Преосмисляне на реалността: Дали цялата Вселена не е един-единствен квантов обект?

Ваня Милева Последна промяна на 11 юли 2023 в 00:01 27116 0

Илюстрация на концепцията за квантова суперпозиция или квантово вплитане. Суперпозицията е способността на една квантова система да се намира в няколко състояния едновременно, докато не бъде измерена. Квантовото вплитане е физическо явление, което възникв

Кредит Public Domain Pictures

Илюстрация на концепцията за квантова суперпозиция или квантово вплитане. Суперпозицията е способността на една квантова система да се намира в няколко състояния едновременно, докато не бъде измерена. Квантовото вплитане е физическо явление, което възниква, когато двойки или групи частици се генерират или взаимодействат по такъв начин, че квантовото състояние на всяка частица не може да бъде описано независимо.

С оглед на новите доказателства физиците започват да разглеждат космоса не като съставен от различни слоеве, а като квантово цяло, свързано чрез квантово вплитане.

Представете си, че можете да виждате през предмети от ежедневието до нещата, от които са направени. Ако увеличите изображението на един стол, например, ще видите, че той е изграден от атоми. Приближавате се отново и ще видите, че тези атоми съдържат субатомни частици, наречени протони, неутрони и електрони. Ако увеличите още повече, ще видите, че протоните и неутроните са съставени от кварки.

Това са слоевете на реалността и това е начинът, по който физиците разбират Вселената: като разделят всичко на съставните му части - подход, известен като редукционизъм.

"Като физик на елементарните частици съм израснал с тази философия. Тя е извела физиката през дълъг път - все пак така сме изградили сегашната си представа за материята и нейното функциониране. Но сега, когато по-нататъшният напредък е в застой, съм убеден, че трябва да подходим по различен начин", заявява в статия за New Scientist професорът по теоретична физика Хайнрих Пас (Heinrich Päs) отб Техническия университет в Дортмунд, който работи и в областта на космологията и не се страхува да си задава големите въпроси на Вселената..

"Мисля, че вместо да се приближаваме все повече навътре, трябва да се отдалечим. По този начин можем да видим, че всичко, което съществува, включително такива привидно фундаментални неща като пространството и времето, са фрагменти от едно единно цяло. Това може да звучи като философия или мистицизъм, но всъщност е пряк резултат от прилагането на квантовата механика към целия космос. Когато направите това, ще разберете, че Вселената в основата си изобщо не е съставена от отделни части, а е единен квантов обект", продължава Хайнрих Пас.

Това е радикална идея, която тепърва започваме да проверяваме експериментално. Но ако тя е вярна, може да помогне за разрешаването на някои от най-загадъчните мистерии във физиката и да промени начина, по който мислим за Вселената.

В продължение на почти един век физиците, които се опитват да разберат най-фундаменталните слоеве на реалността, неволно описват системи, без да знаят какво се случва вътре в тях. През 30-те години на ХХ век, когато Енрико Ферми разбрал как неутронът се разпада на протон и изхвърля електрон - известно като бета разпад - той го направил само като взел предвид участващите електрони, протони и неутрони. Едва десетилетия по-късно, когато физиците откриват междинна частица, наречена W-бозон, те осъзнават, че съществува по-дълбок слой от взаимодействия, които се проявяват в по-дребни мащаби.

Смяна на сърцето на експеримента CMS - пикселният детектор, част2 Дата: 07-03-2017 Тази седмица един от експериментите на Големия адронен колайдер получава "трансплантация на сърце". Физици и инженери заменят сърцето на CMS - пикселния #детектор. Това ще подобри способността на CMS да прави прецизни измервания на аспекти на Стандартния модел, включително свойствата на #ХигсБозона. В момента #LHC и неговите експерименти се подготвят да се събудят тази пролет, когато ускорителят ще започне отново да сблъсква частици със скорост, близка до тази на светлината.Недостигът на открития в LHC предизвика криза. Кредит: Brice, Maximilien/Cern

От днешна гледна точка описанието на Ферми е първообраз на т. нар. ефективна теория на полето (EFT) - математическа рамка, която ни позволява да разделим реалността на различни по големина мащаби и да ги анализираме поотделно. По този начин физиката се държи като набор от кукли матрьошки, при които можете да разучите външната кукла, без да знаете нищо за куклите вътре.

Ефективна теория на полето

EFT се нарича всяка работа, в която се използва тази идея. Винаги, когато физиците искат да опишат ефекти отвъд установена, но непълна теория, без да уточняват каква е новата физика, те използват EFT.

"Всичко е EFT", отбелязва Клиф Бърджис (Cliff Burgess), физик от Университета Макмастър в Хамилтън, Канада, който е написал книга за този подход.

