Теории Вселенной
Раньше считалось, что Вселенная была горячей с самого начала. К этому выводу приходили, изучая микроволновое излучение, которое интерпретировали как следствие Большого взрыва и последующего остывания. Затем стали думать, что сначала Вселенная была горячей, потом произошла инфляция, и после нее Вселенная вновь стала горячей. Однако, в теории хаотической инфляции первая горячая стадия оказалась ненужной. Но зачем нам понадобилась стадия инфляции, если в конце этой стадии Вселенная все равно стала горячей, как и в старой теории Большого взрыва?
Есть три простейшие модели Вселенной: плоская, открытая и замкнутая. Плоская Вселенная похожа на поверхность ровного стола; параллельные линии в такой Вселенной всегда остаются параллельными. Открытая Вселенная похожа на поверхность гиперболоида, а замкнутая Вселенная похожа на поверхность шара. Параллельные линии в такой Вселенной пересекаются на ее северном и южном полюсах.
Предположим, что мы живем в замкнутой Вселенной, которая сначала была маленькой как шарик. По теории Большого взрыва, она вырастала до порядочных размеров, но все равно оставалась относительно небольшой. А согласно инфляционной теории, крошечный шарик в результате экспоненциального взрыва за очень короткое время стал огромным. Находясь на нем, наблюдатель увидел бы плоскую поверхность.
Представим себе Гималаи, где существует множество различных уступов, расщелин, пропастей, ложбин, каменных глыб, т. е. неоднородностей. Но вдруг кто-то или что-то совершенно невероятным образом увеличил горы до гигантских размеров, или мы уменьшились, как Алиса в Стране чудес. Тогда, находясь на вершине Эвереста, мы увидим, что она совершенно плоская – ее как бы растянули, и неоднородности перестали иметь какое-либо значение. Горы остались, но для того чтобы подняться хотя бы на один метр, нужно уйти невероятно далеко. Таким образом, может быть решена проблема однородности. Этим же объясняется, почему Вселенная плоская, почему параллельные линии не пересекаются и почему не существуют монополи. Параллельные линии могут пересекаться, и монополи могут существовать, но только так далеко от нас, что мы не можем этого увидеть.
Маленькая Вселенная стала колоссальной, и все стало однородным. Но как же быть с галактиками? Оказалось, что в ходе экспоненциального расширения Вселенной маленькие квантовые флуктуации, существующие всегда, даже в пустом пространстве, из-за квантово-механического принципа неопределенности, растягивались до колоссальных размеров и превращались в галактики. Согласно инфляционной теории, галактики – это результат усиления квантовых флуктуаций, т. е. усиленный и замерзший квантовый шум.
Квантовые флуктуации приводили не только к рождению галактик, но и к возникновению анизотропии реликтового излучения с температурой примерно 2,7 К, приходящего к нам из дальних областей Вселенной.
Исследовать реликтовое излучение ученым помогают современные искусственные спутники Земли. Самые ценные данные удалось получить с помощью космического зонда WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), названного так в честь астрофизика Дэвида Уилкинсона (David Wilkinson). Разрешающая способность его аппаратуры в 30 раз больше, чем у его предшественника – космического аппарата COBE.
Ранее считалось, что температура неба всюду равна 2,7 К, однако WMAP смог измерить ее с точностью до 10–5 К с высокой угловой разрешающей способностью. Согласно данным, полученным за первые 3 года наблюдений, небо оказалось неоднородным: где-то горячее, а где-то холоднее. Простейшие модели инфляционной теории предсказали рябь на небе. Но пока телескопы не зафиксировали его пятнистость, наблюдалось только трехградусное излучение, служившее мощнейшим подтверждением теории горячей Вселенной. Теперь же выяснилось, что теории горячей Вселенной не хватает.
Представим, что Вселенная быстро расширяется, а в каком-то месте скалярное поле, вместо того чтобы катиться к минимуму энергии, из-за квантовых флуктуаций подскакивает вверх (см. выше). В том месте, где поле подскочило, Вселенная расширяется экспоненциально быстрее. Низкорасположенное поле вряд ли подскочит, но чем выше оно будет находиться, тем больше вероятность такого развития событий, а значит, и экспоненциально большего объема новой области. В каждой из таких ровных областей поле тоже может подскочить наверх, что приводит к созданию новых экспоненциально растущих частей Вселенной. В результате этого, вместо того чтобы быть похожей на один огромный растущий шар, наш мир становится похожим на вечно растущее дерево, состоящее из многих таких шаров.
