Общая теория относительности

Специальная теория относительности имеет дело с наблюдателем, который движется с постоянной скоростью относительно приборов или другого наблюдателя. После нее Эйнштейном была развита общая теория относительности, которая имеет дело с ускоряющимися системами.

К общей теории относительности его привел вопрос о том, может ли наблюдатель в ускоряющемся поезде установить, что он действительно ускоряется? Можно ли какими-то опытами отличить ускорение системы отсчета от нового поля силы тяжести? Эйнштейн предположил, что никакие локальные эксперименты (ни механические, ни электрические, ни оптические) никогда не смогут сказать наблюдателю, вызваны ли наблюдаемые им силы ускорением или локальным полем силы тяжести.

Другими словами, Эйнштейн потребовал, чтобы все законы физики были ковариантны относительно любых переходов от одной системы отсчета (или лаборатории) к другой. В этом суть общей теории относительности: все физические законы должны сохранять свою форму.

Эквивалентность механического поведения в поле силы тяжести и ускоренной системе отсчета давно была очевидна.

Отправной точкой для общей теории относительности стал закон Галилея о том, что все тела падают с одинаковым ускорением независимо от их массы, если пренебречь трением о воздух. Это эмпирическое правило можно понять как следствие второго закона Ньютона (сила равна массе, умноженной на ускорение) и закона гравитации (сила тяготения пропорциональна массе тела). Оба эти закона содержат один и тот же коэффициент пропорциональности – массу тела, поэтому ускорение падающего тела не зависит от его массы. Но раз мы имеем дело с двумя независимыми законами природы, то должны поинтересоваться, а как получилось, что оба они содержат один и тот же коэффициент?

Согласно мнению Эйнштейна, это неслучайно. Дело в том, что закон Галилея имеет глубокий смысл. Он показывает, что гравитация не реальная сила, а лишь фиктивная. Нам уже знакомы такие фиктивные силы, как Кориолисова сила, которая была описана французским физиком Гаспаром Кориолисом (1792 – 1843).

В Северном полушарии ветры, дующие с юга, пытаются повернуть на восток, а дующие с севера поворачивают на запад. Это приводит к вращению воздушных потоков против часовой стрелки вокруг областей низкого давления. Сила Кориолиса – это всего лишь проявление вращения Земли вокруг оси, а вовсе не реальная сила. Для фиктивных сил свойственно, что они сообщают одинаковое ускорение всем телам независимо от их характеристик, таких, как масса, электрический заряд.

Точно также ускорение силы тяжести не зависит от свойств тела. Фиктивную силу легко исключить. Например, если остановить вращение Земли, то сила Кориолиса пропадает. А гравитация исчезает при свободном падении. В кабине лифта мы начинаем слегка утрачивать чувство веса. Вдали от Земли можно искусственно создать такую же силу тяжести, как на земной поверхности, если заставить космический корабль двигаться с ускорением, равным g.

Эйнштейн пришел к выводу, что если ускорение силы тяжести так легко создать и уничтожить, то оно должно быть отражением какого-то более глубокого явления. Этим явлением он посчитал кривизну пространства. Материя заставляет окружающее пространство искривляться, а тела реагируют на эту кривизну таким образом, что это выглядит как действие гравитации.

Заслугой Эйнштейна было предположение о полной эквивалентности механического поведения в поле силы тяжести и ускоренной системе отсчета, а именно предположение, что даже на оптические и электрические эксперименты поле силы тяжести будет влиять подобно ускорению системы отсчета. Это утверждение дало долгожданную связь между гравитаций и остальной физикой.

Каково же следствие общей теории относительности?

Зная геометрию пространства, можно вычислить орбиту тела, на которое не действует ничто, кроме гравитации. Теперь мы не считаем гравитацию силой, а говорим о свободном движении. В плоском пространстве такое движение происходит по прямой линии, но в искривленном пространстве свободное движение может происходить практически по замкнутой орбите.

Возьмем обращающуюся вокруг Солнца планету. Она движется вперед по прямой, то есть по кратчайшему пути, но так как Солнце искривило пространство, орбита планеты становится эллипсом.

Для планет солнечной системы, как теория Ньютона, так и теория Эйнштейна дают почти одинаковый результат. Наибольшее различие наблюдается для Меркурия, обращающегося едва ли не вблизи массивного Солнца. Большая ось орбиты Меркурия медленно процессирует под влиянием остальных планет. Но теория Эйнштейна предсказывает дополнительную, по сравнению с теорий Ньютона, процессию, равную 43 секундам за 100 лет. В действительности, это мизерное расхождение теории Ньютона с наблюдениями было обнаружено и считалось серьезной проблемой в тот период.

Объяснение движения Меркурия и стало первым успехом новой теории гравитации, созданной Эйнштейном. Другим ее следствием было отклонение лучей света, проходящих близ поверхности Солнца. Из-за этого звезды кажутся сдвинутыми от своего реального положения на небе, когда Солнце наблюдается вблизи их. Обычно мы не можем увидеть звезды и Солнце одновременно, но в момент солнечного затмения 1919 года сдвиг звезд на ожидаемую величину был обнаружен, и это было оценено как убедительную победу новой теории.

В то время были известны только два конкурента общей теории относительности: теория финского физика Гуннара Нордстрема (1881 – 1923) вообще не предсказывала отклонения лучей света, а по теории Ньютона лучи должны были отклоняться, но вдвое слабее, чем по Эйнштейну. В наши дни при наблюдении космических радиоисточников, точность измерений стала еще выше: прогноз теории Эйнштейна подтверждается с точностью 1%.

Третье предсказание общей теории относительности подтвердилось гораздо позже. Согласно этой теории, время течет медленнее в искривленном пространстве, то есть в сильном гравитационном поле. Следовательно, на первом этаже дома время течет медленнее, чем на чердаке, поскольку чердак дальше от центра Земли и притяжение там немного слабее. В 1960 году американские физики Роберт Паунд и Глен Ребка измерили различие в скорости течения времени на расстоянии по вертикали в 22,5 м. Результат совпал с прогнозом теории Эйнштейна с точностью 10%. А вот результаты современных измерений совпадают с предсказанием с точностью до 0,01%.

В 1915 году Эйнштейн приходит к теории тяготения или общей теории относительности. Уравнения поля тяготения связывают тензор кривизны с тензором энергии – импульса, т.е. дают конкретное выражение зависимости свойств пространства-времени от распределения и движения масс. Теория тяготения построена на основе электродинамической картины мира, как и теория Ньютона – на механической картине мира.

Общая теория относительности была закончена в 1917 году и включала в себя специальную теорию относительности как частный случай. Эйнштейн связал геометрические свойства реального пространства и времени с тяготением, построив теорию мира как целого, и заключил, что однородность распределения масс во вселенной свидетельствует о пространственной ее замкнутости. Он пришел к выводу о том, что нахождение уравнения столь сложной теории не могло быть обусловлено набором эмпирических фактов, а только путем нахождения простого математического условия, определяющегося вполне или почти вполне вид этих уравнений. Свойства пространства и времени определяются по общей теории относительности распределением и движением в пространстве материи. Поэтому при наличии в пространстве тяготеющих масс его свойства отличны от евклидовых.

Уравнения Эйнштейна в 1922 году были детально исследованы русским математиком и метеорологом А.Фридманом: он показал, что теория Эйнштейна, как и теория Ньютона, допускает в качестве математических моделей и развивающиеся системы. А стабильная вселенная Эйнштейна является нестабильной при малейшем возмущении.

В 1927 году бельгийский аббат и ученый Ж.Леметр связал релятивистские модели с данными астрономических наблюдений и предложил теорию расширяющейся вселенной. Обнаруженное в 1912 году В.Слайефером движение галактик по смещению линий в их спектрах на основании эффекта Доплера было использовано американским ученым Э.Хабблом, который открыл в спектральной туманности Андромеды несколько переменных звезд и цефеиду и, оценивая период колебаний блеска которых, определил расстояние до туманности. Таким образом, он пришел к формулировке следующего закона: скорости разбегания галактик пропорциональных расстояниям до них.

Открытие гравитационного красного смещения подтвердило догадки о нестационарном развитии и о расширении вселенной. Вскоре теоретически было показано, что своеобразие релятивистской вселенной вовсе не связано с теорией Эйнштейна, а обусловлено лишь космологической постановкой проблемы. на основе динамики Ньютона, как показал английский астроном Э.Милн в 1934 году, возможно доказать необходимость эволюции.

В 1930-е годы Г.А.Гамов, ученик А.Фридмана, пришел к модели горячей вселенной, которую он назвал Космологией Большого Взрыва. К этому времени он был известным ученым, который независимо от Р.Герни и Э.Кондора применил в 1928 году квантовую механику для объяснения альфа-распада, определил модель потенциальной ямы и объяснил туннельный переход частицы. Он шел от превращения частиц, от процессов в ядре к объяснению «начала» вселенной, поэтому интересовался распространенностью химических элементов теперь и «в самом начале».

Роль парадоксов в науке общеизвестна, они стимулируют научный поиск. Поэтому мы и предлагаем следующие точки зрения.

Земля – центр мироздания?

Как известно, субстанция – это еще не вещество, а то, из чего может быть сформировано вещество. Вещество отличается от субстанции тем, что оно количественно и качественно ограничено вполне определенной пространственной формой, при этом количественное ограничение определяет энергетическую, материальную сторону проявления материи, а собственно форма – информационную, нематериальную сторону проявления материи.

Общая теория информации утверждает, что именно информация управляет всеми процессами, происходящими в природе, в том числе и энергетическими. Таким образом, именно материя форма определяет появление вещества и его свойства – энергетические (количественные) и информационные (качественные). Из такого понимания материи однозначно вытекает, что субстанция материальна, но бесформенна. Отсюда предположение о том, что материя – это дуализм двух начал, двух форм безначальной материи:

-динамического правещества, в качестве которого выступает холодная плазма, не имеющая формы и составляющая материальное содержание электрического поля вселенной;

-статического гравитационного поля вселенной, состоящего из носителей формы материи.

Взаимодействие этих двух материальных начал ведет к появлению первой вещественной частицы – физическому кванту, который обладает формой и энергией. Обладание энергией – непременное условие существования вещества.

Каждый физический квант выступает в двух ипостасях – кванта давления магнитного поля и кванта движения электрического поля. Так как энергетически величины квантов эквивалентны, то благодаря взаимодействию электрического и гравитационного полей через информационное содержание магнитного поля, осуществляется непрерывный переход энергии давления гравитационного поля в энергию движения электрического кванта, т.е. переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно. Эта непрерывная физическая трансформация энергии определяет физическую сущность распространения в пространстве электромагнитных колебаний. Физический квант является носителем всего диапазона электромагнитных колебаний от космического излучения до электромагнитных волн сверхволнового диапазона и источником кинетической энергии, а, значит, и всех видов движения материи.

Управляет направленностью движения, а, следовательно, и созданием всех видов формы только информация. Информационный закон гласит: информация определяет информацию.

На закономерный вопрос о том, откуда взялись материальные начала, отвечал уже Декарт: материю, движение и покой сотворил бог, который наполнил вселенную мельчайшими частицами с высокой плотностью и возникло вихревое движение. Больше ничего бог не делал. Все остальное, согласно Декарту, есть результат развития движущейся материи. Духовная субстанция была сотворена богом.

Если ученый не принимает такой вариант сотворения вселенной, ему остается лишь принять положение о том, что оба материальных начала существовали всегда в виде двух фундаментальных полей (электромагнитного и гравитационного), они создают вечное движение и являются источником всех видов энергии во вселенной. Никакого сотворения мира не было.

К сожалению, пишет А.И.Демин (Демин А.И. Парадигма дуализма: Пространство – время, информация – энергия. – М.: УРСС, 2007. – 320с.) таинство возникновения вещества, происходящее ниже уровня размерного эффекта, современной физикой не исследовано. И не только потому, что это сложно, так как зарождение и развитие вещества происходит в пространстве с линейными размерами меньше величины 10 в минус 12-й степени см, а действующие энергетические соотношения составляют величины порядка 10 в минус 44-й степени г.

Происходит это, прежде всего, потому, что физики чрезмерно увлеклись поисками субатомных частиц. Количество субатомных частиц растет, а их физическая сущность из-за отсутствия информационного анализа этих частиц остается непонятной.

Модель однородной изотропной вселенной Ньютона встретила ряд трудностей: это гравитационный парадокс немецкого астронома Хуго фон Зелигера (1849 – 1924), установленный им в 1895 году или фотометрический парадокс немецкого физика и астронома Генриха Ольберса (1758 – 1840), который тот сформулировал в 1826 году. Теория Эйнштейна устранила эти теоретические трудности. Однако имеются и другие, нерелятивистские, объяснения.

Парадокс Зелигера является следствием неправильного понимания физической сущности так называемого тяготения космических тел. Он возник в результате теоретического рассмотрения сил тяготения, действующих на тело, помещенное в поле тяжести других тел. При этом действующие силы суммировались по следующему принципу: действующая на тело сила является векторной суммой сил тяготения, создаваемых каждым телом. На самом же деле, считает А.И.Демин, действующие гравитационные силы при взаимодействии тел являются не притягивающими, а компенсационными, так как они компенсируют собственное гравитационное поле взаимодействующих тел. Кроме того, существует и определенное ограничение воздействия, связанное с размерным эффектом и постоянным гравитационным давлением. Это все устраняет парадокс Зелигера.

