Списки5 научных теорий строения Вселенной, которые кажутся безумием
Квантовая пена, сверхтекучая жидкость и Вселенная-голограмма
Люди всегда пытались понять, что такое Вселенная и как она устроена, но точного ответа нет до сих пор. В надежде услышать правдоподобную догадку мы обращаемся к фантастам, но часто те лишь пересказывают на разный лад концепции мультивселенной и параллельных миров. Тем временем учёные проверяют теории, которые поначалу кажутся полным безумием.
Вселенная — голограмма
Мы привыкли воспринимать мир в трёх измерениях. Однако учёные из Национальной лаборатории имени Энрико Ферми при министерстве энергетики США предположили, что Вселенная — это голограмма, то есть только кажется объёмной, а на самом деле она плоская. Согласно их гипотезе, пространство-время можно представить в виде мельчайших блоков подобно картинке с экрана, состоящей из пикселей. Каждый из этих блоков настолько крохотный, что ещё меньшие длины попросту не имеют физического смысла.
Директор лаборатории Крэйг Хоган и его коллеги пытаются доказать, что пространство-время — квантовая система, как материя и энергия, и образована волнами. Для этого они собрали установку под названием голометр. Голометр испускает два мощных лазерных луча, которые то сходятся, то расходятся. Если их яркость будет колебаться, то это подтвердит, что колеблется и пространство-время, а значит, оно обладает свойствами двухмерной волны. Эксперимент начался минувшим летом и продлится примерно год. Как это отразится на человечестве, трудно сказать. Однако если догадка физиков из Фермилаба верна, то объём информации во Вселенной конечен, следовательно, у всего, что мы можем измерить, помыслить и сделать, есть предел.
Квантовая пена
как ткань Вселенной
Пространство-время кажется непрерывным и гладким, но, вполне вероятно, на микроуровне оно устроено совсем иначе. В 1955 году физик Джон Уилер предложил концепцию квантовой пены. Эта концепция держится на предположении, что наряду с обычными частицами существуют виртуальные частицы, которые образуются из энергии и аннигилируют в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга. Эти процессы порождают квантовые флуктуации, отчего пространство-время искривляется в масштабе планковских величин.
Концепция квантовой пены рисует поразительные картины: например, мельчайшие чёрные дыры и кротовые норы, полученные от взаимодействия виртуальных частиц, — и может пригодиться, чтобы объяснить рождение Вселенной и её строение. Впрочем, доказать или опровергнуть её пока не удалось — некоторые учёные сомневаются, что виртуальные частицы вообще существуют.
Наша Вселенная — результат столкновения трёхмерных миров
Модель, предложенная Полом Стайнхардтом и Нилом Туроком, напоминает теорию Большого взрыва, но исключает сам Большой взрыв. Исследователи соглашаются, что Вселенная расширяется и остывает последние 15 миллиардов лет, но считают, что перед этим не было никакой сингулярности. По их мнению, сначала Вселенная была холодной и почти пустой, а высокие, но конечные температуру и плотность ей придало столкновение двух трёхмерных миров — бран, двигавшихся вдоль ещё одного, скрытого измерения. В разных точках столкновение случилось не единовременно, потому Вселенная неоднородна, — именно так смогли появиться галактики.
Экпиротическая модель основана на положениях теории струн, поэтому предполагает существование других миров. Правда, мы не можем их наблюдать, поскольку частицы и свет туда не проникают. В 2002 году Стайнхардт и Турок расширили свою модель и назвали её циклической. Согласно ей, после столкновения браны разделяются, а потом снова сходятся, — и так до бесконечности.
Пространство-время — сверхтекучая жидкость
Ключевая задача современной физики — устранить противоречия между общей теорией относительности и квантовой механикой. Некоторые исследователи считают, что избавиться от них поможет концепция, согласно которой пространство-время — это сверхтекучая жидкость. Физик Тед Джейкобсон сравнил пространство-время с водой. Отдельные молекулы воды не обладают её свойствами, но тем не менее их задают. Стефано Либерати и Лука Маччоне решили проверить гипотезу на квантах света. Они предположили, что пространство-время ведёт себя как жидкость только в особых случаях, например, с фотонами большой энергии. Такие фотоны должны терять энергию на длинных расстояниях подобно затухающим волнам в других средах.
