Όρια φυσικής και φυσικού πειράματος

Πριν από εκατό χρόνια η κατάσταση στη φυσική ήταν ακριβώς το αντίθετο από αυτό που είναι σήμερα. Οι επιστήμονες είχαν στα χέρια τους τα αποτελέσματα αποδεδειγμένων πειραμάτων, επαναλαμβανόμενα πολλές φορές, τα οποία, ωστόσο, συχνά δεν μπορούσαν να εξηγηθούν χρησιμοποιώντας υπάρχουσες φυσικές θεωρίες. Η εμπειρία προηγήθηκε σαφώς της θεωρίας. Οι θεωρητικοί έπρεπε να πιάσουν δουλειά.

Η ισορροπία στρέφεται προς το παρόν προς τους θεωρητικούς των οποίων τα μοντέλα είναι πολύ διαφορετικά από ό,τι φαίνεται από πιθανά πειράματα όπως η θεωρία χορδών. Και φαίνεται ότι υπάρχουν όλο και περισσότερα άλυτα προβλήματα στη φυσική (1).

1. Οι σημαντικότερες σύγχρονες τάσεις και προβλήματα στη φυσική - οπτικοποίηση

Ο διάσημος Πολωνός φυσικός, καθ. Ο Andrzej Staruszkiewicz, κατά τη διάρκεια της συζήτησης «Τα όρια της γνώσης στη φυσική» τον Ιούνιο του 2010 στην Ακαδημία Ignatianum στην Κρακοβία, είπε: «Το πεδίο της γνώσης έχει αυξηθεί πάρα πολύ τον τελευταίο αιώνα, αλλά το πεδίο της άγνοιας έχει αυξηθεί ακόμη περισσότερο. (...) Η ανακάλυψη της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής είναι μνημειώδη επιτεύγματα της ανθρώπινης σκέψης, συγκρίσιμα με τα επιτεύγματα του Νεύτωνα, αλλά οδηγούν στο ερώτημα της σχέσης μεταξύ των δύο δομών, ένα ερώτημα του οποίου η κλίμακα πολυπλοκότητας είναι απλά συγκλονιστική . Σε αυτήν την κατάσταση, ανακύπτουν φυσικά ερωτήματα: μπορούμε να το κάνουμε αυτό; Θα είναι η αποφασιστικότητα και η θέλησή μας να φτάσουμε στην αλήθεια ανάλογη με τις δυσκολίες που αντιμετωπίζουμε;».

Πειραματικό αδιέξοδο

Εδώ και αρκετούς μήνες, ο κόσμος της φυσικής είναι πιο αμφιλεγόμενος από ό,τι συνήθως. Στο περιοδικό Nature, ο George Ellis και ο Joseph Silk δημοσίευσαν ένα άρθρο υπερασπίζοντας την ακεραιότητα της φυσικής, επικρίνοντας όσους είναι όλο και πιο πρόθυμοι να αναβάλουν τα πειράματα για να δοκιμάσουν τις τελευταίες κοσμολογικές θεωρίες μέχρι κάποια μελλοντική ημερομηνία. Πρέπει να χαρακτηρίζονται από «αρκετή κομψότητα» και επεξηγηματική αξία. «Αυτό σπάει την επιστημονική παράδοση αιώνων σύμφωνα με την οποία η επιστημονική γνώση είναι εμπειρικά αποδεδειγμένη γνώση», βροντοφωνούν οι επιστήμονες. Τα γεγονότα δείχνουν ξεκάθαρα το «πειραματικό αδιέξοδο» στη σύγχρονη φυσική.

Οι πιο πρόσφατες θεωρίες για τη φύση και τη δομή του κόσμου και του Σύμπαντος, κατά κανόνα, δεν μπορούν να επαληθευτούν με πειράματα που είναι διαθέσιμα στην ανθρωπότητα.

Ανακαλύπτοντας το μποζόνιο Higgs, οι επιστήμονες «ολοκλήρωσαν» το Καθιερωμένο Μοντέλο. Ωστόσο, ο κόσμος της φυσικής απέχει πολύ από το να είναι ικανοποιημένος. Γνωρίζουμε για όλα τα κουάρκ και τα λεπτόνια, αλλά δεν έχουμε ιδέα πώς να το συμβιβάσουμε με τη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν. Δεν ξέρουμε πώς να συνδυάσουμε την κβαντική μηχανική με τη βαρύτητα για να δημιουργήσουμε μια υποθετική θεωρία της κβαντικής βαρύτητας. Δεν γνωρίζουμε επίσης τι ήταν το Big Bang (ή αν συνέβη πραγματικά!) (2).

Επί του παρόντος, αυτό που το αποκαλούν οι κλασικοί φυσικοί, το επόμενο βήμα μετά το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι η υπερσυμμετρία, η οποία προβλέπει ότι κάθε στοιχειώδες σωματίδιο που γνωρίζουμε έχει έναν «εταίρο».

Αυτό διπλασιάζει τον συνολικό αριθμό των δομικών στοιχείων της ύλης, αλλά η θεωρία ταιριάζει απόλυτα στις μαθηματικές εξισώσεις και, το σημαντικότερο, προσφέρει την ευκαιρία να ξετυλίξουμε το μυστήριο της κοσμικής σκοτεινής ύλης. Το μόνο που μένει είναι να περιμένουμε τα αποτελέσματα των πειραμάτων στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, τα οποία θα επιβεβαιώσουν την ύπαρξη υπερσυμμετρικών σωματιδίων.