Фотометрический парадокс создан на базе построения гипотетического пространства, в виде сферы равномерно заполненной слоями звезд, причем естественно, число звезд в слоях увеличивается с расстоянием. Возникновение подобного пространства противоречит небесной механике. Все звезды находятся в движении, которое ведет к концентрации звезд в галактики. Но суть парадокса выглядит странной: если число слоев бесконечно, то создаваемая ими освещенность должна едва ли не затмевать Солнце. На это Демин замечает: энергия света в пространстве не суммируется, а информационное взаимодействие модуляционной составляющей световых волн происходит по информационным законам, зависит от фазовых соотношении и с большой вероятностью взаимодействующие колебания будут гасить друг друга. Так что парадокс Ольберса – это надуманный математический парадокс, не имеющий практической ценности.

Разрешение подобных парадоксов дает основание утверждать, что космология вполне может обойтись законом тяготения Ньютона без использования общей теории относительности. Однако закон тяготения Ньютона не дает ответа на такие проблемные вопросы космологии, как происхождение вещества, звезд, вселенной. Рассмотрение подобных вопросов привело к теории Большого Взрыва.

В 1929 году Эдвин Хаббл (1889 – 1953) обнаружил странную согласованность между скоростью движения галактик и расстоянием, на котором они находятся от Земли, при этом все галактики почему-то разбегались от нашей планеты. Хаббл определил по красному смещению, что скорость разбегания галактик с увеличением дальности до них увеличивается на постоянную величину. Время разбегания галактик из одной точки было определено в 2 – 3 миллиарда лет (впоследствии оно было увеличено до 18 миллиардов лет). Отсюда Дирак сделал вывод о том, что вселенная возникла около 2 миллиардов лет назад, когда все спиральные туманности были как бы выстреляны из небольшой области пространства, возможно, из одной точки.

Для обоснования этого феномена был постулирован Большой Взрыв, когда вся масса вселенной была создана богом в одной точке, а затем взорвалась с колоссальной скоростью, чтобы образовать галактики, планеты, жизнь. Для обоснования этой модели главным подтверждением считается не только красное смещение, но и реликтовое излучение.

Реликтовое излучение – это космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон окружающего Землю пространства вселенной примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при температуре около 3 градусов по абсолютной шкале Кельвина (минус 270 градусов по шкале Цельсия). При такой температуре основная доля излучения приходится на радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

Развитие ядерной физики в 1940-е и последующие годы позволило начать разработку теоретических моделей вселенной в прошлом, когда ее вещество, как предполагалось, было сжато до высокой плотности, при которой были возможны ядерные реакции. Состав вещества представлялся комбинацией 1/3 гелия, 2/3 водорода и лишь 2% приходилось на все остальные химические элементы. Знание свойств внутриядерных частиц - протонов и нейтронов – позволяло рассчитывать варианты начала расширения вселенной, различающиеся исходным содержанием этих частиц и температурой вещества и находящегося с ним в термодинамическом равновесии.

Если опустить детали, то могли существовать две принципиально различные возможности для условий, в которых могло протекать начало расширения вселенной: ее вещество могло быть, либо холодным, либо горячим.

Идею возможности горячего прошлого вселенной вначале предложил бельгийский астроном и математик Жорж Леметр, а затем в 1940-х годах физик русского происхождения Георгий Гамов. Согласно теории, в течение нескольких микросекунд после взрыва произошел мощный скачок температуры, при которой материя существовала в виде плазмы – хаотичного движения фундаментальных частиц. Эти частицы называются кварками и считаются базовыми кирпичиками мироздания, а также глюонами – нейтральными частицами, которые сцепляются кварки между собой. После падения температур глюоны соединили кварки в протоны и нейтроны, те образовали ядра, затем возникли атомы.

А.И.Демин предлагает критически подойти к теории Большого Взрыва. Вот его аргументы.

Во-первых, что было до Большого Взрыва? В какой-то точке вселенной находилась вся современная материя, но как она там появилась и что она собой представляла? Вероятно, она была сцеплена как-то не так. И для нового сцепления надо было ее взорвать, создав новый порядок. Возникла точка, в которой было более ста миллиардов галактик. Плотно сжатых невиданной, не понятно откуда взявшейся силой, которую при взрыве следовало преодолеть. А о возможном гравитационном поле, которое находилось под колоссальным давлением, никто не задумывался. Сжать силовые фундаментальные поля в одну точку вряд ли возможно. Эти поля являются носителями всей энергии вселенной. А сжать только вещество вселенной в одну точку также невозможно, поскольку вещество всегда связано с полями: они формируют его инертную и гравитационную массы, обеспечивают перемещение вещественных тел в пространстве, да и существует вещество только благодаря силам сохранения информации, которые создают поля.

Во-вторых, что было во время взрыва? Что было носителем этих сил? Теория взрывов вообще утверждает, что это процесс очень быстрого превращения взрывчатого вещества в большое количество сильно сжатых и нагретых газов, которые, расширяясь, производят механическую работу (разрушение, перемещение, раздробление, выбрасывание). Для того, чтобы начался процесс взрыва по типу детонации (в отличие от взрыва по типу горение) необходимо внешнее воздействие, то есть подать на взрывчатое вещество определенное количество энергии. Ясно, что химический взрыв нас не устраивает. Другое дело взрыв, вызванный высвобождением ядерной энергии, либо при быстро развившейся цепной реакции деления тяжелых ядер, либо при термоядерной реакции синтеза. Но для этого нужно иметь соответствующее ядерное вещество, а первоначальную неизвестную материю для того и взрывали, чтобы сформировать ядра и атомы: их не было. Взрывать был нечем.

В-третьих, что было после взрыва? Все разлетелось, но куда? Пустого места астрономы пока не обнаружили, хотя в центре этого разлета оказалась наша планета. Выходит, что Хаббл ошибался? Чтобы понять суть ошибки, обратимся к физической характеристике двух типов скорости – динамической и кинематической скорости. Реальная динамическая, физическая скорость, это скорость механического движения, которое может существовать только в фундаментальных полях, а их по теории Большого Взрыва не было и нет. Кроме того, эта физическая скорость от дальности принципиально не зависит.

Следовательно, скорость, которую измерял Хаббл, это кинематическая скорость, вычисление которой при больших скоростях движения всегда производится с ошибкой. Получается, что изменение скорости, полученное Хабблом, является систематической ошибкой расчета кинематической скорости. Величина физической скорости движения галактик подчиняется общему закону скорости движения вещественных тел, а для получения ускорения необходимо внешнее воздействие какой-то силы. Но взрыв – это импульсное воздействие на разлетевшиеся куски вещества, и после этого воздействия движение может быть только закономерным и прямолинейным. Откуда и как появилась эта сила?

Причем поскольку ускорение происходит непрерывно – это должна быть по Ньютону приложенная сила. Приложенная сила – это сила статическая. Сегодня единственным носителем такой силы является гравитационное поле. Но гравитационная постоянная Ньютона показывает, что никаких таких сил в гравитационном поле нет.

Правда, по Эйнштейну, не гравитационное поле создает массу, а масса создает поле. Так что гравитационного поля до появления вещественных тел, по Эйнштейну, вообще в пространстве не могло быть. А это означает, что не было сил, которые сегодня обеспечивают движение вещественных тел.

Ошибка становится более понятной, если мы обратимся к теории красного смещения, а для этого вновь поясним эффект скорости света. Постоянство скорости света имеет энергетическую основу. Однако дуализм скорости требует также информационного объяснения (кинематическая скорость – это информационная скорость, ибо она связан с измерением пространства).

Эйнштейн постулировал скорость света без объяснения причин. Попытки показать, что имеются большие скорости, не прекращаются. С информационных позиций постоянство скорости света объясняется тем, что электромагнитное поле – поле статическое. Следовательно, движение электромагнитных волн представляет последовательное смещение возбуждения электромагнитных квантов, каждый из которых тесно связан со статистическим магнитогравитационным полем и имеет строго определенное место во вселенной и строго определенные пространственные размеры. Сама кинематическая скорость обязана своим существованием жесткой привязке любого движения материи к абсолютному пространству, ибо любое физическое движение определяется кинетической энергией квантов.

Однако физические кванты – это еще не свет, это носители, грубо говоря, транспорт, для переноса всего спектра электромагнитных колебаний.

Стандартные кванты, имея свою собственную, постоянную частоту колебаний, свое собственное время движения, переносят в виде модуляционных колебаний весь спектр электромагнитных частот. Каждый источник возбуждения стандартных квантов излучает вполне определенную длину волны, т.е. занимает строго определенные размеры в пространстве.

Связанная с пространством, длина волны света абсолютно не зависит от физических квантов, которые эту длину волны переносят в пространстве при своем пространственном сдвиге. Длина волны – это информационная характеристика электромагнитных колебаний, она определяется размерами излучателя, то есть количеством последовательно возбуждаемых стандартных квантов, тем или иным источником излучения в пространстве. В радиотехнике такой перенос различных длин волн электромагнитными колебаниями называется модуляцией. Таким образом, свет является результатом модуляции физических квантов источником излучения, который эти стандартные кванты возбуждает.

Имеются два вида модуляции – пространственная и временная.. при преобразовании этих видов модуляции, которое у радистов называют детектированием, пространственно-временная модуляция переходит в амплитудно-фазовую. Таким образом, амплитуда – это пространственная величина модуляции, а фаза – временная.

Фазовая модуляция, как явление, связанное со временем, носит периодический характер, а так как стандартный квант жестко привязан к определенной точке пространства, то фазовая модуляция изменяется в градусах (от 0 до 360). Скорость изменения фазы во времени дает фазовую скорость движения волны. При этом нельзя забывать, что эта фазовая скорость модуляционных колебаний не имеет никакого отношения к физическому кванту – его параметры никогда не меняются. При возбуждении может меняться только количество одновременно возбуждаемых квантов в пространстве и время их возбуждения, что и определяет амплитуду и фазу модуляционных колебаний.

Фазовая скорость – это не скорость движения материи, а потому она не имеет собственного физического времени движения. Она всегда измеряется относительно времени соответствующего скорости света (скорости смещения стандартного кванта). Собственное время движения модуляционной электромагнитной волны вычисляется по соответствующей формуле, как относительное время. Это не физическое время: сами модуляционные колебания нематериальны и никуда не движутся, их переносят как информацию взаимодействия физические кванты.

Не будем далее углубляться в тонкости, укажем лишь, что частота электромагнитных колебаний измеряется числом периодов в одну секунду. А секунда считается абсолютным временем и ошибка в определении ее значения возрастает с ростом относительной скорости движения движущихся тел. Таким образом, мы вычисляем период модуляционных электромагнитных колебаний в относительном времени, а частоту этих колебаний в абсолютном времени. Тем самым здесь закрадывается систематическая ошибка. Любой спектр электромагнитных колебаний, излучаемый звездами и галактиками – это модуляционный спектр.

Так мы переходим от физических квантов к стандартным квантам, при которых энергия излучения определяется числом физических квантов, генерируемых за одну секунду.

Тогда при движении источника излучения его спектр будет смещаться в зависимости от направленности движения. При удалении объекта излучения это будет смещение в сторону красной части спектра. Именно этот эффект, называемый эффектом Доплера, и наблюдал Хаббл.

Однако данный эффект – это информационная характеристика, а потому качественная. Эффект свидетельствует об изменении фазы электромагнитных колебаний как информационной характеристики. И только изменение этого изменения во времени показывает изменение частоты колебаний и говорит о возможном изменении скорости движения источника.

Но фаза колебаний может изменяться и по другим причинам. В радиотехнике есть такое понятие, как набег фазы со временем из-за нестабильности работы источника электромагнитных колебаний. Так вот, закон Хаббла и демонстрирует нам такой вариант из-за проявления ошибки в измерении времени. Смещение спектра в сторону красных частот говорит о том, что со временем длина волны всех электромагнитных колебаний возрастает, они как бы затягиваются со временем. Но это может происходить и в том случае, когда само время из-за ошибки измерения может течь медленнее.

Измеряя время в относительных единицах, даже если эти единицы определяются на собственном времени движения света, мы замедляем течение абсолютного времени, затягиваем движение во времени. В повседневной жизни мы этого не замечаем, но при больших скоростях данный эффект проявляется. С чем и столкнулся Хаббл.

Но главное для нас не величина постоянной Хаббла, а тот факт, что все галактики движутся от нас в одну и ту же сторону – от центра к периферии. Это ведет к тому, что Земля становится центром мироздания.

Говорят, что для движения галактик, любая точка во вселенной – центр, а потому они от любой точки в пространстве будут удаляться. Это отчасти верно. Отчасти, потому что есть видимое, относительное движение, и есть истинное физическое движение. Понятно, что Хаббл рассчитывал видимую, кинетическую скорость, при расчете которой за начало отсчета всегда принимается точка, в которой находится наблюдатель. Поэтому, учитывая бесконечность вселенной, любой наблюдатель оказывается в ее центре, хотя на самом деле таковой просто не существует. Отсюда и разбегание всего, что движется на больших расстояниях от Солнца, как центра вселенной. Этот эффект относительности всегда свойственен кинематике. Однако направленность физического движения всегда подчиняется основному информационному закону – информацию определяет информация.

Еще Аристотель обратил внимание на то, что господствующим видом движения небесных тел является вращательное. Вращаются и заряженные частицы в своих электрических полях. Существует гипотеза о вращении вселенной, которая в корне меняет представление о ее развитии и структуре, опровергая разбегание галактик. Собственное вращение – это такое же врожденное свойство тел, как и наличие определенной массы, так думали Галилей и Лаплас.

