Почему наша Вселенная такая странная и существуют ли законы физики?
Природа может быть разной для разных людей. Природа может быть чудесной. Природа может быть странной. У природы есть законы. Природа продолжает удивлять ученых, которые пытаются эти законы понять. За последние несколько десятилетий научное сообщество пришло к принятию концепции «естественности» – это термин, придуманный Эйнштейном, который описывает изящно сложные законы природы. Ученые считают, что если Вселенная естественна, то ее можно объяснить математически. Но если ее природа неестественна, то некоторые законы физики произвольны и кажутся чрезвычайно тонко настроенными, чтобы позволить жизни (как мы ее знаем) возникнуть и существовать. И все же, ученые стремятся к единому описанию реальности. Но современная физика допускает множество различных описаний, многие из которых эквивалентны друг другу и связаны ландшафтом математических возможностей.
Как хорошо мы знаем Вселенную, чтобы утверждать, что известные законы физики существуют?
Тайны Вселенной
В череде обыденных будней может показаться, что мы знаем о мире и Вселенной достаточно, чтобы утвердительно ответить на вопрос о том, существуют ли все известные законы физики. Однако ученые, изучающие квантовый мир могут с этим не согласиться. Как пишет Quanta Magazine, физики нашли много примеров двух совершенно различных описаний одной и той же физической системы.
Итак, если физические ингредиенты – это частицы и силы, то рецепты – это математические формулы, кодирующие их взаимодействия. В таком случае, сам процесс приготовления пищи – и есть процедура квантования, которая превращает уравнения в вероятности физических явлений. Вот почему квантовые физики задаются вопросом, как разные «рецепты приготовления» приводят к одинаковым результатам.
Еще больше увлекательных статей о том, как устроена наша Вселенная, читайте на нашем канале в Google News
Альберт Эйнштейн, как известно, считал, что, учитывая некоторые общие принципы, существует уникальный способ построить последовательную, функционирующую вселенную. С точки зрения Эйнштейна, если бы мы достаточно глубоко исследовали сущность физики, существовал бы один и только один способ, которым все компоненты — материя, излучение, силы, пространство и время — сочетались бы вместе, чтобы заставить реальность работать, подобно тому, как уникально сочетаются шестеренки, пружины, циферблаты и колесики механических часов.
Физика элементарных частиц
Современная Стандартная модель физики элементарных частиц действительно представляет собой плотно сконструированный механизм, состоящий всего из нескольких компонентов. Однако вместо того, чтобы быть уникальной, Вселенная кажется одним из бесконечного множества возможных миров. Мы понятия не имеем, почему именно эта комбинация частиц и сил лежит в основе структуры природы.
Возможно, мы живем в Мультивселенной
Кроме того, стандартная модель содержит 19 констант природы — такие числа, как масса и заряд электрона, которые должны быть измерены в экспериментах. Значения этих «свободных параметров», по-видимому, не имеют более глубокого смысла.
Если наш мир – всего лишь один из многих, то как мы можем существовать одновременно с альтернативными вселенными? Нынешнюю точку зрения можно рассматривать как полярную противоположность эйнштейновской мечте об уникальном космосе. Современные физики охватывают огромное пространство возможностей и пытаются понять его всеобъемлющую логику и взаимосвязь. Из золотоискателей они превратились в географов и геологов, детально описывающих ландшафт и изучающих силы, которые его сформировали.
Теория струн
Теория струн стала переломным моментом для современной физики. На данный момент она является единственной теорией, ближе всех подобравшейся к той самой «теории всего» – мечте Альберта Энйштена, способную описать все частицы и силы, включая гравитацию, а также подчиняясь строгим логическим правилам квантовой механики и теории относительности.
Хорошей новостью во всей этой истории является то, что у теории струн нет циферблата (как у механических часов). Не имеет смысла спрашивать, какая теория струн описывает нашу Вселенную, потому что существует только одна. Отсутствие каких-либо дополнительных признаков приводит ученых к выводу о том, что все числа в природе должны определяться самой физикой. Они не являются «константами природы», а лишь переменными, фиксируемыми уравнениями (возможно, неразрешимо сложными).
Однако важно понимать, что существует сложное, огромное количество решений теории струн. В физике это не является чем-то необычным. Мы традиционно различаем фундаментальные законы, заданные математическими уравнениями и решения этих уравнений. Как правило, существует всего несколько законов, но бесконечное число решений. Возьмем законы Ньютона. Они четки и элегантны, но описывают невероятно широкий спектр явлений, от падающего яблока до орбиты Луны.
Если вы знаете начальные условия конкретной системы, то сила этих законов позволяет решать уравнения и предсказывать, что произойдет дальше. Мы не ожидаем и не требуем априори уникального решения, которое описывает все.
В теории струн некоторые особенности физики, которые мы обычно рассматриваем как законы природы — такие как конкретные частицы и силы, на самом деле являются решениями. Они определяются формой и размером скрытых дополнительных измерений. Пространство всех этих решений часто называют «ландшафтом», но это преуменьшение. Даже самые впечатляющие горные пейзажи бледнеют в сравнении с необъятностью этого пространства.