Решаваща за EFT е концепцията, че различните мащаби на Вселената съответстват на различни енергии. На най-големите разстояния се намират най-ниските енергии, докато най-малките части на реалността са свързани с най-високите енергии. Ферми не е разполагал с ускорител на частици като Големия адронен колайдер (LHC), така че не е могъл да достигне високите енергии, необходими за разкриване на по-малките мащаби на реалността на W бозона.

Таблица на фундаменталните взаимодействия

Фундаментални взаимодействия и сегашни теории за тяхКалибро-въчни БозониЧастици, участващи във взаимодействието (примери)Време (s)Радиус (обхват) (м)Относи-телна сила
фундаменталните взаимодействия Квантова хромодинамика (QCD)фундаменталните взаимодействия Кварки (адрони) фундаменталните взаимодействия 10-23 10-15 1038
фундаменталните взаимодействия Квантова електродинамика (QED)фундаменталните взаимодействия Заредените частици фундаменталните взаимодействия 10-23 ÷1016 1036
фундаменталните взаимодействияТеория на електрослабите взаимодействияфундаменталните взаимодействия Всички частицифундаменталните взаимодействия 10-12 10-18 1025
фундаменталните взаимодействияОбща теория на относителността (ОТО)фундаменталните взаимодействия Всички частицифундаменталните взаимодействия 1

Гравитонът е хипотетична елементарна частица, която не е включена в Стандартния модел, но ако съществува, би трябвало да бъде калибровъчна.

Илюстрациите са от: ETH Zurich, Institute for Particle Physics, превод Наука ОFFNews

Все пак описанието на Ферми работи добре за ядрената физика и е приближение на една още по-добра, по-фундаментална теория: Стандартният модел на физиката на елементарните частици, нашата най-добра представа за материята и нейното функциониране. Сега знаем, че Стандартният модел също е непълен, тъй като не включва гравитация, частица за загадъчната тъмна материя на Вселената или механизъм за генериране на объркващите маси на субатомните частици, наречени неутрино. Когато това става ясно, физиците осъзнават, че самият Стандартен модел също е EFT.

Отрицателна масаСхема: quantumdiaries Почти цялата енергия във Велената около 70% е много странно вещество, "тъмна енергия", а 25-27% е тъмна материя, а само останалите нищожни 5% са известните частици. За частиците на тъмната материя нищо не се знае с изключение на това, че се движат с ниска скорост и почти не взаимодействат с обикновената материя и лъчение.

При цялото удобство, което предоставят, EFT може би скриват по-вярно разбиране за Вселената. Това е така, защото те създават проблеми. Един от тях, за който теоретиците на елементарните частици се тревожат от години, е свързан с Хигс бозона - частицата, която придава маса на кварките и електроните. В теории като стандартния модел частиците могат временно да се променят в краткотрайни частици, известни като виртуални частици, само за да се разпаднат бързо обратно в първоначалната частица. По силата на квантовата механика, правилата, които управляват света на частиците, тези флуктуации допринасят за масата на частицата. Степента на този принос зависи от най-високата енергия, която виртуалните частици могат да имат.

Важно е да се отбележи, че определянето на приноса към масата на частицата зависи от границите на енергията, в които се прилага Стандартният модел - или от размера на матрьошката. Доколкото ни е известно, горната граница на енергията е скалата на Планк, най-малката съществуваща скала и точката, в която гравитационните ефекти стават важни и Стандартният модел трябва да бъде заменен с нещо, което обединява гравитацията и квантовата механика. Според тази идея се очаква масата на Хигс бозона да се определя от скалата на Планк. Но прогнозата е 17 порядъка по-голяма от действителната маса, която е измерена, когато в крайна сметка частицата е открита в LHC.

Единственият начин да се заобиколи тази главоблъсканица е да се приеме, че напълно несвързаните приноси към масата на Хигс от мимолетни виртуални частици просто така се случва, че почти напълно се унищожават взаимно. Това налага условията, които наблюдаваме в нашата Вселена, да са толкова малко вероятни, колкото и балансирането на молив на върха му. Това е известно като проблем на фината настройка.


За да осмислят Вселената, физиците разделят реалността подобно на матрьошка.За да осмислят Вселената, физиците разделят реалността подобно на матрьошка. Кредит: Wikimedia Commons

Подобна главоблъсканица се появява и в космологията. Този пъзел е свързан с тъмната енергия - мистериозната сила, която задвижва ускореното разширяване на Вселената. Смята се, че разширяването се дължи на енергията, която се съхранява във вакуума на пространството. Но тук наблюдаваната от учените реалност се различава още повече от прогнозата: стойността на измерваната от тях енергия на вакуума е на около 30 порядъка твърде малка.

