносит свой вклад в энергию вакуума. В течение переходного периода ТВО положительное давление за счет энергии вакуума было бы намного больше, чем сдерживающее давление, создаваемое гравитационным влиянием вещества и излучения. Вселенная раздулась бы с огромной скоростью, инфляция была вызвана давлением вакуума! В этой картине Вселенной космологическая постоянная Эйнштейна приобретает совершенно новое значение, поскольку теперь она представляет собой определенное физическое понятие; Это просто мера разницы энергий между истинным и ложным состояниями вакуума («В» и «А» на рисунках 1 и 2) в определенный момент истории Вселенной. Это также говорит нам о том, что, как и в модели де Ситтера, Вселенная, в которой вакуум вносит свой вклад, должна расширяться во времени экспоненциально, а не линейно, как предсказывает модель Большого взрыва. Сценарий Гута для расширения Вселенной обычно называют «инфляционной Вселенной» из-за быстроты расширения и представляет собой фазу, которая закончится только после того, как истинный вакуум вытеснит ложный вакуум старой, симметричной фазы.

Основная проблема оригинальной модели Гута заключалась в том, что инфляционная фаза длилась очень долго, потому что состояние ложного вакуума очень стабильно. Вселенная оказывается в ловушке тупика состояния ложного вакуума, и экспоненциальное расширение никогда не прекращается. Это было бы чем-то похоже на воду, отказывающуюся замерзать, даже если ее температура упала значительно ниже 0 градусов по Цельсию. Недавние модификации исходной модели «инфляционной Вселенной» привели к тому, что сейчас называется «новой» моделью инфляционной Вселенной. В этой модели Вселенной удается выйти из состояния ложного вакуума и за короткое время эволюционирует в привычное состояние истинного вакуума. 9-24 секунды, за это время Вселенная претерпела бы 10 миллиардов удвоений своего размера! Это число, которое действительно за гранью понимания. Для сравнения: чтобы раздуть атом водорода до размеров всей видимой Вселенной, требуется всего 120 удвоений! Согласно инфляционной модели, пузырьки истинно вакуумной фазы расширялись со скоростью света. Многие из них должны были столкнуться, когда Вселенная была очень молода, чтобы видимая Вселенная сегодня казалась такой однородной. Единственный пузырь не стал бы достаточно большим, чтобы охватить всю нашу видимую вселенную в это время; Радиус около 15-20 миллиардов световых лет. С другой стороны, новая инфляционная модель утверждает, что даже пузыри увеличивались в размерах экспоненциально, как и их разделение. Сами пузыри выросли до огромных размеров, намного превышающих размер нашей наблюдаемой Вселенной. 3000 см. Мы не должны слишком беспокоиться о том, что эти пузыри расширяются во много раз со скоростью света, поскольку их границы не представляют собой физическую сущность. Нет ни электронов, ни кварков, движущихся на расширяющейся ударной волне. Вместо этого расширяется нематериальный вакуум пространства. Скорость расширения пузырьков не ограничивается никаким физическим пределом скорости, например скоростью света.

GUM в GUT

Потенциальная проблема для космологий, которые имеют фазовые переходы в эпоху GUT, заключается в том, что любопытный зоопарк объектов мог бы быть порожден, если бы происходили частые слияния пузырей, как того требует инфляционная модель Гута. Во-первых, каждый пузырек истинно вакуумной фазы содержит свое поле Хиггса, имеющее уникальную ориентацию в пространстве. Кажется вероятным, что ни у каких двух пузырей не будет полей Хиггса, ориентированных совершенно одинаково, так что при слиянии пузырей образуются узлы. Согласно Герхарду т’Хофту и Александру Полякову, эти узлы в поле Хиггса — это магнитные монополи, первоначально предложенные 40 лет назад Полем Дираком, и их должно быть примерно столько же, сколько было слияний пузырей в переходный период. 16 ГэВ) их должно быть в 1 триллион триллионов раз меньше, чем фотонов. на космическом фоне 3К. Расчеты, основанные на старой инфляционной модели, предполагают, что этих GUM (монополей Великого объединения) могло быть в 100 триллионов раз больше, чем верхний предел! Такая Вселенная определенно была бы «закрытой» и, более того, прошла бы всю свою историю между расширением и повторным коллапсом в течение нескольких тысяч лет. Новая модель инфляционной вселенной решает эту проблему перепроизводства «GUM», поскольку мы живем только внутри одного из этих пузырей, которые теперь почти бесконечно больше, чем наша видимая Вселенная. Поскольку столкновения пузырей больше не требуются для гомогенизации материи и излучения во Вселенной, в нашей видимой Вселенной будет существовать очень мало монополей, если они вообще будут.

Горизонты

Продолжительный период инфляции оказал бы важное влияние на излучение космического огненного шара. Одной из давних проблем современной космологии является то, что все направления на небе имеют одинаковую температуру с точностью до поразительной 1 части на 10 000. Если учесть, что регионы, разделенные на небе всего на несколько градусов, только недавно сообщались друг с другом, трудно понять, как регионы, расположенные дальше друг от друга, могут быть настолько похожи по температуре. Излучение из одной из этих областей, движущееся со скоростью света, еще не преодолело промежуточное расстояние до другой, хотя излучение могло начать свой путь с момента возникновения Вселенной. Этот «коммуникационный разрыв» помешает этим регионам сгладить разницу температур.

В стандартной модели Большого взрыва, когда мы оглядываемся на более ранние эпохи из настоящего времени, расстояния между частицами уменьшаются медленнее, чем сужаются их горизонты. Соседние регионы космоса в настоящее время разъединяются, поэтому разность температур может развиваться свободно. В конце концов, когда мы оглядываемся назад, в очень древние времена, горизонты настолько малы, что каждая существующая частица буквально заполняет весь объем своей собственной наблюдаемой вселенной. 86) имел почти идентичные свойства, такие как температура. Любое отклонение от этой ситуации в то время вылилось бы в значительные перепады температур в отдаленных частях неба в настоящее время. К сожалению, какой-то организации пришлось бы устанавливать эти точно настроенные начальные условия, нарушая причинно-следственную связь. Противоречие состоит в том, что никакая сила не может действовать, передавая свое влияние быстрее скорости света. В инфляционных моделях это противоречие устраняется, поскольку расстояние между широко разбросанными точками в пространстве становится почти бесконечно малым по сравнению с размером горизонта, когда мы оглядываемся назад на эпоху инфляции. Поскольку эти точки теперь находятся в пределах световых горизонтов друг друга, любая разница температур была бы немедленно устранена, поскольку более горячие области теперь находились бы в радиационном контакте с более холодными. Благодаря этой экспоненциально растущей фазе де Ситтера в ранней истории Вселенной у нас теперь есть средство для решения проблемы горизонта. 32 лет из-за распада протона.

Несмотря на очевидные успехи, даже новая инфляционная модель Вселенной не лишена недостатков. Хотя кажется, что она дает объяснение нескольким космологическим загадкам, она не дает убедительного способа создания галактик. Те флуктуации плотности материи, которые переживают инфляционный период, настолько плотны, что в конце концов коллапсируют в черные дыры размером с галактику! Ни точный способ перехода к обычному хаббелевскому расширению, ни продолжительность инфляционного периода точно не определены.

Если бы инфляционные космологии могли удовлетворительно ответить на каждый из этих вопросов, мы могли бы иметь, как предложил Дж. Ричард Готт III, самую замечательную модель вселенной, в которой почти бесконечное число «пузырьковых вселенных», каждая из которых имеет почти бесконечное число размер, сосуществовать в одном и том же 4-мерном пространстве-времени; все эти пузырьковые вселенные возникли в один и тот же момент творения. Это менее проблематично, чем можно было бы подозревать, поскольку, если наша Вселенная на самом деле бесконечна, как предполагают имеющиеся данные, то она также была бесконечной даже в момент своего рождения! Можно даже предположить, что Вселенная «просачивается» с постоянно возникающими новыми пузырьковыми вселенными. Вся наша видимая Вселенная, вплоть до самого далекого квазара, была бы всего лишь одним бесконечно малым пятном внутри одной из этих пузырьковых областей. Есть ли в этих других вселенных галактики, звезды, планеты и живые существа, статистически подобные тем, что есть в нашей вселенной? Мы можем никогда не узнать. Эти другие вселенные, порожденные тем же пароксизмом Творения, что и наша собственная, навсегда находятся за пределами нашего внимания, но, очевидно, не в нашем воображении!

После начала…

Наконец, что можно сказать о периоде до Великого объединения? Можно предположить, что при более высоких температурах, чем в эпоху ТВО, даже сверхмассивные бозоны Хиггса и лептокварка становятся безмассовыми, и в конце концов мы приходим ко времени, когда гравитационное взаимодействие объединяется со слабыми, электромагнитными и сильными взаимодействиями. Тем не менее, наши поиски понимания происхождения Вселенной остаются незавершенными, поскольку гравитацию еще предстоит привести в единство с остальными силами на теоретической основе. Этот последний шаг обещает быть не только самым трудным на долгом пути к объединению, но и, по-видимому, несет в себе величайшие надежды на то, что он прольет свет на некоторые из самых глубоких тайн физического мира. Даже сейчас несколько теоретиков по всему миру усердно работают над теорией под названием «Супергравитация», которая объединяет носители взаимодействия (фотоны, глюоны, гравитоны и бозоны слабого взаимодействия) с частицами, на которые они воздействуют (кварками, электронами и т. д.). Теория супергравитации также предсказывает существование новых частиц, называемых фотино и гравитино. Есть даже предположение, что фотино могут заполнять всю Вселенную и объяснять невидимую «недостающую» материю, необходимую для придания Вселенной критической массы, необходимой для того, чтобы она стала точно евклидовой. С другой стороны, гравитино не позволяют вычислениям, включающим обмен гравитонами, давать бесконечные ответы для задач, ответы на которые, как известно, совершенно конечны. До сих пор эти расчеты не учитывали влияния гравитино.

Возможно, в течение следующего десятилетия будет выработано больше деталей последнего этапа Объединения, и тогда можно будет рассказать всю историю рождения нашей вселенной. Это действительно захватывающее время в истории человечества. Будут ли будущие поколения вечно завидовать нашему счастью, стать свидетелями раскрытия первой всеобъемлющей теории Существования при нашей жизни?