Ландшафт Вселенной
Но как ученые изучают обширный ландшафт физических моделей Вселенной, которые легко могут иметь сотни измерений? Чтобы это понять, давайте представим себе ландшафт как в значительной степени неразвитую пустыню, большая часть которой скрыта под толстыми слоями неразрешимой сложности. Только на самых окраинах мы находим пригодные для жизни места. Здесь мы находим основные модели, которые полностью понимаем. Они не имеют большой ценности для описания реального мира, но служат удобной отправной точкой для изучения местных окрестностей.
Возможно, законов физики не существует
Хорошим примером может служить теория квантовой электродинамики (КТП), описывающая взаимодействие материи и света. Эта модель имеет единственный параметр, называемый константой тонкой структуры α, которая измеряет силу силы между двумя электронами. В теории квантовой электродинамики все процессы можно рассматривать как возникающие из элементарных взаимодействий. Например, силу отталкивания между двумя электронами можно представить в виде обмена фотонами. КТП просит нас рассмотреть все возможные способы, которыми два электрона могли бы обмениваться фотоном, что на практике означало бы, что физики должны решить сложнейшую задачу, с бесконечным множеством решений.
Чтобы всегда быть в курсе последних новостой из мира науки и высоких технологий, подписывайтесь на наш канал в Telegram
Почему все это так волнительно для физики? Прежде всего, вывод о том, что многие, если не все, модели являются частью одного огромного взаимосвязанного пространства, является одним из самых удивительных результатов современной квантовой физики. Это изменение перспективы, достойное термина «сдвиг парадигмы». Он говорит нам, что вместо того, чтобы исследовать архипелаг из отдельных островов, мы обнаружили один огромный континент.
В некотором смысле, изучая одну модель достаточно глубоко, мы можем изучить их все. Мы можем исследовать, как эти модели связаны, освещая их общие структуры. Важно подчеркнуть, что это явление в значительной степени не зависит от того, описывает ли теория струн реальный мир или нет. Это неотъемлемое свойство квантовой физики, которое останется здесь, какой бы ни оказалась будущая “теория всего”.
Источник
Законы физики во Вселенной
То, что окружает нас – лишь локальное проявление физических законов, свойственное именно этому региону.
Даже если представить, что в момент формирования космического пространства, все участки Вселенной были одинаковыми, то со временем каждый из них претерпел свои собственные уникальные изменения. Причиной тому явились черные дыры, взрыв каждой из которых привносит крошечные изменения в такие константы, как скорость света, постоянная Планка и так далее. В зависимости от размера черной дыры и ее местоположения последствия взрывов сугубо индивидуальны для каждого подобного инцидента. Исследования, проведенные в США известным физиком-теоретиком Ли Смолиным и его другом философом Роберто Унгером привели к трем радикальным заключениям, каждое из которых заставляет пересмотреть современное представление о мире. Первое изыскание ученых гласит – существует только одна Вселенная.
Это предположение можно считать фактически доказанным, ведь о существовании множественных Вселенных и параллельных миров мы знаем только из творчества писателей-фантастов. Других источников для появления подобной теории просто не существует. Те, кто апеллирует к теории струн, путают предпосылки и последствия – ведь именно научная фантастика подтолкнула физиков найти обоснование для существования множества Вселенных.
Второй сделанный Смолиным и Унгером вывод гласит, что время является элементом реальности. Это не абстрактный процесс, а физическая величина, которая может быть не только измерена, но и изменена. Ученые в своем труде ссылаются на само отношение ко времени у человечества – в речи людей время обретает свойства материального объекта. Его можно «потерять», «потратить», «найти», что характеризует время как субъект, который поддается воздействию. Время может вступать во взаимодействие с другими физическим силами и изменяться под их влиянием. Примером тому служат те же черные дыры, у поверхности которых под воздействием невероятно большой силы притяжения, время замедляется.
На основании этих выводов, Смолин делает главное заключение: законы физики во Вселенной различаются в разных регионах. В качестве примера он приводит наблюдение за звездами. При любых лабораторных исследованиях ученый может воспроизвести любую подходящую для опыта внешнюю среду. Однако в астрономии наблюдатель сильно ограничен – он может лишь рассмотреть различные события и обследовать огромное количество звезд, но все его предположения базируются на физике околоземного пространства.
Науке известно множество звездных феноменов, которым астрофизики не находят научного объяснения. Именно для этого началась разработка «Всеобщей теории» или «теории струн», которая смогла бы связать между собой все разделы физической науки и разгадать некоторые загадки Вселенной. Но согласно предположению Смолина необходимость в такой теории отпадает – она будет лишь балластом до той поры, пока мы не познакомимся с исполнением физических законов во всех областях Вселенной. А когда это произойдет, то она, возможно, и не понадобится.