Ωστόσο, τίποτα δεν έχει ακουστεί ακόμη από τη Γενεύη για τέτοιες ανακαλύψεις. Φυσικά, αυτή είναι μόνο η αρχή μιας νέας έκδοσης του LHC, με διπλάσια ενέργεια σύγκρουσης (μετά από πρόσφατες επισκευές και εκσυγχρονισμό). Σε λίγους μήνες, μπορεί να πυροβολούν φελλούς σαμπάνιας για να γιορτάσουν την υπερσυμμετρία. Ωστόσο, εάν αυτό δεν συνέβαινε, πολλοί φυσικοί πιστεύουν ότι οι υπερσυμμετρικές θεωρίες θα έπρεπε να αποσυρθούν σταδιακά, όπως η υπερχορδή, η οποία βασίζεται στην υπερσυμμετρία. Διότι αν ο Μεγάλος Επιταχυντής δεν επιβεβαιώσει αυτές τις θεωρίες, τότε τι;

Ωστόσο, υπάρχουν κάποιοι επιστήμονες που δεν το πιστεύουν. Επειδή η θεωρία της υπερσυμμετρίας είναι πολύ «όμορφη για να είναι λάθος».

Έτσι σκοπεύουν να επαναξιολογήσουν τις εξισώσεις τους για να αποδείξουν ότι οι μάζες των υπερσυμμετρικών σωματιδίων είναι απλώς εκτός του εύρους του LHC. Οι θεωρητικοί έχουν πολύ δίκιο. Τα μοντέλα τους είναι καλά στο να εξηγούν φαινόμενα που μπορούν να μετρηθούν και να δοκιμαστούν πειραματικά. Επομένως, θα μπορούσε κανείς να αναρωτηθεί γιατί πρέπει να αποκλείσουμε την ανάπτυξη εκείνων των θεωριών που δεν μπορούμε (ακόμα) να γνωρίζουμε εμπειρικά. Είναι αυτή μια λογική και επιστημονική προσέγγιση;

Σύμπαν από το τίποτα

Οι φυσικές επιστήμες, ειδικά η φυσική, βασίζονται στον νατουραλισμό, δηλαδή στην πεποίθηση ότι μπορούμε να εξηγήσουμε τα πάντα χρησιμοποιώντας τις δυνάμεις της φύσης. Το καθήκον της επιστήμης καταλήγει στην εξέταση της σχέσης μεταξύ διαφόρων μεγεθών που περιγράφουν φαινόμενα ή ορισμένων δομών που υπάρχουν στη φύση. Η Φυσική δεν ασχολείται με προβλήματα που δεν μπορούν να περιγραφούν μαθηματικά, που δεν μπορούν να επαναληφθούν. Αυτός είναι, μεταξύ άλλων, ο λόγος της επιτυχίας του. Η μαθηματική περιγραφή που χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση φυσικών φαινομένων έχει αποδειχθεί εξαιρετικά αποτελεσματική. Τα επιτεύγματα της φυσικής επιστήμης είχαν ως αποτέλεσμα τις φιλοσοφικές τους γενικεύσεις. Δημιουργήθηκαν κατευθύνσεις όπως η μηχανιστική φιλοσοφία ή ο επιστημονικός υλισμός, που μετέφεραν τα αποτελέσματα των φυσικών επιστημών που αποκτήθηκαν πριν από το τέλος του XNUMXου αιώνα στο πεδίο της φιλοσοφίας.

Φαινόταν ότι μπορούσαμε να γνωρίσουμε ολόκληρο τον κόσμο, ότι υπήρχε πλήρης ντετερμινισμός στη φύση, γιατί μπορούσαμε να καθορίσουμε πώς θα κινούνταν οι πλανήτες σε εκατομμύρια χρόνια ή πώς θα κινούνταν πριν από εκατομμύρια χρόνια. Αυτά τα επιτεύγματα προκάλεσαν υπερηφάνεια που απολυτοποίησε το ανθρώπινο μυαλό. Σε αποφασιστικό βαθμό, ο μεθοδολογικός νατουραλισμός διεγείρει την ανάπτυξη της φυσικής επιστήμης σήμερα. Υπάρχουν, ωστόσο, ορισμένα σημεία αποκοπής που φαίνεται να υποδεικνύουν τους περιορισμούς της νατουραλιστικής μεθοδολογίας.

Εάν το Σύμπαν είναι περιορισμένο σε όγκο και προέκυψε "από το τίποτα" (3), χωρίς να παραβιάζονται οι νόμοι της διατήρησης της ενέργειας, για παράδειγμα, ως διακύμανση, τότε δεν πρέπει να υπάρχουν αλλαγές σε αυτό. Στο μεταξύ, τους παρακολουθούμε. Προσπαθώντας να λύσουμε αυτό το πρόβλημα με βάση την κβαντική φυσική, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι μόνο ένας συνειδητός παρατηρητής πραγματοποιεί την πιθανότητα ύπαρξης ενός τέτοιου κόσμου. Γι' αυτό αναρωτιόμαστε γιατί το συγκεκριμένο στο οποίο ζούμε δημιουργήθηκε από πολλά διαφορετικά σύμπαντα. Έτσι καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι μόνο όταν εμφανίστηκε ένα άτομο στη Γη, ο κόσμος -όπως παρατηρούμε- πραγματικά «έγινε» ...

Πώς επηρεάζουν οι μετρήσεις γεγονότα που συνέβησαν πριν από ένα δισεκατομμύριο χρόνια;

4. Πείραμα Wheeler - οπτικοποίηση

Ένας από τους σύγχρονους φυσικούς, ο John Archibald Wheeler, πρότεινε μια κοσμική εκδοχή του περίφημου πειράματος της διπλής σχισμής. Στη νοητική του κατασκευή, το φως από ένα κβάζαρ ένα δισεκατομμύριο έτη φωτός μακριά ταξιδεύει κατά μήκος δύο απέναντι πλευρών του γαλαξία (4). Εάν οι παρατηρητές παρατηρήσουν κάθε μία από αυτές τις διαδρομές ξεχωριστά, θα δουν φωτόνια. Αν και τα δύο ταυτόχρονα, θα δουν το κύμα. Έτσι, η ίδια η πράξη της παρατήρησης αλλάζει τη φύση του φωτός που έφυγε από το κβάζαρ πριν από ένα δισεκατομμύριο χρόνια!

