Grenzen der Physik und des physikalischen Experiments

Vor hundert Jahren war die Situation in der Physik genau das Gegenteil von heute. In den Händen der Wissenschaftler lagen die Ergebnisse vielfach wiederholter und bewährter Experimente, die jedoch oft nicht mit bestehenden physikalischen Theorien erklärt werden konnten. Erfahrung ging eindeutig der Theorie voraus. Theoretiker mussten sich an die Arbeit machen.

Derzeit neigt sich das Gleichgewicht zu Theoretikern, deren Modelle sich stark von dem unterscheiden, was man aus möglichen Experimenten wie der Stringtheorie sieht. Und es scheint, dass es in der Physik immer mehr ungelöste Probleme gibt (1).

1. Die wichtigsten modernen Trends und Probleme in der Physik - Visualisierung

Der berühmte polnische Physiker Prof. Andrzej Staruszkiewicz sagte während der Debatte „Grenzen des Wissens in der Physik“ im Juni 2010 an der Ignatianum-Akademie in Krakau: „Der Bereich des Wissens ist im letzten Jahrhundert enorm gewachsen, aber der Bereich der Unwissenheit ist noch stärker gewachsen. (…) Die Entdeckung der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik sind monumentale Errungenschaften des menschlichen Denkens, vergleichbar mit denen Newtons, aber sie führen zu der Frage nach der Beziehung zwischen den beiden Strukturen, einer Frage, deren Ausmaß an Komplexität einfach schockierend ist. In dieser Situation stellen sich natürlich Fragen: Können wir das? Werden unsere Entschlossenheit und unser Wille, der Wahrheit auf den Grund zu gehen, den Schwierigkeiten angemessen sein, denen wir gegenüberstehen?“

Experimentelle Pattsituation

Seit einigen Monaten ist die Welt der Physik mit mehr Kontroversen beschäftigt als sonst. In der Zeitschrift Nature veröffentlichten George Ellis und Joseph Silk einen Artikel zur Verteidigung der Integrität der Physik und kritisierten diejenigen, die zunehmend bereit sind, Experimente zum Testen der neuesten kosmologischen Theorien auf ein unbestimmtes „Morgen“ zu verschieben. Sie sollten sich durch „ausreichende Eleganz“ und Erklärungswert auszeichnen. „Damit wird die jahrhundertealte wissenschaftliche Tradition gebrochen, dass wissenschaftliches Wissen empirisch bewiesenes Wissen ist“, donnern Wissenschaftler. Die Fakten zeigen deutlich die "experimentelle Sackgasse" in der modernen Physik.

Die neuesten Theorien über die Natur und Struktur der Welt und des Universums können in der Regel nicht durch Experimente bestätigt werden, die der Menschheit zur Verfügung stehen.

Mit der Entdeckung des Higgs-Bosons haben Wissenschaftler das Standardmodell "vervollständigt". Doch damit ist die Welt der Physik noch lange nicht zufrieden. Wir kennen alle Quarks und Leptonen, aber wir haben keine Ahnung, wie wir das mit Einsteins Gravitationstheorie in Einklang bringen sollen. Wir wissen nicht, wie wir die Quantenmechanik mit der Gravitation kombinieren können, um eine hypothetische Theorie der Quantengravitation zu erstellen. Wir wissen auch nicht, was der Urknall ist (oder ob er tatsächlich passiert ist!) (2).

Derzeit, nennen wir es klassische Physiker, ist der nächste Schritt nach dem Standardmodell die Supersymmetrie, die voraussagt, dass jedes uns bekannte Elementarteilchen einen "Partner" hat.

Dadurch verdoppelt sich die Gesamtzahl der Bausteine ​​der Materie, aber die Theorie passt perfekt in die mathematischen Gleichungen und bietet vor allem eine Chance, das Geheimnis der kosmischen Dunklen Materie zu lüften. Es bleibt nur abzuwarten, wie die Ergebnisse der Experimente am Large Hadron Collider die Existenz supersymmetrischer Teilchen bestätigen.

