Что современная физика говорит о реальности
28 июля 2025 г.Одним из самых фундаментальных желаний человечества является понимание того, как работает реальность, окружающая нас. Долгое время мы добивались хорошего прогресса. Морочное мнение классической физики в 19 веке все еще было ясным и понятным. Вселенная напоминала мелко настроенную машину, управляемую элегантными законами, которые можно было бы описать с использованием относительно простой математики. Только несколько явлений выделялись как исключения - аномалии, которые классическая физика не могла объяснить.
Согласно часто рассказанному анекдоту, когда Макс Планк решил продолжить карьеру в области физики, наставник посоветовал ему против этого, утверждая, что почти все, что стоит открыть, уже было найдено. По иронии судьбы, именно Планк помог вызвать лавину, которая в конечном итоге сбила прекрасное собор классической физики, заменив его чем -то странным и современным - ни элегантным, ни простым.
В этой статье я стремлюсь дать краткий обзор того, как современная физика смотрит на мир сегодня.
Согласно нашему нынешнему научному пониманию, вселенная представляет собой обширную, постоянно расширяющуюся сферу, состоящую изКосмосПолем И здесь «пространство -время» - это не просто абстрактная концепция, а реальная, физическая сущность. Это несколько сродни идее эфира 19-го века-то, что заполняет все, даже регионы, которые кажутся пустыми. Фактически, сам Эйнштейн однажды называл пространственное время «гравитационным эфиром» вОдин из его работПолем Чтобы избежать недоразумений, возможно, было бы лучше сохранить этот термин. В этом случае мы могли бы сказать, что вселенная-это обширное, всеобъемлющее эфирное сферу. Но теперь, когда мы уточнили это, мы будем придерживаться официального термина: пространственно -временем.
Космическое время имеет интимную связь с материей - вещество влияет на пространство -время, а пространство времени влияет на материю. В частности, материя заставляет пространство время кричать вокруг него, и в изогнутом пространстве -времени материя движется так, как будто на него тянула какая -то невидимая сила. Это то, что мы воспринимаем как гравитация. Другое следствие кривизны пространства - это то, что физические процессы замедляются в окрестностях массивных объектов. Элементарные частицы остаются стабильными дольше, физические и химические реакции замедляются, и даже люди стареют медленнее. В этом смысле само время замедляется рядом с большими массами.
Учитывая эту тесную связь между веществом и пространством -времени, заманчиво представить себе, что является просто еще одним проявлением пространства -времени - как если материя была сделана из крошечных пузырьков или конденсаций в рамках пространства -времени. Эта перспектива может помочь объяснить, почему мы кажется «пойманными в ловушку» в нашем пространстве и, следовательно, в нашей вселенной. «Космос -тайм -конденсация», по самой своей природе, не может существовать за пределами пространства -времени. Вопросы, такие как «Что за пределами вселенной?» или «Что случилось до начала вселенной?» Поэтому бессмысленно с этой точки зрения.
Тем не менее, были предприняты попытки построить теоретические модели, в которых вопрос интерпретируется как таковые искажения или концентрации пространства -времени, но до сих пор не появилась полностью функциональная теория. Часть сложности заключается в вмешательстве от квантовой механики. Описанная выше картина - это то, что теория относительности показывает нас о вселенной. Он довольно хорошо описывает гравитацию и пространство, но когда дело доходит до материи, особенно в самых маленьких масштабах, его объяснения терпят неудачу.
Давайте теперь посмотрим на то, что другая великая теория - механика квантам - сказать о мире. Несмотря на то, что ему не так много сказать о пространстве или гравитации, он описывает поведение материи с удивительной точностью, вплоть до его самых маленьких строительных блоков: элементарные частицы.
Большинство из нас узнали в школе, что наименьшая единица материи, которая все еще сохраняет свойства химического элемента, является атом. Атомы состоят из ядра, окруженного электронным облаком. Само ядро состоит из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, состоит из кварков. Согласно текущим знаниям, кварки и электроны являются элементарными частицами, что означает, что они не состоят из чего -либо меньшего. Но что именно является элементарной частицей?