Για τον Wheeler, τα παραπάνω αποδεικνύουν ότι το σύμπαν δεν μπορεί να υπάρξει με φυσική έννοια, τουλάχιστον όχι με την έννοια που έχουμε συνηθίσει να κατανοούμε μια «φυσική κατάσταση». Αυτό δεν μπορεί να συμβεί στο παρελθόν, μέχρι να... μετρήσουμε. Έτσι, η σημερινή μας διάσταση επηρεάζει το παρελθόν. Με τις παρατηρήσεις, τις ανακαλύψεις και τις μετρήσεις μας, διαμορφώνουμε τα γεγονότα του παρελθόντος, βαθιά στο χρόνο, μέχρι την... αρχή του Σύμπαντος!

Ο Neil Turok του Ινστιτούτου Perimeter στο Waterloo του Καναδά, δήλωσε στο τεύχος Ιουλίου του New Scientist ότι «δεν μπορούμε να καταλάβουμε τι βρίσκουμε. Η θεωρία γίνεται όλο και πιο περίπλοκη και περίπλοκη. Ρίχνουμε τους εαυτούς μας σε ένα πρόβλημα με διαδοχικά πεδία, διαστάσεις και συμμετρίες, ακόμα και με ένα κλειδί, αλλά δεν μπορούμε να εξηγήσουμε τα πιο απλά γεγονότα». Πολλοί φυσικοί είναι σαφώς εκνευρισμένοι από την κατάσταση στην οποία τα νοητικά ταξίδια του σύγχρονου θεωρητικού, όπως οι παραπάνω σκέψεις ή η θεωρία των υπερχορδών, δεν έχουν τίποτα κοινό με τα πειράματα που διεξάγονται αυτή τη στιγμή σε εργαστήρια, και δεν υπάρχει τρόπος να τα δοκιμάσουμε πειραματικά.

Στον κβαντικό κόσμο πρέπει να έχετε μια ευρύτερη άποψη

Όπως είπε κάποτε ο νομπελίστας Richard Feynman, κανείς δεν καταλαβαίνει πραγματικά τον κβαντικό κόσμο. Σε αντίθεση με τον παλιό καλό Νευτώνειο κόσμο, στον οποίο οι αλληλεπιδράσεις δύο σωμάτων με ορισμένες μάζες υπολογίζονται με εξισώσεις, στην κβαντομηχανική έχουμε εξισώσεις από τις οποίες δεν προέρχονται τόσο πολύ όσο το αποτέλεσμα παράξενης συμπεριφοράς που παρατηρείται στα πειράματα. Τα αντικείμενα της κβαντικής φυσικής δεν χρειάζεται να συνδέονται με τίποτα «φυσικό», και η συμπεριφορά τους είναι η περιοχή ενός αφηρημένου πολυδιάστατου χώρου που ονομάζεται χώρος Hilbert.

Υπάρχουν αλλαγές που περιγράφονται από την εξίσωση Schrödinger, αλλά το γιατί ακριβώς είναι άγνωστο. Μπορεί να αλλάξει αυτό; Είναι ακόμη δυνατό να αντλήσουμε κβαντικούς νόμους από τις αρχές της φυσικής, όπως δεκάδες νόμοι και αρχές, για παράδειγμα, σχετικά με την κίνηση των σωμάτων στο διάστημα, προήλθαν από τις αρχές του Νεύτωνα; Οι επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Παβίας στην Ιταλία Giacomo Mauro D'Ariano, Giulio Ciribella και Paolo Perinotti υποστηρίζουν ότι ακόμη και κβαντικά φαινόμενα που είναι σαφώς αντίθετα με την κοινή λογική μπορούν να ανιχνευθούν σε μετρήσιμα πειράματα. Το μόνο που χρειάζεστε είναι η σωστή προοπτική - Ίσως η έλλειψη κατανόησης των κβαντικών επιδράσεων προέρχεται από τη μη ευρεία άποψή τους. Σύμφωνα με τους προαναφερθέντες επιστήμονες στο New Scientist, τα ουσιαστικά και μετρήσιμα πειράματα στην κβαντομηχανική πρέπει να πληρούν αρκετές προϋποθέσεις. Αυτό:

• αιτιότητα - μελλοντικά γεγονότα δεν μπορούν να επηρεάσουν γεγονότα του παρελθόντος.
• διακριτικότητα - δηλώνει ότι πρέπει να είμαστε σε θέση να χωρίζουμε ο ένας από τον άλλο ως ξεχωριστοί.
• σύνθεση - εάν γνωρίζουμε όλα τα στάδια της διαδικασίας, γνωρίζουμε ολόκληρη τη διαδικασία.
• συμπίεση – υπάρχουν τρόποι μεταφοράς σημαντικών πληροφοριών σχετικά με το τσιπ χωρίς να χρειάζεται να μεταφέρετε ολόκληρο το τσιπ.
• τομογραφία – εάν έχουμε ένα σύστημα που αποτελείται από πολλά μέρη, τα στατιστικά στοιχεία των μετρήσεων ανά μέρη είναι επαρκή για να αποκαλύψουν την κατάσταση ολόκληρου του συστήματος.