Aus Genf sind jedoch noch keine derartigen Entdeckungen zu hören. Natürlich ist dies nur der Anfang einer neuen Version des LHC mit doppelter Aufprallenergie (nach einer kürzlichen Reparatur und Aufrüstung). In ein paar Monaten werden sie vielleicht Sektkorken schießen, um die Supersymmetrie zu feiern. Geschieht dies jedoch nicht, so meinen viele Physiker, müssten supersymmetrische Theorien nach und nach zurückgezogen werden, ebenso wie der Superstring, der auf Supersymmetrie basiert. Denn wenn der Large Collider diese Theorien nicht bestätigt, was dann?

Es gibt jedoch einige Wissenschaftler, die das nicht glauben. Weil die Theorie der Supersymmetrie zu „schön ist, um falsch zu sein“.

Daher beabsichtigen sie, ihre Gleichungen neu zu bewerten, um zu beweisen, dass die Massen supersymmetrischer Teilchen einfach außerhalb der Reichweite des LHC liegen. Die Theoretiker haben sehr recht. Ihre Modelle sind gut darin, Phänomene zu erklären, die messbar und experimentell verifizierbar sind. Man kann sich daher fragen, warum wir die Entwicklung solcher Theorien ausschließen sollten, die wir empirisch (noch) nicht kennen können. Ist das ein vernünftiger und wissenschaftlicher Ansatz?

Universum aus nichts

Die Naturwissenschaften, insbesondere die Physik, basieren auf dem Naturalismus, also auf dem Glauben, dass wir alles mit den Kräften der Natur erklären können. Die Aufgabe der Wissenschaft wird darauf reduziert, die Beziehung zwischen verschiedenen Größen zu betrachten, die Phänomene oder einige Strukturen beschreiben, die in der Natur existieren. Die Physik befasst sich nicht mit Problemen, die nicht mathematisch beschrieben werden können, die nicht wiederholt werden können. Dies ist unter anderem der Grund für seinen Erfolg. Die mathematische Beschreibung zur Modellierung von Naturphänomenen hat sich als äußerst effektiv erwiesen. Errungenschaften der Naturwissenschaft führten zu ihren philosophischen Verallgemeinerungen. Richtungen wie die mechanistische Philosophie oder der wissenschaftliche Materialismus wurden geschaffen, die die vor dem Ende des XNUMX. Jahrhunderts gewonnenen Ergebnisse der Naturwissenschaften in den Bereich der Philosophie übertrugen.

Es schien, dass wir die ganze Welt wissen könnten, dass es in der Natur einen vollständigen Determinismus gibt, weil wir bestimmen können, wie sich die Planeten in Millionen von Jahren bewegen werden oder wie sie sich vor Millionen von Jahren bewegt haben. Diese Errungenschaften führten zu einem Stolz, der den menschlichen Geist verabsolutierte. Der methodologische Naturalismus stimuliert in entscheidendem Maße die naturwissenschaftliche Entwicklung bis heute. Es gibt jedoch einige Grenzpunkte, die auf die Grenzen der naturalistischen Methodik hinzuweisen scheinen.

Wenn das Universum volumenmäßig begrenzt ist und „aus dem Nichts“ (3) entstanden ist, ohne die Gesetze der Energieerhaltung zu verletzen, beispielsweise als Fluktuation, dann sollte es keine Änderungen darin geben. In der Zwischenzeit beobachten wir sie. Wenn wir versuchen, dieses Problem auf der Grundlage der Quantenphysik zu lösen, kommen wir zu dem Schluss, dass nur ein bewusster Beobachter die Möglichkeit der Existenz einer solchen Welt aktualisiert. Deshalb fragen wir uns, warum dasjenige, in dem wir leben, aus vielen verschiedenen Universen erschaffen wurde. Wir kommen also zu dem Schluss, dass die Welt erst, als eine Person auf der Erde erschien, - wie wir beobachten - wirklich "geworden" ist ...

Wie wirken sich Messungen auf Ereignisse aus, die sich vor einer Milliarde Jahren ereignet haben?

4. Wheeler-Experiment – ​​Visualisierung

Einer der modernen Physiker, John Archibald Wheeler, schlug eine Weltraumversion des berühmten Doppelspaltexperiments vor. In seinem mentalen Entwurf wandert das Licht eines Quasars, der eine Milliarde Lichtjahre von uns entfernt ist, entlang zweier gegenüberliegender Seiten der Galaxie (4). Wenn Beobachter jeden dieser Pfade separat beobachten, sehen sie Photonen. Wenn beide gleichzeitig sind, werden sie die Welle sehen. Allein der Akt der Beobachtung verändert also die Natur des Lichts, das den Quasar vor einer Milliarde Jahren verlassen hat!

Für Wheeler beweist das Obige, dass das Universum nicht im physikalischen Sinne existieren kann, zumindest nicht in dem Sinne, in dem wir daran gewöhnt sind, „einen physikalischen Zustand“ zu verstehen. Es kann auch nicht in der Vergangenheit passiert sein, bis... wir eine Messung durchgeführt haben. Somit beeinflusst unsere aktuelle Dimension die Vergangenheit. Mit unseren Beobachtungen, Detektionen und Messungen prägen wir die Ereignisse der Vergangenheit, tief in der Zeit, bis ... zum Beginn des Universums!

Neil Turk vom Perimeter Institute in Waterloo, Kanada, sagte in der Juli-Ausgabe des New Scientist, dass „wir nicht verstehen können, was wir finden. Die Theorie wird immer komplexer und ausgefeilter. Wir stürzen uns in ein Problem mit aufeinanderfolgenden Feldern, Dimensionen und Symmetrien, sogar mit einem Schraubenschlüssel, aber wir können nicht die einfachsten Tatsachen erklären.“ Viele Physiker ärgern sich offensichtlich darüber, dass die Gedankenreisen moderner Theoretiker wie die obigen Überlegungen oder die Superstring-Theorie nichts mit Experimenten zu tun haben, die derzeit in Labors durchgeführt werden, und es keine Möglichkeit gibt, sie experimentell zu überprüfen.

In der Quantenwelt muss man weiter schauen

Wie der Nobelpreisträger Richard Feynman einmal sagte, versteht niemand die Quantenwelt wirklich. Anders als in der guten alten Newtonschen Welt, in der die Wechselwirkungen zweier Körper mit bestimmten Massen durch Gleichungen berechnet werden, haben wir in der Quantenmechanik Gleichungen, aus denen sie nicht so sehr folgen, sondern das Ergebnis eines seltsamen Verhaltens sind, das in Experimenten beobachtet wird. Die Objekte der Quantenphysik müssen mit nichts „Physischem“ in Verbindung gebracht werden, und ihr Verhalten ist eine Domäne eines abstrakten mehrdimensionalen Raums namens Hilbert-Raum.

Es gibt Änderungen, die durch die Schrödinger-Gleichung beschrieben werden, aber warum genau, ist unbekannt. Kann man das ändern? Ist es überhaupt möglich, Quantengesetze aus den Prinzipien der Physik abzuleiten, wie beispielsweise Dutzende von Gesetzen und Prinzipien über die Bewegung von Körpern im Weltraum aus Newtons Prinzipien abgeleitet wurden? Wissenschaftler der Universität Pavia in Italien, Giacomo Mauro D'Ariano, Giulio Ciribella und Paolo Perinotti, argumentieren, dass sogar Quantenphänomene, die eindeutig dem gesunden Menschenverstand widersprechen, in messbaren Experimenten nachgewiesen werden können. Alles, was Sie brauchen, ist die richtige Perspektive - Vielleicht liegt das Missverständnis von Quanteneffekten an einer unzureichend breiten Sicht auf sie. Laut den oben genannten Wissenschaftlern von New Scientist müssen sinnvolle und messbare Experimente in der Quantenmechanik mehrere Bedingungen erfüllen. Das:

• Kausalität - zukünftige Ereignisse können vergangene Ereignisse nicht beeinflussen;
• Unterscheidbarkeit - besagt, dass wir in der Lage sein müssen, uns als getrennt voneinander zu trennen;
• композиция - Wenn wir alle Phasen des Prozesses kennen, kennen wir den gesamten Prozess;
• Kompression – es gibt Möglichkeiten, wichtige Informationen über den Chip zu übertragen, ohne den gesamten Chip übertragen zu müssen;
• Tomographie – Wenn wir ein System haben, das aus vielen Teilen besteht, reicht die Statistik der Messungen nach Teilen aus, um den Zustand des gesamten Systems aufzuzeigen.