Инфляционная теория дает нам единственное известное сейчас объяснение однородности наблюдаемой части Вселенной. Парадоксальным образом эта же теория предсказывает, что в предельно больших масштабах наша Вселенная абсолютно неоднородна и выглядит как огромный фрактал.
Свойства пространства-времени и законы взаимодействия элементарных частиц друг с другом в разных областях Вселенной могут быть различны, равно как и размерности пространства, и типы вакуума.
Этот факт заслуживает более детального объяснения. Согласно простейшей теории с одним минимумом потенциальной энергии, скалярное поле катится вниз к этому минимуму. Однако более реалистические версии допускают множество минимумов с разной физикой, что напоминает воду, которая может находиться в разных состояниях: жидком, газообразном и твердом. Разные части Вселенной также могут пребывать в разных фазовых состояниях; это возможно в инфляционной теории даже без учета квантовых флуктуаций.
Следующим шагом, основанным на изучении квантовых флуктуаций, является теория самовосстанавливающейся Вселенной. В этой теории учитывается процесс постоянного воссоздания раздувающихся областей и квантовые скачки из одного вакуумного состояния в другое, перебирающие разные возможности и размерности.
Так Вселенная становится вечной, бесконечной и многообразной. Вся Вселенная никогда не сколлапсирует. Однако это не означает, что отсутствуют сингулярности. Напротив, значительная часть физического объема Вселенной все время находится в состоянии, близком к сингулярному. Но так как различные объемы проходят его в разное время, единого конца пространства-времени, после которого все области исчезают, не существует. И тогда вопрос о множественности миров во времени и в пространстве приобретает совершенно другое звучание: Вселенная может самовоспроизводиться бесконечно во всех своих возможных состояниях.
Это утверждение, в основе которого лежали работы Линде сделанные им в 1986 году, прибрело новое звучание несколько лет назад, когда специалисты по теории струн (лидирующий кандидат на роль теории всех фундаментальных взаимодействий) пришли к выводу что в этой теории возможно 10100–101000 различных вакуумных состояний. Эти состояния отличаются за счет необычайного разнообразия возможного устройства мира на сверхмалых расстояниях.
В совокупности с теорией самовосстанавливающейся инфляционной Вселенной, это означает, что Вселенная во время инфляции разбивается на бесконечно много частей с невероятно большим количеством разных свойств. Космологи называют этот сценарий теорией вечной инфляционной мультивселенной (multiverse), а специалисты по теории струн называют это струнным ландшафтом.
25 лет назад инфляционная космология выглядела как нечто промежуточное между физической теорией и научной фантастикой. За прошедшее время многие предсказания этой теории были проверены, и она постепенно приобрела черты стандартной космологической парадигмы. Но успокаиваться еще рано. Эта теория и сейчас продолжает быстро развиваться и меняться. Основная проблема – разработка моделей инфляционной космологии основанных на реалистических вариантах теории элементарных частиц и теории струн. Этот вопрос может быть темой отдельного доклада.
КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
ГЛАВА 9
Квантовая физика является молодой наукой, что не мешает появлению в ней фантастических гипотез. Перспективы квантовой физики способны поразить любое сознание. Вот лишь несколько примеров: появление квантовой криптографии, основанной на передаче информации отдельными фотонами, и развитие квантового компьютера, который использует квантовую суперпозицию и квантовую запутанность для работы с информацией.
Квантовая гипотеза Планка
e = nh,
где e – энергия излучения, n – частота излучения, h – постоянная Планка.
Это предположение показывало, что законы классической физики неприменимы к микромиру.
В 1925 году Вернер Гейзенберг сформулировал теорию квантовой механики.
Квантовая механика —раздел квантовой физики, описывающий свойства и строение субатомных частиц и их систем.
Метод Гейзенберга требовал работы с матрицами (математическая таблица, представляющая набор упорядоченных чисел). Отсюда название – матричная механика. Теория объясняла, как происходят квантовые скачки.
Квантовый скачок – переход квантовой системы (в частности атома) с одного энергетического уровня на другой.
Подход Гейзенберга включал два компонента:
Полный набор частот, на которых излучает атом вследствие квантового скачка;
Вероятности, в соответствии с которыми происходят скачки;
Замысел матричной механики заключался в том, что физические величины, характеризующие частицу, описываются матрицами, изменяющимися во времени.
Если вы любите загадочные словосочетания, то на первом месте среди них наверняка стоит «квантовая физика». Для многих это что-то сродни магии, которая появляется из ниоткуда и уходит в никуда. Вот только на деле все сложнее, но мы постараемся объяснить это простым языком.