Οι Ιταλοί θέλουν να επεκτείνουν τις αρχές τους καθαρισμού, ευρύτερης προοπτικής και ουσιαστικού πειραματισμού για να συμπεριλάβουν επίσης τη μη αναστρέψιμη λειτουργία των θερμοδυναμικών φαινομένων και την αρχή της αυξανόμενης εντροπίας, με την οποία οι φυσικοί δεν εντυπωσιάζονται. Ίσως και εδώ, οι παρατηρήσεις και οι μετρήσεις επηρεάζονται από τεχνουργήματα μιας προοπτικής πολύ στενής για να κατανοήσουμε ολόκληρο το σύστημα. «Η θεμελιώδης αλήθεια της κβαντικής θεωρίας είναι ότι οι θορυβώδεις, μη αναστρέψιμες αλλαγές μπορούν να γίνουν αναστρέψιμες προσθέτοντας μια νέα διάταξη στην περιγραφή», λέει στο New Scientist ο Ιταλός επιστήμονας Giulio Ciribella.

Δυστυχώς, λένε οι σκεπτικιστές, η «κάθαρση» των πειραμάτων και η ευρύτερη προοπτική μέτρησης θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μια υπόθεση πολλών κόσμων στην οποία κάθε αποτέλεσμα είναι δυνατό και στην οποία οι επιστήμονες, νομίζοντας ότι μετρούν τη σωστή πορεία των γεγονότων, απλώς «επιλέγουν» ορισμένη συνέχεια με τη μέτρησή τους.

5. Χρονοδείκτες με τη μορφή δεικτών ρολογιού

Καθόλου χρόνος?

Η έννοια των λεγόμενων Βελών του Χρόνου (5) εισήχθη το 1927 από τον Βρετανό αστροφυσικό Άρθουρ Έντινγκτον. Αυτό το βέλος δείχνει τον χρόνο, ο οποίος ρέει πάντα προς μια κατεύθυνση, δηλαδή από το παρελθόν στο μέλλον, και αυτή η διαδικασία δεν μπορεί να αντιστραφεί. Ο Stephen Hawking, στο A Brief History of Time, έγραψε ότι η διαταραχή αυξάνεται με το χρόνο επειδή μετράμε τον χρόνο προς την κατεύθυνση στην οποία αυξάνεται η διαταραχή. Αυτό θα σήμαινε ότι έχουμε μια επιλογή - θα μπορούσαμε, για παράδειγμα, να παρατηρήσουμε πρώτα θραύσματα σπασμένου γυαλιού σκορπισμένα στο πάτωμα, μετά τη στιγμή που το ποτήρι πέφτει στο πάτωμα, μετά το ποτήρι στον αέρα και, τέλος, το άτομο που το κρατάει στο χέρι. Δεν υπάρχει κανένας επιστημονικός κανόνας που να λέει ότι το «ψυχολογικό βέλος του χρόνου» πρέπει να κινείται στην ίδια κατεύθυνση με το θερμοδυναμικό βέλος και η εντροπία του συστήματος αυξάνεται. Ωστόσο, πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτό συμβαίνει επειδή στον ανθρώπινο εγκέφαλο συμβαίνουν ενεργειακές αλλαγές, παρόμοιες με αυτές που παρατηρούμε στη φύση. Ο εγκέφαλος έχει την ενέργεια να ενεργεί, να παρατηρεί και να συλλογίζεται επειδή η ανθρώπινη «μηχανή» καίει καύσιμα και τρόφιμα και, όπως μια μηχανή εσωτερικής καύσης, αυτή η διαδικασία είναι μη αναστρέψιμη.

Ωστόσο, υπάρχουν περιπτώσεις όπου, ενώ διατηρείται η ίδια κατεύθυνση του ψυχολογικού βέλους του χρόνου, η εντροπία αυξάνεται και μειώνεται σε διαφορετικά συστήματα. Για παράδειγμα, κατά την αποθήκευση δεδομένων στη μνήμη του υπολογιστή. Οι μονάδες μνήμης στο μηχάνημα περνούν από κατάσταση μη σειράς σε σειρά εγγραφής δίσκου. Έτσι, η εντροπία στον υπολογιστή μειώνεται. Ωστόσο, οποιοσδήποτε φυσικός θα πει ότι από τη σκοπιά του σύμπαντος στο σύνολό του - αναπτύσσεται, γιατί χρειάζεται ενέργεια για να γραφτεί σε έναν δίσκο και αυτή η ενέργεια διαχέεται με τη μορφή θερμότητας που παράγεται από μια μηχανή. Υπάρχει λοιπόν μια μικρή «ψυχολογική» αντίσταση στους καθιερωμένους νόμους της φυσικής. Είναι δύσκολο για εμάς να θεωρήσουμε ότι αυτό που βγαίνει με τον θόρυβο από τον ανεμιστήρα είναι πιο σημαντικό από την καταγραφή ενός έργου ή άλλης αξίας στη μνήμη. Τι θα γινόταν αν κάποιος έγραφε ένα επιχείρημα στον υπολογιστή του που θα έφερε επανάσταση στη σύγχρονη φυσική, τη θεωρία της ενοποιημένης δύναμης ή τη Θεωρία των Πάντων; Θα δυσκολευόμασταν να δεχθούμε την ιδέα ότι, παρόλα αυτά, η γενική διαταραχή στο Σύμπαν έχει αυξηθεί.

Πίσω στο 1967, εμφανίστηκε η εξίσωση Wheeler-DeWitt, από την οποία ακολούθησε ότι ο χρόνος ως τέτοιος δεν υπάρχει. Ήταν μια προσπάθεια να συνδυαστούν μαθηματικά οι ιδέες της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας, ένα βήμα προς τη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, δηλ. τη Θεωρία των Πάντων που επιθυμούν όλοι οι επιστήμονες. Μόλις το 1983 οι φυσικοί Don Page και William Wootters πρότειναν μια εξήγηση ότι το πρόβλημα του χρόνου θα μπορούσε να παρακαμφθεί χρησιμοποιώντας την έννοια της κβαντικής εμπλοκής. Σύμφωνα με την ιδέα τους, μόνο οι ιδιότητες ενός ήδη καθορισμένου συστήματος μπορούν να μετρηθούν. Από μαθηματική άποψη, αυτή η πρόταση σήμαινε ότι τα ρολόγια σε απομόνωση από το σύστημα δεν λειτουργούσαν και ξεκινούσαν μόνο όταν μπλέκονταν με ένα συγκεκριμένο σύμπαν. Ωστόσο, αν κάποιος μας κοιτούσε από ένα άλλο σύμπαν, θα μας έβλεπε ως στατικά αντικείμενα και μόνο η άφιξή τους σε εμάς θα προκαλούσε κβαντική εμπλοκή και κυριολεκτικά θα μας έκανε να νιώσουμε το πέρασμα του χρόνου.