Либерати и Маччоне следили за излучением от остатка сверхновой в Крабовидной туманности, расположенной в 6,5 тыс. световых лет от Земли. Они не обнаружили отклонений и заключили, что жидкостные эффекты пространства-времени либо чрезвычайно слабы, либо вообще не существуют. Но если бы фотоны действительно потеряли энергию, это означало бы, что скорость света в вакууме непостоянна, а это противоречит общей теории относительности. Либерати и Маччоне не стали отбрасывать концепцию. Впрочем, даже сторонники идеи, что пространство-время — это сверхтекучая жидкость, не очень-то надеются найти подтверждение.
Вселенные
в чёрных дырах
Люди, за исключением братьев Ноланов, не знают, что находится внутри чёрных дыр. По мнению Никодема Поплавского, они ведут в другие вселенные. Эйнштейн полагал, что упавшее в чёрную дыру вещество сжимается в сингулярность. Согласно уравнениям Поплавского, на другом конце чёрной дыры расположена белая дыра — объект, из которого материя и свет только исторгаются. Эта пара образует кротовую нору, и всё, попадая туда с одной стороны и выходя с другой, образует новый мир. В начале 1990-х годов физик Ли Смолин предложил похожую и в чём-то более странную гипотезу: он тоже верил во вселенные по ту сторону черной дыры, но думал, что они подчиняются закону наподобие естественного отбора: воспроизводятся и мутируют в ходе эволюции.
Теория Поплавского может прояснить несколько «тёмных» мест в современной физике: например, откуда взялась космологическая сингулярность до Большого взрыва и гамма-всплески на краю нашей Вселенной, или почему Вселенная не сферическая, а, судя по всему, плоская. Критики учёного указывают, что природа первичного мира, из которого произошли все другие вселенные, всё равно остаётся загадкой. Впрочем, даже скептикам не кажется, что гипотеза Поплавского менее правдоподобна, чем догадка Эйнштейна насчёт сингулярности.
Источник
Квантовая пена — Quantum foam
Квантовый пены (также известный как пространственно — временной пены или пространственно — временного пузыря ) является квантовая флуктуация из пространства — времени на очень малых масштабах из — за квантовой механики . Идея была изобретена Джоном Уилером в 1955 году.
СОДЕРЖАНИЕ
Задний план
С неполной теорией квантовой гравитации невозможно быть уверенным в том, как будет выглядеть пространство-время в малых масштабах. Однако нет причин, по которым пространство-время должно быть фундаментально гладким. Возможно, вместо этого в квантовой теории гравитации пространство-время будет состоять из множества маленьких, постоянно изменяющихся областей, в которых пространство и время не определены, а колеблются подобно пене.
Уиллер предположил, что принцип неопределенности Гейзенберга может означать, что на достаточно малых расстояниях и достаточно коротких интервалах времени «сама геометрия пространства-времени колеблется». Эти флуктуации могут быть достаточно большими, чтобы вызвать значительные отклонения от гладкого пространства-времени, наблюдаемого в макроскопических масштабах, что придает пространству-времени «пенистый» характер.
Результаты экспериментов
В 2009 году два телескопа MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov) обнаружили, что среди гамма- фотонов, поступающих от блазара Маркарян 501 , некоторые фотоны с разными уровнями энергии прибыли в разное время, что позволяет предположить, что некоторые из фотонов двигались медленнее. и, таким образом, противоречит концепции общей теории относительности, согласно которой скорость света постоянна, — несоответствие, которое можно объяснить неоднородностью квантовой пены. Однако более поздние эксперименты не смогли подтвердить предполагаемое изменение скорости света из-за зернистости пространства.
Другие эксперименты с поляризацией света от далеких гамма-всплесков также дали противоречивые результаты. Продолжаются или предлагаются другие наземные эксперименты.
Ограничения и ограничения
Можно было бы ожидать, что большие флуктуации, характерные для пены пространства-времени, будут происходить в масштабе длины порядка планковской длины . Пенистое пространство-время будет иметь ограничения на точность измерения расстояний, потому что размер множества квантовых пузырей, через которые проходит свет, будет колебаться. В зависимости от используемой модели пространства-времени неопределенности пространства-времени накапливаются с разной скоростью по мере того, как свет проходит через огромные расстояния.
