Живем ли мы во Вселенной, где все электроны — это один и тот же электрон: гид по одной из самых экзотических гипотез
В 1940 году два известных физика-теоретика рассуждали об электроне и его свойствах, так у них возникла мысль, что все электроны — один и тот же электрон.
У физиков Джона Уилера и Ричарда Фейнмана был довольно нетрадиционный взгляд на устройство реальности. Например, они теоретизировали, что во всей Вселенной есть всего лишь один электрон, находящийся попеременно во всех точках пространства — начиная от Большого взрыва и до конца всего (будь то Большой разрыв, Большое сжатие, тепловая смерть или что-нибудь еще). Другими словами, речь идет о том, что 10^80 электронов, с которыми мы имеем дело в каждый момент времени, — один и тот же электрон. Один электрон, пронизывающий каждый атом и молекулу, независимо от пространства и времени.
Теория одноэлектронной Вселенной, предложенная Джоном Уилером во время телефонного разговора с Ричардом Фейнманом, предполагает, что все электроны и позитроны, по сути, проявления одного объекта, перемещающегося вперед и назад во времени.
«Однажды в аспирантуре Принстона я получил звонок от профессора Уилера, он мне сказал: «Фейнман, я знаю, почему у всех электронов одинаковые заряд и масса». — «Почему?» — «Потому что это один и тот же электрон».
© Ричард Фейнман
К выводу о том, что позитрон — это электрон, двигающийся обратно во времени, Уилера подтолкнула квантовая запутанность. Позже Фейнман высказал эту же гипотезу в своей статье «Теория позитронов», опубликованной в 1949 году в Гарварде.
Ричард Фейнман / © Kevin Fleming/Corbis
Идея основывается на мировых линиях, прочерчиваемых каждым электроном через пространство-время. Уилер предположил, что вместо бессчетного количества таких линий это все может быть частями одной линии, прочерченной одним электроном, подобно огромному запутанному узлу. Каждый момент времени представляет собой часть пространства-времени и пересекается с мировой линией, связанной в узел, множество раз. В точках пересечения половина линий будет направлена вперед во времени, а половина — обратно. Уилер предполагал, что эти обратные секции представляют собой античастицу электрона — позитрон.
Атака клонов
Кванты существуют вне пространства-времени и не занимают трехмерные позиции. Можно даже сказать (но с большой осторожностью), что сами пространство и время создаются взаимодействиями квантов, а именно — путем квантовой запутанности, которая была подтверждена экспериментально. Более того, в «запутанной» Вселенной время может быть просто иллюзией. И это подводит нас к другому важному вопросу: что означает запутанность всех частиц? Что означает существование за пределами пространства и времени для электрона?
Представим себе частицу, движущуюся невероятно быстро во времени в период очень ранних стадий развития Вселенной. Она путешествует настолько далеко в будущее, что «врезается» в «стену» (пусть это будет конец расширения Вселенной, где частица больше не может «двигаться» в энтропии) и отскакивает обратно во времени, где «врезается» уже в Большой взрыв, откуда она и вылетела изначально. Повторение этого процесса снова и снова на очень высокой скорости создаст клонов одной и той же частицы — в нашем случае электрона, — и все будет выглядеть так, будто этих частиц триллионы и они повсюду.
Джон Арчибальд Уилер / ©Wikipedia
Если это слишком сложно, попробуем провести еще один мысленный эксперимент.
Если бы в понедельник вы отправились обратно во времени в воскресенье и вернулись домой, а затем повторяли этот процесс всю неделю (вплоть до пятницы), то у вас получилось бы пять своих копий в то же самое воскресенье! А теперь представьте, что электрон делает это триллионы раз, а «воскресенье» — это современная эпоха во Вселенной.
Именно о такой концепции «позитрона» (античастицы электрона) говорил Ричард Фейнман. Чуть позже физик-теоретик Йоитиро Намбу применил ее ко всему возникновению и аннигиляции пар частица-античастица в своей статье, опубликованной в 1950 году, заявив, что «возможное создание и аннигиляция пар, которые могут происходит в любой момент времени, — это не создание и не аннигиляция, а лишь изменение направления движущихся частиц из прошлого в будущее или из будущего в прошлое».
Это также может быть причиной того, почему невозможно одновременно узнать и импульс электрона, и его позицию (согласно принципу неопределенности Гейзенберга). Чтобы понять, почему Уилер думал об электронах таким образом, нам следует рассмотреть их свойства.
Одноэлектронная Вселенная
Кванты не похожи на привычные всем «объекты». Квантовый мир вообще странный, о нем сам Ричард Фейнман сказал: «Думаю, смело могу сказать, что квантовую механику никто не понимает».
Электроны обладают корпускулярно-волновым дуализмом. Это значит, что они могут вести себя и как частицы, и как волны — в зависимости от взаимодействия. Чтобы точнее концептуализировать кванты, о волновом состоянии следует думать как об области вероятности, которую мы записываем в виде интерференционной картины, а состояние частицы — это та самая вероятность, сколлапсировавшая в одну точку взаимодействия.
Интерференционная картина в эксперименте с двумя прорезями / © Stackexchange
Согласно Общей теории относительности (ОТО), пространство и время едины, но когда речь заходит об ОТО с квантовой механикой, у теоретиков и космологов возникают проблемы. Но они знают, что происхождение Вселенной в современной космологической модели — сингулярность — безвременное состояние пространства, а полного понимания этого факта пока нет.
Нельзя с уверенностью утверждать, что до Большого взрыва была сингулярность — это создало бы противоречие, поместив безвременное во «время». Более того, у безвременного нет временного отношения, его не может существовать до или после чего-либо. Общая теория относительности говорит о том, что время и пространство — одна ткань, а значит, у пространства не может быть своего отдельного времени, а у времени — своего отдельного пространства.
У квантов есть некоторая схожесть с «сингулярностью» Большого взрыва: и то и другое представляет собой безвременную, внепространственную энергию. Так как они и безвременные, и внепространственные, они неразделимы, ведь сама концепция разделения существует в пространственно-временном континууме.
Квантовая относительность
Если кванты и сингулярность неразделимы, следовательно, они одно и то же. Это подводит нас к еще одному важному моменту. Сингулярность не исчезла во взрыве миллиарды лет назад. Кванты — это сингулярность, взаимодействующая сама с собой. Тогда буквально получается, что все — одно. Вот такая квантовая относительность.
Вы можете спросить: а что насчет гравитации? Общая теория относительности гласит, что гравитация — это геометрическое свойство пространства и времени, а экспериментальные данные показывают, что пространство и время — побочные продукты квантовой запутанности. Не так давно ученые выяснили, что некоторые геометрические модели можно использовать для сильного упрощения вычислений квантовых взаимодействий и квантовой запутанности. Далеко идти не надо, чтобы предположить, что геометрия, создающая гравитацию, на самом деле — свойство квантовых областей вероятности.
Квантовая запутанность в представлении художника / © Nicolle R. Fuller/ NSF
Квантовая запутанность обходит ограничения скорости, с которой можно передать информацию. Взаимодействия между запутанными частицами происходят моментально вне зависимости от того, насколько далеко они друг от друга находятся. Говоря топологически, этот факт дает возможность предположить, что между ними нет пространства. Реально ли время или это лишь иллюзия восприятия, созданная наблюдателем? Настолько же пространство иллюзорно, как и время?
Единственный вариант, при котором электрон мог бы одновременно быть «здесь» и «там» — если разделение прошлого, настоящего и будущего иллюзорно. Если существует некоторая первичная ткань, на которой все происходит одновременно, тогда один электрон может напоминать нити в вязаных вещах, при помощи которых выткана ткань. Однако, конечно, у этой гипотезы есть свои серьезные проблемы и вопросы.
Критика и противоречия
Недостающее антивещество. Во Вселенной по Уилеру у нас должно быть равное количество позитронов и электронов, но в реальности это не так. Электронов наблюдается несоизмеримо больше, чем позитронов. По словам Фейнмана, он обсуждал этот вопрос с Уилером и последний предполагал, что недостающие позитроны могут скрываться в протонах (при помощи позитронного захвата).
Кроме того, есть такая вещь, как другие свойства электронов. Эти частицы подвержены распаду. В случае с одним электроном число перевоплощенных вселенных росло бы все больше и становилось бы менее стабильным.
Теория одноэлектронной Вселенной звучит интригующе и интересно, но доказать ее невозможно. К проблемам теории, описанным выше, можно добавить вопрос о том, почему количество электронов во Вселенной конечно, а не наоборот? Эти простые, но наглядные примеры ставят всю гипотезу под сомнение.
Однако, если теория верна, что еще она может означать для нас? Возможно, любая другая частица — от протонов до нейтронов и даже до таких экзотических частиц, как нейтрино — тоже всего лишь одна частица, путешествующая вперед и назад во времени. Это, в свою очередь, означало бы, что мы не только состоим из одних и тех же частиц, но, по сути, каждый из нас состоит из одного протона, одного нейтрона и одного электрона.
Сам Фейнман, как он признался, никогда не воспринимал идею Уилера всерьез, но именно она натолкнула его на мысль о том, что электрон и позитрон связаны. На основе того, что эти частицы отличаются только зарядом, ученый доказал, что если запустить электрон обратно по оси времени, он будет полностью идентичен позитрону. Конечно, это не соответствует действительности, а всего лишь физическая интерпретация явления. Спустя 25 лет после рассуждений об одноэлектронной Вселенной, в 1965 году Фейнман был удостоен Нобелевской премии по физике.
Возможно, важнейший урок теории одноэлектронной Вселенной заключается в том, что независимо от того, насколько странной и невозможной выглядит идея, вы никогда не узнаете, к чему она может привести, пока не исследуете ее.
Источник
Как маленький электрон может рассказать о строении Вселенной
Какова форма электрона? Если вы вспомните картинки из школьных учебников, то ответ будет вполне простым: электрон — это маленький шарик с отрицательным зарядом, который меньше атома. Это, однако, довольно далеко от истины.
Электрон широко известен как один из основных компонентов атомов, составляющие мир вокруг нас. Именно электроны, окружающие ядро каждого атома, определяют, как протекают химические реакции. Их применение в промышленности широко распространено: от электроники и сварки до формирования изображений и современных ускорителей частиц. Недавно, однако, физический эксперимент под названием ACME (Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment, дослово Улучшенный холодный молекулярный электрон с электрическим дипольным моментом) поставил электрон в центр научного исследования. Вопрос, на который пыталась ответить коллаборация ACME, был обманчиво прост: какова форма электрона?
Классические и квантовые формы?
Насколько физики знают — в настоящее время электроны не имеют внутренней структуры, и, следовательно, не имеют формы в классическом значении этого слова. На современном языке физики элементарных частиц, в которой рассматривается поведение объектов, меньших атомного ядра, фундаментальными блоками материи являются непрерывные жидкостеподобные вещества, известные как «квантовые поля», которые пронизывают все пространство вокруг нас. На этом языке электрон воспринимается как квант или частица «электронного поля». Зная это, имеет ли смысл говорить о форме электрона, если мы не можем увидеть его непосредственно в микроскопе или каком-либо другом оптическом устройстве в привычном нам виде?
Типичная школьная модель атома, где электроны показываются кружочками на орбитах вокруг ядра. Увы, на деле все устроено куда сложнее.
Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны адаптировать наше определение формы, чтобы оно могло использоваться в невероятно малых масштабах, или, другими словами, в области квантовой физики. Видеть различные объекты в нашем макроскопическом мире — это значит обнаруживать нашими глазами лучи света, отражающиеся от этих объектов вокруг нас.
Проще говоря, мы определяем форму объекта, наблюдая, как они реагируют, когда мы светим на них. Хотя это может казаться странным способом узнавать о форме объекта, он становится очень полезным в субатомном мире квантовых частиц. Это дает нам способ определить свойства электрона так, чтобы они имитировали тот принцип, с помощью которого мы описываем формы объектов в классическом макромире.
Что заменяет концепцию формы в микромире? Поскольку свет — это не что иное, как комбинация колеблющихся электрических и магнитных полей, было бы полезно определить квантовые свойства электрона, которые несут информацию о том, как он реагирует на эти поля. Давайте сделаем это.
Электроны в электрическом и магнитном полях
В качестве примера рассмотрим простейшее свойство электрона: его электрический заряд. Он описывает силу — и, в конечном счете, ускорение, которое испытал бы электрон, если поместить его в какое-либо внешнее электрическое поле. Это свойство электрона — его заряд — выживает и в квантовом мире.
Аналогично, другое «выживающее» свойство электрона называется магнитным дипольным моментом. Это говорит нам, как электрон будет реагировать на магнитное поле. В этом отношении электрон ведет себя так же, как крошечный стержневой магнит, пытаясь ориентироваться вдоль направления магнитного поля. Хотя важно помнить, что не нужно слишком углубляться в эти аналогии, они просто помогают нам понять, почему физики заинтересованы в измерении этих квантовых свойств с максимально возможной точностью.
Какое квантовое свойство описывает форму электрона? На самом деле их несколько. Самое простое — и полезное для физиков — то, которое называется электрическим дипольным моментом, или ЭДМ.