Αυτή η υπόθεση αποτέλεσε τη βάση της εργασίας επιστημόνων από ένα ερευνητικό ινστιτούτο στο Τορίνο της Ιταλίας. Ο φυσικός Marco Genovese αποφάσισε να κατασκευάσει ένα μοντέλο που λαμβάνει υπόψη τις ιδιαιτερότητες της κβαντικής εμπλοκής. Ήταν δυνατό να αναδημιουργηθεί ένα φυσικό αποτέλεσμα που υποδεικνύει την ορθότητα αυτού του συλλογισμού. Έχει δημιουργηθεί ένα μοντέλο του Σύμπαντος που αποτελείται από δύο φωτόνια.

Το ένα ζευγάρι ήταν προσανατολισμένο - κατακόρυφα πολωμένο και το άλλο οριζόντια. Η κβαντική τους κατάσταση, και επομένως η πόλωσή τους, ανιχνεύεται στη συνέχεια από μια σειρά ανιχνευτών. Αποδεικνύεται ότι μέχρι να επιτευχθεί η παρατήρηση που καθορίζει τελικά το πλαίσιο αναφοράς, τα φωτόνια βρίσκονται σε μια κλασική κβαντική υπέρθεση, δηλ. προσανατολίστηκαν τόσο κατακόρυφα όσο και οριζόντια. Αυτό σημαίνει ότι ο παρατηρητής που διαβάζει το ρολόι καθορίζει την κβαντική εμπλοκή που επηρεάζει το σύμπαν του οποίου γίνεται μέρος. Ένας τέτοιος παρατηρητής μπορεί στη συνέχεια να αντιληφθεί την πόλωση των διαδοχικών φωτονίων με βάση την κβαντική πιθανότητα.

Αυτή η ιδέα είναι πολύ δελεαστική γιατί εξηγεί πολλά προβλήματα, αλλά φυσικά οδηγεί στην ανάγκη για έναν «υπερ-παρατηρητή» που θα ήταν πάνω από όλα ντετερμινισμοί και θα ελέγχει τα πάντα στο σύνολό τους.

6. Πολυσύμπαν - Οπτικοποίηση

Αυτό που παρατηρούμε και αυτό που αντιλαμβανόμαστε υποκειμενικά ως «χρόνος» είναι στην πραγματικότητα το προϊόν μετρήσιμων παγκόσμιων αλλαγών στον κόσμο γύρω μας. Καθώς εμβαθύνουμε στον κόσμο των ατόμων, των πρωτονίων και των φωτονίων, συνειδητοποιούμε ότι η έννοια του χρόνου γίνεται όλο και λιγότερο σημαντική. Σύμφωνα με τους επιστήμονες, το ρολόι που μας συνοδεύει καθημερινά, από φυσική άποψη, δεν μετρά το πέρασμά του, αλλά μας βοηθά να οργανώσουμε τη ζωή μας. Για όσους είναι εξοικειωμένοι με τις έννοιες του Νεύτωνα για τον παγκόσμιο και τον χρόνο που καλύπτει όλα, αυτές οι έννοιες προκαλούν σοκ. Αλλά δεν είναι μόνο οι επιστήμονες παραδοσιακοί που δεν τις αποδέχονται. Ο εξαιρετικός θεωρητικός φυσικός Lee Smolin, που προηγουμένως αναφέρθηκε από εμάς ως ένας από τους πιθανούς νικητές του φετινού βραβείου Νόμπελ, πιστεύει ότι ο χρόνος υπάρχει και είναι αρκετά πραγματικός. Μια φορά κι έναν καιρό -όπως πολλοί φυσικοί- υποστήριξε ότι ο χρόνος είναι μια υποκειμενική ψευδαίσθηση.

Τώρα, στο βιβλίο του Reborn Time, παρουσιάζει μια εντελώς διαφορετική άποψη για τη φυσική και ασκεί κριτική στη θεωρία χορδών, η οποία είναι δημοφιλής στην επιστημονική κοινότητα. Σύμφωνα με αυτόν, το πολυσύμπαν δεν υπάρχει (6) γιατί ζούμε στο ίδιο σύμπαν και ταυτόχρονα. Πιστεύει ότι ο χρόνος είναι υψίστης σημασίας και ότι η εμπειρία μας από την πραγματικότητα της παρούσας στιγμής δεν είναι μια ψευδαίσθηση, αλλά το κλειδί για την κατανόηση της θεμελιώδους φύσης της πραγματικότητας.

Εντροπία μηδέν

Οι Sandu Popescu, Tony Short, Noah Linden (7) και Andreas Winter περιέγραψαν τα ευρήματά τους το 2009 στο περιοδικό Physical Review E, το οποίο έδειξε ότι τα αντικείμενα επιτυγχάνουν ισορροπία, δηλαδή μια κατάσταση ομοιόμορφης κατανομής ενέργειας, εισερχόμενοι σε καταστάσεις κβαντικής εμπλοκής με το περιβάλλον τους. Το 2012, ο Tony Short απέδειξε ότι η εμπλοκή παράγει ηρεμία σε πεπερασμένο χρόνο. Όταν ένα αντικείμενο αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του, όπως όταν τα σωματίδια σε ένα φλιτζάνι καφέ συγκρούονται με τον αέρα, πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητές τους διαρρέουν και διαχέονται σε όλο το περιβάλλον. Η απώλεια πληροφοριών κάνει τον καφέ να λιμνάζει, παρόλο που η καθαριότητα ολόκληρου του δωματίου συνεχίζει να παρουσιάζει διακυμάνσεις. Σύμφωνα με τον Ποπέσκου, η κατάστασή της σταματά να αλλάζει με την πάροδο του χρόνου.

7. Noah Linden, Sandu Popescu και Tony Short

Καθώς η καθαριότητα του δωματίου αλλάζει, ο καφές μπορεί ξαφνικά να σταματήσει να αναμειγνύεται με τον αέρα και να εισέλθει στη δική του καθαρή κατάσταση. Ωστόσο, οι καταστάσεις που αναμειγνύονται με το περιβάλλον είναι πολύ πιο πολλές από τις καθαρές καταστάσεις που είναι διαθέσιμες στον καφέ, και επομένως δεν υπάρχουν σχεδόν ποτέ. Αυτή η στατιστική απιθανότητα δίνει την εντύπωση ότι το βέλος του χρόνου είναι μη αναστρέψιμο. Το πρόβλημα του βέλους του χρόνου είναι θολό από την κβαντομηχανική, καθιστώντας δύσκολο τον προσδιορισμό της φύσης.

Ένα στοιχειώδες σωματίδιο δεν έχει ακριβείς φυσικές ιδιότητες και καθορίζεται μόνο από την πιθανότητα να βρίσκεται σε διάφορες καταστάσεις. Για παράδειγμα, ανά πάσα στιγμή, ένα σωματίδιο μπορεί να έχει 50 τοις εκατό πιθανότητα να στραφεί δεξιόστροφα και 50 τοις εκατό πιθανότητα να στραφεί προς την αντίθετη κατεύθυνση. Το θεώρημα, που υποστηρίζεται από την εμπειρία του φυσικού John Bell, δηλώνει ότι η πραγματική κατάσταση ενός σωματιδίου δεν υπάρχει και ότι αφήνεται να καθοδηγείται από την πιθανότητα.

Η κβαντική αβεβαιότητα οδηγεί στη συνέχεια σε σύγχυση. Όταν δύο σωματίδια αλληλεπιδρούν, δεν μπορούν καν να οριστούν από μόνα τους, αναπτύσσοντας ανεξάρτητα πιθανότητες γνωστές ως καθαρή κατάσταση. Αντίθετα, γίνονται μπερδεμένα συστατικά μιας πιο πολύπλοκης κατανομής πιθανοτήτων που περιγράφουν και τα δύο σωματίδια μαζί. Αυτή η κατανομή μπορεί να αποφασίσει, για παράδειγμα, εάν τα σωματίδια θα περιστρέφονται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Το σύστημα ως σύνολο βρίσκεται σε καθαρή κατάσταση, αλλά η κατάσταση των μεμονωμένων σωματιδίων συνδέεται με ένα άλλο σωματίδιο.

Έτσι, και οι δύο θα μπορούσαν να ταξιδέψουν πολλά έτη φωτός μακριά το ένα από το άλλο και η περιστροφή του καθενός θα παρέμενε συσχετισμένη με την άλλη.

Το νέο βέλος της θεωρίας του χρόνου το περιγράφει ως απώλεια πληροφοριών λόγω κβαντικής εμπλοκής που στέλνει ένα φλιτζάνι καφέ σε ισορροπία με το περιβάλλον δωμάτιο. Τελικά, το δωμάτιο φτάνει σε ισορροπία με το εξωτερικό περιβάλλον, το οποίο με τη σειρά του πλησιάζει σιγά σιγά σε ισορροπία με το υπόλοιπο σύμπαν. Οι παλιοί επιστήμονες που μελέτησαν τη θερμοδυναμική θεώρησαν αυτή τη διαδικασία ως μια σταδιακή διασπορά ενέργειας, αυξάνοντας την εντροπία του Σύμπαντος.

Σήμερα, οι φυσικοί πιστεύουν ότι οι πληροφορίες διασκορπίζονται ολοένα και περισσότερο, αλλά ποτέ δεν εξαφανίζονται εντελώς. Αν και η εντροπία αυξάνεται τοπικά, πιστεύουν ότι η συνολική εντροπία του σύμπαντος παραμένει σταθερή στο μηδέν. Ωστόσο, μια πτυχή του βέλους του χρόνου παραμένει άλυτη. Οι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι η ικανότητα ενός ατόμου να θυμάται το παρελθόν, αλλά όχι το μέλλον, μπορεί επίσης να γίνει κατανοητή ως ο σχηματισμός σχέσεων μεταξύ αλληλεπιδρώντων σωματιδίων. Όταν διαβάζουμε ένα μήνυμα σε ένα κομμάτι χαρτί, ο εγκέφαλος επικοινωνεί μαζί του μέσω φωτονίων που φτάνουν στα μάτια.

Μόνο από αυτή τη στιγμή μπορούμε να θυμηθούμε τι μας λέει αυτό το μήνυμα. Ο Ποπέσκου πιστεύει ότι η νέα θεωρία δεν εξηγεί γιατί η αρχική κατάσταση του Σύμπαντος ήταν μακριά από την ισορροπία, προσθέτοντας ότι η φύση της Μεγάλης Έκρηξης πρέπει να εξηγηθεί. Μερικοί ερευνητές έχουν εκφράσει αμφιβολίες για αυτή τη νέα προσέγγιση, αλλά η ανάπτυξη αυτής της έννοιας και ο νέος μαθηματικός φορμαλισμός βοηθά τώρα στην επίλυση θεωρητικών ερωτημάτων στη θερμοδυναμική.

Προσεγγίστε τους κόκκους του χωροχρόνου

Η φυσική της μαύρης τρύπας φαίνεται να δείχνει, όπως προτείνουν ορισμένα μαθηματικά μοντέλα, ότι το σύμπαν μας δεν είναι καθόλου τρισδιάστατο. Παρά τα όσα μας λένε οι αισθήσεις μας, η πραγματικότητα γύρω μας μπορεί να είναι ένα ολόγραμμα — μια προβολή ενός απομακρυσμένου επιπέδου που είναι στην πραγματικότητα δισδιάστατο. Εάν αυτή η εικόνα του Σύμπαντος είναι σωστή, η ψευδαίσθηση της τρισδιάστατης φύσης του χωροχρόνου μπορεί να διαλυθεί μόλις τα ερευνητικά όργανα που έχουμε στη διάθεσή μας γίνουν επαρκώς ευαίσθητα. Ο Craig Hogan, καθηγητής φυσικής στο Fermilab, ο οποίος έχει περάσει χρόνια μελετώντας τη θεμελιώδη δομή του Σύμπαντος, προτείνει ότι αυτό το επίπεδο μόλις έφτασε.

8. Ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων GEO600

Εάν το σύμπαν είναι ένα ολόγραμμα, τότε μπορεί να έχουμε μόλις φτάσει στα όρια της ανάλυσης της πραγματικότητας. Μερικοί φυσικοί έχουν προωθήσει την ενδιαφέρουσα υπόθεση ότι ο χωροχρόνος στον οποίο ζούμε δεν είναι τελικά συνεχής, αλλά, όπως μια εικόνα σε μια ψηφιακή φωτογραφία, είναι στο πιο βασικό του επίπεδο που αποτελείται από ορισμένους «κόκκους» ή «πίξελ». Αν είναι έτσι, η πραγματικότητά μας πρέπει να έχει κάποιου είδους τελική «λύση». Έτσι ερμήνευσαν ορισμένοι ερευνητές τον «θόρυβο» που εμφανίστηκε στα αποτελέσματα του ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων GEO600 (8).

Για να ελέγξει αυτήν την εξαιρετική υπόθεση, ο Craig Hogan, ένας φυσικός βαρυτικών κυμάτων, ανέπτυξε μαζί με την ομάδα του το πιο ακριβές συμβολόμετρο στον κόσμο, το Hogan Holometer, το οποίο έχει σχεδιαστεί για να μετράει την πιο βασική ουσία του χωροχρόνου με τον πιο ακριβή δυνατό τρόπο. Το πείραμα, με την κωδική ονομασία Fermilab E-990, δεν είναι ένα από τα πολλά άλλα. Αυτό στοχεύει να καταδείξει την κβαντική φύση του ίδιου του διαστήματος και την παρουσία αυτού που οι επιστήμονες αποκαλούν «ολογραφικό θόρυβο».

Το ολόμετρο αποτελείται από δύο συμβολόμετρα που βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο. Κατευθύνουν ακτίνες λέιζερ ενός κιλοβάτ σε μια συσκευή που τις χωρίζει σε δύο κάθετες δέσμες μήκους 40 μέτρων, οι οποίες αντανακλώνται και επιστρέφουν στο σημείο διάσπασης, δημιουργώντας διακυμάνσεις στη φωτεινότητα των ακτίνων φωτός (9). Εάν προκαλούν μια συγκεκριμένη κίνηση στη συσκευή διαίρεσης, τότε αυτό θα είναι απόδειξη της δόνησης του ίδιου του χώρου.

9. Γραφική αναπαράσταση του ολογραφικού πειράματος

Η μεγαλύτερη πρόκληση της ομάδας του Hogan είναι να αποδείξει ότι τα αποτελέσματα που ανακάλυψαν δεν είναι απλώς διαταραχές που προκαλούνται από παράγοντες εκτός της πειραματικής διάταξης, αλλά το αποτέλεσμα δονήσεων στο χωροχρόνο. Επομένως, οι καθρέφτες που χρησιμοποιούνται στο συμβολόμετρο θα συγχρονίζονται με τις συχνότητες όλων των μικρότερων θορύβων που προέρχονται από το εξωτερικό της συσκευής, που καταγράφονται από ειδικούς αισθητήρες.

Ανθρωπικό σύμπαν

Για να υπάρχει ο κόσμος και ο άνθρωπος σε αυτόν, οι νόμοι της φυσικής πρέπει να έχουν μια πολύ συγκεκριμένη μορφή και οι φυσικές σταθερές πρέπει να έχουν επακριβώς επιλεγμένες τιμές ... και είναι! Γιατί;

Ας ξεκινήσουμε με το γεγονός ότι υπάρχουν τέσσερις τύποι αλληλεπιδράσεων στο Σύμπαν: βαρυτικές (πτώση, πλανήτες, γαλαξίες), ηλεκτρομαγνητικές (άτομα, σωματίδια, τριβή, ελαστικότητα, φως), ασθενής πυρηνική (πηγή αστρικής ενέργειας) και ισχυρή πυρηνική ( δεσμεύει πρωτόνια και νετρόνια στους ατομικούς πυρήνες). Η βαρύτητα είναι 1039 φορές ασθενέστερη από τον ηλεκτρομαγνητισμό. Αν ήταν λίγο πιο αδύναμο, τα αστέρια θα ήταν ελαφρύτερα από τον Ήλιο, οι σουπερνόβα δεν θα εκρήγνυαν και δεν θα σχηματίζονταν βαριά στοιχεία. Αν ήταν έστω και ελαφρώς ισχυρότερο, πλάσματα μεγαλύτερα από βακτήρια θα συνθλίβονταν και τα αστέρια συχνά θα συγκρούονταν, καταστρέφοντας πλανήτες και καίγονταν πολύ γρήγορα.