В настоящее время мы знаем о четырех фундаментальных взаимодействиях, которые могут действовать между частицами: гравитация, электромагнетизм, слабая ядерная сила и сильная ядерная сила. Любая информация, которую мы получаем о частице, проходит через одно из этих четырех взаимодействий, каждая из которых опосредованной полем.
Представьте себе электрон вместе с полями, которые его окружают. Теперь представьте, что эти поля должны были внезапно исчезнуть. Что будет с электроном? Поскольку мы больше не могли обнаружить это каким -либо образом, это эффективно перестанет существовать. На самом деле, уже есть частицы в природе, которые почти не обнаруживаются - нейтрино, которые взаимодействуют только с помощью слабой силы. Миллиарды из них проходят через землю - и через наши тела - все секунды, не замечая вещи. Даже если бы мы положили стену свинца в один световой год толщиной на их пути, около половины из них все равно пройдут через нетронутые. Обнаружение их требует массивных детекторов нейтрино, где чрезвычайно редкие, слабые вспышки света сигнализируют нейтрино взаимодействие. Эти частицы, в некотором смысле, «едва существуют». Если бы они даже не участвовали в слабом взаимодействии, они перестали бы полностью существовать, для всех практических целей.
А теперь представьте себе наоборот: мы удаляем частицу, но оставляем ее поля нетронутыми. Что -нибудь изменится? Поскольку все наши измерения основаны на взаимодействиях, все равно будет выглядеть так, как если бы частица была там. Если бы мы использовали эти поля для построения атомов, и от них, макроскопические объекты, такие как камень, этот камень будет вести себя как настоящий. Мы могли бы увидеть это, коснуться и измерить. С этой точки зрения, точечные частицы могут вообще не нужны. Мы могли бы так же хорошо рассматривать частицы как области пространства с особыми свойствами.
Эта идея формализована в том, что в настоящее время является наиболее успешной теорией физики:Квантовая теория поля (QFT)Полем Согласно QFT, каждый тип элементарной частицы связан с соответствующим квантовым полем - поле электрона, фотонным полем и т. Д. То, что мы считаем «частицами», на самом деле просто возбуждения в этих областях, и взаимодействие между частицами возникает из -за того, как эти поля влияют друг на друга.
Чтобы визуализировать это, представьте себе поле как поверхность водоема, а частицы как рябь или волны на этой поверхности. Конечно, это не так просто - эти поля квантованы, что означает, что они реагируют только на энергетические входы очень специфического количества. Например, вы можете возбудить электронное поле, только если энергия точно соответствует массе электрона. Меньше, и ничего не происходит. Но примените правильное количество, и появляется «электронная волна».
QFT помогает объяснить много явлений интуитивно. Например, когда встречаются электрон и позитрон (его античастица), на самом деле происходит то, что положительная и отрицательная волна в поле электронов отменяют друг друга. Полученная энергия затем волнует фотонное поле, создавая два фотона.
Квантовая теория поля разрешает знаменитую двойственность квантовой механики с волной, полностью исключая картину частиц. Все волны. Классический двойной эксперимент иллюстрирует это прекрасно.
Когда электрон испускается из источника, то, что на самом деле испускается, является нарушением в поле электронов. Когда он приближается к двум прорезям, волна распространяется и мешает себе. Затем он достигает стены за прорези. Там электронное поле взаимодействует с волновыми схемами электронов в атомах, приготовленных на стене. Происходит случайное взаимодействие, запускающее химическую реакцию - и на экране появляется видимая точка. Поскольку эти взаимодействия похожи на точечные, кажется, в экспериментах, как будто мы имеем дело с частицами. Но, согласно QFT, частиц, как таковых, не существуют - только поля.
В настоящее время QFT предоставляет наиболее точное описание, которое мы имеем в физическом мире, что дает прогнозы, которые соответствуют экспериментам с необычайной точностью. Но есть одна серьезная проблема: она не совместима с общей относительностью. Всепроникающие квантовые поля напоминают эфир 19-го века, как это делает пространственно-временное время, но свойства этих двух «эфиров» в корне различны. Когда мы пытаемся объединить их в единую теорию, возникают противоречия.
Тем не менее, многие физики работают над этим объединением, и появились многочисленные кандидаты - теория стрижки, квантовая гравитация, теория верителей и несколько других.