Рентгеновское и гамма-наблюдение квазаров использовали данные из НАСА Чандра , то Ферми гаммы-излучение космического телескопа и наземные наблюдения гаммы-излучение от очень мощного излучения изображений телескопа массива (VERITAS) показывают , что пространство -время является однородны на расстояниях в 1000 раз меньших, чем ядро атома водорода.
Наблюдения за излучением близлежащих квазаров Флойдом Стекером из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА наложили строгие экспериментальные ограничения на возможные нарушения специальной теории относительности Эйнштейна, подразумеваемые существованием квантовой пены. Таким образом, экспериментальные данные до сих пор дали диапазон значений, в которых ученые могут тестировать квантовую пену.
Модель случайной диффузии
Рентгеновское обнаружение квазаров на расстояниях в миллиарды световых лет исключает модель, в которой фотоны беспорядочно рассеиваются через пространственно-временную пену, подобно свету, рассеивающемуся через туман.
Голографическая модель
Измерения квазаров на более коротких длинах волн гамма-излучения с помощью Ферми и более коротких длин волн с помощью VERITAS исключают вторую модель, называемую голографической моделью с меньшей диффузией.
Отношение к другим теориям
Эти флуктуации вакуума обеспечивают вакуум с ненулевой энергией , известной как энергия вакуума .
Теория спиновой пены — это современная попытка сделать идею Уиллера количественной .
Источник
Квантовую пену наконец-то поймают!
Известный физик из Израиля Яков Бекенштейн предложил простую схему эксперимента, способного подтвердить или опровергнуть существование квантовой пены. Эта самая квантовая пена, которую любят теоретики, является для экспериментаторов изрядной головной болью, так как никто до сих пор не мог предложить опыт, доказывающий реальность ее существования.
Собственно говоря, сам термин «квантовая пена» является некоторой условностью, поскольку структура мироздания, обозначаемая этим словосочетанием, на обычную пену совсем не похожа — с таким же успехом можно называть данный феномен, например, «квантовыми сотами». Однако суть от этого совершенно не изменится, поскольку речь идет о вполне определенном явлении. Правда, сразу следует отметить, что пока еще никому не удалось экспериментально доказать существование этой самой квантовой пены.
Впервые термин «квантовая пена» появился в 80-х годах прошлого века, когда физики Ли Смолин, Абэй Аштекар, Тэд Джекобсон и Карло Ровелли создали так называемую теорию петлевой квантовой гравитации. Согласно ее положениям, пространство и время не являются непрерывными, а состоят из дискретных частей. Они представляют собой маленькие квантовые ячейки пространства (квантовые — потому что их размеры не превышают кванта длины, то есть 10 -35 м), определенным способом соединенные друг с другом. Поэтому на малых масштабах времени и длины они создают пеструю, дискретную структуру пространства, и лишь на больших масштабах оно становится непрерывным и гладким — таким мы его и ощущаем.
Но что же может происходить в этих мельчайших элементарных ячейках мироздания? По мнению ученых, множество удивительных вещей. Например, представьте себе, что вы спокойно сидите в своей комнате, и вдруг в ней внезапно образуется черная дыра. Так вот, в макромире подобное просто невозможно, поскольку для появления в вашем доме той же черной дыры нужно, чтобы из ничего появилась энергия, эквивалентная нескольким сотням масс Земли, причем за так называемое планковское время (10 -43 с). Совершенно очевидно, что подобное не осуществимо — в макромире время, необходимое для появления такого количества энергии, измеряется сотнями тысяч, а то и миллионами лет.
А вот в квантовой ячейке такие процессы — дело совершенно обычное. На очень коротких промежутках времени в весьма небольших областях пространства вполне может самопроизвольно появляться энергия, достаточная для превращения этого кусочка пространства в черную дыру. Причем вовсе не из «ничего», поскольку закон сохранения энергии справедлив и для квантовых ячеек. Просто всем известный принцип неопределенности Гейзенберга (подробнее о нем читайте в статье «Физики добавили в наш мир определенности») позволяет энергии превращаться в частицу и античастицу, а затем аннигилировать, порождая вновь ту же энергию, без формального нарушения закона её сохранения.