Астрономия, Физика

29 июля 2017 г. Стенблог

Имеет ли пространство более трех измерений?
Написано Стеном Оденвальдом
Copyright (C) 1984 Kalmbach Publishing. Перепечатано с разрешения

Интуитивное представление о том, что Вселенная имеет три измерения, кажется неопровержимым фактом. В конце концов, мы можем двигаться только вверх или вниз, влево или вправо, внутрь или наружу. Но все ли эти три измерения нам нужны для описания природы? Что, если есть больше измерений? Обязательно ли они повлияют на нас? А если нет, то как мы могли о них узнать? Некоторые физики и математики, изучающие происхождение Вселенной, думают, что у них есть некоторые ответы на эти вопросы. Они утверждают, что Вселенная имеет гораздо больше, чем три, четыре или пять измерений. Они считают, что их одиннадцать! Но давайте отступим на мгновение. Откуда мы знаем, что наша Вселенная состоит только из трех пространственных измерений? Давайте взглянем на некоторые «доказательства».

На двумерном листе бумаги можно нарисовать бесконечное количество полигонов. Но когда вы попробуете тот же трюк в трех измерениях, вы столкнетесь с проблемой. Правильных многогранников всего пять и только пять. Правильный многогранник определяется как объемная фигура, грани которой представляют собой одинаковые многоугольники — треугольники, квадраты и пятиугольники — и которая построена так, что на каждом ребре встречаются только две грани. Если бы вы перешли от одной грани к другой, вы бы пересекли только одно ребро. Короткие пути внутри многогранника, которые могут привести вас от одной грани к другой, запрещены. Давным-давно математик Леонард Эйлер показал важное соотношение между количеством граней (F), ребер (E) и углов (C) для каждого правильного многогранника: C – E + F = 2. Например, куб имеет 6 граней, 12 ребер и 8 углов, а у додекаэдра 12 граней, 30 ребер и 20 углов. Прогоните эти числа через уравнение Эйлера, и результат всегда будет равен двум, как и в случае с оставшимися тремя многогранниками. Только пять твердых тел удовлетворяют этому соотношению — ни больше, ни меньше.

Не ограничиваясь только тремя измерениями, математики обобщили отношение Эйлера к многомерным пространствам и, как и следовало ожидать, получили интересные результаты. Например, в мире с четырьмя пространственными измерениями мы можем построить только шесть правильных тел. Один из них — «гиперкуб» — объемная фигура в четырехмерном пространстве, ограниченная восемью кубами, подобно тому как куб ограничен шестью квадратными гранями. Что произойдет, если мы добавим в пространство еще одно измерение? Даже самый амбициозный геометр, живущий в пятимерном мире, смог бы собрать только три правильных тела. Это означает, что два известных нам правильных тела — икосаэдр и додекаэдр — не имеют партнеров в пятимерной вселенной.
Для тех из вас, кто успешно освоил визуализацию гиперкуба, попробуйте представить, как выглядит «ультракуб». Это пятимерный аналог куба, но на этот раз он ограничен одним гиперкубом на каждой из своих 10 граней! В конце концов, если бы наш привычный мир не был трехмерным, геометры не нашли бы всего пять правильных многогранников после 2500 лет поисков. Они нашли бы шесть (с четырьмя пространственными измерениями) или, возможно, только три (если бы мы жили в пятимерной вселенной). Вместо этого мы знаем только о пяти правильных твердых телах. А это говорит о том, что мы живем во Вселенной, имеющей не более трех пространственных измерений.

Хорошо, давайте предположим, что наша Вселенная на самом деле состоит из четырех пространственных измерений. Что случается? Поскольку теория относительности говорит нам, что мы также должны рассматривать время как измерение, теперь у нас есть пространство-время, состоящее из пяти измерений. Следствием пятимерного пространства-времени является то, что гравитация может действовать так, как мы этого не хотим.

Согласно лучшим доступным измерениям гравитация подчиняется закону обратных квадратов; то есть гравитационное притяжение между двумя объектами быстро уменьшается с увеличением расстояния. Например, если мы удвоим расстояние между двумя объектами, сила тяжести между ними станет на 1/4 меньше; если мы утроим расстояние, сила станет 1/9как сильный и так далее. Пятимерная теория гравитации вводит дополнительные математические термины, определяющие поведение гравитации. Эти члены могут принимать различные значения, в том числе нулевое. Однако если бы они были равны нулю, это было бы то же самое, что сказать, что гравитации требуется только три пространственных измерения и одно временное измерение, чтобы «дать ей жизнь». Тот факт, что космический корабль «Вояджер» смог пересечь миллиарды миль космоса за несколько лет и прибыть в космос в течение нескольких секунд от предсказанного времени, является прекрасной демонстрацией того, что нам не нужны дополнительные пространственные измерения для описания движений в гравитационном поле Солнца.

Из приведенных выше геометрических и физических аргументов мы можем заключить (что неудивительно), что пространство трехмерно — в масштабах от повседневных объектов до, по крайней мере, Солнечной системы. Если бы это было не так, то геометры нашли бы более пяти правильных многогранников и гравитация действовала бы совсем иначе, чем сейчас — «Вояджер» не прибыл бы вовремя. Итак, мы определили, что нашим физическим законам требуется не более трех пространственных измерений, чтобы описать, как устроена Вселенная. Или они? Возможно, есть какая-то другая арена в физическом мире, где многомерное пространство было бы преимуществом, а не недостатком?

Начиная с 1920-х годов физики пробовали многочисленные подходы к объединению основных природных взаимодействий: гравитации, электромагнетизма, сильных и слабых взаимодействий в атомных ядрах. К сожалению, вскоре физики поняли, что общей теории относительности в четырехмерном пространстве-времени не хватает математических «ручек», на которые можно было бы навесить рамки для трех других сил. Между 1921 и 1927 годами Теодор Калуца ​​и Оскар Кляйн разработали первую многообещающую теорию, сочетающую гравитацию и электромагнетизм. Они сделали это, расширив общую теорию относительности до пяти измерений. Для большинства из нас общая теория относительности достаточно загадочна в обычном четырехмерном пространстве-времени. Какие чудеса могут ожидать нас в этой расширенной вселенной?

Общая теория относительности в пяти измерениях дала теоретикам возможность манипулировать пятью дополнительными величинами помимо 10, необходимых для адекватного определения гравитационного поля. Калуца ​​и Клейн заметили, что четыре из пяти дополнительных величин можно отождествить с четырьмя компонентами, необходимыми для определения электромагнитного поля. На самом деле, к радости Калуцы и Кляйна, эти четыре величины подчинялись тем же типам уравнений, что и уравнения, выведенные Максвеллом в конце 1800-х годов для электромагнитного излучения. Хотя это было многообещающее начало, этот подход так и не прижился и вскоре был наплыв теоретических работ по квантовой теории электромагнитных сил. Только в 19 в. началась работа над теорией супергравитации.75, что метод Калуцы и Клейна вызвал новый интерес. Его время наконец пришло.

Что надеются получить теоретики, расширяя общую теорию относительности за пределы обычных четырех измерений пространства-времени? Возможно, изучая общую теорию относительности в многомерной формулировке, мы сможем объяснить некоторые константы, необходимые для описания сил природы. Например, почему протон в 1836 раз массивнее электрона? Почему существует только шесть типов кварков и лептонов? Почему нейтрино безмассовые? Возможно, такая теория сможет дать нам новые правила для расчета масс элементарных частиц и способов их влияния друг на друга. Эти многомерные теории относительности могут также рассказать нам кое-что о количестве и свойствах таинственного нового семейства частиц — бозонов Хиггса, существование которых предсказывается различными схемами космического объединения. (См. «Распад ложного вакуума», АСТРОНОМИЯ, 19 ноября.83.)

Эти ожидания — не просто несбыточные мечты физиков — они на самом деле, кажется, развиваются как естественные следствия некоторых типов теорий, изученных за последние несколько лет. В 1979 году Джон Тейлор из Королевского колледжа в Лондоне обнаружил, что некоторые формализмы высших измерений могут дать предсказания для максимальной массы бозона Хиггса (примерно в 76 раз больше, чем у протона). предсказывают существование этих частиц — они не могут предоставить конкретных подробностей об их физических характеристиках. Но теоретики могут определить некоторые из этих деталей, используя расширенные теории общей теории относительности. Экспериментально нам известны шесть лептонов: электрон, мюон, тауон и три связанных с ними нейтрино. Однако самое замечательное предсказание этих расширенных схем относительности состоит в том, что число лептонов, способных существовать во Вселенной, связано с числом измерений пространства-времени. Например, в шестимерном пространстве-времени может существовать только один лептон — предположительно электрон. В 10-мерном пространстве-времени может существовать четыре лептона, но этого недостаточно, чтобы разместить шесть наблюдаемых нами. В 12-мерном пространстве-времени мы можем учесть все шесть известных лептонов, но мы также приобретаем два дополнительных лептона, которые еще не обнаружены. Ясно, что на фундаментальном уровне мы бы многого добились, если бы смогли немного увеличить количество измерений в наших теориях.

Сколько дополнительных измерений нам нужно рассмотреть, чтобы объяснить элементарные частицы и силы, о которых мы знаем сегодня? Очевидно, нам требуется по крайней мере одно дополнительное пространственное измерение для каждого отдельного «заряда», который характеризует, как каждая сила взаимодействует с материей. Для электромагнитной силы нам нужны два электрических заряда: положительный и отрицательный. Для сильного взаимодействия, которое связывает кварки вместе, образуя, среди прочего, протоны и нейтроны, нам нужны три «цветовых» заряда — красный, синий и зеленый. Наконец, нам нужны два «слабых» заряда, чтобы объяснить слабое ядерное взаимодействие. если мы добавим пространственное измерение для каждого из этих зарядов, мы получим в общей сложности семь дополнительных измерений. Должным образом расширенная общая теория относительности, которую мы ищем, — это теория с 11-мерным пространством-временем, по крайней мере. Подумайте об этом — одно только пространство должно иметь по крайней мере 10 измерений, чтобы вместить все поля, известные сегодня.

Конечно, эти дополнительные измерения не обязательно должны быть похожи на те, о которых мы уже знаем. В контексте современной единой теории поля эти дополнительные измерения в некотором смысле являются внутренними для самих частиц — «личной тайной», доступной только частицам и полям, которые на них воздействуют! Эти измерения не наблюдаемы физически в том же смысле, что и три пространственных измерения, которые мы переживаем; они стоят по отношению к обычным трем измерениям пространства так же, как пространство стоит по отношению ко времени.

Сегодняшний настоящий ренессанс в поиске единства между силами и частицами, составляющими космос, причем некоторые методы отличаются от тех, которые мы обсуждали, эти новые подходы приводят нас к удивительно схожим выводам. Похоже, что четырехмерное пространство-время просто недостаточно сложно для того, чтобы физика могла так действовать.