В соответствии с общей теории информации направленность движения вращательных тел определяют их собственные гравитационные поля, как и направленность движения заряженных частиц определяют их собственные электрические поля. Оба вида этих собственных полей являются центральными силовыми полями, а это поля, обладающие потенциальной энергией. При этом центральные силы электрического поля, как и силы гравитационного поля – это силы консервативные, работа которых не зависит от траектории движения. Распределение энергетического потенциала в поле центральных сил такового, что на равных расстояниях от центра формируются круговые равнопотенциальные зоны, и перемещение частиц и тел в них не вызывает диссипации энергии.

Таким образом, поле центральных сил обеспечивает для частиц и тел, находящихся в этих полях, выполнение информационного закона и минимума диссипации, что дает круговому движению, вращению тел преимущественное право круговой направленности по сравнению с другими информационными видами движения, обеспечивая, кроме того, бесконечную продолжительность этого движения при отсутствии противодействующих сил.

Физика знает пример реализации этого права на бесконечное круговое движение: в начале 20 века Хайке Камерлинг-Оннес поместил ртутное кольцо между полюсами электромагнита, охладив ниже 4,15 К, и выключил магнитное поле. В полном согласии с законом Фарадея, в кольце возник ток, который не затухает вообще. Вечен. Измеряли сопротивление движению более 2000 часов с точностью выше сопротивления меди в 10 в 22-й степени раз. Этот ток, естественно, сам создает магнитное поле, магнитный поток которого равен тому, что его вызвал при включении электромагнита. Кольцо «запомнило» этот поток и у электронов «исчезла» электромагнитная масса.

Явление, которое мы наблюдали у вещественных тел с гравитационной массой при свободном падении в поле тяготения Земли, подтверждает электромагнитных характер массы электрона. Возникло вечное, устойчивое состояние электромагнитного поля, замкнутого самого на себя. Позже было показано, что магнитный поток, проходящий через сверхпроводящее кольцо, квантован.

Однако и планеты и звезды не только вращаются но и перемещаются поступательно. Это тоже естественно, так как такое движение тоже обеспечивается собственными полями вещественных тел при их взаимодействии в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона. При этом нельзя утверждать, что суммарное движение космических объектов образует спираль, так как эти два вида движения информационно не взаимодействуют – круговое движение определяется структурой поля, а поступательное его формой.

Однако взаимодействие собственных гравитационных полей, которое ведет к их пространственной компенсации, может изменить и направленность движения в процессе взаимного притяжения, в результате чего движение приобретает спиралеобразный характер. Данное явление обнаруживается во внутреннем движении галактик. О воздействии гравитационных полей в первом приближении можно судить по форме галактик. Но формы галактик различны. Чаще всего это спиральная, эллиптическая и неправильная формы. Такой разброс определяется разнообразием форм и энергии взаимодействующих объектов галактик. Учитывая тот факт, что в среде галактик преобладает спиральная форма движения, можно полагать, что это та общая форма, к которой стремятся галактики.

Таким образом, Большого Взрыва не было, вселенная заполнена вечно живущими фундаментальными полями, сжатие которых в одну точку невозможно и не имеет физического смысла.

Однако, как быть с реликтовым излучением, откуда оно? Если бы электромагнитное излучение сохранялось миллиарды лет в пространстве генерации, то, учитывая, что за время возникновения метагалактики прошло не менее 13,7 миллиардов лет, такой уровень излучения могли создавать сегодня звезды метагалактики, типа нашего Солнца, которое излучает весь спектр частот реликтового излучения. А ведь в космосе наблюдаются и очень мощные источники радиоизлучения, природа которых не известна. Зато известно, что электромагнитные волны радиодиапазона генерируют потоки свободных электронов. Следует искать не реликтовое объяснение излучения, а физический источник его существования. Реликтовое излучение с точки зрения развития вселенной нас сегодня должно волновать гораздо меньше, чем космическое излучение, космические лучи, ибо, весьма вероятно, что у них общий источник.

Космические лучи были открыты лишь в середине 20 века, поскольку они движутся со скоростью света и погибают в верхних слоях земной атмосферы. Однако предположения о их наличии высказывались ранее, они связаны с именем шведского ученого Виктора Гесса (1883 – 1964), лауреата Нобелевской премии за 1936 год, который доказал, что радиация, ионизирующая атмосферу, имеет космическое происхождение. Попытки найти объяснение их природы предпринимали К.Э.Циолковский и А.Л.Чижевский в 1920-е годы. Ими обсуждалась идея влияния лучей на биосферу и живые организмы, для чего в 1926 году был проведен эксперимент. Растения и микроорганизмы, а также раковые клетки были размещены в специально построенных деревянном и свинцовом домиках. Спустя определенное время они были извлечены из домиков и подвергнуты лабораторному анализу. В Меморандуме первого международного конгресса по биологической физике и биологической космологии (Нью-Йорк, 11 – 16 сентября 1939 года) по этому поводу написано следующее. Профессор Чижевский в 1928 году открыл первым из ученых биологическое и физиологическое действие пенетрантного или космического излучения, он впервые экспериментально исследовал действие этого излучения на делимость клеток, на рост колоний бактерий и рост злокачественных опухолей. Полученные результаты привели его к мысли о необходимости практической утилизации «тормозного действия» пенетрантной радиации для лечения злокачественных новообразований. Дело будущей физики и техники – научиться концентрировать или фокусировать эту радиацию и тем самым осуществить заманчивую идею профессора Чижевского.

Исследования 1950-х годов показали, что космические лучи состоят из тех же элементарных частиц, что и вещество на планете. Но атомы у них полностью лишены электронов, т.е. представлены оголенными ядрами. Энергии этих частиц значительно выше, чем энергия обычных частиц вещества. Энергия отдельных частиц столь велика, что они еще долго будут оставаться вне конкуренции с частицами в ускорителях. Для сравнения: во внутренних частях некоторых звезд существуют температуры, доходящие, вероятно, до одного миллиарда градусов, что отвечает энергии теплового движения частиц газа порядка 0,1 МэВ.

Основная масса частиц космических лучей имеет энергии 10 в 9-й степени эВ, т.е. 1 ГэВ, и более. Это в десятки тысяч раз более высокие энергии, чем тепловые энергии частиц в самых горячих точках вселенной. Очевидно, что энергии космических лучей имеют не тепловое происхождение.

Отдельные частицы в составе космических лучей имеют большую интенсивность (концентрацию). В результате плотность энергии этих лучей для нашей галактики сравнима с энергией звездного излучения, энергией теплового движения межзвездного газа и кинетической энергии его турбулентных движений. Иными словами, во вселенной помимо принимаемых в астрономии сил гравитации и газового давления большую роль должно играть и движение космических лучей.

После вхождения в земную атмосферу, первичные космические лучи взаимодействуют в атмосфере Земли в основном с азотом и кислородом воздуха, что разрушает их ядра, образуя вторичные электроны, протоны и нейтроны, которые начинают вести себя как первичные элементы.

Для понимания природы космических лучей наука должна ответить на следующие вопросы:

-где и как возникают космические лучи? Из какого материала создает природа частицы космических лучей?

-какой физический процесс обеспечивает огромные скорости движения космических лучей, при которых она приближается к скорости света?

-откуда берется огромная энергия, необходимая для обеспечения непрерывного движения лучей в галактике и метагалактике?

-какова зависимость между этими лучами, сверхбыстрыми электронами и радиоизлучением в пространстве галактики?

Наблюдения показывают, что при взаимодействии первичных протонов космических лучей в атмосфере Земли они вызывают протонные цепочки реакций, которые приводят к электронно-фотонным ливням. Получается, что единственным строительным материалом для создания вещества являются физические кванты. Их участие в создании других микрочастиц подтверждается многократным наблюдением в камере Вильсона рождения пары электрон – позитрон при взаимодействии гамма-квантов высоких энергий, а также их аннигиляция с образованием тех же самых гамма-квантов.

Протоны являются очень устойчивыми частицами, что и определяет устойчивость тел в природе, поэтому проследить их непосредственное рождение или аннигиляцию значительно сложнее. Но сам факт их значительного наличия в космических лучах говорит об их непрерывном возникновении в космосе. Что касается нейтрино, нет никакого сомнения в том, что это представители большой семьи физического кванта.

Согласно количественной теории бета-распада Ферми, которая основана на аналогии с теорией излучения квантов света возбужденным атомом, подобно тому, как фотон рождается в процессе разрядки возбужденного состояния, а не находится заранее внутри возбужденного атома, так и атомное ядро испускает пару нейтрино-электрон в процессе бета-распада. О существовании же нейтрино и электронов внутри ядра не может идти речи.

Были предсказаны и свойства новой частицы, названной нейтрино: она должна быть электрически нейтральной, очень проникающей и чрезвычайно малой по массе. Существуют и противоположная нейтрино частица – антинейтрино. При этом полагают, что нейтрино и антинейтрино отличаются друг от друга тем, что имеют разное направление «спиральности», причем нейтрино напоминает винт с левой резьбой, а антинейтрино – с правой. Все эти свойства нейтрино и антинейтрино говорят однозначно о том, что это именно физический квант.

Законченной теории создания основных ядерных частиц на основе стандартных квантов сегодня нет. Можно высказать предположение о том, что электроны, протоны и другие заряженные частицы рождаются в недрах единого электромагнитного поля. Прежде всего, потому, что они все имеют спин и должны взаимодействовать с вещественной формой, которая этот спин создает. Частицы не имеют своего гравитационного поля, что обеспечивает им движение с огромными скоростями. Такие скорости движения обеспечивают ядерному взаимодействию преодоление кулоновских сил отталкивания.

Получается, что заряженные микрочастицы не могут перемещаться в пространстве самостоятельно, их всегда перемещает электромагнитное поле – кванты действия. Это и позволяет им разогнаться до скоростей, близких к скорости света. Полная мощность источника энергии, которым обладает галактика, составляет более 10 в 77-й степени эрг/с, а для воспроизводства космических лучей требуется 10 в 40-й степени эрг/с.

Сами по себе излучать энергию электроны не могут. Но, возбуждая электромагнитное поле, которое их и разгоняет до сверхбыстрых значении скоростей, каждый из электронов несет еще и свое собственное поле сохранения. Взаимодействие собственных полей электронов и влечет появление модуляции стандартных квантов в радиодиапазоне, длина волны которого определяется пространственным положением и скоростью движения электронов. Это появление радиоизлучения в космическом пространстве может вносить свой вклад в так называемое реликтовое излучение.

Таким образом, и теория, и практика показывают, что основополагающие процессы, необходимые для создания протонов и электронов, так же, как и механизм их разгона для обеспечении ядерного взаимодействия обеспечивается в метагалактике постоянно и непрерывно. Астрономические наблюдения показывают, что из ядра нашей галактики истекают в противоположные стороны два мощных потока водорода, суммарная масса которых, получаемая в течение года, вполне достаточна для формирования такой звезды, как Солнце. А ведь считается, что во вселенной около ста миллиардов галактик.

Но во вселенной имеется, по меньшей мере, столько же невидимой массы, сколько ее содержат видимые звезды, в которых преобладает водород. А один из выводов современной космологии гласит, что звезды конденсируются из межзвездной среды. В то же время вещество межзвездной среды пополняется материей, выбрасываемой из звезд. Это подтверждается тем, что по сравнению со старыми звездами межзвездная среда богаче тяжелыми элементами, образующимися вследствие ядерных реакций.

Общий вывод таков: вещество во вселенной формируется постоянно. А так как вселенной некуда спешить, то в Большом Взрыве она не нуждалась и не нуждается.

Для создания вещества необходимы силы, ими обладают пространственные фундаментальные поля. Известны два вида пространственных сил – динамические и статистические. Кроме того силы – это соединение энергии и информации. Во почему силы не могут быт сосредоточены в одной точке.

В одной точке не может быть сосредоточения ни энергии, ни информации. Одна сила не может обеспечить движение материи, а дуализм сил определяется дуализмом полей.

Появление вещественных тел не могло опережать появление полей. Вещественные тела являются продуктом действия пространственных сил. Но сами силы, как явления связанные с информацией, должны быть в процессе создания вещественных тел как первичными, так и вторичными. Силы гравитации, воздействующие на вещественные тела – это вторичные силы. Они появляются у вещественных частиц только при достижении величины, превосходящей размерный эффект. Вещественные тела рождаются из полей, благодаря взаимодействию полей.

Зарождение вещества происходит в микромире из правещества, которым является холодная плазма электромагнитного поля. Плазма не имеет формы, а потому только плазма может быть первоосновой всех вещественных тел. Вещество всегда обладает формой и процесс взаимодействия фундаментальных полей, определяющих появление вещества – это процесс рождения формы. Так же, как и аннигиляция вещества – это процесс изменения формы.

При аннигиляции в результате взаимодействия частиц и античастиц частицы исчезают или превращаются в другие частицы, число и сорт которых лимитируется законами сохранения. Например, при малых энергиях столкновения в процессе аннигиляции пары электрон – позитрон возникают фотоны. Как правило, все элементарные частицы имеют античастицы, хотя их физическая сущность так и не выявлена наукой. Любопытно, что для фотона античастицей является сам фотон. Эта уникальность фотона еще раз подтверждает его право на первооснову в создании материи.

Процесс аннигиляции материальных частиц, так же, как и процесс их рождения, невозможно понять без понимания информационной стороны взаимодействия, роли информации как свойства материального мира.

Что исчезает при аннигиляции? Форма и только форма, так как материя не исчезает, а других вещественных проявлений не существует.

В чем физическая сущность исчезновения формы? На этот вопрос отвечает основной информационный закон: информация взаимодействует с противоположной информацией. Что значит противоположной?

Посмотрим, как зарождается форма вещества. Первая вещественная частица, рождение которой мы «наблюдали» - это фотон. Фотон имеет и энергетические (квант) и информационные (форма) характеристики.