Квантовая физика – часть физики, изучающая поведение субатомных частиц на мельчайших расстояниях, где проявляются загадочные квантовые эффекты и перестает работать общая теория относительности. Квантовая физика, несмотря на свою сложность и порой нелогичность, все же считается самым точным и проверенным звеном науки.
Множество предсказанных квантовой механикой явлений были обнаружены экспериментально и взяты на вооружение: квантовое туннелирование, квантовая запутанность, принцип неопределенности и многое другое «Квантовая физика настолько сложная, что ее никто не понимает», – писал нобелевский лауреат Ричард Фейнман. И это не удивительно, так как даже Альберт Эйнштейн относился к ней настороженно, называя феномен квантовой запутанности «сверхъестественным» и «жутким». В вероятностной природе квантовой механики сомневался ирландский физик-теоретик Джон Белл и другие основоположники этой теории. Но несмотря на споры и разногласия, таинственный мир элементарных частиц стал драйвером современной цивилизации: интернет, компьютеры, смартфоны, лазеры, оптоволоконные сети и атомная энергетика существуют благодаря науке о квантах. Только представьте к чему могут привести дальнейшие открытия, которых с каждым годом становится все больше. Так, в 2022 году лауреатами Нобелевской премии по физике стали стразу трое ученых, которые независимо друг от друга проводили эксперименты с запутанными фотонами, сенсорными технологиями и безопасной передаче информации. К слову, не обошлось без квантовой телепортации, но обо всем по-порядку.
В 2022 году лауреатами Нобелевской премии по физике стали Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер. Трое физиков удостоились награды за эксперименты по квантовой запутанности, в основе которых лежат труды таких выдающихся ученых как Нильс Бор, Альберт Эйнштейн и Джон Белл – все они хотели понять природу странного поведения элементарных частиц, способных находиться далеко друг от друга сохраняя между собой связь.
Как отмечают представители Шведской королевской академии наук, в будущем работы Аспе, Клаузера и Цайлингера сыграют важную роль в области квантовых вычислений и безопасной передачи данных, открывая новую главу в истории квантовой механики. Интересно, что исследователи работали независимо друг от друга пытаясь объяснить «жуткий» феномен запутанных элементарных частиц.
ТЕОРИЯ ЗАМЕДЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ
ГЛАВА 10
Прочитал любопытную и забавную «теорию» замедления времени в повседневной жизни. Её автор провел аналогию с известным «парадоксом близнецов» Специальной теории относительности (СТО).
Это не только забавно, но и поучительно. Читайте и делайте выводы сами…
Время, похоже, летит, когда мы говорим с привлекательными для нас людьми или когда мы делаем то, что нам нравится. И оно замедляется, когда мы делаем что-то, что нам кажется скучным.
Возможно, это нечто большее, чем кажется на первый взгляд.
Оказывается, наш повседневный опыт времени согласуется с исследованиями Эйнштейна и его Теорией Относительности.
В частности, он согласуется с явлением, называемым Замедление времени (Time Dilation).
Time Dilation
Если вы видели фильм «Интерстeллар» (Interstellar), там есть эпизод, в котором три астронавта находятся на большом космическом корабле. Двое из них садятся на меньший десантный корабль, чтобы спуститься на планету с очень сильным гравитационным полем.
Они остаются на поверхности этой планеты в течение всего нескольких минут. В течение этого времени они сталкиваются с огромными волнами и, едва уцелев, возвращаются на своем десантном аппарате на большой космический корабль, который ждет их на орбите. Вернувшись, они обнаруживают, что третий астронавт ждал их уже много лет.
Все астронавты находились в обычном течении времени, но в разных условиях. Астронавт, который подвергался меньшей гравитационной силе в более крупном космическом корабле, прожил несколько лет, а те, кто посетил гравитационную планету – несколько минут.
Умопомрачительно! Не так ли?
Почему это происходит?
Для людей, которые подвержены различной силе гравитации, время течет с разной скоростью, хотя, по их собственному опыту, время, похоже, проходит с нормальной скоростью.
Но не только гравитация может вызвать замедление времени. Скорость также может сделать это.
Например, если один из близнецов останется на Земле, а другой какое-то время будет путешествовать на космическом корабле, движущемся с большой скоростью, то по возвращению обнаружится, что оставшийся на Земле брат-близнец прожил больше времени, чем космический путешественник.
Это называется «парадоксом близнецов».
Так что же такое замедление времени?
Согласно теории относительности Эйнштейна, замедление времени (Time Dilation) происходит, если вы попадаете в условия большой гравитации или движетесь на большой скорости, то по возвращению на Землю вы будете относительно моложе, чем тот человек, который там остался.