Мы знаем, что частицы, называемые бозонами, передают силы природы. Мы также знаем, что эти силы действуют на частицы, называемые фермионами. Члены семейства фермионов носят знакомые имена электрон, мюон, нейтрино и кварк; бозоны — это менее известные гравитонные, фотонные, глюонные и промежуточные векторные бозоны. Теории великого объединения развивались с 1975 теперь показывают, что эти частицы являются «ароматами» более абстрактного семейства суперчастиц — точно так же, как мюон — это другой тип электрона. Это выражение нового вида космической симметрии, получившей название суперсимметрии, потому что она всеобъемлюща. Сюда входят не только бозоны, переносящие взаимодействие, но и частицы, на которые действуют эти силы. Существует также соответствующая сила, помогающая природе поддерживать суперсимметрию во время различных взаимодействий. Это называется супергравитацией. Теория суперсимметрии вводит два новых типа фундаментальных частиц — гравитино и фотино. Гравитино обладает замечательным свойством математически смягчать силу различных видов взаимодействий, связанных с обменом гравитонами. Фотоно, двоюродный брат фотона, может помочь объяснить «недостающую массу» во Вселенной.

Теория суперсимметрии на самом деле представляет собой комплекс из восьми различных теорий, наложенных друг на друга, как ступеньки лестницы. Чем выше ступень, тем больше ее дополнение разрешенных состояний частиц фермионов и бозонов. Кажется, самой «вместительной» из всех теорий является SO(8) (произносится как «эсс-о-восемь»), которая может содержать 99 различных типов бозонов и 64 различных типа фермионов. Но SO(8) превосходит своего подчиненного, SO(7), только на одно дополнительное измерение и одно дополнительное состояние частицы. Поскольку SO(8) идентичен SO(7) во всех его существенных чертах, вместо этого мы обсудим SO(7). Однако мы знаем гораздо больше, чем 162 типа частиц, которые может вместить SO(7), и многие из предсказанных типов никогда не наблюдались (например, безмассовое гравитино). SO(7) требует семь внутренних измерений в дополнение к четырем, которые мы знаем, — времени и трем «повседневным» пространственным измерениям. Если SO(7) вообще отражает реальность, то наша Вселенная должна иметь как минимум 11 измерений! К сожалению, В. Нам в Европейском центре ядерных исследований в Женеве, Швейцария, продемонстрировал, что теории суперсимметрии для пространства-времени с более чем 11 измерениями теоретически невозможны. SO(7), очевидно, имеет максимально возможное количество пространственных измерений, но в нем все еще недостаточно места для размещения всех известных типов частиц.

Неясно, к чему ведут эти различные направления исследований. Возможно, нигде. Безусловно, существует множество исторических прецедентов для идей, от которых позже отказались, поскольку они оказались концептуальными тупиками. Но что, если они окажутся правильными на каком-то уровне? Начала ли наша Вселенная свою жизнь как некий 11-мерный «объект», который затем кристаллизовался в наш четырехмерный космос?

Хотя эти внутренние измерения могут не иметь большого отношения к реальному миру в настоящее время, возможно, так было не всегда. Э. Креммер и Дж. Шерк из I’Ecole Normale Superieure в Париже показали, что точно так же, как Вселенная претерпевала фазовые переходы в своей ранней истории, когда силы природы стали различимы, Вселенная могла также пройти через фазовый переход, когда менсиональность измененный. Предположительно материя имеет что-то вроде четырех внешних измерений (с которыми мы сталкиваемся каждый день) и что-то вроде семи внутренних измерений. К счастью для нас, эти семь дополнительных измерений не распространяются на большую четырехмерную реальность, в которой мы живем. Если бы они это сделали, простая прогулка по парку могла бы превратиться в настоящую полосу препятствий, усеянную червоточинами в космосе и кто знает чем еще! 9-31 сантиметр к настоящему времени. Пятое измерение Вселенной почти исчезло и составляет 20 степеней 10 — 100 миллиардов миллиардов раз — меньше, чем размер протона. Хотя Вселенная кажется четырехмерной в пространстве-времени, такое восприятие случайно из-за нашего большого размера по сравнению с масштабами других измерений. Большинство из нас думают, что измерение простирается до бесконечности, но это еще не все. Например, если нашей Вселенной действительно суждено вновь схлопнуться в далеком будущем, то трехмерное пространство, которое мы знаем сегодня, на самом деле ограничено само по себе — оно в конечном итоге будет обладать максимальным, конечным размером. Так уж получилось, что физические размеры человека вынуждают нас рассматривать эти три пространственных измерения как бесконечно большие.

Нетрудно смириться с мыслью, что пятое (или шестое, или одиннадцатое) измерение может быть меньше атомного ядра — в самом деле, мы, вероятно, можем быть благодарны за то, что это так.

астрономия, физика

29 июля 2017 г. Стенблог

Космический фактор выдумки Эйнштейна

Автор Стен Оденвальд
Copyright (C) 1991. Sky Publishing Corporation. Перепечатано с разрешения. См. выпуск за апрель 1991 г.

Черные дыры… кварки… темная материя. Кажется, что космос становится немного страннее каждый год. До недавнего времени астрономическая вселенная, известная людям, была населена планетами, звездами, галактиками и рассеянными туманностями из пыли и газа. Теоретики говорят нам, что он также может быть населен такими объектами, как суперструны, темная материя и массивные нейтрино — объектами, которые еще предстоит открыть, если они вообще существуют!
Как бы странно ни звучали эти новые компоненты, вам не нужно быть ученым-ракетчиком, чтобы оценить самый загадочный ингредиент из всех. Именно чернильная чернота самого космоса приковывает наше внимание, когда мы смотрим на ночное небо; не редкие точки света, которые сигнализируют о наличии широко рассеянного вещества.

В течение последних нескольких десятилетий физики и астрономы начали осознавать, что понятие пустого пространства содержит больше тонкостей, чем когда-либо прежде. Пространство — это не просто пассивный сосуд, который должен быть заполнен материей и излучением, но самостоятельная динамическая физическая сущность.

Одна глава в истории нашей новой концепции пространства начинается со знаменитой теоретической ошибки, допущенной почти 75 лет назад, которая теперь, кажется, обрела собственную жизнь.

В 1917 году Альберт Эйнштейн попытался использовать свою недавно разработанную общую теорию относительности для описания формы и эволюции Вселенной. В то время господствовало представление о том, что Вселенная статична и неизменна. Эйнштейн полностью ожидал, что общая теория относительности поддержит эту точку зрения, но, как ни удивительно, этого не произошло. Неумолимая сила гравитации, притягивающая каждую частицу материи, требовала, чтобы Вселенная рухнула под собственным весом.

Его решением этой дилеммы было добавление нового термина «антигравитация» к своим исходным уравнениям. Это позволило его математической вселенной казаться такой же постоянной и неизменной, как реальная. Этот термин, обычно записываемый как заглавная греческая лямбда, называется «космологической постоянной». Оно имеет точно такое же значение повсюду во Вселенной, тщательно подобранное, чтобы компенсировать тенденцию к гравитационному коллапсу в каждой точке пространства.

Простой мысленный эксперимент может помочь проиллюстрировать природу лямбды. Возьмите кубический метр пространства и удалите из него всю материю и излучение. Большинство из нас согласится, что это идеальный вакуум. Но, подобно призраку в ночи, космологическая постоянная все еще была бы здесь. Итак, пустое пространство на самом деле вовсе не пусто — Лямбда придает ему своеобразную «скрытую энергию». Другими словами, даже Ничто есть Нечто!

Выдуманное решение Эйнштейна оставалось неоспоримым до 1922 года, когда русский математик Александр Фридман начал создавать убедительные космологические модели, основанные на уравнениях Эйнштейна, но без дополнительных величин. Вскоре после этого теоретики, внимательно изучавшие модель Эйнштейна, обнаружили, что, подобно карандашу, балансирующему на острие, она неустойчива к коллапсу или расширению. Позже в том же десятилетии астроном Маунт-Вильсон Эдвин П. Хаббл обнаружил прямое наблюдательное свидетельство того, что Вселенная не статична, а расширяется.

Все это упоминание о том, что мотивация введения космологической постоянной казалась надуманной. Признав свою ошибку, Эйнштейн отказался от лямбды в 1932 году. Сначала казалось, что это положило конец спорам о ее существовании. Тем не менее, десятилетия спустя, несмотря на опровержение великого физика, Лямбда продолжает появляться в дискуссиях космологов о происхождении, эволюции и судьбе Вселенной.

ТЕОРИЯ СООТВЕТСТВУЕТ НАБЛЮДЕНИЯМ

Стандартная модель Фридмана «Большого взрыва» без космологической постоянной предсказывает, что возраст Вселенной t0 и скорость ее расширения (представленная параметром Хаббла H0) связаны уравнением t0 = 2/3H0. Некоторые астрономы предпочитают значение H0 около 50 километров в секунду на мегапарсек (один мегапарсек равен 3,26 миллиона световых лет). Но вес данных наблюдений, похоже, склоняет чашу весов к значению, близкому к 100. В модели Фридмана это означает, что космосу может быть не более 7 миллиардов лет. Тем не менее возраст некоторых шаровых скоплений нашей галактики оценивается независимыми методами от 12 до 18 миллиардов лет!

В том, что называется космологией Эйнштейна-ДеСиттера, лямбда-член помогает разрешить это несоответствие. Теперь большое значение параметра Хаббла можно частично объяснить «космическим отталкиванием». Это изменяет отношение между t0 и H0, так что для данного размера Вселенная старше, чем предсказывает модель Фридмана.

В одной формулировке уравнения Эйнштейна лямбда выражается в единицах плотности материи. Это означает, что мы можем спросить, как космологическая постоянная, если она вообще существует, соотносится с плотностью Вселенной в формах звезд и галактик.

До сих пор тщательный анализ доступных астрономических данных дал только верхние пределы величины лямбда. Они варьируются в значительном диапазоне — примерно от 10 процентов плотности обычного вещества до плотности в несколько раз больше этой.

Космологическая постоянная также может наложить свой отпечаток на свойства гравитационных линз и слабых галактик. Одной из замечательных особенностей общей теории относительности Эйнштейна является ее предсказание того, что пространство и время деформируются или «искажаются» вблизи массивного тела, такого как планета, звезда или даже галактика. Пути световых лучей, проходящих через такие области искривленного «пространства-времени», меняются. На космологической арене близлежащие галактики могут отклонять и искажать изображения более далеких галактик позади них. Иногда изображения этих далеких галактик могут выглядеть как несколько изображений, окружающих близлежащую «линзирующую» галактику.

