Наука и технологии Издание от 28 август 2021 г.

Животът, Вселената и всичко
Физиката търси бъдещето

Чао, чао, малка Сузи

Амъдрата приговорка предлага да не слагате всичките си яйца в една кошница. През последните десетилетия обаче физиците не успяха да следват тази мъдрост. 20 -ти век - и наистина 19 -ти преди него - бяха периоди на триумф за тях. Те трансформираха разбирането за материалната вселена и по този начин способността на хората да манипулират света около тях. Съвременността не би могла да съществува без знанията, спечелени от физиците през тези два века.

В замяна светът им е дал скъпи играчки, с които да си играят. Най-новият от тях, Големият адронен колайдер (lhc ), който заема тунел с обиколка от 27 км близо до Женева и струваше 6 милиарда долара, беше отворен за бизнес през 2008 г. Той бързо намери дълго предсказуема елементарна частица, бозона на Хигс, т.е. махмурлук от изчисления, направени през 60 -те години. След това той се зае с истинската си цел, да търси явление, наречено Суперсиметрия.

Тази теория, създадена през 70-те години на миналия век и накратко известна като Сузи, е всеобхватната кошница, в която доскоро са били поставяни яйцата на физиката на частиците. Само по себе си, това би премахнало много произволни математически предположения, необходими за правилното функциониране на това, което е известно като стандартен модел на физиката на частиците. Но това е и авангардът на по -дълбока хипотеза, теорията на струните, която има за цел да синтезира Стандартния модел с общата теория на относителността на Айнщайн. Теорията на Айнщайн обяснява гравитацията. Стандартният модел обяснява другите три основни сили - електромагнетизма и слабите и силни ядрени сили - и свързаните с тях частици. И двамата описват добре своите конкретни области на реалността. Но те не се свързват заедно. Теорията на струните ще ги свърже и по този начин ще осигури така наречената „теория на всичко“.

Неща, задвижвани от струни

Теорията на струните предполага, че Вселената е съставена от малки обекти, които вибрират по начина на струните на музикален инструмент. Подобно на такива струни, те имат резонансни честоти и хармоници. Тези различни вибрационни режими, твърдят теоретиците на струните, съответстват на различни фундаментални частици. Такива частици включват всички тези, които вече са наблюдавани като част от Стандартния модел, по -нататъшните частици, предвидени от Сюзи, която твърди, че математическата крехкост на Стандартния модел ще изчезне, ако всяка от частиците на този модел има по -тежка „суперсиметрична“ партньорска частица или „ sparticle ”, а също и частици, наречени гравитони, които са необходими, за да обвържат силата на гравитацията във всяка единна теория, но не са предвидени от относителността.

Но, без Сузи, без теория на струните. И 13 години след отварянето на lhc не се появяват никакви частици. Дори два все още необясними резултата, обявени по-рано тази година (един от lhc и един от по-малка машина) не предлагат доказателства, пряко подкрепящи Susy. Поради това много физици се притесняват, че са преследвали дива гъска.

Те имат основателни причини да бъдат нервни. Теорията на струните вече идва с обезпокоителна концептуална цена - тази за добавяне на шест (или в една версия седем) допълнителни измерения към вселената, над и над четирите познати (три от пространството и едно от времето). Той също така описва около 10 500възможни вселени, само една от които съвпада с вселената, в която живеят човешките същества. Приемането на всичко това е достатъчно предизвикателство. Без Сузи обаче теорията на струните става бананова. Броят на балоните с размери до 26. Теорията също губи способността да описва повечето частици от стандартния модел. Това предполага съществуването на странни неща като частици, наречени тахиони, които се движат по -бързо от светлината и по този начин са несъвместими с теорията на относителността. Без Сузи теорията на струните изглежда почти мъртва като теория за всичко. Което, ако е вярно, изчиства полето за теориите без струни за всичко.

Трябва да се признае, че имената на много от тях измъчват английския език. Те включват „причинно -следствена динамична триангуляция“, „асимптотично безопасна гравитация“, „контурна квантова гравитация“ и „амплитуедрова формулировка на квантовата теория“. Но в момента любимото на букмейкърите за обединяване на относителността и стандартния модел е нещо, наречено „ентропична гравитация“.