Для характеристики данных процессов Демин вводит понятие гравитомага: это безначальные материальные носители фундаментального гравитационного поля потенциальной энергии давления. (с.258). Фундаментальное электрическое поле – носитель кинетической энергии – формируется при взаимодействии с гравитомагами второй безначальной разновидности материи, которую мы будем называть холодной плазмой. Гравитомаги – это очень необычные, невидимые частицы многофункционального назначения. Они должны обладать теми свойствами эфира, о которых говорили физики еще в 19 веке. Они должны обладать упругостью, несжимаемостью, относительной неподвижностью (они закручиваются и раскручиваются, меняя направление вращения, но не пространственное местоположение).

Так вот, благодаря взаимодействию с этим непонятным гравитомагом, фотон и приобретает форму в виде электрического вихря.

Он пространственно закручивается по мере продвижения холодной плазмы в спиралеобразной форме гравитомага. Так появляется тот самый спин, которым обладают все вещественные элементарные частицы. Тогда античастицы должны иметь противоположно направленный спин. Если взаимодействуют две элементарные частицы одинаковой массы с одинаковым, но противоположно направленным спином, то они раскручиваются и форма исчезает.

Но материя сохраняется – она неуничтожимая. Так как спином обладают все элементарные частицы, то все они в процессе своего рождения должны взаимодействовать с гравитомагами. Информация создается только при взаимодействии с другой информацией и форма любого вещества появляется только при условии соблюдения информационного закона. Это подтверждается и в процессе аннигиляции пары электрон – позитрон, когда «из небытия» возникают фотоны.

Таким образом, продолжает Демин, мы можем априорно утверждать, что секрет производства вещества лежит на пути исследования энергоинформационного взаимодействия материи, а механизмом этого возникновения является спиновый механизм взаимодействия фундаментальных полей.

По результатам физических исследований имеются убедительные данные, которые говорят о непрерывном возникновении нового вещества из вакуума даже на нашей планете. Крупнейший геолог 20 века, австралийский ученый Семюэль Уоррен Кэри считает, что расширение Земли является научно установленным фактом. Относительно причин данного явления существует гипотеза, связанная с увеличением массы Земли, вызванное новыми вещественными образованиями, а именно разрастанием земной коры. Кэри пришел к подтверждению этой гипотезы, исходя из того, что все остальные предположения вели к величине силы тяжести на поверхности Земли при ее прежнем диаметре, неприемлемой для практического подтверждения. Оставалась еще одна альтернатива – не только объем Земли увеличивался, причем с возрастающей скоростью, но и ее масса. Это является одним выражений универсального космологического процесса расширения вселенной.

Математики состязаются в умозрительном фантазировании, а новые космологи принимают эти фантазии за чистую монету, пишет Кэри, и с его мнением полностью согласен Демин.

Мы привели довольно большую выдержку из работы Демина с единственной целью – показать молодым исследователям альтернативные точки зрения на современную концепцию вселенной.

Квантово-механическая физика

Так что же нас ждет, эволюция физики (название книги Эйнштейна и Инфельд) или революция в физике (название книги Луи де Бройля)? Вопрос задан.

Научная картина мира в квантово-механической физике

Дальнейшее развитие научной традиции было связно с теорией электромагнетизма. Волновая теория света была развита О.Френелем, затем А.Ампер осуществил анализ магнитного поля. Благодаря блестящим опытам М.Фарадея, демонстрации им взаимосвязи между электрическим и магнитным полями, концепция силовых полей получает статус физической реальности и окончательно утверждается.

В работах Дж.Максвелла осуществляется синтез представлений механики сплошных сред (жидкостей, упругих твердых тел) и волновой теории света со взглядами М.Фарадея на природу электрических и магнитных явлений. Центральным объектом является физическое поле как качественно новый вид материи, осуществляющей взаимодействие между заряженными частицами. Создание классической электродинамики имело большое значение для физики и естествознания в целом. Дело в том, что теория Дж.Максвелла совершенно не зависит от механики Ньютона, она представляет собой равноправное с ней описание природного объекта – электромагнитного поля – качественно отличного от частиц. Электродинамика вобрала в себя многочисленные эмпирические законы из области электричества, магнетизма, оптики, превратив соответствующие науки в прикладные разделы целостной фундаментальной физики. Появляются работы Г.Герца и Г.Лоренца в области электромагнетизма, Г.Гельмгольца и Дж.Рэлея в области теории волн любой природы. Итогом этих работ становится отказ от механической картины мира и замена ее электродинамической картиной.

В новой научной картине мира предполагается, что основу природы составляют электромагнитные и гравитационные поля, а наблюдаемые на опыте формы вещества – это всего лишь вторичные проявления (сгустки или возбуждения) физических полей, напоминающие уединенные волны (цунами) на поверхности океана.

Если в механической картине мира все многообразие процессов и явлений сводилось к дискретным частицам (корпускулам), которые подчиняются законам Ньютона, то в электродинамической научной картине мира оно сводится к непрерывным полям (континууму), которые подчиняются законам Максвелла.

Хотя состояние физической системы в классической электродинамике (поле) качественно отличается от ее аналога в классической механике (вещество), их развитие подчиняется одинаковым закономерностям, которые соответствуют однозначным причинно-следственным связям между состояниями в различные моменты времени.

Впервые возникло противоречие между двумя фундаментальными физическими теориями, и при этом одна полностью отрицала другую. Разрешение этого противоречия означало революцию в физике, этот рубеж отделил классический этап развития физики от новейшего. Становится ясно, что реальная природа не может быть всесторонне описана в рамках односторонних – либо механической, либо электродинамической – картин мира. Необходимы было найти новое решение, и важную роль здесь сыграл А.Пуанкаре, который высказал идею об относительности всех явлений природы. В 1905 году А.Эйнштейн сформулировал фундаментальную теорию релятивистской классической физики.

Согласно Эйнштейну, материя на макроуровне имеет двойственную природу. Она предстает перед нами в двух качественно различных формах – то как вещество, то как электромагнитное излучение. Вещество состоит из дискретных атомов, к ним применима модель частицы (корпускулы). Их движение описывается законами Ньютона.

Электромагнитное излучение представляет собой нечто непрерывное и может быть описано в рамках модели сплошной среды (континуума). Его распространение в пространстве описывается законами теории Максвелла.

Эти две системы динамических уравнений взаимосвязаны, ибо вещество и электромагнитное излучение взаимодействуют между собой. Что же касается описания состояния физической системы и его изменений со временем, то в рамках релятивистской классической физики состояние характеризуется совокупностью параметров вещества и электромагнитного излучения, которые меняются со временем по законам причинности. При этом характеристики состояния напрямую зависят от присущих этим объектам физических величин.

Релятивистская теория позволяет дать объективное описание природы, а свойства пространства и времени удается связать со свойствами материи. Установленные в ней законы природы не зависят от выбора системы отсчета, а движение материальных объектов происходит в целостном пространстве-времени. Наиболее общие свойства симметрии пространства-времени, однородность и изотропность, приводят к законам сохранения фундаментальных физических величин – энергии, импульса и момента – в которые в равной мере вносят вклад и вещество, и электромагнитное излучение.

Тем не менее, данный синтез не был полным слиянием, ибо на макроуровне вещество и электромагнитное излучение представляют собой качественно различные объекты. Описывающие их законы не знают различий между большим и малым, поэтому без ограничений должны быть применимы к любым малым порциям вещества и излучения. Поскольку на опыте это оказалось не так, возникла новая кардинальная проблема – как сочетать надежность измерений физических величин и целостность состояний систем с их сложностью. Эту проблему удалось решить только в рамках квантовой физики, что открыло дорогу к смене типа научной рациональности и развитию неклассического естествознания в 20 веке.

***

В конце 18 – начале 19 века ученые считали, что усилиями наиболее развитой науки, механики, можно решить все проблемы, связанные с пониманием природы теплоты, света, электричества, магнетизма. Для этого явления переноса теплоты объясняли с помощью механической субстанции – теплорода, аналогично возникали идеи субстанционального носителя электричества, магнетизма.

Положение дел стало стремительно меняться по мере бурного развития термодинамики. В середине 19 века Р.Майер, Дж.Джоуль, Г.Гельмгольц открыли закон сохранения энергии. Используя этот закон, А.Эддингтон предложил первую научную теорию, объясняющую, почему светятся звезды. Согласно его теории, источник энергии звезд заключен в тепле энергии гравитационного сжатия. Только в 20 веке станет ясно, что необходимо учитывать еще и поступление в недра звезд энергии, которая выделяется при термоядерной реакции превращения протонов в ядра гелия. В 1824 году французский ученый Сади Карно открыл второе начало термодинамики, т.е. закон возрастания энтропии – меры неупорядоченности систем – всех необратимых процессов. Используя этот закон, А.Эддингтон сформулировал критерий, определяющий направление времени во вселенной: стрела времени есть свойство энтропии и только ее одной.

Другое следствие из второго начала термодинамики сформулировал Р.Клаузиус: история мира завершается, когда вследствие непрерывно продолжающегося роста энтропии он достигает состояния термодинамического равновесия, т.е. абсолютного покоя, и тогда стрелка на часах времени упадет.

В ответ на вопрос, почему тепловая смерть вселенной до сих пор не наступила, Л.Больцман предположил, что наш мир – не более, чем гигантская флуктуация в необъятной вселенной, которая на самом деле уже давно мертва. Действительное решение проблемы удалось получить с появлением идей теории самоорганизующихся систем.

Все это позволило Г.Гельмгольцу заявить о том, что научное познание мира будут завершено по мере того, как будет выполнено сведение явлений природы к простым силам и будет доказано, что это единственно возможное сведение, которое допускают явления.

Не изменилась эта точка зрения и после открытия электромагнетизма. Из законов электромагнетизма и уравнений Дж.Максвелла следовало, что в пустоте должны распространяться электромагнитные волны, функцию их распространения выполняет загадочная субстанция – эфир, обладающий парадоксальными свойствами – быть почти абсолютно твердой, так как скорость света очень велика, но одновременно субстанция не должна оказывать никакого сопротивления движению небесных тел; она должна быть так же абсолютно прозрачной. Все это вносило дисбаланс в привычную картину мира.

Попытка опытным путем обнаружить существование эфира, выполненная в 1887 году в ходе знаменитого опыта А.Майкельсона – Э.Морли (интерферометрическое сравнение пучков света, распространявшихся поперек движения Земли и вдоль него), не дала подтверждения данной гипотезе.

На этом проблемы, формировавшиеся по мере развития наук внутри классической картины мира, не исчерпались. Из термодинамики и законов электромагнетизма следовало, что максимальная интенсивность излучения черного тела должна приходиться на коротковолновую область спектра. Эксперимент дал прямо противоположный результат: в этой области наблюдался минимум излучения. Столь резкое расхождение теории с экспериментом получило название «ультрафиолетовой катастрофы».

Ведущие ученые эпохи, в частности лорд Кельвин (У.Томпсон), полагали, что развитие теоретической физики, по существу, подходит к своему завершению: все стало понятным, за исключением указанных выше странностей. Однако именно эти проблемы стали ключевыми для новой физики: из гипотезы об эфире рождается теория относительности, из «ультрафиолетовой катастрофы» - квантовая механика.

Пенроуз

Классическая физика рассматривает объективный мир, который эволюционирует ясным и детерминистским образом, управляемый точно сформулированными математическими уравнениями. Считается, что физическая реальность существует независимо от нас самих, и как бы мы ни смотрели на классический мир – ничего в нем не может измениться.

Поскольку наше тело и наш мозг также являются частью этого мира, они эволюционируют в соответствии с теми же уравнениями классической физики. Все наши действия должны строго описываться этими уравнениями независимо от наших представлений о свободной сознательной воле, которой мы обладаем, и которая может оказывать влияние на наше поведение.

Такая картина лежит, по мнению Р.Пенроуза, в основе самых серьезных философских систем, и он ссылается на книгу М.Гарднера. (Гарднер М. От мозаик Пенроуза к надежным шрифтам». М.: Мир, 1983). Однако у некоторых возникает ощущение, что определенная роль должна быть отведена квантовой теории, вызывающей смятение в умах картины мира, возникшей в первой четверти 20 века, когда были обнаружены тончайшие расхождения между наблюдаемыми явлениями и их описаниями, которые предлагала классическая физика.

Мы обнаружим, к примеру, что, несмотря на общепринятое убеждение, вероятности не возникают на микроскопическом уровне (движение частиц, молекул и атомов происходит детерминистично), а появляются в результате некоторого загадочного крупномасштабного действия, ответственного за существование классического макромира, доступного нашим ощущениям.

Само существование твердых тел, упругость и другие свойства материалов, химические свойства, цвет вещества, явления замерзания и кипения, устойчивость наследственности – эти и многие другие знакомые нам явления невозможно объяснить без привлечения квантовой теории.

Возможно, что и феномен сознания есть нечто, что невозможно объяснить в рамках классических представлений. А разум, возможно, представляет собой качество, сущность которого коренится в необычных и удивительных особенностях физических законов, управляющих нашим миром.

Для того, чтобы последовательно углубиться в философские вопросы, пишет Пенроуз, мы должны на основе квантовой теории понять, как ведет себя наш мир, каков строение разума. А возможно, что квантовая механика не является окончательной теорий для создания полной картины мира.

Однако зарождающаяся квантовая механика вызвала у Эйнштейна аналог с физическим индетерминизмом. В письме к Максу Борну он писал о том, что квантовая теория вряд ли приблизит нас к разгадке секрета Старика, который не играет в кости, т.е. не является приверженцем вероятностного подхода, который нам навязывает новая теория.