В Киотском университете М. Фукугита и его коллеги предсказали, что будет обнаружено больше слабых галактик и гравитационных линз, чем во Вселенной Фридмана, если лямбда более чем в несколько раз превышает плотность материи. Эдвин Тернер, астрофизик из Принстонского университета, также проанализировал существующие скудные данные о гравитационных линзах и обнаружил, что их количество столь же велико, как и ожидалось, для лямбда, меньше чем в несколько раз превышающей плотность вещества. Судя по наилучшей астрономической разведке, лямбда, вероятно, не больше, чем наблюдаемая средняя плотность материи во Вселенной. Если на то пошло, нет убедительных доказательств того, что лямбда не точно равна нулю. Так почему бы просто не отбросить это как ненужное осложнение? Потому что космологическая постоянная больше не является, строго говоря, конструкцией теоретической космологии.

НИЧЕГО И ВСЕ

Чтобы понять, как возникла наша Вселенная и как эволюционировали ее различные составляющие, мы должны глубоко изучить фундаментальные составляющие материи и силы, определяющие ее взаимодействие. Это означает, что вопросы, которые нам придется задать, будут иметь больше общего с физикой, чем с астрономией. Вскоре после Большого взрыва Вселенная была при такой высокой температуре и плотности, что важны были только детали состава материи (кварки, электроны и т. д.) и то, как они взаимодействуют через четыре фундаментальные силы природы. Они представляли собой самые сложные из существующих скоплений материи задолго до того, как на сцену вышли атомы, планеты, звезды и галактики.

Вот уже два десятилетия физики пытаются объединить силы и частицы, из которых состоит наш мир, чтобы найти общее математическое описание, охватывающее их все. Некоторые думают, что такая Теория Всего находится в пределах досягаемости. Это объясняет не только известные формы материи, но и фундаментальные взаимодействия между ними: гравитацию, электромагнетизм, сильные и слабые ядерные взаимодействия.

Эти теории объединения известны под разными названиями: теория великого объединения, теория суперсимметрии и теория суперструн. Их основное утверждение состоит в том, что Природа действует в соответствии с небольшим набором простых правил, называемых симметриями.

Концепция симметрии так же стара, как древняя греческая цивилизация, чье искусство и архитектура являются шедеврами простоты и баланса. Геометрам давно известно, что простой куб можно повернуть на 90 градусов без изменения его внешнего вида. В двух измерениях равнобедренные треугольники выглядят одинаково, если их повернуть на 120 градусов. Это примеры геометрической концепции вращательной симметрии.

Существуют параллели с геометрической симметрией в способах выражения различных физических явлений и качеств материи. Например, хорошо известный принцип сохранения энергии является следствием того факта, что когда некоторые совокупности материи и энергии исследуются в разное время, каждая из них имеет в точности одинаковую полную энергию, так же как куб выглядит одинаково, когда он вращается в пространстве на заданную величину. Симметрия при «сдвиге во времени» так же тесно связана с законом сохранения энергии, как и симметрия куба при повороте на 90 градусов.

Среди прочего, симметрии Природы определяют силу и диапазон природных сил и свойства частиц, на которые они воздействуют. Хотя симметрии Природы скрыты в сегодняшнем холодном мире, они проявляются при очень высоких температурах и могут быть изучены в современных ускорителях частиц.

Настоящая цель теории объединения на самом деле двояка: не только раскрыть и описать основные симметрии мира, но и найти физические механизмы для их «нарушения» при низкой энергии. Ведь мы живем в сложном мире, наполненном разнообразием частиц и сил, а не в пресном мире с одним видом силы и одним видом частицы!

Теоретики, работающие над этой проблемой, часто вынуждены добавлять в свои уравнения члены, представляющие совершенно новые области в Природе. Понятие поля было изобретено математиками, чтобы показать, как конкретная величина может изменяться от точки к точке пространства. Физики с 18 века приняли эту идею для количественного описания того, как такие силы, как гравитация и магнетизм, изменяются на разных расстояниях от тела.

Взаимодействие этих полей с кварками, электронами и другими частицами приводит к нарушению симметрии. Эти поля обычно сильно отличаются от тех, о которых мы уже знаем. Например, столь востребованное поле бозона Хиггса было введено Шелдоном Глэшоу, Абдусом Саламом и Стивеном Вайнбергом в их объединенной теории электромагнитных и слабых ядерных взаимодействий.

До их работы слабое взаимодействие, вызывающее распад определенных частиц, и электромагнитное взаимодействие, ответственное за притяжение между заряженными частицами и движение стрелки компаса, считались разными силами в природе. Объединив свои математические описания в общий язык, они показали, что это различие вовсе не принципиально для сил! Новое поле в природе, называемое полем Хиггса, заставляет эти две силы действовать по-разному при низкой температуре. Но при температурах выше 1000 триллионов градусов слабое и электромагнитное взаимодействия становятся практически идентичными в том, как они воздействуют на материю. Соответствующие частицы, называемые бозоном Хиггса, не только вызывают нарушение симметрии между электромагнитными и слабыми взаимодействиями при низкой температуре, но и ответственны за придание свойства массы таким частицам, как электроны и кварки!

Однако есть цена, которую приходится платить за введение новых полей в математический аппарат. Они не только нарушают симметрию, но и могут придать вакуумному состоянию огромную скрытую энергию, которая, как ни странно, ведет себя точно так же, как лямбда в космологических моделях.

Неловкость от необходимости воскрешать устаревшую величину Лямбда усугубляется, когда для предсказания ее значения используются теории объединения. Вместо того, чтобы быть в лучшем случае исчезающе малым компонентом Вселенной, предсказанные значения в некоторых случаях в 10 раз превышают даже самые щедрые астрономические верхние пределы!

Неприятным фактом жизни физиков является то, что лучшие кандидаты в Теорию Всего всегда должны быть доработаны, чтобы избавиться от их нежелательных космологических последствий. Без надлежащей настройки эти кандидаты могут давать правильные предсказания в микроскопическом мире физики элементарных частиц, но предсказывать вселенную, которая в своих самых больших масштабах сильно отличается от той, в которой мы живем.

Подобно вестнику из глубин времени, малость – или отсутствие – космологической постоянной сегодня говорит нам кое-что важное о том, как создать правильную Теорию Всего. Это указатель того, как симметрия природы нарушается при низкой энергии, и надоедливое напоминание о том, что наше понимание физического мира все еще неполно в каком-то фундаментальном смысле.

ВЕРОЯТНАЯ ИСТОРИЯ

Большинство физиков ожидают, что Теория всего будет описывать гравитацию так же, как мы сейчас описываем материю, сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия — на языке квантовой механики. В конце концов, гравитация — это просто еще одна сила в Природе. До сих пор это оказалось неуловимым, отчасти из-за явной сложности уравнений общей теории относительности. Ученые со времен Эйнштейна описывали гравитацию (а также пространство и время) в чисто геометрических терминах. Таким образом, мы говорим о гравитации как о «кривизне пространства-времени».

Для достижения полного объединения диалекты квантовой материи и геометрического пространства должны быть объединены в единый язык. Материя представляется довольно точно описанной на языке квантовой механики. Кварки и электроны обмениваются переносящими взаимодействие частицами, такими как фотоны и глюоны, и тем самым ощущают электромагнитное и сильное ядерное взаимодействие. Но гравитация описывается общей теорией относительности Эйнштейна как чисто геометрическое явление. Эти геометрические идеи кривизны и размерности пространства не имеют ничего общего с квантовой механикой.

Чтобы объединить эти две великие основы физики, необходимо найти общий язык. К этому новому языку нужно привыкнуть. В ней различие между материей и пространством растворяется и полностью теряется; материя становится геометрическим явлением, и в то же время пространство становится экзотической формой материи.

Начиная с работы по квантовой теории гравитации Джона Уилера и Брайса ДеВитта в 1960-х годах и продолжая так называемой теорией суперструн Джона Шварца и Майкла Грина в 19В 80-х годах появляется примитивная версия такого «квантово-геометрического» языка. Неудивительно, что она заимствует многие идеи из обычной квантовой механики.

Основная концепция квантовой механики заключается в том, что каждая система элементарных частиц определяется математической величиной, называемой волновой функцией. Эту функцию можно использовать, например, для предсказания вероятности обнаружения электрона в определенном месте и в определенное время внутри атома. Волновая функция представляет собой не одну величину, а сумму бесконечного числа факторов или «состояний», каждое из которых представляет собой возможный результат измерения. Одновременно можно наблюдать только одно из этих состояний.

По прямой аналогии, в квантовой гравитации геометрия пространства-времени, плоская или искривленная, является лишь одной из бесконечного разнообразия геометрических форм пространства-времени, а значит, и Вселенной. Все эти возможности описываются как отдельные состояния волновой функции Вселенной.

Но что определяет вероятность того, что Вселенная будет иметь именно ту геометрию, которую мы сейчас наблюдаем, из бесконечного множества других? В квантовой механике вероятность того, что электрон находится где-то внутри атома, определяется внешним электрическим полем, действующим на него. Это поле обычно создается протонами в атомном ядре. Может ли существовать какое-то таинственное поле «вне» нашей Вселенной, определяющее ее вероятность?

По словам теоретика из Кембриджского университета Стивена Хокинга, это неверный взгляд на проблему. В отличие от электрона, на который действуют протоны, наша Вселенная полностью автономна. Он не требует никаких внешних условий или полей, чтобы помочь определить его вероятность. Вероятность того, что наша Вселенная выглядит именно так, зависит только от силы полей внутри нее.

Среди этих внутренних полей могут быть и такие, которые мы еще не открыли. Может ли космологическая постоянная быть в нашей Вселенной отпечатком нового «скрытого» поля в Природе? Это новое поле может повлиять на вероятность существования нашей Вселенной так же, как котелок с супом может содержать неизвестные ингредиенты, хотя мы все еще можем точно определить массу котла.

Ряд математических соображений привел Хокинга к выводу, что чем слабее становится скрытое поле, тем меньше будет наблюдаемое нами значение космологической постоянной и тем более вероятной будет текущая геометрия Вселенной.

Это, в свою очередь, означает, что если бы лямбда была достаточно большой, чтобы ее могли измерить астрономы, наша Вселенная была бы маловероятной. С философской точки зрения это может не беспокоить тех, кто считает наш космос абсолютно уникальным, но в мире, который, казалось бы, управляется вероятностью, возможна и противоположная точка зрения. На самом деле может существовать бесконечное количество вселенных, но только в меньшинстве из них есть правильное сочетание физических законов и физических условий, напоминающее нашу питающую жизнь вселенную.

Хокинг продолжил свою линию рассуждений, предположив, что если в так называемой планковской шкале от 10 до степени -33 сантиметра космос можно представить как шипучий ландшафт или «пространственно-временную пену», то, возможно, может существовать естественный механизм для устранения космологической постоянной навсегда.