Ето чудовища

Ентропията е мярка за разстройство на системата. Известно е, че вторият закон на термодинамиката твърди, че той се увеличава с времето (т.е. нещата имат тенденция да стават по -меки с напредването на възрастта). Това, което има отношение към теорията на гравитацията, да не говорим за всичко, може би не е очевидно веднага. Но връзката е черни дупки. Това са обекти, които имат толкова силни гравитационни полета, че дори светлината не може да избяга от тях. Те са предсказани от математиката на общата теория на относителността. И въпреки че Айнщайн остава скептичен относно действителното им съществуване до деня на смъртта си през 1955 г., последващите наблюдения показват, че те наистина са реални. Но те не са черни.

През 1974 г. Стивън Хокинг от университета в Кеймбридж показа, че квантовите ефекти на границата на черна дупка й позволяват да излъчва частици - особено фотони, които са частици на електромагнитно излъчване, включително светлина. Това има особени последици. Фотоните носят лъчиста топлина, така че нещо, което ги излъчва, има температура. От температурата и масата е възможно да се изчисли ентропията на черна дупка. Това има значение, защото когато всички тези променливи са включени в първия закон на термодинамиката, който гласи, че енергията не може да бъде нито създадена, нито унищожена, а само трансформирана от една форма (да речем, топлина) в друга (да речем, механична работа), това, което изскача са уравненията на Айнщайн за обща теория на относителността.

Тази връзка беше открита през 2010 г. от Ерик Верлинде от Амстердамския университет. Има сериозни последици. Законите на термодинамиката разчитат на статистическата механика. Те включват свойства (температура, ентропия и т.н.), които произтичат от вероятностните описания на поведението на участващите частици. Това са също частиците, описани от квантовата механика, математическата теория, която стои в основата на стандартния модел. Това, че уравненията на Айнщайн могат да бъдат пренаписани термодинамично, означава, че пространството и времето също са възникващи свойства на тази по -дълбока микроскопична картина. Съществуващите форми на квантова механика и относителност наистина и двете изглеждат изводими по принцип от някаква по -дълбока теория, която описва основната тъкан на Вселената.

Теорията на струните не е толкова изводима. Низовете не са достатъчно фундаментални обекти. Но ентропичната гравитация твърди, че описва самата природа на пространството и времето - или, използвайки айнщайновата терминология, „пространството -времето“. Той твърди, че това е изтъкано от нишки на „квантово заплитане“, свързващо всяка частица в космоса.

Идеята за квантово заплитане, друго явление, обгърнато от Айнщайн, което се оказа вярно, датира от 1935 г. Това е, че свойствата на два или повече обекта могат да бъдат свързани („заплетени“) по начин, който означава, че те не могат да бъдат описани независимо. Това води до странни ефекти. По -специално, това означава, че две заплетени частици могат да изглеждат да влияят мигновено върху поведението си, дори когато са далеч един от друг. Айнщайн нарече това „призрачно действие от разстояние“, защото изглежда нарушава предпоставката на теорията на относителността, че при скоростта на светлината Вселената има ограничение на скоростта.

Както при черните дупки, Айнщайн не е живял достатъчно дълго, за да види, че се е объркал. Експериментите обаче показаха, че е бил. Заплитането е реално и не нарушава относителността, защото въпреки че влиянието на една частица върху друга може да бъде мигновено, няма начин да се използва ефектът за предаване на информация по-бързо от скоростта на светлината. И през последните пет години Брайън Суингъл от Харвардския университет и Шон Карол от Калифорнийския технологичен институт започнаха да изграждат модели на това, което идеите на д -р Верлинде могат да означават на практика, използвайки идеи от квантовата теория на информацията. Техният подход използва битове квантова информация (така наречените „кубити“), за да застанат на мястото на заплетените частици. Резултатът е прост, но информативен аналог на пространството -време.

Qubits, квантовият еквивалент на класическите битове - тези и нулите, върху които са изградени редовни изчисления - ще бъдат познати на тези, които следват областта на квантовите изчисления. Те са в основата на квантовата теория на информацията. Две свойства отличават кубитите от обикновеното сортиране. Първо, те могат да бъдат поставени в състояние на „суперпозиция“, представляваща едновременно и нула едновременно. Второ, няколко кубита могат да се заплитат. Заедно тези свойства позволяват на квантовите компютри да извършват подвизи като извършване на множество изчисления наведнъж или завършване на определени класове изчисления за разумен период от време, които са трудни или невъзможни за обикновен компютър.

И поради тяхното заплитане кубитите могат също, според д-р Суингъл и д-р Карол, да бъдат използвани като резервни части за това как работи реалността. По -заплетените кубити представляват частици в точки от пространството -времето, които са по -близо един до друг. Досега, тъй като квантовите компютри са в процес на разработка, това моделиране може да се направи само с математическо представяне на кубити. Те обаче изглежда се подчиняват на уравненията на общата теория на относителността. Това подкрепя твърденията на теорията на ентропичната гравитация.

Сложете своя анализатор на пари за опасност

Цялото това моделиране поставя ентропичната гравитация в полюсна позиция, за да замени струните като дълго търсената теория за всичко. Но идеята, че пространството -време е нововъзникващо свойство на Вселената, а не е фундаментално за нея, има тревожни последици. Той замъглява природата на причинно -следствената връзка.

В картината, изградена от ентропийна гравитация, пространството -време е суперпозиция на множество състояния. Именно това замъглява причинно -следствената връзка. Клонът на математиката, който най -добре описва пространството -време, е форма на геометрия, която има четири оси под прав ъгъл една спрямо друга, вместо по -познатите три. Четвъртият представлява времето, така че, подобно на положението на обектите, редът на събитията в пространството -време се определя геометрично. Ако се налагат различни геометрични подредби, както изисква ентропичната гравитация, понякога може да се случи, че твърденията „А причинява В“ и „В причини А“ са верни.

Това не са просто спекулации. През 2016 г. Джулия Рубино от Университета в Бристол, Англия, конструира експеримент, включващ поляризирани фотони и призми, който постигна точно това. Това създава проблеми за онези, които имат старомодни представи за естеството на причинно-следствената връзка.

Въпреки това, Люсиен Харди от Института за периметър в Канада е открил начин да преформулира законите на квантовата механика, за да заобиколи това. Според него причинно -следствената връзка, както обикновено се възприема, е като компресиране на данни в изчисленията: това е концепция, която ви дава повече удар за парите си. С малко информация за настоящето причинно -следствената връзка може да заключи много за бъдещето - компресиране на количеството информация, необходимо за улавяне на детайлите на физическата система във времето.

Но причинно -следствената връзка, смята д -р Харди, може да не е единственият начин да се опишат такива взаимовръзки. Вместо това той е изобретил общ метод за изграждане на описания на моделите в корелации от нулата. Този метод, който той нарича „каузалоидна рамка“, има тенденция да възпроизвежда причинно -следствена връзка, но не го приема и той го е използвал, за да преформулира както квантовата теория (през 2005 г.), така и общата теория на относителността (през 2016 г.). Каузалоидната математика не е теория за всичко. Но има голям шанс, че ако и когато бъде открита такава теория, ще са необходими каузалоидни принципи за нейното описание, точно както общата теория на относителността се нуждаеше от геометрия от четири измерения, за да опише пространството -времето.

Амплитудна модулация

Ентропичната гравитация има много тежка концептуална работа, за да я подкрепи. Но това не е единственият кандидат за замяна на струнната теория. Други, които се стремят към внимание, включват стар конкурент, наречен контурна квантова гравитация, първоначално предложен през 1994 г. от Карло Ровели, след това в Университета в Питсбърг, и Лий Смолин от Института по периметъра. Тази и причинно -следствена динамична триангулация, по -нова, но подобна идея, предполагат, че пространството -време не е гладката тъкан, твърдяна от общата теория на относителността, а по -скоро има структура - или елементарни бримки, или триъгълници, според коя от двете теории, които поддържате .

Трети вариант, асимптотично безопасна гравитация, се връща още през 1976 г. Той е предложен от Стивън Вайнберг, един от главните архитекти на Стандартния модел. Естествен начин за разработване на теория за квантовата гравитация е добавянето на гравитони към модела. За съжаление, този подход не стигна доникъде, защото когато взаимодействията на тези предполагаеми частици бяха изчислени при по -високи енергии, математиката изглеждаше безсмислена. Въпреки това, Вайнберг, който почина през юли, твърди, че този очевиден срив ще отмине (според математиката изчисленията ще бъдат „асимптотично безопасни“), ако се използват достатъчно мощни машини за изчисляване. И с неотдавнашното появяване на суперкомпютри с такава мощ, изглежда от първите резултати, сякаш може би е бил прав.

Един от най -интригуващите конкуренти на ентропичната гравитация обаче е амплитуедровата формулировка на квантовата теория. Това беше въведено през 2013 г. от Нима Аркани-Хамед от Института за напреднали изследвания в Принстън и Ярослав Трънка от Калифорнийския университет, Дейвис. Те са открили клас геометрични структури, наречени амплитуедри, всеки от които кодира детайлите на възможно квантово взаимодействие. Това от своя страна са аспекти на „главен“ амплитуедър, който кодира всеки възможен вид физически процес. По този начин е възможно да се преформулира цялата квантова теория по отношение на амплитуедъра.

Повечето опити за теория на всичко се опитват да впишат гравитацията, която Айнщайн описва геометрично, в квантовата теория, която не разчита на геометрията по този начин. Подходът на амплитуедъра прави обратното, като предполага, че квантовата теория всъщност е дълбоко геометрична. Още по -добре, амплитуедърът не се основава на представи за пространство -време или дори на статистическа механика. Вместо това тези идеи възникват естествено от него. Така че, докато подходът на амплитуедъра все още не предлага пълна теория на квантовата гравитация, той отвори интригуващ път, който може да доведе до такъв.

Това пространство, време и дори причинно -следствена връзка са по -скоро възникващи, отколкото фундаментални свойства на космоса са радикални идеи. Но това е точката. Общата теория на относителността и квантовата механика, революциите във физиката на 20 -ти век, се разглеждат като дълбоки именно защото отхвърлят здравия разум. Приемането на относителността означава изоставяне на универсалната представа за време и пространство. Да приемаш квантовата механика сериозно означаваше да се запознаеш с идеи като заплитане и суперпозиция. Приемането на ентропична гравитация или нейните алтернативи ще изисква подобни подвизи на въображението.

Никоя теория обаче не струва дяволски без данни. В крайна сметка това е проблемът със суперсиметрията. Работете като насоките на д -р Рубино. Но нещо от лабораторията по физика на частиците също би било добре дошло. И въпреки че значението им е неясно, през последните няколко месеца наистина се наблюдават две експериментално предизвикани пукнатини в Стандартния модел.

На 23 март екип от cern , организацията, която управлява lhc , съобщи за неочаквана разлика в поведението между електрони и техните по -тежки братовчеди, мюони. Тези частици се различават една от друга без познати свойства, освен с техните маси, така че Стандартният модел предвижда, че когато други частици се разпаднат в тях, двете трябва да бъдат произведени в равни количества. Но това изглежда не е вярно. Междинните резултати от lhc предполагат, че вид частица, наречена b-meson е по -вероятно да се разпадне в електрон, отколкото в мюон. Това предполага, че все още неописана фундаментална сила липсва в Стандартния модел. Тогава, на 7 април, Фермилаб, най-голямото американско съоръжение по физика на частиците, обяви междинните резултати от своя собствен мюонен експеримент, Muon g-2.

В квантовия свят няма такова нещо като перфектен вакуум. Вместо това, пяна от частици постоянно се появява и излиза от съществуването навсякъде в пространството -времето. Това са „виртуални“, а не „реални“ частици - тоест те са преходни колебания, които възникват направо от квантовата несигурност. Но въпреки че са краткотрайни, през кратките периоди от съществуването си те все още имат време да взаимодействат с по-постоянни видове материя. Те са например източникът на радиацията на черните дупки, предвидена от Хокинг.

Силните страни на техните взаимодействия с видове материя, по-конвенционални от черните дупки, се предвиждат от Стандартния модел и за да се тестват тези прогнози, Muon g-2 изстрелва мюони в кръгове около мощен свръхпроводящ пръстен с магнитно съхранение. Квантовата пяна променя начина, по който мюоните се клатят, което детекторите могат да улавят с невероятна прецизност. Експериментът Muon g-2 предполага, че взаимодействията, причиняващи тези колебания, са малко по-силни, отколкото предвижда Стандартният модел. Ако бъде потвърдено, това би означавало, че в модела липсват една или повече елементарни частици.

Пукнатини на зората

Има малък шанс това да са отсъстващите частици. Ако е така, привържениците на суперсиметрията ще се смеят последно. Но нищо не сочи в тази посока и тъй като досега не успяха да устоят на идеите си, те мълчат разумно.

Каквито и да са причините за тези два резултата, те показват, че има нещо, което установените обяснения не могат да обяснят. По същия начин необясними аномалии бяха отправна точка както за квантовата теория, така и за относителността. Следователно изглежда възможно това, което изглеждаше като един от най -мрачните периоди на физиката, скоро да се проясни в нова сутрин. ■

Тази статия се появи в раздела „Наука и технологии“ на печатното издание под заглавието „Чао, чао, малка Сузи“