物理和物理实验的极限
一百年前，物理学的情况与今天完全相反。 科学家们掌握了经过多次重复验证的实验结果，然而，这些结果往往无法用现有的物理理论来解释。 经验明显先于理论。 理论家必须开始工作。
目前，天平正向理论家倾斜，他们的模型与弦理论等可能的实验所看到的非常不同。 而且似乎物理学中有越来越多的未解决问题（1）。
1. 物理学中最重要的现代趋势和问题——可视化
著名的波兰物理学家，教授。 Andrzej Staruszkiewicz 于 2010 年 XNUMX 月在克拉科夫的 Ignatianum 学院举行的“物理学知识的限制”辩论中说： “在上个世纪，知识领域有了巨大的发展，但无知的领域发展得更多。 （……）广义相对论和量子力学的发现是人类思想的不朽成就，可与牛顿相媲美，但它们引出了两个结构之间关系的问题，这个问题的复杂程度简直令人震惊。 在这种情况下，自然会产生疑问：我们能做到吗？ 我们追查真相的决心和意志是否与我们面临的困难相称？”
实验僵局
几个月来，物理学界比平时更忙，争议也更多。 在《自然》杂志上，乔治·埃利斯和约瑟夫·西尔克发表了一篇捍卫物理学完整性的文章，批评了那些越来越愿意推迟实验以测试最新宇宙学理论的人，直到无限期的“明天”。 它们应该以“足够优雅”和解释价值为特征。 “这打破了数百年来的科学传统，即科学知识是经过经验证明的知识，”科学家雷声说。 事实清楚地表明了现代物理学的“实验僵局”。
关于世界和宇宙的性质和结构的最新理论通常无法通过人类可用的实验来验证。
通过发现希格斯玻色子，科学家们已经“完成”了标准模型。 然而，物理学的世界远未满足。 我们知道所有的夸克和轻子，但我们不知道如何将其与爱因斯坦的引力理论相协调。 我们不知道如何将量子力学与引力相结合来创建一个假设的量子引力理论。 我们也不知道大爆炸是什么（或者它是否真的发生了！） （2）。
目前，我们称之为经典物理学家，标准模型之后的下一步是超对称，它预测我们所知道的每一个基本粒子都有一个“伙伴”。
这使物质构建块的总数翻了一番，但该理论完全符合数学方程，更重要的是，它提供了一个解开宇宙暗物质之谜的机会。 剩下的只是等待大型强子对撞机的实验结果，这将证实超对称粒子的存在。
然而，还没有从日内瓦听到这样的发现。 当然，这只是 LHC 新版本的开始，具有两倍的冲击能量（经过最近的维修和升级）。 几个月后，他们可能会为了庆祝超对称而拍摄香槟瓶塞。 然而，如果这没有发生，许多物理学家认为，超对称理论以及基于超对称的超弦理论将不得不逐渐退出。 因为如果大型对撞机不能证实这些理论，那又如何？
然而，也有一些科学家不这么认为。 因为超对称理论太“美而不会错”。
因此，他们打算重新评估他们的方程，以证明超对称粒子的质量完全超出了 LHC 的范围。 理论家是非常正确的。 他们的模型擅长解释可以通过实验测量和验证的现象。 因此有人可能会问，为什么我们应该排除那些我们（还）不能凭经验知道的理论的发展。 这是一个合理和科学的方法吗？
从无到有的宇宙
自然科学，尤其是物理学，是基于自然主义的，即相信我们可以用自然的力量来解释一切。 科学的任务被简化为考虑描述自然界中存在的现象或某些结构的各种量之间的关系。 物理学不处理无法用数学方法描述、无法重复的问题。 这也是其成功的原因之一。 用于模拟自然现象的数学描述已被证明是非常有效的。 自然科学的成就导致了它们的哲学概括。 创造了机械哲学或科学唯物主义等方向，将XNUMX世纪末之前获得的自然科学成果转移到哲学领域。
似乎我们可以知道整个世界，自然界中存在完全的决定论，因为我们可以确定行星在数百万年之后将如何运动，或者它们在数百万年前是如何运动的。 这些成就引起了一种使人类思想绝对化的自豪感。 即使在今天，方法论自然主义在决定性的程度上也促进了自然科学的发展。 然而，有一些分界点似乎表明了自然主义方法论的局限性。
如果宇宙在体积上是有限的并且是“无中生有”（3）产生的，而不违反能量守恒定律，例如，作为一个波动，那么它应该没有变化。 与此同时，我们正在观察他们。 试图在量子物理学的基础上解决这个问题，我们得出的结论是，只有有意识的观察者才能实现这样一个世界存在的可能性。 这就是为什么我们想知道为什么我们生活的特定宇宙是由许多不同的宇宙创造的。 所以我们得出结论，只有当一个人出现在地球上时，世界——正如我们所观察到的——才真正“成为”……