Физиката на елементарните частици в криза

Направени са някои опити за решаване на тези две загадки. Подходът, известен като суперсиметрия, например предвижда нови частици, които отменят квантовите флуктуации, произвеждани от частиците на Стандартния модел. Алтернативно решение включва допълнителни измерения на пространство-времето. Тази идея - предложена от Нима Аркани-Хамед, понастоящем в Института за напреднали изследвания в Принстън, Ню Джърси, и неговите колеги - гласи, че гравитацията може да изтича в тези допълнителни измерения, което я прави да изглежда по-слаба, отколкото е всъщност. Моделите, основани на тази идея, предвиждат по-ниска скала на Планк, което означава по-малка маса на Хигс. Допълнителните измерения са невидими, тъй като са нагънати толкова плътно, че досега са избегнали експерименталното им откриване.

Както суперсиметрията, така и идеята за допълнителните измерения предсказват откриването на нова физика в LHC под формата на нови суперсиметрични частици или възбуждания в квантови полета, които биха се движили около нагънатите измерения. Досега обаче LHC е открил Хигс бозона и нищо друго. Възможните решения на проблема с фината настройка сами по себе си стават все по-фино настроени, тъй като LHC продължава да изключва възможностите да се скрият.

Квантови клетки според М-теорията. Илюстрация: String Theories

Накратко, физиката на елементарните частици е в криза.

"Ето защо малка група теоретици, сред които съм и аз, наскоро започна да изследва друг, радикален подход - такъв, който предлага алтернатива на редукционизма, какъвто го познаваме. Вместо да се разглеждат поотделно различните енергийни мащаби на Вселената, той ги третира така, сякаш всички те имат някакво отношение един към друг", разказва проф. Хайнрих Пас.

За да се разбере как работи това, трябва да се разгледа една аналогия, използвана от физиците, която се позовава на границите, където цветовете на дъгата стават невидими. При най-високите енергии, а следователно и при най-малките размери, отвъд виолетовия цвят в дъгата се намира това, което наричаме ултравиолетово (UV). При най-ниските енергии и най-големите размери се намира това, което наричаме инфрачервен цвят (IR). Между двете, във видимата част на дъгата, се намира областта, в която работи Стандартният модел.

От известно време е общоприето, че моделът престава да работи при безкрайно малките размери и високите енергии на скалата на Планк. Това е така наречената ултравиолетова област, където биха се проявили ефектите на квантовата гравитация. Но в края на 90-те години на ХХ век Андрю Коен (Andrew Cohen) от Бостънския университет в Масачузетс заедно с Дейвид Каплан (David Kaplan) и Ан Нелсън (Ann Nelson), тогава във Вашингтонския университет в Сиатъл, се замислят дали има граница и при много големите разстояния или ниските енергии, които наричаме инфрачервена област.

Докато изучават черните дупки, Коен и колегите му изчисляват, че има максимална дължина или минимална енергия, при която Стандартният модел престава да бъде валиден. Отвъд нея гравитацията взема връх. Може да изглежда интуитивно, че ако има долна граница, трябва да има и горна. Но изключително важното е, че изследователите откриват, че тези привидно несвързани граници не са независими една от друга. С други думи, физиката в тези изключително различни енергийни мащаби изглежда е свързана - явление, наречено UV/IR смесване.

Изчисленията не предлагат конкретни стойности за нискоенергийната граница. Затова Коен и неговите сътрудници изпробват най-големия мащаб, за който могат да се сетят: радиусът на наблюдаемата Вселена. В още един завладяващ обрат се оказало, че съответстващата на това инфрачервено прекъсване UV границата е точно стойността на минималната енергия на тъмната енергия на Вселената - все пак не е мащаба на Планк. Ако виртуалните частици, допринасящи за тъмната енергия, спазват тази граница, това би могло да обясни защо тези ефекти не довеждат тъмната енергия до абсурдно големи стойности.

Дълго време никой не е обръщал особено внимание на този резултат. Повечето хора са били насочени към суперсиметрията и нейната способност да разреши проблема с частицата на Хигс. Но напоследък кризата във физиката става все по-очевидна, тъй като много потенциални решения на проблема с фината настройка отпадат. В резултат на това прозренията на Коен и неговите колеги се радват на огромен интерес от страна на теоретици като професор Хайнрих Пас.

"Започнах да се чудя: ако смесването на ултравиолетовите и инфрачервените лъчи може да помогне за решаването на проблема с тъмната енергия, може ли то да помогне и за решаването на втория голям проблем във фундаменталната физика, а именно непоносимата лекота на Хигс?", споделя професор Хайнрих Пас.

За да отговорим на този въпрос, Том Кефарт (Tom Kephart) от Университета Вандербилт в Тенеси и Хайнрих Пас първо се опитват да определят каква може да бъде границата на инфрачервения спектър за Хигс бозона въз основа на ограниченото време на живот на частицата. Те определят ултравиолетова граница, която е с 11 порядъка по-ниска от скалата на Планк.