Эйнштейн полагал, что объективный физический мир должен существовать даже на микроскопических масштабах квантовых явлений.

Мы не станем уподобляться последователям Нильса Бора, который утверждал, что объективной картины реального мира не существует, и квантовое состояние системы (между изменениями) не обладает настоящей физической реальностью, а действует лишь как свод знаний ученого о рассматриваемой системе. Квантовая теория представляет собой лишь вычислительную процедуру и не пытается описывать мир таким, каков он есть в действительности.

Я, заявляет Пенроуз, буду следовать позитивистскому способу рассмотрения, согласно которому объективная физическая реальность может быть описана квантовыми терминами: квантовым состоянием.

Каким же образом выяснилось, что классическая физика не дает истинного описания нашего мира? Основной источник таких сведений – эксперимент. Главной трудностью, с которой столкнулась наука, было сосуществование физических объектов как двух видов: частиц, описывающихся конечным числом параметров (шестью – тремя координатами и тремя компонентами импульсов), и полей, имеющих бесконечно большое число параметров. Такое деление в действительности оказывается физические непоследовательным. Для того, чтобы система частиц и полей пришла в состояние равновесия (или полного покоя), вся ее энергия должна перейти от частиц к полю. Это – проявление так называемого принципа равномерного распределения энергии, поскольку в равновесном состоянии вся энергия поровну распределяется между всеми степенями свободы системы. Так как поля обладают бесконечно большим числом степеней свободы, то на долю несчастных частиц вообще ничего не остается.

В этом случае классический атом был бы нестабилен, ибо движение его частиц полностью трансформировалось бы в волновые моды поля.

Как известно, Э.Резерфорд предложил модель атома, напоминающую солнечную систему (подробнее об этом ниже). В центре такого атома располагалась ядро, а вокруг него, словно планеты, обращались электроны, удерживаемые не гравитацией, а электромагнитными силами.

Проблема состояла в том, что в соответствии с уравнениями Максвелла электрон должен был за долю секунды упасть на ядро по спиральной траектории, непрерывно излучая при этом электромагнитные волны, интенсивность которых за такое малое время достигла бы бесконечной величины.

Однако, ничего подобного не наблюдалось. То, что происходило, было необъяснимо с точки зрения классической физики. Атомы могли излучать электромагнитные волны (свет) только определенного набора частот, в виде четких спектральных линий. Боле того, эти частоты удовлетворяли «безумным» правилам, не имеющим под собой никакого основания.

Речь идет о таком явлении, как «излучение абсолютно черного тела». Следует представить объект, который нагрет до определенной температуры, в котором электромагнитное излучение находится в тепловом равновесии с частицами.

Вот как описывает это Ханс Оханьян (Оханьян Х. Эйнштейн: настоящая история великих открытий. – М.: Эксмо, 2009. – 384с.). Впервые физика заинтересовалась тепловым излучением за 40 лет до этого, когда поняли, что законы термодинамики значительно ограничивают понимание того, как тепловое излучение выделяется. Если в теле имеется полость, в которую можно попасть только через небольшое отверстие, например, отверстие в стенке горячей закрыто печки, то согласно законам термодинамики излучине, выходящее из этого отверстия, совершенно не зависит от материала, из которого сделана полость. То есть абсолютно неважно, устлана ли полость железом, кирпичом, глиной или фарфором – выделяемое оттуда тепловое излучение зависит только от температуры полости и ни от чего больше. Таким образом, формула этого излучения является универсальным законом. Тепловое излучение такого типа называют излучением из полости, или излучением абсолютно черного тела. Дело в том, что когда полость холодная, то отверстие в ней кажется абсолютно черным. Постепенно физики научились измерять не только полную интенсивность излучения, выделяемого раскаленными телами, но и его спектр, то есть интенсивность излучения на каждой частоте, или на каждой длине волны, и стали исследовать, как излучение меняется в зависимости от температуры. В зависимости от нагревания металла, он сначала становится огненно-красным, потом белым, потом голубым. По мере возрастания температуры частота преобладающего излучения смещается от низкой (красный) к более высокой (синий).

Исследования английских физиков Джона Уильяма Рэлея и Джеймса Джинса показали, что в этом случае вся энергия частиц должна быть без остатка «высосана» полем. (Они вычислили количество чернотельного излучения, которое должно испускать всякое нагретое тело, например, звезда, исходя из того, что любое нагретое тело испускает чернотельное излучение). Этот фактически абсурдный результат и получил название «ультрафиолетовой катастрофы», когда энергия безостановочно перетекает во все более высокочастотные колебания поля, в то время как в действительности природа никогда не ведет себя столь расточительно. Наблюдения показали, что энергия низкочастотных колебаний поля действительно соответствует предсказаниям исследований, но в высокочастотной части спектра (где и была предсказана ультрафиолетовая катастрофа) она не возрастает бесконечно, а спадает до нуля. Максимальное значение энергии при данной температуре приходится на определенную частоту или цвет. Хорошо знакомыми примерами являются красный цвет нагретого в пламени костра железа и желто-белый цвет раскаленного солнечного диска.

Вот что по этому вопросу пишет Ст.Хокинг. (Хокинг Ст. Кратчайшая история времени. – СПб.: Амфора, 2006. – 180с.). Частотой волны называется число ее колебаний в секунду, то есть число волн в секунду. Математически утверждение, что горячее тело одинаково испускает волны на всех частотах, означает, что оно излучает одно и то же количество энергии во всех диапазонах частот: от нуля до одного миллиона волн в секунду, от одного до двух миллионов волн в секунду, от двух до трех миллионов и так далее. Иначе говоря, некая единица энергии излучается волнами, чья частота лежит в диапазоне от нуля до миллиона в секунду и во всех последующих интервалах. Тогда полная энергия, излучаемая на всех частотах, составляет 1+1+1+1+… И так до бесконечности. И поскольку нет ограничений на возможное число волн в секунду, это суммирование энергий никогда не закончится. Получается, что полная излучаемая энергия должна быть бесконечной.

Итак, немецкие физики, а именно в Германии были сосредоточены исследования абсолютно черного тела и связанных с ним явлений. Когда они обнаружили, что их экспериментальные кривые противоречили теоретическим расчетам, основанным на ньютоновской физике, согласно которым излучение должно возрастать с возрастанием частоты, никаких плавных подъемов, пиков и спадов, а только крутой подъем, чем выше, тем круче, то осознали, что большая часть излучения при любой температуре должна быть высокочастотной, то есть ультрафиолетовым излучением. Вот этот конфликт эксперимента с теорией и был позже назван «ультрафиолетовой катастрофой».

В течение нескольких лет немецкий физик Макс Планк занимался проблемой изучения абсолютно черного тела. Чтобы уйти от этого явно абсурдного вывода, он в 1900 году предположил, что видимый свет, рентгеновские лучи и другие электромагнитные волны могут испускаться только некоторыми дискретными порциями, которые он назвал «квантами». Он представлял источники излучения в стенках полости как небольшие осцилляторы, то есть как небольшие электрически заряженные частицы, присоединенные к пружинам. Хотя эта модель атома представляется приблизительной и упрощенно, Планк, занимаясь термодинамикой, знал, что она вполне пригодна в качестве теоретической замены настоящей, гораздо более сложной модели.

Хаотические тепловые возмущения в горячих стенках полости заставляют осцилляторы вибрировать с различной энергией, одни больше, другие меньше, и при вибрировании они выделяют излучение, которое и выходит наружу из отверстия в полости. Затем Планк вычислил, сколько средней энергии должны иметь осцилляторы, чтобы работала верная формула закона излучения. В своем вычислении он ввел понятие фундаментального «энергетического пакета», или кванта энергии, и присвоил каждому осциллятору один или два, или три таких энергетических пакета, но никогда часть его. Он заметил, что если энергии распределяются по осцилляторам в соответствии с этим правилом квантования, т вычисленное тепловое излучение соответствует закону излучения, но если они распределяются в меньших, дробных значениях, то вычисленное излучение не будет соответствовать закону. Это означает, что осцилляторы не могут выделять энергию равномерно и непрерывно, а только квантами постоянной величины. Можно сравнить это с тем, как курица несет яйца – она может снести одно, два, три яйца, но никогда пол-яйца.

В соответствии с теорией Планка, величина кванта энергии осциллятора равна произведению частоты осциллятора и фундаментальной постоянной, позднее названной постоянной Планка. Помимо скорости света она является самой важной физической постоянной, определяет величину всех квантовых эффектов, которые управляют царством атомов и ядер. Квантование света является частным случаем квантования энергии. И хотя свет действительно квантуется сразу же после излучения, но совсем не очевидно, остается ли он таким. Планк считал, что свет – это волна, а когда волна наталкивается на препятствие, она превращается в несколько волн, энергия волны разделяется.

А вот Эйнштейн представил, что энергия световой волны остается квантованной, энергия луча света состоит из конечного числа энергетических квантов, локализованных в точках пространства, которые движутся, не делясь, и могут генерироваться или поглощаться только целиком. Эйнштейн так и не принял современной квантово-механической картины света. Для него противоречие между корпускулярными и волновыми аспектами света так и осталось неразрешимым. Он не мог примириться с тем, что иногда преобладает волной аспект, иногда корпускулярный, в зависимости от эксперимента, который мы проводим со светом. Если эксперимент связан с рассеянием света, то будут подчеркиваться волновой аспект, тогда как в фотоэлектрических опытах на передний план выйдут корпускулярные характеристики. Благодаря двойственной природе света его можно назвать волночастицей (вейвикл), то есть комбинацией волны и частицы.

Сегодня мы называем квант света фотоном. Чем выше частота света, тем больше энергия его фотонов. Для сравнения 60-ватная электрическая лампочка излучает около 10 в 19-й степени фотонов в секунду, каждый кубический сантиметр солнечного света содержит около 10 миллионов квантов. Поэтому, хотя фотоны любого данного цвета или частоты полностью идентичны, фотоны различных частот, согласно Планку, несут разное количество энергии. Это означает, что в квантовой теории самый слабый свет любого данного цвета – свет, который представлен одним-единственным фотоном, он несет энергию, величина которой зависит от цвета. Например, частоты фиолетового цвета вдвое выше частот красного, и, следовательно, один квант фиолетового света несет вдвое больше энергии, чем один квант красного. Таким образом, самая маленькая порция фиолетовой световой энергии вдвое больше самой маленькой порции красной.

Как это все решает проблему абсолютно черного тела? Минимальное количество электромагнитной энергии, которую абсолютно черное тело может испустить на любой заданной частоте, равно энергии одного фотона этой частоты. На более высоких частотах энергия фотонов выше. То есть на высоких частотах самое маленькое количество энергии, которое может испустить абсолютно черное тело, оказывается больше. Для достаточно высокой частоты энергия одного кванта превышает всю энергию тела. На такой частоте свет не испускается, что кладе предел сумме, которая прежде считалась бесконечной. Таким образом, по теории Планка интенсивность излучения на высоких частотах должна снижаться. В итоге уровень энергетических потерь тела становится конечной величиной, что и решает проблему абсолютно черного тела.

Квантовая гипотеза очень хорошо объяснила наблюдаемую интенсивность излучения горячих тел, но ее последствия для детерминизма не осознавались до 1926 года, когда немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901 – 1984) сформулировал принцип неопределенности. Суть его в следующем. Вопреки убеждениям Лапласа, природа ограничивает нашу способность предсказывать будущее на основе физических законов. Дело в том, что для предсказания будущего положения и скорости частицы мы должны иметь возможность измерить ее начальное состояние, то есть ее текущее положение и скорость, причем измерить точно. А для этого следует подвергнуть частицу воздействию света.

Некоторые из световых волн будут рассеяны частицей и укажут обнаружившему их наблюдателю положение частицы. Однако использование световых волн данной длины накладывает ограничение на точность, с которой определяется положение частицы: точность эта лимитируется расстоянием между гребнями волны. Таким образом, желая как можно точнее измерить положение частицы, вы должны использовать световые волны короткой длины, а значит, высокой частоты. Однако в соответствии с квантовой гипотезой Планка, нельзя оперировать произвольно малым количеством света: вам придется задействовать по меньшей мере один квант, энергия которого с увеличением частоты становится больше. Итак, чем точнее вы стремитесь измерить положение частицы, тем выше должна быть энергия кванта света, который вы направляете.

Согласно квантовой теории, даже один квант света нарушит движение частицы, непредсказуемым образом изменив его скорость. И чем выше энергия кванта света, тем больше вероятные возмущения. Стараясь повысить точность измерения положения, вы воспользуетесь квантом более высокой энергии, а скорость частицы претерпит значительные изменения.

Чем точнее вы попытаетесь измерить положение частицы, тем менее точно вы можете измерить ее скорость, и наоборот. Гейзенберг показал, что неопределенность положения частицы, помноженная на неопределенность ее скорости и на массу частицы, не может быть меньше некоторой постоянной величины. Значит, уменьшив, например, вдвое неопределенность положения частицы, вы должны удвоить неопределенности ее скорости, и наоборот. Природа навсегда ограничила нас условиями этой сделки.

Насколько плохи данные условия? Это зависит от некоторой постоянной величины, ее называют постоянной Планка, и теперь мы приведем ее значение: она составляет 6,6х10 в минус 34-й степени Дж/с.

Ввиду малости указанной постоянной последствия сделки и квантовой теории в целом, подобно эффектам теории относительности, незаметны в нашей жизни. Хотя квантовая теория и влияет на нашу жизнь, будучи основой, в частности, современной электроники.