Одним из любопытных моментов объединения скорости света и постоянной тяготения Ньютона из общей теории относительности с постоянной Планка из квантовой механики является то, что их можно заставить определять уникальные значения длины, времени и энергии. Физики считают, что на этих планковских шкалах, представленных 10 в степени -33 сантиметра и 10 в степени -43 секунды, общая теория относительности и квантовая механика сливаются вместе, чтобы стать единой всеобъемлющей теорией физического мира: Теорией всего. . Энергия, связанная с этим объединением, равна 10 в степени 19.миллиардов электрон-вольт, почти невообразимо много по меркам современной технологии.

Сама Вселенная вскоре после Большого Взрыва тоже должна была пройти через такие масштабы пространства, времени и энергии в первые мгновения своего существования. Космологи называют этот период Эрой Планка. Это знаменует собой самые ранние времена, когда физики могут исследовать физическое состояние Вселенной, не имея полной Теории Всего, которой они могли бы руководствоваться.

КРОВОТЫ

Физик из Гарвардского университета Сидней Коулман недавно довел эту мысль до возможного вывода. Вместо какого-то таинственного нового поля в Природе, возможно, в наших теориях появляется термин Лямбда, потому что мы используем неправильную исходную модель для геометрии пространства в масштабе Планка.

Предыдущие размышления о структуре пространства-времени предполагали, что оно в некотором смысле ведет себя как гладкий резиновый лист. Под действием материи и энергии пространство-время может деформироваться в различные формы, каждая из которых представляет собой возможное геометрическое состояние Вселенной. Почти все кандидаты в Теорию Всего встраивают свои поля и симметрии в такую ​​гладкую геометрическую арену.

Но что, если бы пространство-время было намного сложнее? Одна из возможностей состоит в том, что существуют «червоточины», заполняющие пространство-время сетью туннелей. Ткань пространства-времени может иметь больше общего с кусочком швейцарского сыра, чем с гладким резиновым листом.

Согласно Коулману, добавление червоточин в пространство-время означает, что, подобно ряби от множества камней, брошенных в пруд, одно геометрическое состояние Вселенной может мешать другому. Наиболее вероятные состояния (или самые большие волны) выиграют. Математика предполагает, что интерференция квантовых червоточин в планковском масштабе делает существование вселенных с космологическими константами, отличными от нуля, крайне маловероятным.

Насколько большими должны быть червоточины, чтобы иметь такие драматические последствия? Удивительно, но расчеты показывают, что маленькое красиво. Червоточины размером с собаку и планету были бы очень редки. Вселенные, содержащие даже несколько из них, существовали бы с исчезающе малой вероятностью. Но червоточины размером менее 10 в степени -33 сантиметра могут быть повсюду. Объем размером с кубик сахара может быть кишит бесчисленными триллионами их то появляющихся, то исчезающих!

Коулман предполагает, что действие этих ранее игнорировавшихся мини-червоточин на геометрическую ткань вселенной приводит к тому, что лямбда почти равна нулю. Подобно квантовым «Pac Men», они поглощают всю скрытую энергию пространства-времени, которая иначе предстала бы перед нами в виде измеримой космологической постоянной!

Добавление червоточин к описанию пространства-времени допускает возможность того, что наша Вселенная не возникла отчужденной и независимой, а находилась под влиянием того, как уже развивались другие пространства-времени — призрачные математические вселенные, с которыми мы никогда не сможем общаться напрямую.

У наиболее вероятной из этих вселенных лямбда близка к нулю, и именно эти состояния превосходят всех остальных претендентов. В причудливой форме квантовой демократии наша Вселенная, возможно, была вынуждена следовать за большинством, эволюционируя в состояние высокой вероятности, которое мы сейчас наблюдаем, без обнаруживаемой космологической постоянной.

ЭПИЛОГ

Червоточины? Волновые функции? Скрытые поля? Ответ на вопрос о малости или отсутствии космологической постоянной, похоже, уходит в самые дальние уголки абстрактного мышления быстрее, чем большинство из нас может его догнать.

Какими бы гениальными ни казались эти новые идеи, последние страницы этой необычной истории, вероятно, еще не написаны, тем более что мы не можем напрямую проверить ни одну из этих идей. Это дань уважения гению Эйнштейна, что даже его «самая большая ошибка», допущенная в начале этого века, до сих пор досаждает физикам и астрономам, когда мы готовимся вступить в 21 век. Кто бы мог подумать, что то, чего может даже не существовать, приведет к таким огромным проблемам!

Астрономия, Физика

29 июля 2017 г. Стенблог

Пространство-время: Последний рубеж

Автор Стен Оденвальд. Авторские права (C) Sky Publishing Corporation, 1995 г. См. выпуск за февраль 1996 г.
НОЧНОЕ НЕБО, если подумать, является одним из самых странных зрелищ, которые только можно себе представить. Точечные звезды, которые бросаются в глаза, почти поглощены черной пустотой космоса — сущностью глубиной в миллиарды световых лет, с которой мы здесь, на Земле, не имеем прямого опыта.
Что такое пустое пространство на самом деле? Сначала вопрос кажется глупым. Ничего страшного! Но взгляните еще раз в свете того, что знает и подозревает современная физика, и вы увидите, что природа пространства становится одной из самых важных «спящих» проблем, растущих за последние 50 лет. «Природа не терпит пустоты», — провозгласил Аристотель более 2300 лет назад. Сегодня физики открывают для себя, что это так, а древние греки и представить себе не могли.

Правда, космос состоит в основном из вакуума. Однако сам вакуум оказывается вовсе не пустым. Это гораздо сложнее, чем может предположить большинство людей. «Но ведь, — спросите вы, — если вы возьмете контейнер и удалите из него все — каждый атом, каждый фотон — ничего не останется?» Отнюдь не. С 19Физики 20-х годов осознали, что в микроскопическом масштабе сам вакуум полон активности. Более того, эта сеть активности может простираться вплоть до самой структуры пространства-времени. Тонкая структура вакуума может в конечном итоге дать ключи к некоторым из самых глубоких вопросов, стоящих перед физикой — от того, почему элементарные частицы обладают такими свойствами, до причины Большого взрыва и вероятности существования других вселенных за пределами нашей.

ВЕЩИ, КОТОРЫЕ ВЗРЫВАЮТСЯ В ТЕМНОТЕ

Современное состояние физики — наше самое глубокое современное понимание мира — воплощено в так называемой Стандартной модели, в которой вся материя и силы объясняются поразительно малым количеством типов частиц (см. Sky & Telescope – декабрь 1987 г., стр. 582). Шесть кварков и шесть лептонов составляют все возможные формы материи. На практике всего два кварка (верхний и нижний) и один лептон (электрон) объясняют все в мире, за исключением нескольких дуновений экзотики, известных только физикам высоких энергий. На 12 частиц материи (и 12 соответствующих им частиц антиматерии или античастиц) действуют «частицы-посланники», несущие все известные силы. Фотон является посредником электромагнитной силы, включая все известные химические и структурные силы вокруг нас на Земле. Члены семейства глюонов несут сильное взаимодействие, которое связывает нейтроны и протоны вместе в атомных ядрах. W’, W- и Zo опосредуют слабое ядерное взаимодействие, а еще не открытый гравитон, как полагают, несет силу гравитации.

Каждое возможное событие с участием 12 частиц материи можно полностью объяснить как обмен частицами-посланниками. Во время некоторых из этих событий, например, когда электроны ускоряются в антенне радиопередатчика, передающие частицы (в данном случае фотоны) материализуются и путешествуют в пространстве. Однако в других случаях мессенджеры остаются почти полностью скрытыми внутри взаимодействующей системы. Когда посланники существуют в этой скрытой форме, их называют «виртуальными частицами». Виртуальные частицы могут казаться призрачными и нереальными по повседневным меркам. Но они настоящие. Более того, они не ограничиваются своей ролью опосредования взаимодействий. Виртуальные частицы также могут появляться и исчезать из пустого пространства сами по себе.

Квантовая механика, свод правил Стандартной модели, утверждает в качестве основополагающего принципа, что для измерения энергии или массы частицы с заданной степенью точности требуется определенное время. Чем короче время наблюдения, тем более неопределенным является измерение. Если время очень короткое, неопределенность становится больше, чем вся масса частицы, и вы не можете сказать, есть ли частица вообще. Чем легче частица, тем больше время ее неопределенности. В случае электрон-позитронной пары временная шкала неопределенности составляет около 10^-21″ секунд.

В более коротких масштабах времени виртуальные электроны и позитроны могут появляться и исчезать из небытия, как горошины в игре в ракушки. Это как если бы вы не могли сказать, что частица не существует, если взглянуть очень кратко, то в каком-то смысле она существует. Это не просто теоретизирование. В 1958 году настольный эксперимент продемонстрировал «эффект Казимира», измеряя силу, вызванную появлением и исчезновением виртуальных частиц в полном вакууме за счет притяжения, которое они вызывали между двумя параллельными металлическими пластинами. Если бы вакуум был действительно пуст, пластины не должны были бы притягиваться, но непрекращающийся танец виртуальных частиц в пространстве между ними производит заметный эффект.

Каждая частица — как материя, так и посланник — кажется, отображает виртуальную форму, каждая из которых кипит в большем или меньшем изобилии в том, что физики называют «физическим вакуумом». Более того, когда дело доходит до воздействия на обычный мир, виртуальные частицы могут делать гораздо больше, чем просто опосредовать силы. Некоторые на самом деле могут придавать материи свойство, которое мы называем массой. Электрон — простейшая из материальных частиц. Наши знания о физическом мире основаны на твердом понимании его свойств. Тем не менее, несмотря на его изобилие в схемах вокруг нас, электрон таит в себе загадку. Тот факт, что он имеет массу, не может быть объяснен в Стандартной модели, по крайней мере, в тех ее частях, которые были подтверждены экспериментально. Более 30 лет назад физик элементарных частиц Питер Хиггс предположил, что существование массы связано с новым компонентом природы, который теперь называется полем Хиггса. ».

Поле Хиггса еще предстоит открыть, но многие физики ожидают, что оно будет существовать повсюду в физическом вакууме, гарантируя, что благодаря взаимодействию с электронами и другими частицами они будут проявлять массу. Даже сейчас ускорители частиц в ЦЕРН в Швейцарии и в Фермилабе под Чикаго напрягают свои максимальные возможности, чтобы заставить всего один «бозон Хиггса», предполагаемую частицу-посланника для этого поля, вырваться из вакуума и оставить заметный след. Успех обеспечил бы триумфальное завершение Стандартной модели.