Когда британский астронавт Тим Пик (Tim Peake) отправился на Международную космическую станцию(МКС), на которой находился в течение 6 месяцев, то он испытал замедление времени следующими способами:
Он был в состоянии меньшей гравитации (сила тяжести сильнее, чем ближе к центру Земли), поэтому время для него ускорялось по отношению к тем, кто остался на Земле.
Он двигался очень быстро, так как он вращался вокруг Земли, поэтому время для него замедлялось по отношению к тем, кто остался на Земле.
При суммировании, замедление времени из-за скорости движения по орбите орбиты немного перевесило ускорение времени из-за изменения силы тяжести и поэтому он вернулся относительно моложе людей, оставшихся на Земле.
Какое это имеет отношение к нашему повседневному опыту времени?
Ну, это явление замедления времени похоже на то, как мы переживаем время в повседневной жизни.
Когда мы движемся быстро (с работой или с идеями) или когда мы подвержены притяжению кого-то или чего-то, привлекательного для нас, мы испытываем время относительно медленнее, чем те, кто ничего не делает на Земле.
Неужели?
Чтобы объяснить, что имеется в виду, мы должны выделить конкретные часы, с помощью которых мы измеряем время.
Во-первых, есть часы Земли. Это любые часы на поверхности планеты Земля. Например, часы Биг Бена в Лондоне.
В приведенном выше примере с Тимом Пиком мы сравнивали время на земных часах с временем, измеренным часами на Международной космической станции.
Но теперь предположим, что в голове каждого человека есть воображаемые «головные часы».
Когда вы чувствуете, что время пролетает или медленно тянется, то вы испытываете несоответствие между головными часами и часами Земли.
Время может лететь или тянуться.
Предположим, вы проводите несколько часов, разговаривая с кем-то привлекательным для вас. По мере того, как часы Биг-Бена тикают, ваши головные часы идут сравнительно медленнее, точно так же, как часы возле черной дыры (где большая гравитация) будут идти относительно медленнее, чем Биг-Бен.
Но в вашей собственной голове вы испытываете время, как обычно во время вашего всепоглощающего разговора. Не похоже, что время замедлилось для вас в данный момент.
Но когда вы смотрите вверх на часы Биг Бена, и ваши головные часы чувствуют, что, скажем, прошло 30 минут, то вы вдруг замечаете, что по земному времени прошло, скажем, 2 часа. Время Земли пролетело, пока вы разговаривали с приятным для вас человеком.
И то же самое верно, когда вы полностью поглощены работой или поддались «гравитационному» притяжению сна. Время Земли, кажется, проходит относительно быстро.
Ну и что?
Ну, с одной стороны, можно утверждать, что, делая вещи, которые привлекают нас, и двигаясь быстрее, жизнь пролетит мимо.
И, в долгосрочной перспективе, это может означать, что мы достигнем своего конца, казалось бы, быстрее, потому что мы живем только в течение определенного количества «земных часов».
Но что, если люди на самом деле должны жить в течение определенного количества «головных часов», а не земных часов?
Предположим, вы собираетесь жить в течение 100 лет по вашим «головным часам». Проводя время вместе с привлекательными (притягательными) людьми, двигаясь быстрее, отдыхая во сне и поглощая себя работой, которая вас интересует, вы будете жить относительно больше лет, измеряемых часами Земли, может быть, 150 лет или около того!
Если вы двигаетесь быстро и к привлекательным вещам, вы можете прожить больше земных часов
Возможно, Тим Пик вернулся с Международной космической станции даже моложе, чем мы думаем, потому что он, вероятно, отлично провел там время.
Если вы делаете следующие вещи…
Проводите больше времени с привлекательными людьми,
Тратите больше времени на то, что вас интересует,
Двигаетесь быстрее (но не спешите!),
Спите больше,
Делаете все остальное, что заставляет время на Земле пролетать быстро,
…тогда вы будете жить дольше, когда вы измерите длину своей жизни по часам Земли (что мы все и делаем).
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА
ГЛАВА 11
Пришла пора поговорить об электромагнитной теории света. Мы неоднократно слышали слово «свет», но вот определение того, что же это такое, мы до сих пор не вводили в курсе физики. Светом называется электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом и вызывающее зрительные ощущения.
Хотелось бы заметить, что в этом определении все связано именно с человеческим ощущением, человеческим глазом. Вообще, люди давно задумывались о том, что такое свет. И Пифагор, и Аристотель, и другие древние ученые серьезно подходили к этому вопросу и выдвигали свои теории. Но две основные теории, о которых мы обязаны сегодня поговорить, сложились в конце и начале 18 века.
Корпускулярная и волновая теории.