Die Italiener wollen ihre Prinzipien der Reinigung, des erweiterten Blicks und des sinnvollen Experimentierens um die Irreversibilität thermodynamischer Phänomene und das Prinzip des Entropiewachstums erweitern, die Physiker nicht beeindrucken. Vielleicht werden auch hier Beobachtungen und Messungen von Artefakten einer zu engen Perspektive beeinflusst, um das gesamte System zu erfassen. „Die grundlegende Wahrheit der Quantentheorie ist, dass laute, irreversible Änderungen rückgängig gemacht werden können, indem der Beschreibung ein neues Layout hinzugefügt wird“, sagt der italienische Wissenschaftler Giulio Ciribella in einem Interview mit New Scientist.

Leider, sagen Skeptiker, könnten die „Säuberung“ von Experimenten und eine breitere Messperspektive zu einer Viele-Welten-Hypothese führen, in der jedes Ergebnis möglich ist und in der Wissenschaftler, die glauben, den richtigen Verlauf der Ereignisse zu messen, einfach a „wählen“. bestimmtes Kontinuum, indem man sie misst.

5. Zeitzeiger in Form von Uhrzeigern

Es gibt keine Zeit?

Das Konzept der sogenannten Zeitpfeile (5) wurde 1927 von dem britischen Astrophysiker Arthur Eddington eingeführt. Dieser Pfeil zeigt die Zeit an, die immer in eine Richtung fließt, also von der Vergangenheit in die Zukunft, und dieser Prozess kann nicht rückgängig gemacht werden. Stephen Hawking schrieb in seinem Buch A Brief History of Time, dass die Unordnung mit der Zeit zunimmt, weil wir die Zeit in der Richtung messen, in der die Unordnung zunimmt. Das würde bedeuten, dass wir eine Wahl haben – wir können zum Beispiel zuerst auf dem Boden verstreute Glasscherben beobachten, dann den Moment, in dem das Glas auf den Boden fällt, dann das Glas in der Luft und schließlich in der Hand die Person, die es hält. Es gibt keine wissenschaftliche Regel, dass der "psychologische Zeitpfeil" in die gleiche Richtung gehen muss wie der thermodynamische Pfeil, und die Entropie des Systems zunimmt. Viele Wissenschaftler glauben jedoch, dass dies so ist, weil im menschlichen Gehirn energetische Veränderungen stattfinden, ähnlich denen, die wir in der Natur beobachten. Das Gehirn hat die Energie zu handeln, zu beobachten und zu argumentieren, weil der menschliche „Motor“ Kraftstoff-Nahrung verbrennt und dieser Prozess, wie in einem Verbrennungsmotor, irreversibel ist.

Es gibt jedoch Fälle, in denen die Entropie in verschiedenen Systemen sowohl zu- als auch abnimmt, während die gleiche Richtung des psychologischen Zeitpfeils beibehalten wird. Zum Beispiel beim Speichern von Daten im Computerspeicher. Die Speichermodule in der Maschine wechseln vom ungeordneten Zustand in die Schreibreihenfolge der Festplatte. Dadurch wird die Entropie im Computer reduziert. Jeder Physiker wird jedoch sagen, dass das Universum aus Sicht des Ganzen wächst, weil es Energie kostet, auf eine Festplatte zu schreiben, und diese Energie in Form von Wärme abgegeben wird, die von einer Maschine erzeugt wird. Es gibt also einen kleinen "psychologischen" Widerstand gegen die etablierten Gesetze der Physik. Es fällt uns schwer zu bedenken, dass das, was mit dem Geräusch des Lüfters herauskommt, wichtiger ist als die Aufzeichnung eines Werks oder anderer Erinnerungswert. Was ist, wenn jemand auf seinem PC ein Argument schreibt, das die moderne Physik, die Theorie der einheitlichen Kräfte oder die Theory of Everything umstürzen wird? Es würde uns schwer fallen, die Vorstellung zu akzeptieren, dass die allgemeine Unordnung im Universum trotzdem zugenommen hat.

Bereits 1967 tauchte die Wheeler-DeWitt-Gleichung auf, aus der folgte, dass die Zeit als solche nicht existiert. Es war ein Versuch, die Ideen der Quantenmechanik und der Allgemeinen Relativitätstheorie mathematisch zu kombinieren, ein Schritt in Richtung der Theorie der Quantengravitation, d.h. die von allen Wissenschaftlern gewünschte Theory of Everything. Erst 1983 boten die Physiker Don Page und William Wutters eine Erklärung dafür, dass das Zeitproblem mit dem Konzept der Quantenverschränkung umgangen werden könnte. Nach ihrem Konzept können nur die Eigenschaften eines bereits definierten Systems gemessen werden. Aus mathematischer Sicht bedeutete dieser Vorschlag, dass die Uhr nicht isoliert vom System arbeitet und nur startet, wenn sie mit einem bestimmten Universum verschränkt ist. Wenn uns jedoch jemand aus einem anderen Universum ansah, würde er uns als statische Objekte sehen, und nur ihre Ankunft bei uns würde eine Quantenverschränkung verursachen und uns buchstäblich das Vergehen der Zeit spüren lassen.

Diese Hypothese bildete die Grundlage der Arbeit von Wissenschaftlern eines Forschungsinstituts in Turin, Italien. Der Physiker Marco Genovese beschloss, ein Modell zu bauen, das die Besonderheiten der Quantenverschränkung berücksichtigt. Es war möglich, einen physikalischen Effekt nachzubilden, der die Richtigkeit dieser Argumentation anzeigt. Es wurde ein Modell des Universums erstellt, das aus zwei Photonen besteht.

Ein Paar war orientiert – vertikal polarisiert und das andere horizontal. Ihr Quantenzustand und damit ihre Polarisation wird dann von einer Reihe von Detektoren erfasst. Es stellt sich heraus, dass sich Photonen bis zum Erreichen der Beobachtung, die letztendlich den Bezugsrahmen bestimmt, in einer klassischen Quantenüberlagerung befinden, d.h. Sie waren sowohl vertikal als auch horizontal ausgerichtet. Das bedeutet, dass der Beobachter, der die Uhr liest, die Quantenverschränkung bestimmt, die das Universum beeinflusst, dessen Teil er wird. Ein solcher Beobachter ist dann in der Lage, die Polarisation aufeinanderfolgender Photonen basierend auf der Quantenwahrscheinlichkeit wahrzunehmen.

Dieses Konzept ist sehr verlockend, weil es viele Probleme erklärt, aber es führt natürlich dazu, dass ein „Superbeobachter“ benötigt wird, der über allen Determinismen steht und alles als Ganzes kontrolliert.

6. Multiversum – Visualisierung

Was wir beobachten und was wir subjektiv als „Zeit“ wahrnehmen, ist tatsächlich das Produkt messbarer globaler Veränderungen in der Welt um uns herum. Während wir tiefer in die Welt der Atome, Protonen und Photonen eintauchen, stellen wir fest, dass das Konzept der Zeit immer weniger wichtig wird. Laut Wissenschaftlern misst die Uhr, die uns jeden Tag begleitet, aus physikalischer Sicht nicht ihren Lauf, sondern hilft uns, unser Leben zu organisieren. Für diejenigen, die an die Newtonschen Konzepte der universellen und allumfassenden Zeit gewöhnt sind, sind diese Konzepte schockierend. Aber nicht nur wissenschaftliche Traditionalisten akzeptieren sie nicht. Der prominente theoretische Physiker Lee Smolin, der von uns bereits als einer der möglichen Gewinner des diesjährigen Nobelpreises erwähnt wurde, glaubt, dass die Zeit existiert und ziemlich real ist. Einmal argumentierte er – wie viele Physiker –, dass Zeit eine subjektive Illusion sei.

Nun nimmt er in seinem Buch „Reborn Time“ einen ganz anderen Blick auf die Physik und kritisiert die in der Wissenschaftsgemeinde populäre Stringtheorie. Ihm zufolge existiert das Multiversum nicht (6), weil wir im selben Universum und zur selben Zeit leben. Er glaubt, dass Zeit von größter Bedeutung ist und dass unsere Erfahrung der Realität des gegenwärtigen Moments keine Illusion ist, sondern der Schlüssel zum Verständnis der grundlegenden Natur der Realität.

Entropie Null

Sandu Popescu, Tony Short, Noah Linden (7) und Andreas Winter beschrieben ihre Ergebnisse 2009 in der Zeitschrift Physical Review E, die zeigten, dass Objekte ein Gleichgewicht erreichen, also einen Zustand gleichförmiger Energieverteilung, indem sie mit ihrem Körper in Zustände der Quantenverschränkung eintreten Umfeld. Im Jahr 2012 bewies Tony Short, dass Verstrickung endlichen Gleichmut verursacht. Wenn ein Objekt mit der Umgebung interagiert, z. B. wenn Partikel in einer Tasse Kaffee mit Luft kollidieren, „dringen“ Informationen über ihre Eigenschaften nach außen und werden in der gesamten Umgebung „verschwommen“. Der Informationsverlust führt dazu, dass der Zustand des Kaffees stagniert, während sich der Sauberkeitszustand des gesamten Raumes immer wieder ändert. Laut Popescu ändert sich ihr Zustand im Laufe der Zeit nicht mehr.

7. Noah Linden, Sandu Popescu und Tony Short

Wenn sich der Sauberkeitszustand des Raums ändert, kann der Kaffee plötzlich aufhören, sich mit der Luft zu vermischen und in seinen eigenen sauberen Zustand übergehen. Es gibt jedoch weitaus mehr Zustände, die mit der Umgebung vermischt sind, als dem Kaffee reine Zustände zur Verfügung stehen, und tritt daher fast nie auf. Diese statistische Unwahrscheinlichkeit erweckt den Eindruck, dass der Zeitpfeil irreversibel ist. Das Problem des Zeitpfeils wird durch die Quantenmechanik verwischt, was die Bestimmung der Natur erschwert.

Ein Elementarteilchen hat keine genauen physikalischen Eigenschaften und wird nur durch die Wahrscheinlichkeit bestimmt, sich in verschiedenen Zuständen zu befinden. Beispielsweise kann ein Partikel zu einem beliebigen Zeitpunkt eine 50-prozentige Wahrscheinlichkeit haben, sich im Uhrzeigersinn zu drehen, und eine 50-prozentige Wahrscheinlichkeit, sich in die entgegengesetzte Richtung zu drehen. Das Theorem, bekräftigt durch die Erfahrung des Physikers John Bell, besagt, dass der wahre Zustand des Teilchens nicht existiert und dass sie sich von der Wahrscheinlichkeit leiten lassen müssen.

Dann führt Quantenunsicherheit zu Verwirrung. Wenn zwei Teilchen interagieren, können sie nicht einmal für sich allein definiert werden und entwickeln unabhängig voneinander Wahrscheinlichkeiten, die als reiner Zustand bekannt sind. Stattdessen werden sie zu verschränkten Komponenten einer komplexeren Wahrscheinlichkeitsverteilung, die beide Teilchen gemeinsam beschreiben. Diese Verteilung kann beispielsweise darüber entscheiden, ob sich die Partikel in die entgegengesetzte Richtung drehen. Das System als Ganzes befindet sich in einem reinen Zustand, aber der Zustand einzelner Teilchen ist einem anderen Teilchen zugeordnet.

Daher können beide viele Lichtjahre voneinander entfernt sein, und die Rotation von jedem wird mit der anderen korreliert bleiben.

Die neue Theorie des Zeitpfeils beschreibt dies als Informationsverlust durch Quantenverschränkung, die eine Tasse Kaffee ins Gleichgewicht mit dem umgebenden Raum schickt. Schließlich erreicht der Raum ein Gleichgewicht mit seiner Umgebung, und er nähert sich seinerseits langsam dem Gleichgewicht mit dem Rest des Universums. Die alten Wissenschaftler, die sich mit Thermodynamik beschäftigten, betrachteten diesen Prozess als eine allmähliche Energieabgabe, die die Entropie des Universums erhöht.

Heute glauben Physiker, dass Informationen immer weiter verstreut werden, aber nie ganz verschwinden. Obwohl die Entropie lokal zunimmt, glauben sie, dass die Gesamtentropie des Universums konstant bei Null bleibt. Ein Aspekt des Zeitpfeils bleibt jedoch ungelöst. Wissenschaftler argumentieren, dass die Fähigkeit einer Person, sich an die Vergangenheit zu erinnern, aber nicht an die Zukunft, auch als die Bildung von Beziehungen zwischen interagierenden Teilchen verstanden werden kann. Wenn wir eine Nachricht auf einem Blatt Papier lesen, kommuniziert das Gehirn damit durch Photonen, die die Augen erreichen.

Erst ab jetzt können wir uns daran erinnern, was uns diese Botschaft sagt. Popescu glaubt, dass die neue Theorie nicht erklärt, warum der Anfangszustand des Universums weit vom Gleichgewicht entfernt war, und fügt hinzu, dass die Natur des Urknalls erklärt werden sollte. Einige Forscher haben Zweifel an diesem neuen Ansatz geäußert, aber die Entwicklung dieses Konzepts und eines neuen mathematischen Formalismus hilft nun, die theoretischen Probleme der Thermodynamik zu lösen.

Greifen Sie nach den Körnern der Raumzeit

Die Physik von Schwarzen Löchern scheint darauf hinzudeuten, dass unser Universum überhaupt nicht dreidimensional ist, wie einige mathematische Modelle vermuten lassen. Ungeachtet dessen, was unsere Sinne uns sagen, kann die Realität um uns herum ein Hologramm sein – eine Projektion einer entfernten Ebene, die eigentlich zweidimensional ist. Wenn dieses Bild des Universums richtig ist, kann die Illusion der dreidimensionalen Natur der Raumzeit zerstreut werden, sobald die uns zur Verfügung stehenden Forschungswerkzeuge ausreichend empfindlich werden. Craig Hogan, Physikprofessor am Fermilab, der Jahre damit verbracht hat, die grundlegende Struktur des Universums zu studieren, schlägt vor, dass dieses Niveau gerade erreicht wurde.

8. GEO600 Gravitationswellendetektor

Wenn das Universum ein Hologramm ist, dann haben wir vielleicht gerade die Grenzen der Realitätsauflösung erreicht. Einige Physiker stellen die faszinierende Hypothese auf, dass die Raumzeit, in der wir leben, letztendlich nicht kontinuierlich ist, sondern wie ein digitales Foto auf ihrer grundlegendsten Ebene aus bestimmten „Körnern“ oder „Pixeln“ besteht. Wenn dem so ist, muss unsere Realität eine Art endgültige "Auflösung" haben. So interpretierten einige Forscher das „Rauschen“, das in den Ergebnissen des Gravitationswellendetektors GEO600 auftauchte (8).

Um diese außergewöhnliche Hypothese zu testen, entwickelten Craig Hogan, ein Gravitationswellenphysiker, und sein Team das genaueste Interferometer der Welt, das so genannte Hogan-Holometer, das dazu bestimmt ist, die grundlegendste Essenz der Raumzeit auf die genaueste Weise zu messen. Das Experiment mit dem Codenamen Fermilab E-990 ist nicht eines von vielen anderen. Dieses zielt darauf ab, die Quantennatur des Raums selbst und das Vorhandensein von dem, was Wissenschaftler "holografisches Rauschen" nennen, zu demonstrieren.

Das Holometer besteht aus zwei nebeneinander angeordneten Interferometern. Sie richten 40-Kilowatt-Laserstrahlen auf ein Gerät, das sie in zwei senkrechte 9 Meter lange Strahlen aufteilt, die reflektiert und zum Teilungspunkt zurückgeworfen werden, wodurch Schwankungen in der Helligkeit der Lichtstrahlen entstehen (XNUMX). Wenn sie eine bestimmte Bewegung in der Teilungsvorrichtung verursachen, ist dies ein Beweis für die Vibration des Raums selbst.

9. Grafische Darstellung des holographischen Experiments

Die größte Herausforderung für Hogans Team besteht darin, zu beweisen, dass die von ihnen entdeckten Effekte nicht nur Störungen sind, die durch Faktoren außerhalb des experimentellen Aufbaus verursacht werden, sondern das Ergebnis von Raum-Zeit-Vibrationen. Daher werden die im Interferometer verwendeten Spiegel mit den Frequenzen aller kleinsten Geräusche synchronisiert, die von außerhalb des Geräts kommen und von speziellen Sensoren aufgenommen werden.

Anthropisches Universum

Damit die Welt und der Mensch darin existieren können, müssen die Gesetze der Physik eine ganz bestimmte Form haben und physikalische Konstanten müssen genau ausgewählte Werte haben ... und das sind sie! Warum?

Beginnen wir mit der Tatsache, dass es im Universum vier Arten von Wechselwirkungen gibt: gravitative (fallende, Planeten, Galaxien), elektromagnetische (Atome, Teilchen, Reibung, Elastizität, Licht), schwache nukleare (Quelle stellarer Energie) und starke nukleare ( bindet Protonen und Neutronen zu Atomkernen). Die Schwerkraft ist 1039-mal schwächer als der Elektromagnetismus. Wäre sie etwas schwächer, wären die Sterne leichter als die Sonne, Supernovae würden nicht explodieren, schwere Elemente würden sich nicht bilden. Wenn es noch ein wenig stärker wäre, würden Kreaturen, die größer als Bakterien wären, zermalmt, und Sterne würden oft kollidieren, Planeten zerstören und sich selbst zu schnell verbrennen.