Таким образом, чтобы ответить на наш вопрос о том, действительно ли контейнер с пустым пространством пуст, лучшее, что можно сделать, это удалить нормальные физические частицы, которые природа позволяет нам видеть и которыми можно манипулировать. Виртуальные частицы никогда не могут быть выселены. И вдобавок может существовать вездесущее поле Хиггса.

КВАНТОВАЯ ГРАВИТАЦИЯ

На протяжении большей части этого столетия физики изо всех сил пытались включить гравитацию в схему сил, которые передаются виртуальными частицами-посредниками. Иными словами, общая теория относительности, которая показывает, что сила гравитации является искривлением пространства-времени, должна быть интегрирована с квантовой механикой, которая показывает, что силы представляют собой обмен виртуальными частицами. Исходя из предположения, что такой союз возможен, физики назвали частицей-посланником гравитации гравитон. -33 сантиметра — квантовая природа гравитации становится важной.

Предположим, вы могли бы волшебным образом посмотреть в микроскоп, увеличивающий атомное ядро ​​до размера примерно 10 световых лет в поперечнике. При таком увеличении самые маленькие гравитоны, то есть самые энергичные и массивные, имели бы размер около миллиметра. Здесь мы могли бы увидеть странный мир, в котором само пространство-время определялось гравитонами, пересекающимися и петляющими друг вокруг друга. В том же духе Роджер Пенроуз предположил, что гравитационное поле и пространство-время состоят из еще более примитивных математических сущностей, называемых твисторами, и что «в конечном итоге концепция [пространства-времени], возможно, будет исключена из основы физической теории. вообще». В сущности, пространство и время выносятся за скобки как менее чем фундаментальные части физического мира.

С этой точки зрения только взаимодействия между твисторами или, возможно, гравитонами определяют, когда и где пространство-время есть, а где нет. Есть ли в физическом вакууме пробелы, пустоты истинного и абсолютного ничего, где не существует самих пространства и времени?

Другой взгляд на структуру пространства-времени предлагает «теория суперструн». Теории струн утверждают, что фундаментальные объекты природы представляют собой скорее одномерные линии, чем точки; измеряемые нами «элементарные» частицы — лишь колебания этих струн. Однако кажется, что теория суперструн работает только в том случае, если пространство-время имеет не четыре измерения (три пространственных и одно временное), а 10 измерений. Это вряд ли похоже на мир, в котором мы живем. Чтобы скрыть дополнительные шесть измерений, математики сворачивают их в концептуальные уголки, которые носят такие загадочные названия, как «многообразия Калаби-Яу» и «орбифолдное пространство». В недавнем учебнике по этому предмету делается задумчивое замечание: «Если идея о струнах верна, мы никогда не сможем увидеть больше, чем проблеск реальности во всей ее полноте».

Совсем недавно теоретики Карло Ровелли (Университет Питтсбурга) и Ли Смолин (Университет штата Пенсильвания) завершили анализ модели квантовой гравитации, разработанной Абхаем Аштекаром в Сиракузском университете в 1985 году. В отличие от теории струн, работа Аштекара применима только к гравитации. Однако он утверждает, что на планковском масштабе пространство-время растворяется в сети «петлей», которые скреплены узлами. Пространство-время чем-то похоже на кольчугу, которую носили рыцари прошлого, напоминает ткань, сотканную в четырех измерениях из этих крошечных одномерных петель и узлов энергии.

Таков ли мир на самом фундаментальном уровне, или математики оторвались от реальности? Теория суперструн уже более десяти лет привлекает физиков тем, что намекает на сверхобъединение всех четырех фундаментальных сил природы. Но по-прежнему крайне трудно забросить якоря из этих облачных замков в реальный мир наблюдений и экспериментов. Знаменитое замечание о том, что теория суперструн — это «часть физики 21-го века, случайно попавшая в 20-й век», отражает как волнение, так и разочарование рабочих, застрявших с инструментами 20-го века.

Удивительно, но теория струн, зацикленное пространство-время Аштекара и твисторы не являются полностью независимыми взглядами на пространство-время. В 1986 году теоретики обнаружили, что суперструны имеют некоторые общие черты с твисторами. Между двумя очень разными независимыми теориями была обнаружена глубокая связь. Словно две бригады проходчиков, стартовавших с противоположных сторон горы, они встретились посредине — возможно, это признак того, что они имеют дело с одной настоящей горой, а не с отдельными горами в их собственном воображении. А в 1995 Ровелли и Смолин также обнаружили, что их гравитонные петли очень тесно связаны как с твисторами, так и с суперструнами, хотя и не идентичны во всех отношениях.

КОСМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Пространство-время может быть странным и в других отношениях. Теоретик Джон А. Уилер (Институт перспективных исследований) уже давно утверждает, что на планковском масштабе пространство-время имеет сложную форму, меняющуюся от мгновения к мгновению. Уилер назвал свою картину «пространственно-временной пеной» — морем квантовых черных дыр и червоточин, появляющихся и исчезающих в масштабе времени около 10^-43″ секунд. Это планковское время, время, за которое свет пересекает планковскую длину. Короче время, как и пространство, по-видимому, не может существовать — или, по крайней мере, наши повседневные представления о них перестают быть действительными. 9-5 грамм) в таком маленьком объеме, что его собственная гравитация на поверхности давала бы ему скорость убегания, превышающую скорость света. Другими словами, это крошечная черная дыра. Но черная дыра — это не обычный объект, находящийся в пространстве-времени наподобие частицы; это структура самого искаженного, запутанного пространства-времени. Хотя последствия таких явлений непонятны, разумно предположить, что эти виртуальные частицы резко искажают все пространство-время на планковском масштабе.

Если мы примем это рассуждение за чистую монету и рассмотрим эксперименты десятилетней давности, доказывающие, что феномен виртуальных частиц в вакууме реален, трудно поверить, что пространство-время является гладким на планковском масштабе или ниже. Пространство должно быть разбито и квантовано. Вопрос только в том, как. Первоначальная идея Уилера о пространственно-временной пене особенно эффективна, потому что, согласно недавним предложениям Сиднея Коулмана (Гарвард) и Стивена Хокинга (Кембриджский университет), ее червоточины не только соединяют различные точки очень близко друг к другу в нашем пространстве-времени, но и соединяют наши пространство-время к другим вселенным, которые для нас существуют только как призрачные вероятности. Эти связи с другими вселенными вызывают так называемую космологическую постоянную — раздражающее вторжение в уравнения космологии со времен Эйнштейна (см. Sky & Telescope — 19 апреля).91, стр. 362) — аккуратно исчезнуть в нашей собственной вселенной.

Пена пространства-времени также считается питательной средой для детских вселенных. В нескольких теориях, объясняющих причину Большого взрыва и то, что было до него, Большой взрыв может отпочковаться от ранее существовавшего пространства-времени, полностью отделиться, оставаясь микроскопическим, и раздуться вместе с материей, чтобы стать новыми собственными вселенными, полностью несвязанными. «непересекающиеся») от их пространственно-временного происхождения. Этот процесс, предложенный Аланом Гутом (MIT) и другими, дает представление о том, что многие считают еще одним ключевым вопросом физики 21-го века: был ли наш Большой взрыв уникальным? Или это было просто рутинным побочным эффектом естественных процессов, постоянно происходящих в каком-то большем внешнем мире? (см. Небо и Телескоп — 19 сентября105 эрг на кубический сантиметр. Это в 10 миллиардов миллиардов раз больше массы всех галактик в наблюдаемой Вселенной, упакованной в каждый кубический сантиметр! К счастью, Мать-Природа, похоже, изобрела средства, позволяющие точно компенсировать это явление с точностью до 120 знаков после запятой. Проблема в том, что мы понятия не имеем, как это сделать.

Ужасно думать, что в 16 дюймах, отделяющих эту страницу от ваших глаз, новые большие взрывы, возможно, порождаются из нашего тихого пространства-времени каждое мгновение. По сравнению с этим кажется довольно скучным, что фотоны, с помощью которых вы видите эту страницу, могут играть в классики, чтобы избежать пробелов, где пространство-время не существует.

ПРОВЕРКА НА РЕАЛЬНОСТЬ

Некоторые физики начали категорически отвергать эти фантастические идеи. Например, в 1993 году Мэтт Виссер (Вашингтонский университет) изучал математические свойства квантовых червоточин и обнаружил, что после образования они становятся стабильными: они вообще не могут пениться. Кадзуо Гороку (Технологический институт Фукуока, Япония) также обнаружил, что квантовые червоточины становятся стабильными, даже если учитывать их взаимодействие с другими полями. То, что Уилер назвал пространственно-временной пеной, может быть чем-то совершенно другим.

Среди нерешенных проблем, стоящих перед теоретиками, — природа времени, которое было признано неразрывно связанным с пространством с тех пор, как Эйнштейн постулировал постоянную скорость света. В общей теории относительности не всегда очевидно, как определить, что мы подразумеваем под временем, особенно на шкале Планка, где время, кажется, теряет свое обычное значение. Центральное место в любой квантовой теории занимает понятие измерения, но что это означает для физики на планковском масштабе, который устанавливает окончательный предел возможности измерения? Как можно проверить любую из этих идей о пространстве-времени, в настоящее время неизвестно. Некоторые физики считают, что это делает эти идеи вообще не настоящими научными исследованиями. И стоит помнить, что математика иногда может вводить понятия, которые являются лишь средством для достижения цели и не имеют самостоятельной реальности.

В абстрактном мире математических символов не всегда ясно, что реально, а что нет. Например, когда мы выполняем длинное деление на бумаге, чтобы разделить 54 162 на 2 и получить 27 081, мы генерируем промежуточные числа 14, 16 и 2, которые затем просто отбрасываем. Являются ли виртуальные частицы, компактные 6-мерные многообразия и твисторы просто нефизическими средствами достижения цели — простыми артефактами того, как мы, люди, занимаемся математикой? Физикам, занимающимся элементарными частицами, часто приходится иметь дело с «призрачными полями», которые представляют собой просто временные леса, используемые для расчетов, и которые исчезают, когда расчеты завершены. Нефизические устройства, такие как отрицательная вероятность и тахионные частицы со скоростью, превышающей скорость света, неохотно допускаются до тех пор, пока они исчезают до того, как будут получены окончательные ответы. Недавние работы показывают, что даже в теории суперструн можно построить непротиворечивые модели полностью в обычном четырехмерном пространстве-времени, не прибегая к более высоким измерениям.

ТОРТ АНГЕЛСКАЯ ЕДА

Итак, что мы должны думать о великой темной пустоте, в которую мы смотрим ночью? Все улики указывают на то, что пространство-время является своего рода слоеным пирогом, заполненным явлениями субмикроскопического масштаба. Самый верхний слой содержит кварки и электроны, составляющие обычную материю, разбросанные тут и там, как изюм в глазури. Эти изюминки можно убрать, чтобы часть пространства казалась пустой. Сама глазурь состоит из виртуальных частиц, в первую очередь несущих электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия, заполняющих вакуум непрекращающейся активностью, которую невозможно отключить. Их квантовые приходы и уходы могут полностью заполнить пространство-время, так что ни одна точка не будет потеряна. Этот слой пирога «пустого пространства» кажется довольно хорошо установленным лабораторным экспериментом.

Под этим слоем находится область предполагаемого поля Хиггса. С этой точки зрения, независимо от того, куда деваются «изюм» электрона и кварка, рядом всегда есть частица поля Хиггса, воздействующая на них и придающая им массу. Ниже слоя Хиггса могут существовать другие слои, представляющие поля, которые нам еще предстоит открыть. Но в конце концов мы приходим к низшему слою — гравитационному полю. Это поле больше там, где в слоях над ним присутствует масса, но нет места, где оно полностью отсутствует. Этот слой напоминает вавилонскую Великую черепаху, которая несла вселенную на своей спине. Без него все остальные слои выше исчезли бы в небытие. 9-33 см, пространство-время должно кардинально изменить свою структуру. Это может быть мир, в котором общепринятые представления о размерности, времени и пространстве необходимо переопределить и, возможно, полностью исключить.

Тщеславие об уникальности нашей вселенной может исчезнуть, когда большие взрывы станут рассматриваться как заурядные события в каком-то гораздо большем внешнем мире, а физические константы будут приписаны причинам в пространстве-времени, навсегда выходящим за рамки человеческого опыта.

В физическом вакууме много жуткого. Эта жуткость может быть больше связана с тем, как работает наш мозг, чем с каким-то объективным аспектом природы. Эйнштейн подчеркивал: «Пространство и время — это не условия, в которых мы живем, а способы, которыми мы мыслим». Наше понимание пространства остается в зачаточном состоянии. С Аристотелем, улыбающимся нам на протяжении веков, мы теперь видим пустоту как нечто большее, чем вакансия. Пройдет много десятилетий, если не столетий, прежде чем будет сформировано ее полное понимание. А пока наслаждайтесь ночным видом!

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЧТЕНИЕ

Дэвис, Пол. Новая физика. Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 1989.

Маллов, Юджин. «Самовоспроизводящаяся Вселенная». Sky & Telescope, сентябрь 1988 г., стр. 253.

Мэтьюз, Роберт. «Нет ничего лучше вакуума». New Scientist, 25 февраля 1995 г., стр. 30.

Pagels, Heinz. «Идеальная симметрия». Нью-Йорк: Саймон и Шустер, 1985.

Исследования мозга, Физика

22 декабря 2016 г. StenBlog 2 комментария

После написания тринадцати эссе о космосе я совершенно забыл завершить всю дискуссию некоторыми мыслями об общей картине! Если вы перейдете по ссылкам в этом эссе, вы попадете на эссе, где я объяснил идею более подробно!

Почему я начал эти эссе с такого большого количества рассуждений об исследованиях мозга? В конце концов, именно мозг пытается создать представление о том, что вы видите, основываясь на том, что ему говорят органы чувств. Сумасшествие заключается в том, что то, что мозг делает с сенсорной информацией, довольно странно, когда вы следуете за стимулами на всем пути к сознанию. На самом деле, если вы посмотрите на все синаптические связи в мозге, только небольшое их количество имеет какое-либо отношение к сенсорным входам. Это как если бы вы буквально выдернули мозг из тела, и он вряд ли понял бы, что ему нужна сенсорная информация, чтобы оставаться счастливым. Он проводит большую часть своего времени, «принимая» себя.

Сама идея пространства на самом деле кажется средством представления мира мозгу, чтобы помочь ему разобраться в правилах, необходимых ему для выживания и воспроизводства. Наиболее важным правилом является причинно-следственная связь или «Если произойдет А, то последует Б». Это также формирует хардкорную основу логики и математических рассуждений!
Но с научной точки зрения мы знаем, что пространство и время — это не просто какая-то иллюзия, потому что объективно они кажутся очень твердой валютой, посредством которой Вселенная представляет нам сенсорные стимулы. То, как мы размещаем себя в пространстве и времени, само по себе является интересным вопросом. Мы можем использовать нашу логику и наблюдения, чтобы выработать множество правил, которыми руководствуется Вселенная и которые включают свободные параметры времени и пространства. Но когда мы глубоко погружаемся в то, как работает наш мозг и взаимодействует с миром за пределами наших синапсов, мы сталкиваемся с чем-то удивительным.

Мозг должен отслеживать, что находится внутри тела, называемое Атманом, и что находится вне тела. Если он не может сделать это безошибочно, он не может отслеживать, какие факторы контролируют его выживание, а какие связаны исключительно с его внутренним миром мыслей, чувств и воображаемых сценариев. Это не может быть просто особенностью человеческого мозга, но должно быть и то, что есть у многих других существ на каком-то рудиментарном уровне, чтобы они тоже могли функционировать во внешнем мире с его многочисленными опасностями. В нашем случае эта особенность мозга присутствует как реальная физическая область в коре головного мозга. Когда он активен и стимулируется, у нас появляется ясное и отчетливое восприятие нашего тела и его отношения к пространству. Мы можем использовать это, чтобы управлять своими мышцами, правильно ориентироваться в пространстве, ходить и выполнять многие другие навыки, требующие острого восприятия этого внешнего мира. Удивительно, но когда вы устраняете активность в этой области с помощью наркотиков или медитации, вы больше не можете локализовать себя в пространстве, и это приводит к ощущению, что ваше тело «едино» с миром, ваше Я исчезло, а в других случаях вы испытайте полное отделение Я от тела, которое вы испытываете как путешествие вне тела.

Какое отношение это имеет к космосу в реальном мире? Что ж, за миллионы лет эволюции мы выработали множество правил о пространстве и о том, как действовать в нем, но затем Эйнштейн дал нам теорию относительности, которая показала, что пространство и время гораздо более пластичны, чем любые из правил, которые мы усвоили в течение жизни. тысячелетия. Но именно правила и концепции относительности составляют наш внешний мир, а не приблизительные идеи «здравого смысла», которые мы все носим с собой. Наши внутренние правила, касающиеся пространства и времени, никогда не были предназначены для того, чтобы дать нам точное внутреннее представление о движении со скоростью, близкой к скорости света, или о функционировании в областях внешнего мира, близких к большим массам, искажающим пространство.

Но теперь, когда у нас есть научный способ придумать еще больше правил, касающихся пространства и времени, мы обнаруживаем, что наши собственные логические рассуждения хотят нарисовать еще большую картину происходящего и с удовольствием делают это, не слишком беспокоясь об этом. многое с фактическими (сенсорными) данными. По другим причинам мы развили чувство артистизма, красоты и эстетики, которое применительно к математике и физике привело нас в область унификации наших правил относительно внешнего мира, так что их становится все меньше и меньше. Эта страсть к упрощению и унификации привела ко многим открытиям о внешнем мире, которые чудесным образом могут быть подтверждены как действительные объективные факты этого мира.

На этом пути к упрощению физики даже основы пространства и времени становятся игроками в декорациях, а не отчужденными партнерами на сцене. Это то, с чем мы боремся сегодня в физике. Если вы сделаете пространство и время игроками в пьесе, сама сцена исчезнет и должна быть каким-то образом воссоздана посредством действий самих актеров. Именно на это и надеется сделать квантовая гравитация, независимо от того, называете ли вы математику Петлей, Квантовой Гравитацией или Струной. Теория. Это также приводит к одной из самых сложных концепций во всей физике… и философии.

Что нам делать с ингредиентами, которые вместе создают наше ощущение пространства и времени? Являются ли эти ингредиенты сами по себе вне пространства и времени, подобно тому как части кольчужного жилета сильно отличаются от жилета, который они создают благодаря своим связям? И что представляет собой арена, на которой эти части соединяются вместе, создавая пространство и время?

Именно на эти вопросы я потратил всю свою взрослую жизнь, пытаясь осмыслить их и поделиться ими с людьми, не являющимися учеными, и они ведут прямо к концепции эмерджентных структур. новые объекты, не имеющие никакого сходства с ингредиентами, такие как эволюция, возникающая из химии, или разум, возникающий из элементарных синаптических разрядов. По-видимому, время и пространство могут возникнуть из ингредиентов еще более примитивных, которые могут не иметь ничего общего ни со временем, ни с пространством!

Согласитесь, из этих идей можно составить интересные истории у костра!

Вернитесь сюда в понедельник, 26 декабря, чтобы узнать о начале новой серии блогов на разные темы!

Астрономия, физика

20 декабря 2016 г. StenBlog 12 комментариев

Итак, вот большая проблема.

Сейчас у физиков есть подробная математическая модель того, как работают фундаментальные силы в природе: электромагнетизм, сильные и слабые ядерные взаимодействия. К этому добавляется подробный список фундаментальных частиц в природе, таких как электрон, кварки, фотоны, нейтрино и другие. Названная Стандартной моделью, она была тщательно проверена и оказалась удивительно точным способом описания почти всего, что мы видим в физическом мире. Это объясняет, почему одни частицы имеют массу, а другие нет. Он точно описывает, как силы генерируются частицами и передаются в пространстве. Экспериментаторы на Большом адронном коллайдере ЦЕРН буквально рвут на себе волосы, чтобы найти ошибки или недостатки в Стандартной модели, которые противоречат расчетным предсказаниям, но пока не смогли ничего обнаружить. Они называют это поиском Новой Физики.

Наряду с этой точной моделью физических сил и частиц в нашей Вселенной у нас есть общая теория относительности и ее описание гравитационных полей и пространства-времени. ОТО не дает объяснения тому, как это поле генерируется материей и энергией. Он также не дает описания квантовой структуры материи и сил в Стандартной модели. ОТО и Стандартная модель говорят на двух очень разных языках и описывают две совершенно разные физические области. В течение десятилетий физики пытались найти способ объединить эти две великие теории, и результаты были многообещающими, но не поддающимися проверке. Это описание гравитационных полей, основанное на тех же принципах, что и Стандартная модель, стало называться квантовой гравитацией.

Все многие идеи, которые были предложены для квантовой гравитации, глубоко математические и очень слабо касаются нашего экспериментального мира. Возможно, вы пытались читать книги на эту тему, написанные практикующими, но, как и я, вы будете разочарованы математикой и языком, который это сообщество разработало за эти годы для описания своих открытий.