В классической физике ЭДМ возникает при пространственном разделении зарядов (грубо говоря, это вектор, который соединяет «центр электрической отрицательности» системы с ее «центром электрической положительности»). Электрически заряженная сфера, в которой отсутствует разделение зарядов, имеет ЭДМ, равный нулю. Но представьте себе гантель, шарики которой противоположно заряжены: одна сторона положительно, а другая отрицательно. В макроскопическом мире эта гантель будет иметь ненулевой электрический дипольный момент. Если форма объекта отражает распределение его электрического заряда, это также будет означать, что форма объекта должна отличаться от сферической. Таким образом, очевидно, ЭДМ может помочь определить форму макроскопического объекта.
Электрический дипольный момент в квантовом мире
Однако в квантовом мире определить ЭДМ куда сложнее. Там пространство вокруг электрона не пусто и не неподвижно. Скорее, оно населено различными субатомными частицами, которые в течение коротких промежутков времени переходят в виртуальное существование.
Эти виртуальные частицы образуют «облако» вокруг электрона. Если мы направим свет на электрон, часть света может отразиться от виртуальных частиц в облаке, а не от самого электрона.
Это изменит числовые значения заряда электрона, магнитного и электрического дипольного моментов. Выполнение очень точных измерений этих квантовых свойств расскажет нам, как ведут себя эти неуловимые виртуальные частицы, когда они взаимодействуют с электроном, и изменяют ли они ЭДМ электрона.
Самое интересное, что среди этих виртуальных частиц могут быть новые, неизвестные нам виды, с которыми мы еще не сталкивались. Чтобы увидеть их влияние на электрический дипольный момент электрона, нам нужно сравнить результат измерения с теоретическими предсказаниями размера ЭДМ, рассчитанными в соответствии с принятой в настоящее время теории Вселенной, Стандартной модели.
Все элементарные частицы Стандартной модели.
До сих пор Стандартная модель точно описывала все лабораторные измерения, которые когда-либо проводились. Тем не менее, она не может решить многие из наиболее фундаментальных вопросов — например, почему материя доминирует над антиматерии во всей Вселенной. Стандартная модель также предсказывает ЭДМ электрона: она требует, чтобы он был настолько мал, чтобы эксперимент ACME не имел возможности его измерить. Но что случилось бы, если бы ACME фактически обнаружил ненулевое значение для электрического дипольного момента электрона?
Латаем дыры в Стандартной модели
Были предложены новые теоретические модели, которые исправляют недостатки Стандартной модели, предсказывая существование новых тяжелых частиц. Эти модели могут заполнить пробелы в нашем понимании Вселенной. Чтобы проверить такие модели, нам нужно доказать существование этих новых тяжелых частиц. Это можно сделать с помощью серьезных экспериментов, таких как эксперименты на международном Большом адронном коллайдере (БАК), путем непосредственного производства новых частиц в столкновениях при высоких энергиях.
В качестве альтернативы, мы могли бы видеть, как эти новые частицы изменяют распределение заряда в «облаке» и их влияние на ЭДМ электрона. Таким образом, однозначное наблюдение дипольного момента электрона в эксперименте ACME доказало бы, что новые частицы действительно присутствуют. Это была цель эксперимента ACME.
Что нужно сделать, чтобы измерить электрический дипольный момент? Нам нужно найти источник очень сильного электрического поля, чтобы проверить реакцию электрона на него. Один из возможных источников таких полей можно найти внутри таких молекул, как монооксид тория. Эта молекула и использовалась в эксперименте ACME. Светя тщательно настроенными лазерами на эти молекулы, можно узнать значения электрического дипольного момента электрона, если он не слишком мал.
Однако, как оказалось, это так. Физики коллаборации ACME не наблюдали электрический дипольный момент электрона — это говорит о том, что его значение слишком мало, чтобы их экспериментальный аппарат мог его обнаружить. Этот факт имеет важное значение для нашего понимания того, что мы можем ожидать от экспериментов на Большом адронном коллайдере в будущем.
Интересно, что тот факт, что коллаборацией ACME не был обнаружен ЭДМ электрона, фактически исключает существование новых тяжелых частиц, которые легче всего обнаружить на БАК. Это замечательный результат для «настольного» эксперимента, который влияет как на то, как мы планируем прямой поиск новых частиц на гигантском Большом адронном коллайдере, так и на то, как мы строим теории, описывающие природу частиц. Удивительно, что изучение чего-то такого маленького, как электрон, может многое рассказать нам о Вселенной.
Источник