'Тя е по-добра от тази, която имахме, но все пак е милион пъти твърде голяма за масата на Хигс, която наблюдаваме", казва Пас.

Добавянето на допълнителни измерения би могло да реши проблема изцяло.

През последните години теоретици като мен са опитвали няколко други начина за решаване на проблема с Хигс, като са използвали варианти на смесване на ултравиолетовите и инфрачервените лъчи - всеки от тях идва от различен аспект. Някои от тях, като този на Пас и екипа му, черпят вдъхновение от работата на Коен и колегите му върху черните дупки. Други се пораждат от теорията на струните, която предполага, че всичко е съставено от невероятно малки струни. Нито един от досегашните опити не е подкрепен с експериментални доказателства, но те могат да ни помогнат да се направи крачка в правилната посока. Няколко от тях дори посочват едно фундаментално свойство на основната реалност, което може да е причина за това смесване, с големи последици за начина, по който виждаме Вселената.

Квантовото вплитане

Квантовото вплитане обикновено се описва като поразителна корелация между квантови обекти. Ако се подготвят две частици по определен начин, измерването на едната веднага фиксира другата, независимо от разстоянието между тях. Но тези корелации могат да се разглеждат като доказателство за факта, че вплетените квантови системи не могат да се разбират като съставени от части: те са едно и също нещо. Точно както тази неделимост свързва отдалечени частици, тя може да свързва и квантови ефекти при различни енергии. С други думи, квантовото вплитане би могло да бъде причина ултравиолетовите и инфрачервените мащаби на Вселената да изглеждат като разговарящи помежду си.

Млечният път над Glenfield Homestead - Northam, Западна Австралия. Кредит: Flickr/Trevor Dobson. (CC BY-NC-ND 2.0)

С напредването нагоре по скалата на размерите и надолу по енергията, ефектите на по-ниските енергии биха могли да бъдат прекъснати чрез процес, наречен декохерентност. Това добре разбрано квантово явление прикрива вплитането от окото на локалния наблюдател. То е причината да не изпитваме квантови странности в ежедневието си.

В някои работи е открита връзка между вплитането и смесването на ултравиолетовите и инфрачервените лъчи, но границите в изследването на Коен и колегите му са породени от гравитацията, а не от вплитането. Вълнуващо е, че неотдавнашната работа на водещи изследователи в областта на теорията на струните предлага решение: като предполага, че самата гравитация може да е вплетеност под прикритие.

"Това е смела идея, но подозирам, че вплитането причинява смесване на UV/IR. Ако това е така, има огромни последици за разбирането на реалността в нейната най-фундаментална част. Ако вплитането може да се приложи към целия космос, тогава вместо всичко да е съставено от все по-малки и по-малки парчета, то би превърнало Вселената в "единна, неделима единица", по думите на квантовия пионер Дейвид Бом. Всички съществуващи обекти ще бъдат кодирани в универсална вълнова функция - математическа единица, която описва едно-единствено вплетено състояние", обяснява проф. Пас.

Скоро ще разберем дали това отговаря на реалността. Коен и неговите сътрудници предполагат, че смесването на ултравиолетовите и инфрачервените лъчи ще повлияе на взаимодействието на електроните или субатомните частици, наречени мюони, с електромагнитните полета, което ще се прояви като несъответствие между предсказанията на Стандартния модел и измерванията. Феноменът може да се прояви и в други процеси.

Един от примерите, които Хайнрих Пас и неговите колеги изследват в момента, е свързан с масите на неутриното. За разлика от всички останали частици, според някои модели почти несъществуващите маси на неуловимите неутрино могат да бъдат изцяло генерирани от виртуални частици. Това означава, че те би трябвало да са по-чувствителни от другите частици към всякакви ефекти на смесване на ултравиолетовите и инфрачервените лъчи.

"Ако наистина открием доказателства в подкрепа на тази идея, това ще промени драматично начина, по който си представяме космоса. Това би означавало, че можем не само да видим света в песъчинка, както е казал поетът Уилям Блейк, но и буквално да видим цялата Вселена в нейните най-малки частици. Макар че това може да звучи просто като различен начин за работа с физиката, то е много повече от това. Вярвам, че сме на път към напълно ново разбиране за това как е устроена Вселената", зааключава проф. Пас.

Справка: Radiative neutrino masses and the Cohen-Kaplan-Nelson bound
Patrick Adolf, Martin Hirsch, Heinrich Päs https://arxiv.org/abs/2306.15313 

Източник: Rethinking reality: Is the entire universe a single quantum object?, Heinrich Päs, New Scientist 

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !