11 декември 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Надникнете в бъдещето, за да разберете миналото

Алтернативна на Нютоновата представа за света обещава да обясни странностите на квантовата физика

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 13 август 2016 в 11:42212682
Картина на полският сюрреалист Яцек Йерка.

Според физиката нашата представа за времето е погрешна. В общата теория на относителността на Айнщайн няма разлика между минало и бъдеще, да не говорим за понятието "сега". Също така, няма посока, в която "тече" времето. Вместо това пространството и времето просто съществуват в някаква четиримерна структура. Освен това, всички основни закони на физиката работят по един и същи начин както напред във времето, така и назад. (вж "Стрелата на времето").

Тези факти са трудни за приемане, тъй като противоречат на субективното ни възприятие на времето. Но те не са лесни за възприемане дори от физиците. Макар те често да говорят за симетрията на времето, винаги търсят причините за явленията само в миналото, а не в бъдещето.

Кен Уортън (Ken Wharton) и Хю Прайс (Huw Price) на страниците на Nautilus се опитват да ни обяснят как бъдещето може да определи миналото.

Точно както закрепването на краищата на китарната струна определя как да вибрира, далечното минало и далечното бъдеще на Вселената може да управлява това, което се случва днес. Източник: Giphy / starsinasyringe.tumblr.com

Опитвайки се да намерим обяснения на явленията, повечето от нас мислят в термини, определени от Исак Нютон преди повече от 300 години. Тази "Нютонова механика" приема миналото като основа и го използва, за да реши бъдещето, обяснява нашата Вселена стъпка по стъпка. Някои изследователи дори мислят за Вселената като изход на компютърна програма. Тази картина е естествено следствие от тази схема. Въпреки че нашият възглед за времето се е променило драстично през миналия век, Нютоновата схема някак остава като най-популярната физическа рамка.

Но прилагайки старата Нютонова система на мислене към новите квантови явления, се оказваме в ситуация да нямаме добри обяснения за каквото и да е от тях. Ако тези явления изглеждат необясними, може би ние мислим за тях по грешен начин. Много по-добри обяснения изплуват, ако сме готови да вземем предвид както миналото, така и бъдещето.

Но Нютоновата механика поначало е неспособна да обясни такива извънвременни неща. Компютърните програми се изпълняват в една посока и опитите да се съчетаят две програми, работещи в противоположни посоки, водят до тресавище от парадокси, характерни за лошо замислен филм за пътуване във времето. За да се види бъдещето със същата сериозност, както миналото, явно ни е нужна алтернатива на  Нютоновата схема.

И ние имаме такава. Повечето физици са добре запознати с друга рамка, алтернатива, в която пространството и времето се анализират по-безпристрастно. Тази т. нар. механика на Лагранж, която също има стари корени и се превърна в основен инструмент във всяка област на фундаменталната физика. Но дори и у физиците, които редовно използват този подход, има съпротива на последната очевидна стъпка - да приемат Лагранжовата механика не само като математически трик, а като начин да се обясни света.

*Луи Лагранж, френски математик от 18-ти век, успява да формулира уравнение, което с успех се използва и в съвременните теории във физиката. То се основава на принципа на най-малкото действие и описва динамиката на една механична система в най-обща форма, използвайки обобщени координати и импулси.

За всяка механичната система може да се изгради една функция, наречена лагранжиан или функция на Лагранж. Ако се минимизира нейния интеграл (съгласно принципа на най-малкото действие), това би дало прогнозата за поведението на системата, например – в класическата механика – траекторията на движещия се обект. В квантовата механика, понятието “траектория” няма смисъл, но концепцията на лагранжиана е запазена и може да се използва за предсказване на поведението на вълновите функции на частиците.

Механиката на Лагранж не само позволява да се дават обяснения на базата на бъдещето. Тя ги изисква. Като разглежда миналото и бъдещето по един и същи начин, този механизъм избягва парадоксите и прави възможни нови методи за обяснение. И това може да бъде гледната точка, от която физиката се нуждае за следващия си голям пробив.

"Стрелата на времето". Картина на Vladimir Kush

Първата стъпка към разбирането на механиката на Лагранж е напълно да се изключи темпоралния "поток" на Нютоновото мислене. По-лесно е да се направи, като се гледа на пространствено-времеви региони холистично: като се гледа на цялото време едновременно, а не като последователни кадри на филм. Можем да си представим пространство-времето като фиксирани четириизмерни структури, не само с пространствени, но също така и времеви рамки - началната и крайната граница на региона.

Цялата класическа физика, от електричество на черни дупки, може да се изрази чрез простия Лагранжов принцип за минимизация на действието. За да се използва за интервал от пространство-времето, първо трябва да се опишат ограниченията на физическите параметри по цялото протежение на интервала. След това за всеки набор от възможни събития в тази рамка, може да се изчисли стойност, наречена  "действие". Наборът от събития с най-ниската стойност на действието е този, който ще се случи, като се имат предвид началните ограничения и няколко технически уговорки.

Трудно е да се приеме, че събитията могат да бъдат обяснени с това, което става в бъдеще.

Например, за лъч светлина, пътуващ от точка А до точка B, действието съответства на продължителността на времето за пътуване. Пътят ще бъде най-бързият като се вземат предвид преградите. Ако се разсъждава така, то светлинният лъч се пречупва върху стъклена повърхност, за да минимизира времето за пътуване. В квантовата физика механиката на Лагранж работи малко по-различно и води до вероятности, а не до точен отговор, но същността е една и съща: ограниченията на пространство-време се налагат едновременно.

Как пречупването на светлината може да се подчинява на принципа на "най-малкото действие"? Да сравним пътуването на светлината със спасител, който бърза да спаси някой удавяне в морето. Очевидният начин е да се отправи направо към давещия се човек. Но спасител може да се движи много по-бързо на плажа, отколкото във водата. Затова най-бързо ще стигне като измине по-дълъг път по пясъка (плътната линия). По същия начин, светлинният лъч може да намали времето си пътуване, като прекара по-дълго време във въздуха и по-малко време в стъклото. Ъгълът, който свежда до минимум времето за пътуване е този, който реално се получава. Когато Ричард Файнман, вдъхновен от принципа на най-малкото действие, представи квантовата електродинамика (QED), теорията, която блестящо описва взаимодействието на светлината и материята, той не си представя точно един "оптимален" път, а всеки възможен път на частиците от Aдо точка B. В сърцето на QED е идеята, че може да определим поведението на частиците като сума от всяка една възможна траектория, съчетана с вероятността да се случи тази траектория.

В Нютоновата логика това е странно. Светлинният лъч в точка A по някакъв начин предвижда бъдещето (за точка B и бъдещите препятствия), има огромна изчислителна способност (за изследване на различните траектории), и знания (за да изберете най-малката) .Но тази странност е само доказателство, че Нютонововото и Лагранжовото мислене не се смесват - и че може би не трябва да се приписват човешки черти на светлината.

Вместо да обяснява събитията само въз основа на миналото, Механиката на Лагранж започва с общите гранични ограничения - включително и крайната граница. Ако не наложите крайната граница - за светлинния лъч това е точка B - този подход няма да даде правилния отговор. Но когато се използват правилно, успехът на математиката доказва логическия приоритет на граничните ограничения - границата на всяка област на пространство-времето, обяснява съдържанието му.

Лагранжовият подход осигурява най-елегантното и гъвкаво обяснение на физиката, и физиците често го предпочитат. И все пак, въпреки широкото приложение на тези принципи, дори физиците, които ги използват не ги приемат буквално.

Трудно е да се приеме, но събитията може да се обяснят с това, което става в бъдеще. Нали в края на краищата, има очевидни различия между минало и бъдеще. Като се има предвид, че виждаме такава очевидна стрела на времето, как може бъдещите граници да влияят на ставащото точно толкова, колкото миналите такива?

Но има начин да се съчетае механиката на Лагранж с нашия ежедневен опит с причинно-следствените връзки. Ние просто трябва да мислим достатъчно широко, без да забравяме детайлите.


Във физиката времето е обратимо. Ако прожекторът осветява статуята, може също така да се каже, че статуята осветява прожектора. Обикновено ние не правим това, защото нарушава нашите очаквания за значението на думата "обяснение".

Например, може да снимате статуята със светкавица. Всеки лъч светлина се подчинява на принципа на най-малкото действие, което дава идеално симетричен във времето път. Но взети заедно те показват очевидна асиметрия: всички начални ограничения A са струпани заедно в светкавицата, докато крайните граници B са разпределени по статуята. Освен това е съвършено ясно, че разпространението на светлината от Aслужи много по-добро за обяснение на осветяването на B отколкото обратното. Дори ако разгледане пътищата на лъчите в обратна посока, никой не може да твърди, че светлината се концентрира в светкавицата, защото на сложното разпределение на светлината върху статуята.

Урокът тук е, че задоволителните обяснения представляват сложни събития от гледна точка на прости дадености. Те вземат един-единствен факт, само с няколко важни параметри, за да обяснят множество събития. Това е ясно, без значение коя схема се използва.

Но тази асиметрия на A и B не е опровержение на Лагранжовата гледна точка, която просто казва, че A и B заедно най-добре могат да обяснят подробностите за това, което се случва между тях. Дори в механиката на Лагранж A и B зависят една от друга. За да се проследи връзката им, трябва да погледнем по-широко. Според принципа на ограниченията на механиката на Лагранж, обясненията не се нареждат във верига. С други думи, ние не казваме, че събитие A води до събитие B, което води до събитието С. Вместо това, ние работим с малка област от пространство-времето в неговата цялост; след това го разглеждаме като част от по-голяма област (в пространството и времето). Прилагайки същата Лагранжова логика, ние ще получим, че по-големите граници трябва да обяснят всичко във вътрешността им, включително първоначалните граници.

Ако бъдещето може да ограничи миналото, защо последствията са ограничени до квантово ниво?

Ако изпълним тази процедура за примера на статуята, откриваме същата асиметрия на прожектора и статуята в по-големи мащаби. Това означава, че ни удовлетворява обяснение за светкавицата на фотоапарата в миналото, но не обясняваме осветяването на статуята, поглеждайки в бъдещето. След това заключваме тази система в още по-голяма система, и така нататък, докато не стигнем ​​чак до космологичните граници - външните граници на цялата ни Вселена. Доколкото ни е известно, същата асиметрията се наблюдава и в такива мащаби: един необичайно гладко разпределение на материята близо до Големия взрив и по-неравномерно разпределение в бъдеще.


Ако разглеждаме обикновените области на пространство-времето от Лагранжова гледна точка, фактът, че началните граници (светлинните лъчи, идващи от прожектора) по-лесно от крайните (осветената статуя) доказват, че нашата непосредствена космологична граница е миналото. Тази последователност подсказва, че в сравнимо бъдеще не съществуват съответните космологични граници. И ако приемем Големия взрив като най-доброто обяснение на очевидните свойства на Вселената, очевидната посока на течението на времето не се различава от пространствения температурен градиент, който чувствате, когато стоите в студена кутия. В нито един от тези случаи, пространството или времето няма да бъдат асиметрична; това е просто въпрос на позиция по отношение на най-близката граница.


В класическите мащаби, с които обикновено се сблъскваме, няма да получим нова информация от бъдещите граници в сравнение с границата в миналото. Ако това бе така във всички мащаби, Механиката на Лагранж би имала проблем, защото бъдещата граница не би повлияла на нищо. Но това няма да е така, ако слезем до нивото на квантовата неопределеност: детайлите на бъдещето на микросвета не могат да бъдат извлечени от миналото. Именно на квантов мащаб стават очевидни всички възможности на механиката на Лагранж.

Заплетена история: В стандартния експеримент на квантово вплитане, двойки частици се отделят от източник и се измерват с детектори. Два компютъра, 'Алис' и 'Боб', генерират случайни числа, за да контролират детекторите. Събитията в детекторите диктуват това, което се е случило в източника, макар че се намират в бъдещето.

Квантовото вплитане е понятие, което не се поддава на Нютоновата схема на обяснения. Подробностите не са от значение за нашите цели, така че нека да разгледаме стандартния експеримент на квантово вплитане. Апаратът в центъра създава две частици. Лявата частица се изпраща към детектор, контролиран от компютъра 'Алис', дясната частица се изпраща в отдалечения детектор, контролиран от друг компютър - 'Боб'. Детекторите измерват своите частици по един от няколко различни начина, определени от случайни числа. Както демонстрира в знаменития си експеримент ирландският физик Джон Бел през 60-те, резултатите от измерването са обвързани по начин, който твърдо се противопоставя на нашите обичайни опити за обяснение.

Конкретно, общото минало на частиците не е достатъчно, за да се обяснят измерените корелации, поне не в пълния диапазон на измерванията, които Алис и Боб можеха случайно да избират. Разбира се, много учени искат да обяснят тези резултати от физична гледна точка и не им се иска просто описване на корелациите посредством чиста математика. В недоумение, те се позовават на загадъчни същности, несъществуващи реално във времето и пространството (самите те изискващи обяснение), и дори пътуващи по-бързо от светлината (в грубо нарушение на всичко, което знаем от Теорията на относителността на Айнщайн).

Защо не можем да използваме квантови явления, за да изпращате съобщения в миналото?

Ако оставим настрана тези отчаяни опити, то всички ще се съгласят, че естествено обяснение може да се намери само ако частиците можеха да предвидят случайните настройки на Алис и Боб. Но повечето предложения за предаване на тази информация на частиците звучат още по-отчаяно, чак мошенически: Частиците по някакъв начин са подушили всички входни данни на генераторите на случайни числа към Алис и Боб и използват тази информация, за да предскажат бъдещите настройки на детекторите.

Почти никой не смята това за полезно обяснение на експериментите с вплитането, точно както вие не бихте приели обяснението че локализацията на светлината върху светкавица отразява сложните детайли на осветената статуя. Такива опити нарушават нашите разумни стандарти за обяснение: Предполагаемият механизъм на работа е много по-сложен, отколкото простите резултати, които се опитва да обясни.

В примера на статуята, очевидното решение е да се потърсят по-прости граници - светкавицата - за най-добро обяснение. За квантовото вплитане, разглеждано от Лагранжова гледна точка, разумното обяснение е също толкова очевидно. То не засяга сложна предварителна работа с настройките на детектора, то е в самите прости бъдещи настройки на детектора.

Тайнствените заплетени частици съществуват в тъмната област на пространство-времето в бъдеше и границите на тази област включват подготовката им и евентуалното им откриване от детекторите. Настройките, избрани от Алис и Боб физически се реализират в детекторите, на крайната граница - точно там, където Лагранжовата механика ни казва да търсим обяснения. Трябва само да се даде възможност на частиците да бъдат пряко ограничени от тази граница в бъдещето и веднага ще изникне просто обяснение на експеримента с вплитането. В този случай, бъдещето и миналото заедно най-добре могат да обяснят наблюденията.

Картина на полският сюрреалист Яцек Йерка.

Квантовото вплитане може би не е единствената загадка, която можем да разрешим, разглеждайки сериозно бъдещето като обяснение. Други квантови явления могат също да намерят по-просто обяснение, работещо в просто пространство и време, без никакво действие от разстояние. Може би вероятностите в квантовата теория да се окажат като вероятностите във всяка друга научна област - да съществуват просто заради параметри, които не знаем (защото някои от тях се намират в бъдещето).

Подобна насока на изследванията със сигурност ще повдигне важни въпроси. Ако бъдещето може да налага ограничения на миналото, защо последствията са ограничени до квантово ниво? Защо не можем да използваме квантови явления, за да изпращаме съобщения в миналото? На какви мащаби доминират космологичните ограничения и как точно трябва да се обобщят базираните на Лагранжовата механика подходи, за да проработи всичко?

Търсенето на отговори на тези въпроси може да помогне не само на физиката, но също така и по-добре да разберем как се вписваме в нашата четириизмерна Вселена. Така например, според механиката на Лагранж, някои микроскопични детайли на всяка област не са напълно затворени от границите на миналото. На нивото на атомите в мозъка ви, съществват важни, но неизвестни ограничения в бъдеще. Може би разсъждения дори да помогнат да се обясни свободната воля, чрез един нов смисъл, в който бъдещето не е съвсем предопределено от това, което е станало преди. Разбира се, това ще изисква от нас да преосмислим идеята за съществуването като чист и обективна разлика между фиксирано минало и отворено бъдеще.

Почти всеки път, когато науката намира по-дълбоко, по-просто, по-удовлетворяващо обяснение, това води до каскада от по-нататъшни научни постижения. Така че, ако има по-дълбоко ниво на квантовите явления, което ние все още не сме осъзнали, неговото усвояване може да доведе до изключително важни постижения в широк спектър от технологии, които използват квантовите ефекти. Грешните инстинкти със сигурност забавиха последните постижения на физиката, а инстинктите ни за време са едни от най-силните. Но има ясен път за обяснение на някои от най-дълбоките тайни на природата, ако можем просто да се вгледаме в бъдещето.


Препоръчани материали
+ 1
- 1
Звучи интересно, но в този си вид не е много убедително. Първо: Тази идея не дава отговор на въпроса, защо НИЕ имаме усещането за ход или стрела на времето? Откъде се поражда това наше усещане? Второ: Генераторите на случайни числа. Ако са псевдослучайни, т.е. генерирани по алгоритъм, не си струва да ги коментиране, защото в тях няма нищо случайно. А ако са "истински" случайни, напр. радиоактивен разпад, тогава нещата се вкисват. Защото пак НИЕ приемаме, че случайността съществува на фундаментално ниво. Точно това твърди и стандартната квантова механика. А авторите, неявно, се опитват да въведат някаква нова, обобщена форма на детерминизъм. Но тогава трябва да се откажем от генераторите на случайни числа. Иначе става доста еклектично...
vmv
Рейтинг : 1375
13.08 2016 в 17:54 1
+ 0
- 3
"...Ако оставим настрана тези отчаяни опити, то всички ще се съгласят, че естествено обяснение може да се намери само ако частиците можеха да предвидят случайните настройки на Алис и Боб. Но повечето предложения за предаване на тази информация на частиците звучат още по-отчаяно, чак мошенически: Частиците по някакъв начин са подушили всички входни данни на генераторите на случайни числа към Алис и Боб и използват тази информация, за да предскажат бъдещите настройки на детекторите..."
Не е загадка подушването на "пътя", ако частиците се образуват непрестанно с огромна честота - повтарят себе си около собствен геом. център. Тогава най-лесната по енергия посока-направление е този път, за собствената реализация. Това става с честота на образуване 10^(23)Hz - в много малка-локална област. Пространство-времето е скрито в тях - имат собствени характеристики и собствено време. Структурата на околното ЕМП е подложка за начинът им на повтаряне на себе си. А времето и скрито във фотоните, въобще.
 
Още от : Физика
Отговорът не е 42, а 1/137
10 ноември 2019 в 10:20
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.