Η πυκνότητα του Σύμπαντος είναι κοντά στην κρίσιμη πυκνότητα, δηλαδή κάτω από την οποία η ύλη θα διαλυόταν γρήγορα χωρίς το σχηματισμό γαλαξιών ή αστεριών, και πάνω από την οποία το Σύμπαν θα επιβίωνε πολύ λίγο. Για να προκύψουν τέτοιες συνθήκες, η ακρίβεια αντιστοίχισης των παραμέτρων του Big Bang έπρεπε να είναι εντός ±10-60. Οι αρχικές ανομοιογένειες του νεαρού Σύμπαντος ήταν σε κλίμακα 10-5. Αν ήταν μικρότεροι, οι γαλαξίες δεν θα σχηματίζονταν. Αν ήταν μεγαλύτερες, αντί για γαλαξίες θα σχηματίζονταν τεράστιες μαύρες τρύπες.

Η συμμετρία των σωματιδίων και των αντισωματιδίων στο Σύμπαν έχει σπάσει. Και για κάθε βαρυόνιο (πρωτόνιο, νετρόνιο) υπάρχουν 109 φωτόνια. Εάν υπήρχαν περισσότεροι από αυτούς, οι γαλαξίες δεν θα μπορούσαν να σχηματιστούν. Αν ήταν λιγότεροι από αυτούς, δεν θα υπήρχαν αστέρια. Επίσης, ο αριθμός των διαστάσεων που ζούμε φαίνεται να είναι «σωστός». Οι σύνθετες δομές δεν μπορούν να προκύψουν σε δύο διαστάσεις. Με περισσότερες από τέσσερις (τρεις διαστάσεις συν χρόνο), η ύπαρξη σταθερών πλανητικών τροχιών και ενεργειακών επιπέδων ηλεκτρονίων στα άτομα γίνεται προβληματική.

10. Ο άνθρωπος ως κέντρο του Σύμπαντος

Η έννοια της ανθρωπικής αρχής εισήχθη από τον Brandon Carter το 1973 σε ένα συνέδριο στην Κρακοβία αφιερωμένο στην 500ή επέτειο από τη γέννηση του Κοπέρνικου. Σε γενικές γραμμές, μπορεί να διατυπωθεί με τέτοιο τρόπο ώστε το παρατηρήσιμο Σύμπαν να πρέπει να πληροί τις προϋποθέσεις που πληροί για να είναι παρατηρήσιμο από εμάς. Υπάρχουν ακόμα διαφορετικές εκδοχές του. Η αδύναμη ανθρωπική αρχή δηλώνει ότι μπορούμε να υπάρχουμε μόνο σε ένα σύμπαν που κάνει δυνατή την ύπαρξή μας. Εάν οι τιμές των σταθερών ήταν διαφορετικές, δεν θα το βλέπαμε ποτέ αυτό, γιατί δεν θα ήμασταν εκεί. Η ισχυρή ανθρωπική αρχή (σκόπιμη εξήγηση) λέει ότι το σύμπαν είναι τέτοιο που μπορούμε να υπάρχουμε (10).

Από την άποψη της κβαντικής φυσικής, οποιοσδήποτε αριθμός συμπάντων θα μπορούσε να προκύψει χωρίς αιτία. Βρεθήκαμε σε ένα συγκεκριμένο σύμπαν, το οποίο έπρεπε να εκπληρώσει μια σειρά από λεπτές προϋποθέσεις για να ζήσει ένας άνθρωπος σε αυτό. Μετά μιλάμε για τον ανθρωπικό κόσμο. Για έναν πιστό, για παράδειγμα, αρκεί ένα ανθρωπικό Σύμπαν που δημιουργήθηκε από τον Θεό. Η υλιστική κοσμοθεωρία δεν το αποδέχεται αυτό και υποθέτει ότι υπάρχουν πολλά σύμπαντα ή ότι το σημερινό σύμπαν είναι απλώς ένα στάδιο στην ατέρμονη εξέλιξη του πολυσύμπαντος.

Ο συγγραφέας της σύγχρονης εκδοχής του Σύμπαντος ως υπόθεση προσομοίωσης είναι ο θεωρητικός Niklas Boström. Σύμφωνα με τον ίδιο, η πραγματικότητα που αντιλαμβανόμαστε είναι απλώς μια προσομοίωση της οποίας δεν γνωρίζουμε. Ο επιστήμονας πρότεινε ότι εάν είναι δυνατό να δημιουργηθεί μια αξιόπιστη προσομοίωση ενός ολόκληρου πολιτισμού ή ακόμα και ολόκληρου του σύμπαντος χρησιμοποιώντας έναν αρκετά ισχυρό υπολογιστή και οι προσομοιωμένοι άνθρωποι μπορούν να βιώσουν τη συνείδηση, τότε είναι πολύ πιθανό ότι οι προηγμένοι πολιτισμοί έχουν δημιουργήσει απλώς έναν μεγάλο αριθμό τέτοιων προσομοιώσεων, και ζούμε σε μία από αυτές σε κάτι παρόμοιο με το «The Matrix» (11).

Εδώ ειπώθηκαν οι λέξεις «Θεός» και «Μάτριξ». Τώρα έχουμε φτάσει στο όριο να μιλάμε για επιστήμη. Πολλοί, συμπεριλαμβανομένων επιστημόνων, πιστεύουν ότι ακριβώς λόγω της αδυναμίας της πειραματικής φυσικής η επιστήμη αρχίζει να εισχωρεί σε τομείς που έρχονται σε αντίθεση με τον ρεαλισμό, μυρίζοντας μεταφυσική και επιστημονική φαντασία. Ας ελπίσουμε ότι η φυσική θα ξεπεράσει την εμπειρική της κρίση και θα βρει έναν τρόπο να χαρεί ξανά ως πειραματικά ελεγχόμενη επιστήμη.