Принцип неопределенности ознаменовал конец мечты Лапласа о научной теории, модели вселенной, которая будет полностью детерминистической. Невозможно точно предсказать будущие события, если невозможно точно определить даже современное состояние вселенной.

Предположение о квантировании энергии было радикальной идеей. Она прямо противоречила повсеместно принятым принципам ньютоновской физики, которая считала, что энергия плавно распределена между частицами материи, чтобы непрерывно выделяться или поглощать. По существу, законы ньютона исключали квантование энергии, поскольку, если частица обладает одной из этих квантованных энергий, достаточно небольшого толчка, чтобы изменить энергию на небольшую величину и оставить частицу с «неправильной» энергией.

Квантовая революция разрушила фундамент ньютоновской механики и дала нам совершенно новую, квантовую механику, где все энергии в атомах, ядрах и молекулах квантированы, где электроны совершают непредсказуемые прыжки из одного состояния движения в другое, где положения и скорости таинственно неопределенны и где на смену конкретным и устойчивым прогнозам приходят вероятностные утверждения.

После работ французского физика Луи де Бройля (1892 – 1987), выполненных им в 1923 году, стало ясно, что раздельное существование частиц и полей, бывшее в почете у классической физики, отвергается природой. Природа каким-то образом умудряется построить непротиворечивый мир, в котором частицы и осцилляции поля суть одно и то же.

Немного ранее датский физик Нильс Бор (1885 – 1962), а затем Гейзенберг и Эрвин Шредингер (1887 – 1961) предложили контуры матричной механики, а затем волновой механики, что вместе фактически создало то, что сегодня называют квантовой физикой. Эту объединяющую работу выполнил английский физик-теоретик Поль Дирак (1902 – 1984).

Эксперимент с двумя щелями

Напомним, что начало коренным изменениям в представлении о природе света положил Томас Юнг (1773 – 1829), за свои разносторонние успехи в науках он в годы обучения в Кембридже получил прозвище «феноменальный». Именно ему принадлежит идея проведения эксперимента по интерференции света: в непрозрачном экране иглой прокалывают два отверстия (щели), которые освещаются пучком солнечного света. Вследствие дифракции световые конусы от двух щелей, отображаясь на экране, расширяются и перекрываются, образуя в зоне наложения друг на друга темные и светлые полосы. Если же одно отверстие закрыто, то полосы исчезают и возникают дифракционные кольца от другого отверстия. Темные полосы получались там, где провалы налагаются на гребни волн, светлые – там, где два гребня или два провала волн накладываются. По результатам опыта были рассчитаны длины волн излучения красно и фиолетового цветов.

Пенроуз предлагает рассмотреть подобный эксперимент: пучок электронов, света или любых других волн-частиц направляется сквозь две узкие щели на экран. Свет достигает экрана в виде дискретных точечных порций энергии, которые всегда связаны с частотой света формулой Планка. Энергия никогда не передается в виде половинки, а только целым числом фотонов. Однако при прохождении через две щели, фотоны обнаруживают волновое поведение. Обычная 60-ватная лампочка излучает около 10 в 18-й степени фотонов в секунду. Поэтому кажущееся равномерным распределение освещенности представляет собой статистический эффект, обусловленный очень большим числом участвующих в явлении фотонов. При открытии второй щели картина освещенности меняется. Появляются точки с нулевой интенсивностью – это те точки, которых фотон мог бы благополучно достичь, если бы открыта была только одна щель. Что же помешало этому?

Создается впечатление, что когда свет проходит через одну или две щели, он ведет себя как волна, а не как частица.

Нет ничего загадочного в поведении обычной макроскопической классической волны, проходящей одновременно через две щели. Волна - всего лишь возмущение либо некоторой непрерывной среды (поля), либо некоторого вещества, состоящего из мириад крохотных точечных частиц. Возмущение может частично пройти через одну щель, частично через другую щель.

Но в корпускулярной картине ситуация иная: каждый отдельный фотон сам по себе ведет себя как волна!

В некотором смысле каждая частица проходит сразу через обе щели и интерферирует сама с собой. А если значительно уменьшить полную интенсивность света, то можно гарантировать, что вблизи щелей будет находиться не более одного фотона одновременно. Явление деструктивной интерференции, когда два альтернативных маршрута каким-то образом ухитряются исключить друг друга из числа реализованных возможностей, есть нечто, применимое к одному фотону. Если для фотона открыт только один из двух маршрутов, то фотон может пройти по нему. Если открыт другой маршрут, то фотон может пройти им. Но если перед фотоном открыты два маршрута сразу, то эти две возможности чудесным образом исключают друг друга, и оказывается, что фотон не может пройти ни по одному маршруту.

Далее Пенроуз пишет: настоятельно советую остановиться и вдуматься в смысл этого необычного факта. Дело не в том, что свет ведет себя в одних случаях как волны, а в других как частицы.

Каждая частица в отдельности сама по себе ведет себя, как волна; и различные альтернативные возможности, которые открываются перед частицей, иногда могут полностью уничтожить друг друга!

Чтобы получить интерференцию, обе альтернативы должны дать свой вклад, иногда суммируя, усиливая друг друга в два раза больше, чем можно было бы ожидать, а иногда вычитаясь, чтобы загадочным образом погасить друг друга.

Фактически же согласно правилам квантовой механики в действительности происходит нечто еще более загадочное. Конечно, альтернативы могут суммироваться (самые яркие точки на экране), альтернативы могут вычитаться (темные точки), но они также могут образовывать и такие странные комбинации, как точки с промежуточной интенсивностью освещенности. Математически это выражается квадратным корнем из -1.

Вообще комплексные числа играют абсолютно фундаментальную роль в структурах квантовой механики. Комплексные числа, которые нам приходится использовать на квантовом уровне, тесно связаны с классическими вероятностями.

О моделях атомов

Одна из первых моделей атома принадлежит Джозефу Томсону (1865 – 1940), которому также принадлежит честь открытия электрона. Он предположил, что атом представляет собой центральный положительный заряд, на котором, словно изюминки на торте, располагаются электроны. Японский ученый Хантаро Нагаока (1865 – 1950) предположил, что в середине атома находится положительно заряженная частица, вокруг которой обращаются более легкие электроны, как планеты вокруг Солнца. В обоих случаях притяжение между положительным и отрицательным зарядами удерживает электроны в атоме.

Выяснить, какая из этих моделей надежнее и точнее, выпало Эрнесту Резерфорду (1871 – 1937). Он уже имел в руках данные относительно такого явления, как радиоактивность, и работая с такого рода материалами, обнаружил три типа лучей, назвав их альфа, бета и гамма-лучами. Гамма-лучи – это коротковолновое электромагнитное излучение. Бета-лучи – это электроны, испущенные радиоактивным веществом. Измерив отношение массы к заряду у положительно заряженных альфа-частиц, он обнаружил, что оно вдвое больше, чем у положительного иона водорода. Если заряд альфа-лучей составляет одну единицу, то их масса должна вдвое превышать массу атома водорода. Но Резерфорд сделал правильный вывод, что заряд альфа-частиц составляет две единицы, а это приводит к четырем единицам атомной массы. Следовательно, альфа-частицы – это не что иное, как ионизированные атомы гелия.

Резерфорд подтвердил своими экспериментами, бомбардируя атомы альфа-частицами, модель солнечной системы Нагаока. Все атомы одного элемента одинаковы, однако простая модель солнечной системы не указывает точно, где должны располагаться электроны в этих атомах. В самой солнечной системе нет жестких физических ограничений того, на каких расстояниях от Солнца могут располагаться планеты. Скажем, орбита Земли могла бы быть немного больше или меньше, чем она есть. К тому же обращающийся по орбите электрон похож на колеблющийся заряд в антенне и поэтому должен излучать энергию с частотой своего орбитального движения. Но, в отличие от антенны радиостанции, у электрона нет внешнего источника энергии. В конце концов, потеря энергии должна привести к падению электрона на ядро атома.

Бор предложил иную модель атома. Когда он взглянул на формулу спектральных линий водорода, к нему пришла догадка о том, что в атоме водорода электрон находится на орбите вокруг протона и их связывает электрическое притяжение. В отличие от планет солнечной системы у всех атомов данного элемента возможны только определенные радиусы орбит. Во всем остальном электрон может подчиняться законам механики.

Другим отклонением от стандартной физики стало предположение, к которому пришел Бор о том, что, электрон, двигаясь по разрешенной орбите, не излучает. Это противоречит теории электромагнитного излучения. Но Бор связал излучение с другим явлением – с изменением орбиты электрона. Каждая круговая орбита электрона обладает определенной энергией, которая тем больше, чем дальше от протона находится эта орбита. Электрон может перепрыгнуть с верхней (более далекой) орбиты на нижнюю, излучив при этом фотон, энергия которого соответствует разности энергии этих двух орбит. И наоборот, электрон может захватить пролетающий мимо фотон с энергией, необходимой для его перехода на более высокую орбиту.

И поскольку разрешены орбиты только с определенной энергией, то между ними возможны только определенные разности энергий и соответствующие им фотоны. Это как мы поднимаемся по лестнице, перешагивая сразу две ступени. Так как величина энергии фотона связана с его длиной волны, то лишь определенные длины волн могут присутствовать в излучении атома водорода. Формула спектральных линий водорода швейцарского физика и математика Иоганна Якоба Бальмера (1825 – 1898) связывает длины волн с целыми числами. Бор понял, что это номера орбит в порядке увеличения их расстояния от ядра.

Следует иметь в виду, что, благодаря распространенности водорода во Вселенной, серия Бальмера наблюдается в спектрах большинства космических объектов.

Модель Бора настолько хорошо описывает излучение атомов, что постепенно ее стали считать реальной. Ее развитие предложил Арнольд Зоммерфельд (1868 – 1951), который начал использовать модель атома с эллиптическими орбитами электронов. Он считал, что наряду с круговой орбитой, электрон может иметь и эллиптическую орбиту того же диаметра. Позже от движения электронов по орбитам вообще отказались, и от первых моделей с орбитами осталась лишь идея об энергетических уровнях. Атом может перейти на уровень с большей энергией, то есть – прийти в возбужденное состояние. После того как пройдет возбуждение, атом испускает фотон.

Модель атома Бора хорошо объясняет экспериментальные законы спектрографии, открытые Кирхгофом. Однако предложенная им конкретная картина строения атома не имела реального физического основания. Многие физические законы микромира совершенно не похожи на те, которым подчиняются окружающие нас предметы. Ни механику Ньютона, ни электромагнитную теория Максвелла нельзя напрямую применять к явлениям атомного масштаба.

Главная особенность квантовой механики (теория механики для атомных явлений) заключена в ее вероятностной природе, сформулированной Максом Борном в 1926 году. Вместо того, чтобы говорить о точных значениях физических величин, есть возможность описать только распределения вероятности этих значений. Связано это с принципом неопределенности. Поскольку электрон как бы «размазан» по окрестностям ядра, его можно обнаружить в любом месте той области, по которой он «размазан». Следовательно, альфа-частица находится внутри ядра с вероятностью немного меньшей 100%, и в то же время она с небольшой вероятностью находится вне ядра. Поэтому время от времени положительно заряженная альфа-частица материализуется вне ядра, вне области сильного ядерного взаимодействия, где электрическое отталкивание от положительно заряженного ядра выталкивает ее наружу.

Шредингер представил электроны в атомах как колебательное явление. И модель атома Бора была развита в оболочечную модель атома, которая объясняет периодическую систему элементов.

Рис. 17.4 на с. 237 в книге Эволюция вселенной

Вместо предложенных Бором орбит мы говорим об оболочках атомов.

Электроны не могут свободно выбирать оболочку, в которой они могли бы находиться. В наиболее спокойном состоянии оболочки атома заполняются электронами снизу вверх (от ядра наружу), до тех пор, пока все электроны не найдут свое место. Химические свойства определяются уровнем заполнения самой внешней оболочки. Атомы пытаются до конца заполнить свою внешнюю оболочку, захватывая электроны совместно с ними. Это приводит к химическим связям. У химически инертных благородных газов внешняя оболочка заполнена, поэтому им не требуется соединение с другими атомами.

Например, связь двух атомов водорода, позволяющая существовать молекулам водорода, основана на совместном использовании двух электронов обоими атомами. Это называется ковалентной связью, она играет важную роль в сложных молекулах, таких, на которых основана жизнь. Причина в том, что каждый атом при этом может иметь несколько связей с другими атомами, по-разному ориентированными относительно него. К тому же ковалентная связь очень крепкая. Особенно важны атомы углерода, у которых не хватает четырех электронов во внешней оболочке. Атомы углерода заполняют свою внешнюю оболочку разными способами, которые могут давать сложные цепочки атомов с прочными связями.

Швейцарский физик Вольфганг Паули (1900 – 1958) сделал вывод о том, что число электронов в разных оболочках ограничено тем, что стали называть принципом Паули: два электрона в атоме не могут быть в одинаковом квантовом состоянии. Состояния электрона описываются целыми числами, электрон обладает спином, или состоянием вращения. На каждой орбите может быть не более двух электронов, один из которых вращается вокруг собственной оси в направлении своего обращения по орбите вокруг ядра (как и большинство планет солнечной системы), а другой электрон – в обратном направлении. Вращение электрона вокруг своей оси нельзя понимать буквально. Это лишь способ описать два спиновых состояния. Явления атомных уровней нет точного аналога.

