Теория одноэлектронной Вселенной Р. Фейнмана
Теория одноэлектронной Вселенной Р. Фейнмана — гипотетическая модель Вселенной, в которой все электроны являются одним электроном, находящимся попеременно в разных точках пространства.
Бог был изобретён для объяснения чудес. Его вечно изобретают для объяснения тех вещей, которых мы не понимаем.
— Ричард Фейнман
Великий физик Ричард Фейнман
Нам показал и доказал,
Частицы все анти-материи —
Частиц обычных путь назад. (1)
Назад во времени движение,
В их прошлое, в их «до-того».
Такое было его мнение,
Никто не опроверг его.
Итак, частица существует
Одновременно в «было», в «есть».
Недолго, «анти-» не минует
Аннигиляция, то есть — смерть.
Но тем не менее интересно
В двух временах порой побыть
И может что исправить к месту,
Ошибку может изменить.
(1) В 1948 году Ричард Фейнман, который получил в 1965 году Нобелевскую премию по физике, разработал математический подход к квантовой теории, в котором античастица рассматривалась как частица, движущаяся обратно во времени на протяжении долей микросекунды. Когда образуется пара из электрона и его античастицы — позитрона (положительно заряженного электрона), позитрон живет чрезвычайно короткое время. Он почти сразу же сталкивается с другим электроном, оба аннигилируют, и остаются гамма-кванты. В этом процессе как будто бы участвуют три разных частицы — один позитрон и два электрона. Но по теории Фейнмана здесь есть только одна частица — электрон. То, что мы наблюдаем как позитрон, на самом деле просто электрон, краткое мгновение движущийся вспять во времени.
Поскольку наше время равномерно бежит вперед, мы видим времени-обращенный электрон как позитрон. Мы думаем, что позитрон исчезает, когда он наталкивается на другой электрон, но на самом деле — по Фейнману — это тот же первоначальный электрон, возобновивший свое движение вперед во времени.
Источник
Живем ли мы в одноэлектронной Вселенной: 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».
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.
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.
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 квантовой механики 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 точее 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.
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 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
Что, если электронов не 10^80 в нашей Вселенной, а всего один? Как это возможно
К 1940 году будущий нобелевский лауреат Ричард Фейнман уже успел закончить Массачусетский технологический институт и продолжал учебу в Принстоне в качестве аспиранта. Его, как и многих ученых в те годы, интересовало, почему нельзя однозначно идентифицировать элементарную частицу — речь конкретно шла об электронах.
Если, к примеру, взять 2 одинаковых кирпича, то используя различные физические методы, каждый из них можно конкретно идентифицировать — оба будут иметь хоть незначительные отличия по массе и форме, и всегда они будут иметь различные неоднородности и несплошности. А вот с электронами подобный фокус не проходит — все частицы одинаковы, их масса и заряд индентичны.
В один прекрасный весенний день 1940 года между Ричардом Фейнманом и его научным руководителем Джоном Уилером состоялся весьма любопытный телефонный разговор. Уилер заявил, что ему стало понятно, почему нельзя различить между собой отдельные электроны. Фейнман поинтересовался — в чем же дело? На этот вопрос Уилер дал простой до гениальности ответ — потому что это один и тот же электрон.
«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».
Суть идеи Уилера сводилась к тому, что во Вселенной существует только один-единственный электрон, который попеременно находится в разных точках пространства-времени. Фейнман возразил практически сразу — если Вселенная в целом электронейтральна, то почему число позитронов просто ничтожно по сравнению с числом электронов? На что Уилер вполне логично ответил — а вы знаете, где «прячутся» позитроны? Может быть в протонах. Что ж, вполне может быть…
Чтобы объяснить теорию Уилера, позднее математически развитую Фейнманом, придется воспользоваться моделью двумерной Вселенной.
Возьмем прямоугольную Декартову систему координат (ПДСК), одна из осей которой будет пространство (x), а другая — время (t). На этой ПДСК нарисуем непрерывную гладкую (это такой математический термин) замкнутую кривую, причем постараемся, чтобы у этой линии имелось приличное количество изгибов и поворотов. Зададим на нашей кривой направление — пусть против часовой стрелки. Тогда участки кривой слева направо (синие) будут представлять собой различные ипостаси нашего единственного электрона, а участки, где кривая идет в обратном направлении (красные) представляет собой позитронные ипостаси нашего единственного электрона.
Но как частица может свободно перемещаться в пространстве времени? Дело в том, что в квантовом мире элементарных частиц время не содержит в себе различий между прошлым, настоящим и будущим.
Позже Фейнман проанализировал систему уравнений Максвелла относительно позитрона. Никаких противоречий обнаружено не было, но Фейнман убедился, что позитрон можно трактовать, как электрон движущийся назад во времени. Математическую разработку теории Фейнман, в сотрудничестве с Уилером сделал в 1948-49 годах, причем все выглядело вполне логично.
Физик Йоитиро Намбу такую концепцию позитрона-электрона применил к возникновению и аннигиляции пар частиц-античастиц. Он в своей статье заявил, что выброс энергии при аннигиляции частицы и античастицы происходит не из-за их столкновения, а из-за изменения движения единственной частицы из будущего в прошлое или наоборо т.
Хотя теория одноэлектронной Вселенной довольно широко обсуждалась в научных кругах, особого резонанса она не вызвала. Связано это было с противоречиями, которые в рамках данной теории не решались. Некоторые реакции элементарных частиц так и остались необъяснены, а количество наблюдаемых позитронов исчезающе мало по сравнению с электронами.
Но что, если теория одноэлектронной Вселенной верна?
Тогда вполне вероятно, что и все другие элементарные частицы: нейтроны, протоны даже нейтрино — также являются одной и той же частицей, которая перемещается туда-сюда во времени. Это значило бы, что и мы, и все вещество во Вселенной не только состоит из одинаковых частиц, а фактически, из одного протона, одного нейтрона и одного электрона.
Источник