Гипотеза Смолина ставит перед научным сообществом слишком много вопросов. Например, никто не сможет точно предсказать работу ядерного двигателя, который был создан на Земле и отправился в регион Вселенной, где постоянная Планка имеет другое значение. Это и многое другое делает предположения физико-философского дуэта очень нежелательными для их коллег, работающих над «теорией струн», но прислушаться к идеям Смолина и Унгера все-таки стоит.
Источник
Перестают ли законы физики работать на краю Вселенной?
Как думаете, законы физики во всей Вселенной работают одинаково и было ли так всегда? Результаты нового исследования предполагают, что в первые эпохи жизни Вселенной значение одной из важнейших фундаментальных констант – константы тонкой структуры – числом, которое, как считается, остается неизменным и описывает, как субатомные частицы взаимодействуют друг с другом – в далеких уголках космоса было несколько иным. Полученное число, утверждают исследователи, меняется в зоне самых удаленных квазаров – класса наиболее ярких астрономических объектов во Вселенной, которые считаются ее внешней границей. Звучит довольно запутанно, так что давайте попробуем разобраться в чем дело и почему это открытие может в корне изменить наше понимание пространства.
Наша Вселенная очень странная
Смелое утверждение
Итак, ученые из университета Нового Южного Уэльса обнаружили несоответствия в константе тонкой структуры в удаленных уголках Вселенной. Постоянная тонкой структуры описывает силу, которая воздействует на субатомные частицы с электрическим зарядом, подобно тому, как протоны и электроны внутри атома притягиваются друг к другу. Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, показало, что число меняется, когда исследователи анализируют максимально удаленные квазары, правда, только тогда, когда смотрят в определенных направлениях. Это означает, что на краях Вселенной законы физики могут нарушаться.
Мало того, что универсальная константа кажется раздражающе непостоянной на внешних границах космоса, она возникает только в одном направлении. Но вернемся к квазарам: детально изучая свет от далеких квазаров, ученые, тем самым, изучают свойства Вселенной, какой она была миллиард лет назад. Да, ранние звезды тогда сформировались, но галактик не было, как и популяции звезд в ночном небе, не говоря уже о планетах. Наблюдая за квазаром J1120+0641, астрономы пытались отследить различия в значении постоянной тонкой структуры.
О том, почему звездное небо меняется, а некоторые источники света исчезли за последние 70 лет, я писала в предыдущем материале.
Свету от квазара J1120+0641 нужно целых 12,9 миллиардов лет, чтобы достигнуть нашей планеты
На самом деле ученых уже давно волнует вопрос о том, были ли законы физики во Вселенной всегда такими, какими мы их знаем. Ведь в первые моменты существования мироздания, Вселенная расширялась необъяснимо быстро. Логично предположить, что законы физики юной Вселенной могли отличаться от современных, а узнать это можно только отслеживая постоянную тонкой структуры.
Еще больше увлекательных статей о нашей Вселенной читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте
Проанализировав расположение определенных «темных» линий в спектре J1120+0641, авторы исследования пришли к выводу, что линии показывают устройство энергетического уровня в разных типах атомов. С их помощью можно вычислить значение связанной с ними фундаментальной константы с высокой точностью.
Измерить ее значение удалось с помощью высокочувствительного спектрографа X-SHOOTER, установленного на оптическом телескопе VLT. С помощью этого инструмента астрономы смогли измерить значение постоянной тонкой структуры в четырех максимально удаленных от нас уголках космоса, через которые проходил свет от J1120+0641. Оказалось, что в ранней Вселенной значение этой фундаментальной константы действительно было другим. Но о чем это говорит?
Странная Вселенная
Как пишет Scitech Daily, кажется, полученные результаты подтверждают идею о том, что во Вселенной может существовать направленность. Это очень странно – если во Вселенной есть какое-то направление или предпочтительное направление, в котором меняются законы физики.
Считается, что Большой взрыв положил начало Вселенной и с тех пор она расширяется с ускорением
Мы можем оглянуться назад на 12 миллиардов световых лет и измерить электромагнетизм, когда Вселенная была очень молода. Если сложить все эти данные вместе, то окажется, что электромагнетизм увеличивается по мере того, как мы смотрим все дальше, в то время как в противоположном направлении он постепенно уменьшается. В других направлениях космоса постоянная тонкой структуры остается именно такой – постоянной. Эти новые, очень далекие измерения продвинули наши наблюдения дальше, чем когда-либо прежде.
Профессор UNSW Science Джон Уэбб
Если во Вселенной существует направленность, утверждает профессор Уэбб, и если в некоторых областях космоса электромагнетизм проявляется очень слабо, то наиболее фундаментальные концепции, лежащие в основе большей части современной физики, нуждаются в пересмотре. Чтобы всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram
Тем не менее, с уверенностью утверждать о том, что постоянная тонкой структуры действительно разная в разных областях Вселенной, нельзя. По мнению авторов исследования, если данные других научных работ покажут те же выводы, то это поможет объяснить, почему наша Вселенная такая, какая она есть, и почему в ней вообще существует жизнь. Команда профессора Уэбба считает, что это первый шаг к гораздо более масштабному исследованию, в котором рассматриваются многие направления во Вселенной.
Источник