„Atsisakydami kai kurių ilgalaikių įsitikinimų, fizikai atveria kelią į ateitį.
Išmintinga patarlė siūlo nedėti visų kiaušinių į vieną krepšelį. Tačiau pastaraisiais dešimtmečiais fizikai nesilaikė šios išminties. XX amžius - ir, tiesą sakant, XIX amžius prieš tai - jiems buvo triumfo laikotarpiai. Jie pakeitė materialios visatos supratimą ir taip žmonių gebėjimą manipuliuoti juos supančiu pasauliu. Modernumas negalėjo egzistuoti be žinių, kurias per tuos du šimtmečius laimėjo fizikai.
Mainais pasaulis jiems davė žaidimams brangius žaislus. Naujausias iš jų-Didysis hadronų greitintuvas (LHC), kuris užima 27 km apskritimo tunelį netoli Ženevos ir kainavo 6 mlrd. JAV dolerių, buvo atidarytas darbui 2008 m. Jis greitai rado ilgai prognozuotą elementariąją dalelę - Higso bozoną, likusią nuo 1960-aisiais atliktų skaičiavimų. Tada jis ėmėsi savo tikrojo tikslo - ieškoti reiškinio, vadinamo supersimetrija. Ši teorija, sukurta aštuntajame dešimtmetyje ir sutrumpintai žinoma, kaip Susy, yra krepšelis, kuriame yra viskas, arbba į kurį iki šiol buvo įdėti visi dalelių fizikos kiaušiniai. Tai savaime pašalintų daugybę savavališkų matematinių prielaidų, reikalingų tinkamam veikimui, vadinamam standartiniu dalelių fizikos modeliu.
Tačiau tai taip pat yra gilesnės hipotezės, styginių teorijos, avangardas, skirtas standartiniam modeliui sintezuoti su bendrąja Einšteino reliatyvumo teorija. Einšteino teorija paaiškina gravitaciją. Standartinis modelis paaiškina kitas tris pagrindines jėgas - elektromagnetizmą ir silpnas bei stiprias branduolines jėgas - ir su jomis susijusias daleles. Abi teorijos puikiai apibūdina savo tikrovės dalis. Bet jos nesijungia. Styginių teorija jas sujungtų ir taip suteiktų mums vadinamąją „visko teoriją“.
Styginių varomi dalykai
Styginių teorija siūlo, kad Visata susideda iš smulkių objektų, kurie vibruoja muzikos instrumento stygų būdu. Kaip ir tokios stygos, jos turi rezonuojančius dažnius ir harmonikas. Šie įvairūs vibracijos režimai, kaip teigia stygų teoretikai, atitinka įvairias pagrindines daleles. Tokios dalelės apima visas tas, kurios jau pastebėtos, kaip standartinio modelio dalis, kitas Susy numatytas daleles, o tai reiškia, kad standartinio modelio matematinis trapumas išnyks, jei kiekviena šio modelio dalelė turės sunkesnę „supersimetrišką“ partnerę dalelę arba, angliškai, "supersymmetric" partner particle, or "sparticle",
Taip pat Susy numato daleles, vadinamas gravitonais, reikalingas gravitacijos jėgai susieti su bet kokia vieninga teorija, tačiau jos nėra prognozuojamos pagal reliatyvumą. Bet nėra Susy, jokios stygų teorijos. Ir praėjus 13 metų nuo LHC atidarymo, jokių tokių dalelių nepasirodė. Net du dar nepaaiškinti rezultatai, paskelbti šių metų pradžioje (vienas iš LHC ir vienas iš mažesnės mašinos) nepateikia jokių įrodymų, tiesiogiai palaikančių Susy. Todėl daugelis fizikų nerimauja, kad buvo klaidžiojama dykynėse. Jie turi gerą priežastį nervintis. Styginių teorija jau yra su nerimą keliančia koncepcine kaina - šešių (arba vienoje versijoje septynių) papildomų matmenų pridėjimu prie visatos, virš keturių pažįstamų (trys erdvės ir viena laiko). Joje taip pat aprašoma apie 10 {+500} galimų visatų, iš kurių tik viena atitinka visatą, kurioje gyvena žmonės. Priimti viską, kas joje yra, pakankamai sudėtinga.
Tačiau be Susy stygų teorija yra bananai. Matmenų skaičius sprogsta iki 26. Teorija taip pat praranda galimybę apibūdinti daugumą standartinio modelio dalelių. Ir tai reiškia, kad egzistuoja keistos medžiagos, tokios, kaip dalelės, vadinamos tachionais, kurios juda greičiau, nei šviesa ir todėl yra nesuderinamos su reliatyvumo teorija. Be Susy, stygų teorija atrodo beveik negyva, kaip visko teorija. Kas, jei tiesa, išvalo lauką visko teorijoms, nesusijusioms su stygomis.
Reikia pripažinti, kad daugelio šių teorijų pavadinimai kankina mūsų kalbą. Jie apima „priežastinį dinaminį trikampį“, „asimptotiškai saugią gravitaciją“, „kilpos kvantinę gravitaciją“ ir „kvantinės teorijos amplituhedro formuluotę“. Tačiau šiuo metu bukmekerių mėgstamiausias reliatyvumo ir standartinio modelio suvienijimas yra kažkas, kas vadinama „entropine gravitacija“.
Čia gyvena pabaisos
Entropija yra sistemos betvarkės matas. Gerai žinoma, kad antrasis termodinamikos dėsnis teigia, kad, laikui bėgant, betvarkė didėja (ty, kai daiktai sensta, jie linkę tapti netvarkingesni). Ko gero, tai susiję su gravitacijos teorija, jau nekalbant apie viską, galbūt ne iš karto akivaizdu. Tačiau nuoroda yra juodosios skylės. Tai objektai, turintys tokius stiprius gravitacinius laukus, kad net šviesa negali iš jų pabėgti. Jas prognozuoja bendrojo reliatyvumo matematika. Ir nors Einšteinas iki pat savo mirties 1955 m. skeptiškai žiūrėjo į jų tikrąjį egzistavimą, vėlesni stebėjimai parodė, kad jos iš tikrųjų yra tikros. Bet jos nėra juodos.
1974 m. Stephenas Hawkingas iš Kembridžo universiteto parodė tą - kvantiniai efektai prie juodosios skylės ribos leidžia jai spinduliuoti daleles, ypač fotonus, kurie yra elektromagnetinės spinduliuotės dalelės, įskaitant šviesą. Tai turi savitų pasekmių. Fotonai skleidžia spinduliuojančią šilumą, todėl kažkas, kas juos skleidžia, turi temperatūrą. Ir pagal jos temperatūrą ir masę galima apskaičiuoti juodosios skylės entropiją. Tai svarbu, nes kai visi šie kintamieji yra prijungti prie pirmojo termodinamikos dėsnio, kuriame teigiama, kad energijos negalima nei sukurti, nei sunaikinti, o tik paversti ją iš vienos formos (tarkime, šilumos) į kitą (tarkime, mechaninį darbą), gaunamos Einšteino bendrojo reliatyvumo lygtys. Šį ryšį 2010 metais atrado Erikas Verlinde iš Amsterdamo universiteto.
Tai turi rimtų pasekmių. Termodinamikos dėsniai remiasi statistine mechanika. Jie apima savybes (temperatūrą, entropiją ir pan.), kurios atsiranda iš tikimybinių susijusių dalelių elgesio aprašymų. Tai taip pat yra dalelės, aprašytos kvantinėje mechanikoje - matematinėje teorijoje, kuri yra standartinio modelio pagrindas. Tai, kad Einšteino lygtis galima perrašyti termodinamiškai, reiškia, kad erdvė ir laikas taip pat yra atsirandančios šio gilesnio mikroskopinio vaizdo savybės. Taigi esamos kvantinės mechanikos ir reliatyvumo formos iš tikrųjų atrodo išvedamos iš kažkokios gilesnės teorijos, apibūdinančios pagrindinę visatos struktūrą. Styginių teorija nėra taip išvedama. Stygos nėra pakankamai esminiai subjektai. Tačiau entropinė gravitacija teigia apibūdinanti pačią erdvės ir laiko prigimtį-arba, naudojant Einšteino terminologiją, „erdvėlaikį“. Ji teigia, kad tai yra austa iš „kvantinio susipainiojimo“ gijų, jungiančių kiekvieną kosmoso dalelę.
Kvantinio susipainiojimo idėja, dar vienas Einšteino abejones sukėlęs reiškinys, pasirodė esąs teisingas, jis siekia 1935 m. Tai yra tai, kad dviejų ar daugiau objektų savybes galima koreliuoti („įpainioti“) taip, kad jie negali būti aprašyti savarankiškai. Tai sukelia keistus efektus. Visų pirma tai reiškia, kad dvi susipynusios dalelės gali akimirksniu paveikti viena kitos elgesį, net jei jos yra toli viena nuo kitos. Einšteinas pavadino šį reiškinį, kaip „bauginantį veiksmą per atstumą“, nes atrodo, kad toks reiškinys pažeidžia reliatyvumo teorijos prielaidą, kad šviesos greityje visata turi greičio apribojimą.
Kaip ir juodųjų skylių atveju, Einšteinas gyveno nepakankamai ilgai, kad pamatytų, jog pasirodė esąs neteisus. Tačiau eksperimentai parodė, kad jis buvo neteisus. Susipainiojimas yra tikras ir nepažeidžia reliatyvumo, nes nors vienos dalelės įtaka kitai gali būti momentinė, nėra jokio būdo panaudoti šį efektą perduoti informaciją greičiau, nei šviesos greitis.
Ir per pastaruosius penkerius metus Brianas Swingle'as iš Harvardo universiteto ir Seanas Carrollas iš Kalifornijos technologijos instituto, remdamiesi kvantinės informacijos teorijos idėjomis, pradėjo kurti modelius, ką praktikoje gali reikšti daktaro Verlinde'o idėjos. Jų požiūris naudoja kvantinės informacijos bitus (vadinamuosius „kubitus“), kad dalelės galėtų susipainioti. Rezultatas - paprastas, bet informatyvus erdvėlaikio analogas.
Kubitai, klasikinių bitų kvantinis atitikmuo - bitai, kurie yra vienetai ir nuliai, ir ant kurių pastatytas įprastas skaičiavimas-bus žinomi tiems, kurie seka kvantinio skaičiavimo sritį. Jie yra kvantinės informacijos teorijos pagrindas. Dvi savybės skiria kubitus nuo įprastų bitų. Pirma, jie gali būti patalpinti į „superpozicijos“ būseną, vienu metu atstovaujantį ir vieną, ir nulį. Antra, gali susipainioti keli kubitai. Kartu šios savybės leidžia kvantiniams kompiuteriams atlikti tokius žygdarbius, kaip vienu metu atlikti kelis skaičiavimus arba per protingą laiką atlikti tam tikras skaičiavimo užduotis, kurių atlikimas yra sunkus ar neįmanomas įprastam kompiuteriui. Dėl savo susipainiojimo kubitai, pasak dr. Swingle ir dr. Carroll, taip pat gali būti naudojami, kaip realybės veikimo atsargos. Glaudžiau susipynę kubitai vaizduoja daleles erdvės laiko taškuose, kurie yra arčiau vienas kito.
Kol kas kvantiniai kompiuteriai yra nebaigtas darbas, šį modeliavimą galima atlikti tik naudojant matematinius kubitų vaizdus. Tačiau atrodo, kad jie paklūsta bendrojo reliatyvumo lygtims. Tai patvirtina entropinės gravitacijos teorijos teiginius.
Skirkite savo analitikui pavojaus pinigus
Visas šis modeliavimas nustato entropinę gravitaciją apklausos padėtyje, kad pakeistų stygas, kaip ilgai ieškotą teoriją apie viską. Tačiau idėja, kad erdvėlaikis yra atsirandanti visatos savybė, o ne esminė, turi nerimą keliančias pasekmes. Tai susilpnina priežastingumo pobūdį. Entropinės gravitacijos sukurtame paveikslėlyje erdvėlaikis yra kelių būsenų superpozicija. Būtent tai sumenkina priežastinį ryšį. Matematikos šaka, geriausiai apibūdinanti erdvėlaikį, yra geometrijos forma, turinti keturias ašis, esančias stačiu kampu viena kitai, o ne labiau pažįstamas tris. Ketvirtoji reiškia laiką, todėl, kaip ir objektų padėtis, įvykių tvarka erdvėlaikyje yra determinuota geometriškai. Jei, atsižvelgiant į entropinę gravitaciją, uždedamos skirtingos geometrinės struktūros, kartais gali atsitikti, kad teiginiai „A sukelia B“ ir „B sukelia A“ yra teisingi.
Tai nėra tik spėlionės. 2016 metais Giulia Rubino iš Bristolio universiteto (Anglija) sukonstravo eksperimentą, kuriame dalyvavo poliarizuoti fotonai ir prizmės, kuris parodė būtent tai. Tai sukelia problemų tiems, kurie turi senamadiškas idėjas apie priežastingumo pobūdį.