Можно сказать, что «жизнь» в квантовых ячейках просто бьет ключом — постоянно то возникают, то исчезают частицы, меняется сама структура пространства и времени, и ни на один момент в них нет ни капли стабильности, сплошные флуктуации. Все это отчасти похоже на процессы образования пены в процессе биения волн о берег. Поэтому-то и появился термин «квантовая пена».
Следует сказать еще и о том, что, по мнению ряда физиков, основой для столь интенсивных процессов в квантовых ячейках служат так называемые квантовые колебания вакуума. Энергия этих колебаний есть не что иное, как энергия основного состояния системы,и при этом она практически бесконечна (хотя с точки зрения квантовой механики ее практически невозможно использовать). И если некоторые ученые считают, что такой энергии вполне хватает для того, чтобы каждую секунду возникали новые Вселенные, то вполне логично предположить, что для поддержания непрерывного «бурления» квантовых ячеек ее вполне достаточно.
Представление о квантовой пене уже давно вызывает симпатии многих теоретиков — оно весьма красиво, логично, и, главное, может разрешить большое количество физических парадоксов. А вот для экспериментаторов эта самая пена до сих пор является изрядной головной болью. И дело даже не в том, что измерить характеристики процессов, происходящих в столь малом масштабе, до сих пор весьма сложно с технической точки зрения. Просто исходя из вышеупомянутого принципа неопределенности, невозможно единовременно определить изменение всех характеристик столь малых объектов — сам факт измерения уже нарушит исходное значение некоторых из них. Проще говоря, ученые даже не представляют, каким образом нужно спланировать эксперимент, который мог бы подтвердить или опровергнуть существование квантовых ячеек.
Однако недавно известный израильский физик-теоретик Яков Бекенштейн из Еврейского университета в Иерусалиме опубликовал работу, в которой изложил простую схему «настольного» эксперимента, способного подтвердить или опровергнуть существование квантовой пены. Сразу скажу, что речь идет о том самом ученом, который доказал, что черные дыры подчиняются началам термодинамики, сила гравитации играет там роль температуры, а площадь поверхности горизонта событий пропорциональна энтропии. Именно исходя из его построений Стивен Хокинг смог сформулировать свою известную теорию излучения черных дыр (позже его назвали хокинговским излучением).
Так вот, Бекенштейн считает, что для обнаружения пены можно использовать предельно простое оборудование. Нужно просто обстреливать одиночными фотонами кусок стекла. В итоге каждое попадание частицы в атом придаст последнему механический импульс, в результате чего атом изменит свое положение в пространстве. Ну, а поскольку импульс одиночного фотона ничтожен, то, соответствующим образом подобрав его энергию и длину волны, можно добиться того, что результирующее изменение положения атома будет меньше той самой планковской длины.
В итоге получится следующая картина — если квантовая пена действительно существует и может деформировать пространство-время подобно черным дырам в макромире, то есть предельно замедляя его течение и меняя размеры, то изменение положения стекла в пространстве будет невозможно. Это произойдет из-за того, что данный процесс нарушит закон сохранения импульса. Ну, а раз так, то выходит, что фотон вообще не должен попасть в кусок стекла. И это на самом деле достаточно легко зафиксировать — приборы, способные зарегистрировать факт прохождения через стекло одиночного фотона, уже существуют.
Как видите, этот эксперимент в принципе можно провести даже в обычной городской квартире — для него не нужны специальные условия. И это весьма обнадежило многих экспериментаторов — у них впервые появилась возможность наконец-то «поймать» эту неуловимую квантовую пену. Сейчас методика Бекенштейна активно обсуждается и проверяется, и если результаты таких проверок будут удовлетворительными, то предложенный им эксперимент может быть поставлен уже в ближайшее время…
Добавьте «Правду.Ру» в свои источники в Яндекс.Новости или News.Google, либо Яндекс.Дзен
Быстрые новости в Telegram-канале Правды.Ру. Не забудьте подписаться, чтоб быть в курсе событий.
Источник