Проблема, с которой столкнулась Квантовая Гравитация, заключается в том, что гравитационные поля, кажется, отображают свои квантовые свойства только на так называемой шкале Планка 10^-33 сантиметра и 10^-43 секунды. 19ГэВ или 10 миллиардов миллиардов ГэВ, что в 1000 триллионов раз превышает энергию, которую могут достичь современные ускорители частиц.

Нет известных технологий, которые могли бы достичь масштабов, позволяющих измерить эти эффекты для проверки этих теорий. Даже само понятие измерения рушится! Это происходит потому, что те самые частицы (фотоны), которые вы пытаетесь использовать для изучения физики в масштабе Планка , несут столько энергии, что превращаются в квантовые черные дыры и не могут рассказать вам, что они видели или обнаружили!

Один из подходов к QG называется петлевой квантовой гравитацией. Как и теория относительности, она предполагает, что гравитационное поле — это все, что существует, и что пространство и время становятся зернистыми или «квантуются» на шкале Планка. Пространство и время, которые мы знаем и можем воспринимать в целом, состоят из отдельных частей , которые объединяются в огромном количестве, образуя вид почти непрерывного и гладкого гравитационного поля.

Проблема в том, что вы не можете визуализировать то, что происходит в этом масштабе, потому что в математике это представлено не самородками пространства и времени, а более абстрактными математическими объектами, называемыми петлями и спиновыми сетями. Исполнение художника выше — это именно то, что нужно.

Итак, здесь, что касается диаграмм Фейнмана, у нас есть математическая картина, представляющая процесс, но картина символическая, а не фотографическая. Однако самая большая проблема заключается в том, что, хотя работает квантовая теория гравитации, Петлевая квантовая гравитация не включает ни одну из частиц Стандартной модели. Она представляет собой квантовую теорию гравитационного поля (вселенная пространства и времени) без материи!

Другими словами, это описание торта, а не глазури.

Второй подход — это теория струн. Эта теория предполагает, что уже существует какое-то фоновое пространство и время, через которое движется другая математическая конструкция, называемая струной. Струны, образующие замкнутые петли, могут вибрировать, и каждый образец колебаний представляет собой отдельный тип фундаментальной частицы. Чтобы теория струн работала, струны должны существовать в 10 измерениях, и большинство из них свернуты в замкнутые геометрические шары, называемые пространствами Калаби-Яу. Каждое из этих пространств имеет свою собственную геометрию, внутри которой вибрируют струны. Это означает, что могут быть миллионы различных «решений» уравнений теории струн: каждое из них представляет собой отдельную вселенную со своим особым типом подпространства Калаби-Яу, которое приводит к определенному набору фундаментальных частиц и взаимодействий. Проблема в том, что теория струн нарушает общую теорию относительности, требуя фонового пространства!

Другими словами, он описывает глазурь, а не торт!

Одно из решений, предложенных физиком Ли Смолином, заключается в том, что петлевая квантовая гравитация является основой для создания струн в теории струн. Если бы вы посмотрели на одну из этих нитей при большом увеличении, ее поверхность, похожая на макароны, превратилась бы в пучок петель, связанных вместе, возможно, как средневековые кольчужные доспехи. Проблема в том, что Петлевая Квантовая Гравитация не требует гравитационного поля с более чем четырьмя измерениями (тремя пространственными и одним временным), в то время как для струн требуется десять или даже одиннадцать. Что-то по-прежнему не так, и прямо сейчас никто толком не знает, как это исправить. Не имея фактических достоверных данных, мы даже не знаем, ближе ли какая-либо из этих теорий к реальности!

Это гибридное решение пытается найти аспекты торта, которые можно интерпретировать как частицы глазури!

Эта работа все еще продолжается, но есть несколько вещей, которые мы узнали о природе самого пространства. В нашем масштабе это выглядит как непрерывное гравитационное поле, пересекаемое мировыми линиями атомов, звезд и галактик. Вот как это выглядит даже в атомном масштабе, потому что теперь вы можете добавить мировые линии бесчисленных «виртуальных частиц», которые составляют различные силы в Стандартной модели. Но когда мы приближаемся к шкале Планка, пространство и пространство-время перестают быть гладкими, как лист бумаги, и начинают распадаться на нечто другое, что, как мы думаем, раскрывает зернистую природу гравитации как поля, состоящего из бесчисленных жужжащих гравитонов.

Но как «выглядят» эти фрагментарные элементы пространства и времени, сказать невозможно. Все, что у нас есть, — это математические инструменты для их описания, и, как и наши попытки описать электрон, они ведут к миру чистой абстракции, который нельзя наблюдать напрямую.

Если вы хотите узнать немного больше о природе космоса, прочитайте мою короткую брошюру «Изучение квантового пространства », доступную на amazon.com. В нем описывается удивительная история наших знаний о космосе, начиная с древнегреческих идей «здравого смысла» и заканчивая выдающимися положениями современной квантовой теории.

Вернитесь сюда в четверг, 22 декабря, чтобы увидеть последний блог из этой серии!

Упрощение работы: 5 лучших практик

Упрощение работы, также называемое упрощением работы, является вмешательством в структуру работы. В этой статье мы подробно рассмотрим упрощение работы, дадим определение и перечислим ряд лучших практик, как это сделать хорошо.

Содержание
Что такое упрощение работы? Определение
Упрощение работы: краткая история
5 методов упрощения работы

Что такое упрощение работы? Определение

Работа или упрощение работы – это процесс удаления задач из существующих ролей, чтобы сделать их более сфокусированными. Цель упрощения работы заключается в разработке усовершенствованных методов работы, которые максимизируют производительность при минимальных затратах и ​​затратах.

Рассмотрим пример работы упрощение в работе.

Эми работает в приемной быстрорастущая компания. Ее роль — заниматься администрированием, заботиться об офисе дела и принимать гостей. Эми любила свою работу. Однако, когда компания выросла с 50 до 150 человек за два года, она начала ее административные задачи и начали проявлять симптомы эмоционального выгорания. Над этими двумя года, обязанности Эми остались прежними, но группа людей, которых она пришлось позаботиться, увеличилось на 300%!

Затем ее менеджер усадил ее и спросил какие части роли она любила больше всего. Эми любила работу по дому и получать гостей, но административные задачи стали для нее непосильными. Затем компания принято решение о создании дополнительной функции офис-менеджера, которая будет заниматься к этим административным задачам. Обязанности Эми были сведены к другим два вида деятельности.

Упрощение работы: краткая история

Упрощение работы было популяризировано Фредерик Тейлор. Он выступал за то, чтобы сложные работы были разбиты на простые компоненты. Это небольшие задачи, которые относительно легко освоить и выполнять. Преимущество в том, что требуется низкий уровень квалификации, это дешевле для организации, и меньше ошибок из-за специализации.

В подходе Тейлора рабочие становятся специалистов в своей конкретной области. Впервые этот подход был реализован Генри Форд, который смог производить автомобили серийно по гораздо более низкой цене, чем любой другой. своего конкурса.

Еще одним преимуществом для работодателя является то, что сотрудников легче заменить, поскольку они являются узкоспециализированными, а их навыки легко учиться. Таким образом, сотрудники являются заменимыми винтиками в производстве. машина. Этот подход был назван инженерным подходом, т. выход (производительность) был основным критерием для принятия этих решений.

В связи с ростом автоматизации и повышение осведомленности об условиях труда для сотрудников, упрощение труда упал с популярности. Вместо инженерного подхода мотивационный подход отстаивался. Этот подход был направлен на то, чтобы сделать рабочие места мотивирующими к работайте над собой, особенно для работников умственного труда.

Несмотря на снижение популярности, упрощение рабочих мест остается одним из четырех ключевых способов проектирования рабочих мест. В Кроме того, можно привести аргумент в пользу повторного введения упрощения труда в качестве технику упрощения ролей в возрасте, когда сложная работа может привести к стрессу и проблемы со здоровьем.

Упрощение работы — это один из четырех методов планирования работы, которые являются ключевой частью организационного развития, наряду с расширением, обогащением работы и ротацией работы.

5-этапная техника упрощения работы

Подход к упрощению работы имеет пять шаги и не отличается от любого процесса редизайна работы. Работа или роль сначала анализируются, а затем оптимизируются на основе ряда критериев. Шаги для упрощение работы заключается в следующем.

1. Выбор задания или изучаемая деятельность . Хорошей отправной точкой является деятельность, требующая много времени или неэффективная. Желательно, чтобы это была деятельность с которыми вы знакомы, в противном случае вам следует взять интервью у людей, которые ознакомиться с заданием, чтобы лучше понять человека, выполняющего его. Это помогает понять деятельность.
2. Сбор данных и информация о выбранной работе . Здесь приоритетом является получение всех фактов и перечисление каждого отдельного шага, связанного с делать работу.
3. Все подвергать сомнению выполнение задания . На этом этапе вы идете через все шаги и факты и анализировать все, спрашивая «почему, где, когда, кто и как». Затем вы изучаете альтернативные процедуры и обстоятельства.
4. Разработка возможных улучшения . Здесь вы можете использовать четыре критерия для все разные задачи. Это устранение, объединение, перестановка и упрощение. Цель состоит в том, чтобы сделать работу проще, безопаснее или эффективнее. На этом этапе вы должны иметь в виду, что вы можете использовать инструменты, в том числе физические инструменты, цифровые технологии и автоматизация. После этого запишите результаты и создайте предложен новый метод.
5. Оценка результатов и имплантация усовершенствованного метода . Здесь вы можете протестируйте свой новый прототип, оптимизируйте и настройте его на основе первоначальных результатов и внедрить усовершенствованный метод. Это может включать некоторое управление заинтересованными сторонами или убедить вышестоящего.

Хотя вышеупомянутый подход был опубликованный еще в 1950-х годах, он очень похож на сегодняшний дизайн мыслительный процесс. Вы пытаетесь понять работу и обстоятельства (подчеркните), определить проблему, проанализировать процесс, прототипы решений и результаты испытаний.

Это краткое руководство по упрощению работы. Подводя итог: цель упрощения работы — разработать методы работы, которые максимизируют производительность при минимальных затратах. Таким образом, это очень целенаправленный подход. Тем не менее, есть и другие факторы, которые необходимо учитывать, в том числе то, насколько мотивирующей будет работа и подходит ли новая упрощенная работа сотруднику на этой работе. Если бы Эми любила административные задачи, она не была бы счастлива отказаться от них, демонстрируя важность применения человеческого подхода к упрощению работы.

Защитите свою карьеру в области HR на будущее, постоянно расширяя свой набор навыков с помощью новейших и наиболее актуальных навыков HR.