Tačiau Lucienas Hardy iš Kanados Perimetro instituto atrado būdą, kaip suformuluoti kvantinės mechanikos dėsnius, kad būtų galima tai išspręsti. Jo nuomone, priežastinis ryšys, kaip įprasta suvokti, yra kaip duomenų suspaudimas kompiuterijoje: tai yra koncepcija, suteikianti jums daugiau naudos, išleidžiant mažiau pinigų. Turėdamas šiek tiek informacijos apie dabartį, priežastinis ryšys gali daug ką nuspėti apie ateitį - suspausti informacijos kiekį, reikalingą laiku užfiksuoti fizinės sistemos detales. Tačiau priežastingumas, mano dr. Hardy, gali būti ne vienintelis būdas apibūdinti tokias koreliacijas. Vietoj to jis išrado bendrą metodą, kaip nuo pat pradžių sukurti koreliacijų modelių aprašymus. Šis metodas, kurį jis vadina „kauzaloidiniu pagrindu“, linkęs atkurti priežastinį ryšį, tačiau neprisiima priežastinio ryšio prielaidos, ir jį panaudojo performuluodamas tiek kvantinę teoriją (2005 m.), tiek bendrąjį reliatyvumą (2016 m.).
Kauzaloidinė matematika nėra visko teorija. Tačiau yra didelė tikimybė, kad jei ir kai tokia teorija bus rasta, jai apibūdinti reikės priežastinių principų, kaip ir bendram reliatyvumui reikėjo keturių matmenų geometrijos erdvės laikui apibūdinti.
Amplitudės moduliacija
Taigi entropinė gravitacija turi daug sunkių koncepcinių darbų, padedančių ją paremti. Tačiau tai nėra vienintelis kandidatas pakeisti stygų teoriją. Kiti, kurie traukia dėmesį, yra senas konkurentas, vadinamas kilpos kvantine gravitacija, kurį 1994 m. pasiūlė Carlo Rovelli, tada Pitsburgo universitete, ir Lee Smolin iš Perimetro instituto. Šis ir priežastinė dinaminė trianguliacija, naujesnė, bet panaši idėja, leidžia manyti, kad erdvėlaikis nėra lygus audinys, kaip teigiama pagal bendrąjį reliatyvumą, bet turi struktūrą-elementarias kilpas arba trikampius, pagal kurią iš dviejų teorijų pasirenkama.
Trečiasis variantas - asimptotiškai saugi gravitacija - siekia dar daugiau - 1976 m. jį pasiūlė vienas iš standartinio modelio vyriausiųjų architektų Stevenas Weinbergas. Natūralus būdas sukurti kvantinės gravitacijos teoriją yra pridėti gravitonų prie modelio. Deja, šis metodas nieko nepasiekė, nes kai šių tariamų dalelių sąveika buvo apskaičiuota esant aukštesnei energijai, matematika atrodė nesąmoninga. Tačiau, liepą miręs, Weinbergas tvirtino, kad šis akivaizdus trūkumas išnyks (matematiškai kalbant, skaičiavimai būtų „asimptotiškai saugūs“), jei skaičiavimams būtų naudojamos pakankamai galingos mašinos. Ir neseniai atsiradus tokios galios superkompiuteriams, iš ankstyvųjų rezultatų atrodo, kad jis galėjo būti teisus.
Tačiau vienas iš labiausiai intriguojančių entropinio gravitacijos konkurentų yra kvantinės teorijos amplitudė. Tai 2013 metais pristatė Prinstono Išplėstinių studijų instituto Nima Arkani-Hamed ir Kalifornijos universiteto Daviso Jaroslavas Trnka. Jie rado geometrinių struktūrų klasę, pavadintą amplituhedrais, kurių kiekvienas koduoja galimo kvantinės sąveikos detales. Tai, savo ruožtu, yra „pagrindinio“ stiprintuvo, kuris koduoja visus įmanomus fizinio proceso tipus, bruožai. Taigi, galima performuluoti visą kvantinę teoriją amplitudės požiūriu. Dauguma bandymų sukurti teoriją apie viską bando gravitaciją, kurią Einšteinas apibūdina geometriškai, pritaikyti kvantinėje teorijoje, kuri tokiu būdu nesiremia geometrija. Ampituhedrų metodas veikia priešingai, teigdamas, kad kvantinė teorija iš tikrųjų yra giliai geometrinė. Dar geriau, stiprintuvas nėra pagrįstas erdvėlaikio sąvokomis ar net statistine mechanika. Vietoj to, šios idėjos iš jo kyla natūraliai. Taigi, nors amplituhedrinis metodas dar nepateikė visos kvantinės gravitacijos teorijos, jis atvėrė intriguojantį kelią, kuris gali tai pasiekti.
Kad erdvė, laikas ir net priežastinis ryšys yra naujos, o ne pagrindinės kosmoso savybės, yra radikalios idėjos. Bet tai yra esmė. Bendrasis reliatyvumas ir kvantinė mechanika, XX amžiaus fizikos revoliucijos, buvo laikomos giliomis būtent todėl, kad jos nuvertė sveiką protą. Priimti reliatyvumą reiškė atsisakyti visuotinės laiko ir erdvės sampratos. Rimtai žiūrėti į kvantinę mechaniką reiškė įsijausti į tokias idėjas kaip susipainiojimas ir superpozicija. Norint priimti entropinę gravitaciją ar jos alternatyvas, reikės panašių vaizduotės žygdarbių.
Tačiau jokia teorija neapsieina be duomenų. Galų gale, tai yra supersimetrijos problema. Dirbant taip, kaip nurodo daktaras Rubino, matomas kelias. Bet rezultatas iš dalelių fizikos laboratorijos taip pat būtų sveikintinas. Ir nors jų reikšmė neaiški, pastaruosius kelis mėnesius iš tikrųjų buvo pastebėti du eksperimentiškai sukelti standartinio modelio įtrūkimai. Kovo 23 d. CERN, organizacijos, valdančios LHC, komanda pranešė apie netikėtą elektronų ir jų sunkesnių pusbrolių, miuonų elgesio skirtumą. Šios dalelės skiriasi viena nuo kitos ne žinomomis savybėmis, o jų masėmis, todėl standartinis modelis numato, kad kai į jas suyra kitos dalelės, abi jos turi būti pagamintos vienodais kiekiais. Tačiau tai neatrodo tiesa. Tarpiniai LHC rezultatai rodo, kad dalelių rūšis, vadinama B-mezonu, labiau linkusi suirti į elektroną, nei miuoną. Tai rodo, kad standartiniame modelyje trūksta dar neaprašytos pagrindinės jėgos.
Papildomai, balandžio 7 d., „Fermilab“, didžiausia Amerikos dalelių fizikos įstaiga, paskelbė tarpinius savo miuono eksperimento „Muon g-2“ rezultatus. Kvantiniame pasaulyje nėra tokio dalyko, kaip tobulas vakuumas. Vietoj to, erdvėlaikyje visur atsiranda ir išnyra dalelių putos. Tai yra „virtualios“, o ne „tikros“ dalelės - tai yra laikini svyravimai, atsirandantys tiesiai iš kvantinio netikrumo. Nors jos yra trumpalaikės, per trumpą jų egzistavimo laikotarpį jos vis dar turi laiko bendrauti su pastovesnėmis materijos rūšimis. Pavyzdžiui, jos yra Hawkingo numatytos juodosios skylės spinduliuotės šaltinis. Standartinis modelis numato jų sąveikos su įprastesnėmis, nei juodosios skylės, medžiagomis stiprumą, ir norėdamas patikrinti šias prognozes, „Muon g-2“ šaudo miuonus ratais aplink galingą superlaidų magnetinį saugojimo žiedą. Kvantinės putos keičia miuonų svyravimo būdą, kurį detektoriai gali sugauti neįtikėtinai tiksliai. „Muon g-2“ eksperimentas rodo, kad šiuos svyravimus sukelianti sąveika yra šiek tiek stipresnė, nei prognozuoja standartinis modelis. Jei patvirtinama, tai reikštų, kad modelyje trūksta vienos ar daugiau elementarių dalelių.
Aušros plyšiai
Yra maža tikimybė, kad tai yra iki šiol nematytos sparticles. Jei taip, tai supersimetrijos šalininkai džiaugsis paskutiniai. Tačiau joks rezultatas nenurodo judėjimo šia kryptimi ir, kol kas, nesugebėdami išlaikyti savo idėjų, jie protingai tyli. Kad ir kokios būtų šių dviejų rezultatų priežastys, jos rodo, kad yra kažkas, dėl ko nusistovėję paaiškinimai negali veikti. Panašiai nepaaiškinamos anomalijos buvo ir kvantinės teorijos, ir reliatyvumo atskaitos taškai. Todėl atrodo įmanoma, kad tai, kas atrodė, kaip vienas tamsiausių fizikos laikotarpių, netrukus šviesės į naują rytą“. [1]
1."Bye, bye, little Susy; Fundamental physics." The Economist, 28 Aug. 2021, p. 70(US).
Komentarų nėra:
Rašyti komentarą