Поясним, ссылаясь на Пенроуза, что величину, которую в квантовой механике принято называть спином, иногда считают самой квантовомеханической. Что такое спин? Это внутренне присущее свойство самой частиц, это мера, характеризующая ее вращение, при этом для частиц определенного типа величина спина всегда одна и та же. Изменяться может только направление спина. Частица со спином, равным нечетному кратному соответствующей фундаментальной единицы называется фермионом (по имени итальянского физика Энрико Ферми, 1901 – 1954), они обладают таким эффектом, как полный оборот на 360 градусов переводит ее вектор состояния не в себя же, а в себя, но со знаком «минус». Остальные частицы со спином, равным четному кратному фундаментальной величины, называются бозонами (по имени индийского физика Шатьендраната Бозе). Спин фотона называется поляризацией, пример – солнцезащитные очки. В корпускулярной картине мы должны считать, что каждый индивидуальный фотон обладает поляризацией.

Если частицу из тела человека поменять местами с аналогичной частицей из кирпича в его квартире, то ничего не произойдет. Если бы эта частица была бозоном, то, как мы знаем, состояние действительной оставалось бы совершенно не изменившимся. Если бы эта частица была фермионом, то состояние в результате обмена частиц перешло бы в противоположное. Вполне допустимо утверждение, что существует пара электронов, один из которых находится здесь, а другой – там. Вполне законно говорить о множестве всех электронов или всех протонов, или всех фотонов. Оцените такие явления, как сверхпроводимость, сверхтекучесть и излучение лазера.

Частица, обладающая спином, генерирует маленькое магнитное поле. Поскольку магниты взаимодействуют друг с другом, мы можем измерить направление спина электрона, если он пробежит мимо магнита в виде планочки (своеобразный детектор спина). Если держать магнитную планочку в определенном положении, можно определять вверх, вниз, вправо или влево направлен спин. Спин очень полезен для наших целей, поскольку мы способны создавать реальные системы, где создаются две частицы и спины взаимно исключают друг друга. Если у одной частицы спин вверх, у другой наверняка спин вниз. Если у одной спин налево, у другой спин направо. Вот что имеется в виду, когда говорят о запутанности квантовых состояний. Это просто ученый способ сказать, что если мы знаем квантовые свойства одной частицы, то в состоянии сказать что-то осмысленное о квантовых свойствах другой.

Сделав небольшое, но важное отступление, вернемся к основной теме. Принципом запрета Паули определяется структура электронного облака вокруг атомного ядра и различие в химических свойствах элементов. Он также превращает атомы в твердые сферы, которые не могут легко проникать друг в друга, несмотря на то, что атом можно сказать, что он «состоит из пустоты».

Итак, основой классической физики была свободная частица, которая движется с постоянной, что известной нам скоростью. Гейзенберг вывел, что мы ничего не знаем о положении частицы: она везде и в то же самое время ее нет нигде во вселенной. Классическая частица просто не может жить в квантовом мире. Равно как и знакомое нам понятие орбиты становится неопределенным. Самое большое, что мы можем сделать, это вычислить вероятность любой траектории электрона между точкой, которую он покинул и точкой, в которой он наблюдался.

Но если у электрона нет определенной орбиты, откуда он знает, куда ему двигаться? Можно сказать, что электрон пробует одновременно все пути. Каждый путь представлен электронной волной. Когда волны всех путей складываются друг с другом, то в большинстве точек они гасятся. Только в некоторых точках они в результате интерференции усиливаются, там и возникает высокая вероятность найти электрон. Идея орбиты утрачивает свой смысл. И только когда мы говорим о массивных объектах, то подходим к классической орбите.

У Лапласа было весьма продуктивное представление о том, что вселенная подобно часовому механизму, который, будучи однажды заведен, работает как часы. Принцип неопределенности разрушает и этот механизм. Предположение о том, что нам могут быть известны положения и скорости всех тел в начальный момент времени не может быть выполнено, так как в положениях и в скоростях теперь появляются неопределенности. Даже если бы одно из них можно было измерить, второе осталось бы неопределенным. Случайная материализация частицы делает предсказание будущего невозможным.

До некоторой степени возникшее непонимание походило на открытие Коперника, когда его методы вычислений широко использовались, а систему мира с Солнцем в центре не признавали.

Эксперимент ЭПР

Не признавал новый мир и Эйнштейн. В своих многочисленных дискуссиях с Бором он пытался показать, что квантовой картине присущи внутренние противоречия, и что за квантовой теорией должна стоять какая-то более глубокая идея, более похожая на картины классической физики. Эйнштейн, а также Борис Подольский и Натан Розен, предложили следующий эксперимент. Пусть две частицы сталкиваются, а затем удаляются друг от друга. В результате столкновения положения и скорости обеих частиц становятся взаимозависимыми. Если мы измерим скорость частицы 1, то скорость частицы 2 легко вычислить без измерения. Положение же частицы 2 можно при этом точно измерить.

Пенроуз дает несколько иную трактовку эксперимента ЭПР. Две частицы со спином ½, которые мы назовем электроном и позитроном (антиэлектроном), возникли в результате распада одной частицы со спином 0 в некоторой точке (центре), и что они движутся от центра в противоположных направлениях. Из закона сохранения углового момента следует, что спины электрона и позитрона в сумме должны давать 0, так как угловой момент исходной частицы равен 0. Отсюда следует, что когда мы измеряем спин электрона в каком-нибудь направлении, то, какое направление мы бы ни выбрали, спин позитрона окажется направленным в противоположную сторону. Электрон и позитрон могут быть разделены расстоянием в несколько миль, или даже световых лет. Тем не менее, окажется, что сам выбор измерения, производимого над одной частицей, мгновенно фиксирует ось спина другой частицы.

Тогда окажется, что для частицы 2 мы можем точно определить и скорость, и положение в любой момент времени после столкновения. Этот явный конфликт с принципом неопределенности был использован, чтобы показать, что система квантовой механики неполна. Однако в ответ на это Нильс Бор заметил, что когда измеряется скорость частицы 1, сам процесс этого измерения изменяет состояние измерительного прибора. По этой причине точное измерение координаты частицы 2 тем же прибором будет уже невозможно. Так действует здесь принцип неопределенности.

Как выясняется, вселенная управляемая скрытыми переменными, будет вести себя совсем не так, как случайная вселенная. Бог все-таки играет в кости?

В 1964 году ирландский физик Джон Белл (1928 – 1990), работавший в Стэндфордском университете, перевел мысленный эксперимент в форму, пригодную для реальных измерений. Он нашел критерии, позволяющие определить, случайна в своей основе вселенная, или нет. Хотя «неравенство Белла» принадлежит к сфере математики, мы можем пояснить суть проверки, построив некую машину реальности, но воплотить ее технически невозможно.

Машину реальности придумал Дэви Мермин, физик из Корнельского университета. Представим, что Эйнштейн был прав и в каждом электроне заложена миниатюрная программа. Как бы наблюдатель 1 и 2 не ориентировали свои детекторы, программа будет говорит им, какую лампочку зажечь, и должна принимать в расчет все случайности. Например, данный конкретный электрон зажжет зеленый свет, если детектор ориентирован вертикально, и красный, если детектор горизонтален. У позитрона та же программа. Детектор у обоих наблюдателей занимает одно из трех положений: 1) вверх-вниз; 2) повернут на 1/3 по часовой стрелке; 3) повернут на 2/3 по часовой стрелке. Такие параметры продиктованы предсказаниями квантовой механики.

Что же предсказывают «скрытее переменные» Эйнштейна? У электрона может быть ровно восемь программ.

Схема и описание на с. 128 – 129 в книге Голдберга

Если Эйнштейн прав, тогда неважно, как наблюдатели поворачивают свои детекторы: электрону все равно нужно знать заранее, какой цвет загорится. Получается, что наш мысленный генератор вырабатывает всего восемь типов электронов.

Поскольку детекторов два, за каждый раз можно измерить только две переменные из каждой программы. Так мы можем определить, какой цвет будет загораться в каждом положении детектора. Например, если наблюдатель 1 ставит детектор в положение «вверх-вниз» (положение А) и видит зеленый свет, он не знает, как был запрограммирован электрон ЗЗЗ, ЗЗК, ЗКЗ, ЗКК.

Но вселенная это знает!

Мы, пишет Голдберг, описывая схему, получим от машины реальности очень интересный результат, если посмотрим, что происходит, когда вырабатывается электрон или позитрон с конкретной программой. Если наши наблюдатели случайно выбирают направление детектора, то насколько часто у них будут загораться лампочки одинакового цвета?

Есть две очень простые программы: ЗЗЗ и ККК (случаи 1 и 8). Чтобы ни происходило, в этих случаях наблюдатели получат одни и те же результаты. Всегда, т.е. определенно чаще, чем в половине случаев!

Более интересный случай – это ЗЗК. Наблюдатели могут настроить свои детекторы девятью способами: А – А, А – В, А – С; В – А, В – В, В – С; С – А, С – В, С – С. В пяти из девяти сценариев (А – А, А – В, В – А, В – В, С – С) наблюдатели увидят один и тот же цвет. Пять из девяти – это около 56%, более половины.

Ест еще шесть возможных программ: ЗКЗ, ЗКК и прочие. Все они точно такие же, как ЗЗК, поскольку два магнита настроены одинаково, а один – по-разному. В этих ситуациях наблюдатели опять же будут получать одинаковые результаты в 56% случаев.

Как бы ни были запрограммированы электрон, согласно модели Эйнштейна, наблюдатели будут получать одинаковые результаты больше чем в половине случаев. С другой стороны, если квантовая механика верна, они будут получать одинаковые сигналы ровно в половине случаев. Для Эйнштейна все кончилось плохо.

В 1982 году Ален Эспект осуществил свой эксперимент в Париже. Опыт также показал, что Эйнштейн с коллегами ошибался. Они обнаружили, что вы не можете обмануть частицу 2, она знает об измерениях частицы 1, даже если эти частицы не успевают обменяться информацией со скоростью света. Эти две частицы являются частями одной системы. Победила копенгагенская интерпретация. Электроны вели себя не так, как надеялся Эйнштейн, не так, словно их заранее запрограммировали.

Электронный ресурс

Где то в течение 70 лет дуализм волна-частица объяснялся с помощью ещё одного смущающего положения квантовой теории - принципа неопределённости Гейзенберга. Теория, сформулированная Вернером Гейзенбергом в 1927 году и недавно уточнённая, определяет верхний допустимый предел нашего знания. В этой теории говорится, что невозможно узнать вместе местоположение и импульс квантового объекта - измерение одного из параметров обязательно изменит значение другого (а возможно, дело не в измерении, а в невозможности их совместного существования.)

Бор победил Эйнштейна в серии мысленных экспериментов в 1920 -- 1930-х гг., в которых использовался данный принцип, однако последние работы показали, что причиной дуализма обнаруживаемого в опытах является феномен, названный квантовой сцепленностью.

Сцепленность представляет собой идею о том, что в квантовом мире объекты не имеют независимого существования в том случае, если они взаимодействуют между собой или являются порождением неких процессов. Они связаны или сцеплены таким образом, что измерение одного из них тут же неизбежно влечет изменение другого, неважно как далеко друг от друга они расположены -- нечто, что Эйнштейн назвал «фантомным действием на расстоянии».

Это явление может быть связано со сверхпроводимостью, а также может объяснить, почему тела имеют массу. Вдобавок, в перспективе возможна телепортация частиц на дальние расстояния, при условии, что все примут одну систему координат. Первая телепортация квантовой системы произошла в 1998 году, и учённые постепенно сцепляют все больше частиц, различные типы частиц и большие частицы. (из электронного ресурса)

Как было показано, на квантовом уровне вселенная по-настоящему случайна, а принцип неопределенности – это фундаментальное свойство природы, и вы не можете обойти его. Но что самое интересное, на него можно опереться в ситуации, которую без него трудно было бы понять. Примером служит вакуум.

Что такое вакуум? Уберите из пространства все вещество, излучение, силовые поля. Тогда все, что останется, можно назвать вакуумом. Энергия любого события тем более неопределенна, чем короче происходящее. Если даже средняя энергия вакуума может быть нулевой, то на коротких интервалах времени принцип неопределенности позволяет частицам возникать ниоткуда и исчезать никуда.

Таким образом, вакуум заполнен частицами. Хотя каждая частица живет крошечный промежуток времени, на замену им постоянно рождаются новые. Все обычные постоянные частицы плавают в этом море частиц. Но вакуум имеет и еще более странные свойства, которые управляют эволюцией вселенной.

Пенроуз замечает, что квантовая теория поля возникает из объединения идей специальной теории относительности и квантовой механики. От стандартной (нерелятивистской) квантовой механики квантовая теория поля отличается тем, что число частиц (любого рода) в ней не обязательно постоянно. Для каждого рода частицы существует ее античастица (иногда как в случае фотонов, античастица и частица совпадают). Массивная частица и ее античастица могут аннигилировать с выделением энергии. С другой стороны, пара частица-античастица может рождаться из энергии.

Квантовая теория поля замечательна точностью своих предсказаний (предсказано точное значение магнитного момента электронов). Однако она является весьма неупорядоченной, так как изначально дает не имеющие философского смысла бесконечные ответы.

Возникает вопрос, почему бы не рассматривать измерительный прибор вместе с физической системой как единую составную квантовую систему?

В 1920-х годах Бором была сформулирована так называемая копенгагенская интерпретация квантовой механики, ее развивали Гейзенберг, Борн, Дж. фон Нейман, В.А.Фок. Суть ее в том, что система описывается исключительно своей волновой функцией, и что волновая функция показывает, что определенные измерения сугубо вероятностны. И еще – как только мы делаем измерение, происходит коллапс волновой функции, и у нас остается конкретное число. Иными словами, в эксперименте квантовая система как бы проецирует на себя макроскопические средства наблюдения, проявляя свою относительность по отношению к ним. В концептуальном отношении измерение равносильно редукции волновой функции. Результаты эксперимента взаимодополнительны. Тем самым подчеркивается своеобразие квантовой механики, ее несводимость к классической физике. Лишь в наши дни все более убедительно доказывается производность макрофизики от микрофизики.

В самом деле, как получается, что то, что мы наблюдаем, приводит к коллапсу наблюдаемого явления? Дело в том, что мы сами состоим из субатомных частиц, которые также подчиняются законам квантовой механики. Откуда вселенная знает, как перейти из одного состояния неопределенности до того, как произойдет измерение, к определенности после измерения?

Теория телепортации говорит, что волновая функция наблюдателя простирается до далеких звезд, и когда у нее происходит коллапс…

Заметим, что в опытах, поставленных в университетах Инсбрука и Рима в 1997 году, была продемонстрирована «квантовая телепортация». (см. А.А. Гриб, с. 132)

Обратимся к мысленному эксперименту Шредингера. Представьте герметичный контейнер, который полностью изолирован от внешнего воздействия. Внутри кошка, а также некое устройство с ядом, приводимое в действие некоторым квантовым событием. Если это событие не происходит, кошка останется жить. Назначенное время пришло: жива кошка или нет? Этот вопрос Шредингер задавал в одной длинной сугубо технической статье. И хотя его загадка ничего не говорит нам о том, как создать квантовый компьютер или микросхему, она заставляет задать некоторые вопросы о подлинной природе вселенной.

Шредингер явно хотел поиздеваться над копенгагенской интерпретацией, указывая, что мы вправе думать о том, что кошка может быть одновременно и живой и неживой.

С точки зрения квантовой механики мы рассмотрим подобную загадку: если дерево падает в лесу, где его никто не слышит, производит ли оно грохот? Нет, отвечает копенгагенская интерпретация. Для начала, оно даже и не падает, пока не появляется наблюдаемых свидетельств того, что это произошло.

Но разве это не нелепость, представить себе, что такой крупный предмет, как вековое дерево, настолько подвержен влиянию того, наблюдают ли его или нет. Это правда. Но в чем разница между деревом и кошкой? Или между кошкой и ядром атома?

Бор считал, что на ситуацию влияет не просто наблюдение, а осознанное наблюдение. Если бы вместо кошки у нас был бы аспирант, мы бы практически не сомневались, что он, как всякий способный человек, наблюдал бы за системой сам.

Почему же так важно, чтобы наблюдателем был именно человек?

С философской точки зрения самая серьезная проблема с копенгагенской интерпретацией выражается одним вопросом: если ли разница между тем, что знает ученый, и тем, что знает вселенная?

Здравый смысл подсказывает, что в случае закрытой комнаты и кошки разница очень велика. Очевидно, что вселенная должна «знать», жива кошка или нет, даже если ученый этого пока еще не знает. В некотором смысле копенгагенская интерпретация утверждает, что неважно, знает ли вселенная о том, жива кошка или не жива, до того, как комнату откроют. Это не изменит ничего наблюдаемого.

Однако, здесь чего-то не хватает, считает Дэйв Голдберг. (Голдберг Д. Вселенная. Руководство по эксплуатации. Как выжить среди черных дыр, временных парадоксов и квантовой неопределенности. – М.: АСТ, 2010. – 416с.).

В опыте с двумя щелями показано, что прямое или косвенное наблюдение электрона способно заставить его перейти на состояния неопределенности к поведению, подобающему частице. Если мы не будем тревожить электрон, глядя на него, он буквально пройдет через обе щели. А выбирает только одну из них в том случае, если мы создаем организованное наблюдение за ним.

Как мы помним, Эйнштейн получил Нобелевскую премию за объяснение фотоэффекта: свет состоит из отдельных частичек, фотонов, каждая из которых передает свою энергию одному-единственному электрону. В 1969 году несколько исследовательских групп показали, что фотоэффект можно объяснить и на основе волновой гипотезы.

Поскольку все частицы во вселенной в разной степени взаимодействуют, вселенная в целом, в том числе и ученые, и их оборудование, есть одна гигантская волновая функция. Это значит, что все наблюдения, ощущения и поступки как таковые суть комбинация более чем одной возможности, просто вероятность одной из них гораздо больше вероятности остальных.

В 1952 году американский физик-теоретик Дэвид Бом выдвинул причинную интерпретацию квантовой механики. Он считал, что все, что мы называли неопределенным – местоположение, скорость, признаки жизни кошки из эксперимента Шредингера, на самом деле четко определено. Однако, хотя частица и вселенная знают эти определенные значения, это не гарантирует, что их знаете вы. Бом предположил, что кроме волновой функции должны быть и другие скрытые переменные.

Вскоре, в 1957 году американский физик и математик Хью Эверетт предложил интерпретацию множественных миров. Каждое случайное событие (через какую из щелей проскочит электрон) порождает две разные, однако параллельные вселенные, которые неразличимы во всем, кроме того факта, что в одной электрон прошел в щель А, а в другой – в щель В.

По мере течения времени вселенные снова и снова расщепляются, практически бесконечное количество раз, порождая тем самым огромное количество параллельных вселенных.

Согласно Эверетту, эти многочисленные миры могут затем интерферировать друг с другом. С математической точки зрения это практически ничем не отличается от обычной квантовой механики. Например, если мы представим себе электрон в эксперименте с двумя щелями, то в нашей вселенной, скажем, электрон проходит в левую щель, а в других вселенных – в правую. Затем волновые функции разных вселенных интерферируют друг с другом, и если повторить опыт с несколькими электронами, то получим тот же самый рисунок из множества полос.

Расщепляются не только частицы, но и мы. Если вы задумаетесь о том, что будите делать через 10 минут, то это самое «вы» будет иметь отношение к целому множеству различных «вы». Каким же из этих возможных состояний вы станете на самом деле? Всеми сразу? Возможно, потому что каждый конкретный «вы» будет помнить ту историю, которая произошла в его вселенной. Это значит, что где-то есть вы как студент, как влюбленный юноша, как успешный спортсмен, как хороший сын. Просто не все возможности одинаково вероятны.

За счет возникновения бесконечного множества вселенных Эверетт сумел дать утешительный ответ и на вопрос Шредингера: кошка, может быть, и жива, однако если мы откроем комнату, то получим не более, чем информацию. Это никак не изменит реальность.

В целом, это тот же ответ, который был дан с точки зрения причинной интерпретации вселенной. Есть лишь один важный нюанс. Если окажется, что кошка жива, это верно, но лишь для нашей вселенной. Существуют и другие вселенные – бесконечное множество других вселенных, – в которых кошка будет не жива. Реальность – это явление сугубо местное.

И здесь мы вновь на время вспоминаем о теории случайности. Квантовая случайность проявляется во всевозможных микроскопических явлениях. Самые фундаментальные из них связаны с радиоактивностью, которая как раз и возникает потому, что не все атомы стабильны.

В природе наблюдается общая тенденция: система стремится содержать в себе минимальную возможную энергию. Так что если разрешить атому слишком долго пребывать на одном месте, он развалится на мелкие составляющие. Разумеется, если он в процессе теряет массу, то избавляется от нее посредством вредоносного излучения, которое называется радиацией.

Электронный ресурс

Ваша идентичная копия сейчас тоже читает эту статью. Этот близнец похож на вас, и живёт на Земле и во Вселенной, которая выглядит в точности как наша. И, вероятно, нет им числа. Подобные двойники являются естественным следствием нашей последней концепции вселенной. Однако некоторые физики считают, что они могут составить серьёзную проблему для квантовой механики. Хотя в поле зрения ученых находится и возможное решение этой проблемы, которое к тому же поможет наладить связь между абстрактными понятиями квантовой физики и конкретными физическими явлениями.

В неопределённом, размытом мире квантовой механики у частиц не существует конкретных характеристик, пока мы эти характеристики не измерим. До этого объекты, подчиняющиеся квантовым законам, существуют в "суперпозиции" всех своих возможных состояний одновременно. Знаменитая кошка Шрёдингера является одновременно и живой и мёртвой, пока мы не заглянем в заминированную коробку, куда её поместили.

Дело в том, что вероятность обнаружить кошку живой базируется на квантовом событии - распаде радиоактивной субстанции в коробке - и может быть вычислена по принципу, названному правилом Борна. Это правило используется для преобразования неопределённой волновой функции квантового состояния, которая является фактически смесью всех возможных результатов, в определённую вероятность результата данного конкретного опыта (в нашем случае кошка жива или нет). Но этот принцип квантовой механики не работает, когда его применяют к Вселенной в целом, заявляет Дон Пэйдж, Университет Альберты, Эдмонтон, Канада.

Проблемой является возможность существования множества копий любого эксперимента дрейфующих по вселенной подобно множеству ваших копий. Возможно их даже бесконечное количество, если, как полагают, молодая вселенная претерпела период экспоненциального роста названного инфляцией. Хотя в нашем обозреваемом участке пространства этот период закончился вскоре после большого взрыва, инфляция могла продолжиться в других местах, порождая Мультиверс, бесконечное пространство, содержащее бесконечные копии нашей Земли. (из электронного ресурса)

Считается, что квантовая физика действует на частицы размером меньше молекулы и на свет. Некоторые исследователи полагают, что должна быть определённая граница, с которой в силы вступают законы классической физики, например, точка в которой слабое тяготение гравитации берёт верх над другими силами (в действительности, недавно было измерено влияние гравитации на нейтроны). Однако и макроскопические объекты в несцепленном состоянии способны подчиняться квантовым законам.

Определённо, укрощённые отряды атомов или фотонов, подчиняющихся квантовым законам, обещают большое технологическое будущее. Последние работы по охлаждению атомов до температуры близкой к абсолютному нулю привели к созданию нового состояния материи, названного конденсантом Бозе - Эйнштейна или фермионным конденсантом. Оно может быть использовано для создания лазерных лучей из атомов, которые, протравливая четкие паттерны на поверхностях, однажды приведут к созданию сверхпроводников, работающих при комнатных температурах.

Если три из четырёх основных сил природы, те, которые действуют в малых масштабах, отлично вписались в квантовую теорию, то гравитация оказалась её ахиллесовой пятой. Эта сила действует в гораздо больших масштабах, и квантовая механика оказалась неспособной её объяснить.

Чтобы преодолеть данное разногласие было предложено несколько экстравагантных теорий, большинство из них предполагают, что сама ткань пространства-времени пузырится вследствие беспорядочных квантовых флуктуаций -- пены из червоточин и микроскопических черных дыр.

Считается, что эта пена наполнила Вселенную в течение Большого Взрыва, формируя пространство-время таким образом, что впоследствии образовалась структура, породившая звезды и галактики.

Самая популярная теория квантовой гравитации заявляет, что частицы и силы зародились из вибрации мельчайших петель или струн размером всего 10 в -35 степени метра длиной. Другая теория объявляет пространство и время в мельчайшем масштабе дискретными, возникшими из абстракций называемых спиновыми сетями.

Ещё одна теория, названная двойной теорией специальной относительности, редактирует идею Эйнштейна об одной космической постоянной величине - скорости света, добавляя другую подобную величину для микромира. Конкурирующая с ней теория пытается всё объяснить на основе гравитации, расширения и тёмной энергии. В настоящее время физики изобретают наблюдения и эксперименты, способные протестировать эти соревнующиеся между собой теории.

Ещё одной долгосрочной целью является квантовый компьютер. Квантовые частицы способны существовать в нескольких состояниях одновременно, поэтому их можно использовать для проведения одновременных вычислений, за считанные секунды, разлагая на множители 300-значные числа - на это обычному компьютеру потребуются годы.

Однако, чтобы сохранить свою многоплановую природу, частицы должны оставаться изолированными на всё время проведения вычислений -- а это уже очень серьёзное условие. Тем не менее, есть прогресс и в этой области. В 2003 годы было сцеплено в полупроводнике трио электронов, являющихся строительными кирпичиками современных компьютеров, в 2002 было проведено первое квантовое вычисление с использованием единственного иона кальция. В октябре 2004 года из цепочки атомов цезия был построен первый квантовый компонент памяти.

Но частицы материи так легко взаимодействуют друг с другом, что их квантовое состояние может удержаться только очень короткое время - миллиардные доли секунды. Фотоны, в свою очередь, сохраняют своё состояние в миллион раз дольше, потому что они менее склонны к взаимодействию друг с другом. Но и их тяжело удержать, так как они двигаются буквально со скоростью света.

В 2001 году ученые сумели остановить свет на его пути следования, преодолев, таким образом, одно из практических препятствий. А затем первый квантовый логический элемент - мозг квантового компьютера был создан с помощью света в 2003 году

Эволюция вселенной

Итак, теория Максвелла рассматривает свет как электромагнитные колебания. Но при использовании этой теории для объяснения спектра излучения абсолютно черного тела возникли проблемы. было известно, что изучение черного тела обладает наибольшей силой при определенной длине волны и ослабевает по обе стороны от этого максимума в спектре. Но классическая теория не могла объяснить уменьшение интенсивности на высоких частотах.

Немецкий физик Макс Планк понял, как можно объяснить наблюдаемый спектр черного тела: нужно предположить, что атом может излучать энергию только порциями определенного размера. Связанная с излучением энергия похожа на частицы: излучиться может одна, две, три… частицы, но доля частицы излучиться не может.

Минимальная порция энергии, по предположению Планка, пропорциональна частоте волны: чем выше частота, тем больше энергии в каждой порции. Коэффициент пропорциональности называют постоянной Планка. Таким образом:

Энергия = постоянная Планка х частота.

Науки по книгам Пенроуза, Голдберга, Докинза, Хокинга.