Создателем первой теории, корпускулярной, является Исаак Ньютон. А родоначальником второй теории, волновой, является голландский ученый Христиан Гюйгенс.
В итоге развития обеих теорий, свет, стали рассматривать, как объект, обладающий двумя свойствами. И свойствами частиц (корпускул, от латинского слова «корпускулы» – частицы), и свойствами волны.
Волновая теория и корпускулярная теория успешно объясняли некоторые оптические явления: прямолинейное распространение света, преломление света, отражение света, т.е. те самые законы, о которых мы говорили в 8 классе. Объяснение этих явлений, как выяснилось, может быть двойным. В итоге, эти две теории просуществовали довольно долго с переменным успехом. И ученые никак не могли определиться, что же такое свет – волна или поток частиц? Точку в этом исследовании, в этих теориях удалось поставить только в середине 19 века. Но все началось в 17 веке.
Итак, посмотрим на этапы познания того, что же такое свет:
1. Датский астроном Олаф Рёмер в 1676 г провел эксперимент по определению скорости света. Этот эксперимент был связан с тем, как определяется скорость света при затмении спутника Юпитера Ио. Результат, который получил Рёмер в своих опытах, составил 285000
2. В 1848 г. французский физик Физо провел эксперимент из которого следовало, что скорость распространения света в вакууме составляет 313000
Однако эти опыты не могли подтвердить, что же такое свет – волна или частица.
3. В 1852 г. английский ученый Максвелл определил скорость распространения электромагнитных волн теоретически. Он установил, что скорость распространения электромагнитных волн составляет 300000
Как только Максвелл получил значение этой скорости, естественно, он попытался выяснить, а есть ли такие объекты, которые обладают такой скоростью. В результате стало понятно, что такой объект есть и это, конечно, свет. То есть опыты Рёмера и Физо привели к тому, что в сочетании с результатами, полученными Максвеллом, стало ясно, что скорость распространения электромагнитных волн является не чем иным, как скоростью света. И теперь, конечно, остается сделать последний вывод – это то, что свет является не чем иным, как электромагнитной волной.
Казалось бы, после всех этих экспериментов, после всех этих выводов можно было оставить споры о том, что такое свет, и прийти к тому единственному решению, что свет – это электромагнитная волна. Однако хотелось бы отметить, что в дальнейшем, в самом конце 19 века были открыты явления, которые доказывали, что свет все-таки обладает свойствами частиц.
На сегодняшний день считается следующее: свет имеет двойную природу. Он одновременно и волна, и частица. Тогда, когда свет распространяется, т.е. от источника до наблюдателя, он ведет себя как волна. А тогда, когда он взаимодействует с поверхностью, с веществом или тогда, когда он рождается, при рождении света, он ведет себя как частица. Поток специальных частиц, которые составляют свет называется потоком фотонов. Одна частица, соответственно, – фотон.
Приблизительно к 1860 г. трудами Неймана, Вебера, Гельмгольца электродинамика уже считалась наукой окончательно систематизированной. Были созданы теоретические основы практических применений, к которым уже приступили. Но плавный ход развития нарушил молодой шотландский физик Джемс Клерк Максвелл (1831-1879). В непонятных современникам идеях Фарадея Максвелл увидел мощный метод исследования от общего к частному. Он начал с поляризации диэлектриков и токов смещения.
Вебер, а также Кирхгоф нашли скорость распространения электромагнитной индукции по проводу. Она оказалась близкой к скорости света. Этот вывод был сделан экспериментально и теоретически.
Как и в первой работе 1864 г., Максвелл исходит из своих уравнений и приходит к выводу, что в пустоте поперечные волны токов смещения распространяются с той же скоростью, что и свет. И это является подтверждением электромагнитной природы света.
Следствия теории Максвелла: наличие светового давления, взаимная ортогональность двух поляризованных волн: электрической и магнитной. По Максвеллу, “электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии”. Этой средой является эфир, пронизывающий все тела.
Поскольку впоследствии, в ХХ в., от гипотезы эфира отказались, а ответа на вопрос о том, что же колеблется в электромагнитных колебаниях, так и не получили, пришлось электромагнитное поле принять в качестве постулата, в качестве отдельной сущности (формы материи).
Основная гипотеза Максвелла при выводе уравнений – это гипотеза о токе смещения. Этот ток тоже создает магнитное поле. Над проверкой гипотезы Максвелла много работал Г. Герц. После его работ начали признавать и теорию Максвелла. Основной труд Максвелла – “Трактат об электричестве и магнетизме” (1873). Год выхода этого труда – это также год работы над трансатлантическим кабелем и год открытия фотопроводимости.