Die Dichte des Universums liegt nahe an der kritischen Dichte, d. h. unterhalb derer sich die Materie ohne die Bildung von Galaxien oder Sternen schnell auflösen würde und oberhalb derer das Universum zu lange gelebt hätte. Für das Auftreten solcher Bedingungen hätte die Genauigkeit der Übereinstimmung mit den Parametern des Urknalls innerhalb von ±10-60 liegen müssen. Die anfänglichen Inhomogenitäten des jungen Universums lagen auf einer Skala von 10-5. Wenn sie kleiner wären, würden sich keine Galaxien bilden. Wären sie größer, würden statt Galaxien riesige Schwarze Löcher entstehen.

Die Symmetrie von Teilchen und Antiteilchen im Universum ist gebrochen. Und für jedes Baryon (Proton, Neutron) gibt es 109 Photonen. Wenn es mehr gäbe, könnten sich keine Galaxien bilden. Wenn es weniger gäbe, gäbe es keine Sterne. Auch die Anzahl der Dimensionen, in denen wir leben, scheint "richtig" zu sein. Komplexe Strukturen können nicht zweidimensional entstehen. Bei mehr als vier (drei Dimensionen plus Zeit) wird die Existenz stabiler Planetenbahnen und Energieniveaus von Elektronen in Atomen problematisch.

10. Der Mensch als Zentrum des Universums

Das Konzept des anthropischen Prinzips wurde 1973 von Brandon Carter auf einer Konferenz in Krakau eingeführt, die dem 500. Geburtstag von Copernicus gewidmet war. Allgemein kann man es so formulieren, dass das beobachtbare Universum die Bedingungen erfüllen muss, die es erfüllt, um von uns beobachtet zu werden. Bisher gibt es verschiedene Versionen davon. Das schwache anthropische Prinzip besagt, dass wir nur in einem Universum existieren können, das unsere Existenz ermöglicht. Wenn die Werte der Konstanten anders wären, würden wir das nie sehen, weil wir nicht da wären. Das starke anthropische Prinzip (absichtliche Erklärung) besagt, dass das Universum so ist, dass wir existieren können (10).

Aus quantenphysikalischer Sicht könnten beliebig viele Universen ohne Grund entstanden sein. Wir landeten in einem bestimmten Universum, das eine Reihe subtiler Bedingungen erfüllen musste, damit eine Person darin leben konnte. Dann sprechen wir über die anthropische Welt. Für einen Gläubigen reicht zum Beispiel ein von Gott geschaffenes anthropisches Universum. Das materialistische Weltbild akzeptiert dies nicht und geht davon aus, dass es viele Universen gibt oder dass das aktuelle Universum nur eine Stufe in der unendlichen Evolution des Multiversums ist.

Der Autor der modernen Version der Hypothese des Universums als Simulation ist der Theoretiker Niklas Boström. Ihm zufolge ist die Realität, die wir wahrnehmen, nur eine Simulation, derer wir uns nicht bewusst sind. Der Wissenschaftler schlug vor, dass, wenn es möglich ist, mit einem ausreichend leistungsfähigen Computer eine zuverlässige Simulation einer ganzen Zivilisation oder sogar des gesamten Universums zu erstellen, und die simulierten Menschen Bewusstsein erfahren können, es sehr wahrscheinlich ist, dass fortgeschrittene Zivilisationen nur eine große Anzahl geschaffen haben von solchen Simulationen, und wir leben in einer von ihnen in etwas Ähnlichem wie The Matrix (11).

Hier wurden die Worte „Gott“ und „Matrix“ gesprochen. Hier kommen wir an die Grenze, über Wissenschaft zu sprechen. Viele, darunter auch Wissenschaftler, glauben, dass die Wissenschaft gerade wegen der Hilflosigkeit der Experimentalphysik in Bereiche vordringt, die dem Realismus widersprechen und nach Metaphysik und Science-Fiction riechen. Es bleibt zu hoffen, dass die Physik ihre empirische Krise überwindet und wieder einen Weg findet, sich als experimentell überprüfbare Wissenschaft zu freuen.