Прежде чем говорить об этих теориях, стоит представить концепциюПланкские единицы, поскольку почти каждая попытка объединенной теории полагается на нее. Основываясь на принципе неопределенности Гейзенберга и нескольких других физических констант, можно рассчитать наименьшую возможную шкалу длины, при которой информация, даже теоретически, может быть получена. Это известно как длина Планка. Расстояния меньше этого просто не существуют каким -либо физически значимым образом, потому что у нас нет средств обнаружения чего -либо в таких масштабах. Точно так же существует время Планка, наименьшая значимая единица времени.
Это приводит к интригующей идее: возможно, в пространстве-времени есть дискретная или «атомная» структура-или, чтобы использовать более современную аналогию, она состоит из «пикселей» конечного размера. Что делает это понятие особенно захватывающим, так это то, что эти недоступные шкалы становятся своего рода укрытием для нерешенных теоретических проблем. Шкала Планка-для физиков-теоретиков, что эта запертая комната является владельцем красивого, ухоженного дома-места, где все беспорядок и хаос скрыты от взгляда.
Братьтеория струн, например. Он предлагает, чтобы во вселенной имеется только один фундаментальный объект: суперстроление, и ее вибрации определяют, какая частица присутствует. Одна частота соответствует фотону, другому с электроном и так далее. Это необычайно элегантная теория, в которой Вселенная напоминает великую космическую симфонию.
Но есть улов: математика требует не только 3 пространственных измерений, но 9. Конечно, повседневное опыт говорит нам, что мы только воспринимаем 3. Так где же оставшиеся 6 измерений? Ответ заключается в том, что они уплотнены - заполняются в пространства, меньшие, чем длина Планка, поэтому мы не замечаем их. Проблема решена.
Как элегантно или удовлетворяет это решение, конечно, вопрос личного вкуса.
У нас есть все основания полагать, что существует великая единая теория поля - та, которая уменьшит все частицы, все взаимодействия, гравитацию и даже структуру самого пространства до одной базовой структуры. Возможно, эта конечная теория будет основана на среде, похожей на старую концепцию эфира, с свойствами этой среды, определяющей, как ведет себя вся вселенная. Но сейчас такая теория остается недоступной.
Еще один момент, который я хотел бы выделить, - это неточность наших ментальных моделей. Например, звучит привлекательно сравнить квантовые поля с поверхностью водоема, с элементарными частицами в качестве волн, но мы не должны забывать, что это просто метафора и довольно неточная в этом. Квантовая теория поля (QFT) не дает реальных ответов на более глубокие загадки квантовой механики. Он остается нелокальным, и загадочный коллапс волновой функции все еще присутствует.
Правда, вместо того, чтобы волны рухнули в частицы, QFT говорит о точечных взаимодействиях, но остается основной вопрос: что вызывает коллапс и почему это происходит в одном месте, а не в другом? В результате странные интерпретации квантовой механики-такие как гипотеза многих мира или ретрокаузальные эффекты, которые движутся назад во времени-все еще существуют в QFT. Нелокальность также остается: волновая функция запутанной системы частиц может растягиваться по световым годам, только для мгновенного разрушения в одном взаимодействии.
Таким образом, чем глубже мы копаемся в QFT, тем дальше мы уходим от интуитивного изображения ряби на поверхности воды. И если мы действительно хотим ясно видеть вещи, не вводящиеся в заблуждение из -за ошибочных аналогий, у нас останется только один инструмент: математика.
В конечном счете, самая точная модель мира напоминает обширные вычисления. Мы приближаемся к реальности, когда представляем вселенную как гигантский набор состояний, проходящих непрерывные вычисления - в течение всего момента, превращая систему в новое состояние. Чистая информация и обработка. Те, кто резонирует с гипотезой симуляции, могут представить это как настоящий компьютер, созданный кем -то «там», управляющим нашем мире в качестве программы. Другие, которые считают, что мы обитаем одну истинную объективную реальность, могут сказать, что сам мир - это компьютер.
Как бы то ни было, одно можно сказать наверняка: чем глубже мы отправляемся вниз по кроличьей норе, тем больше мы должны противостоять тому факту, что вселенная гораздо более странно, чем мы когда -либо представляли.
Оригинал