测量如何影响十亿年前发生的事件？
4.惠勒实验——可视化
现代物理学家之一约翰·阿奇博尔德·惠勒提出了著名的双缝实验的太空版本。 在他的心智设计中，来自距离我们 4 亿光年的类星体的光沿着银河系的相对两侧传播 (XNUMX)。 如果观察者分别观察这些路径中的每一个，他们将看到光子。 如果两者同时出现，他们就会看到波浪。 因此，观察行为本身就改变了十亿年前离开类星体的光的性质！
对于惠勒来说，以上证明了宇宙不可能存在于物理意义上，至少在我们习惯于理解“物理状态”的意义上。 过去也不可能发生，直到……我们进行了测量。 因此，我们当前的维度会影响过去。 通过我们的观察、探测和测量，我们塑造了过去的事件，在时间的深处，直到……宇宙的开始！
加拿大滑铁卢周边研究所的 Neil Turk 在 XNUMX 月号的《新科学家》杂志上说：“我们无法理解我们发现了什么。 理论变得越来越复杂和精密。 我们将自己投入到一个连续场、维度和对称性的问题中，即使是用扳手，但我们无法解释最简单的事实。” 许多物理学家显然对现代理论家的心路历程感到恼火，例如上述考虑或超弦理论，与目前在实验室进行的实验无关，也没有办法通过实验来检验它们。
在量子世界里，你需要看得更远
正如诺贝尔奖获得者理查德费曼曾经说过的那样，没有人真正了解量子世界。 与古老的牛顿世界不同，在该世界中，具有一定质量的两个物体的相互作用是通过方程计算的，在量子力学中，我们有方程，它们并没有从这些方程中得到太多的遵循，而是在实验中观察到的奇怪行为的结果。 量子物理学的对象不必与任何“物理”相关联，它们的行为是一个称为希尔伯特空间的抽象多维空间的域。
薛定谔方程描述了一些变化，但具体原因未知。 这可以改变吗？ 是否有可能从物理学原理中推导出量子定律，例如，关于物体在外层空间运动的许多定律和原理都是从牛顿原理中推导出来的？ 意大利帕维亚大学的科学家 Giacomo Mauro D'Ariano、Giulio Ciribella 和 Paolo Perinotti 认为，即使是明显违反常识的量子现象也可以在可测量的实验中检测到。 你所需要的只是正确的视角—— 也许对量子效应的误解是由于对它们的看法不够广泛。 根据《新科学家》中上述科学家的说法，量子力学中有意义且可测量的实验必须满足几个条件。 这是：
- 因果关系 - 未来事件不能影响过去事件；
- 可区分性 - 声明我们必须能够彼此分开；
- 组成 - 如果我们知道过程的所有阶段，我们就知道整个过程；
- 压缩 – 有一些方法可以传输有关芯片的重要信息，而无需传输整个芯片；
- 断层摄影术 – 如果我们有一个由许多部分组成的系统，那么按部分测量的统计数据足以揭示整个系统的状态。
意大利人希望扩大他们的净化原理、更广阔的视野和有意义的实验，以包括热力学现象的不可逆性和熵增长原理，这并没有给物理学家留下深刻印象。 也许在这里，观察和测量也受到视角太窄而无法理解整个系统的伪影的影响。 “量子理论的基本事实是，通过在描述中添加新的布局，可以使嘈杂的、不可逆的变化变得可逆，”意大利科学家 Giulio Ciribella 在接受 New Scientist 采访时说。
不幸的是，怀疑论者说，实验的“清理”和更广泛的测量视角可能会导致多世界假设，在该假设中，任何结果都是可能的，并且科学家认为他们正在测量事件的正确过程，只需“选择”一个通过测量它们来确定某些连续体。
5.时钟指针形式的时间指针
没时间？
所谓时间之箭（5）的概念是由英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿于 1927 年提出的。 这个箭头表示时间，它总是沿着一个方向流动，即从过去流向未来，这个过程不能逆转。 斯蒂芬霍金在他的《时间简史》中写道，无序随着时间的推移而增加，因为我们在无序增加的方向上测量时间。 这意味着我们有一个选择——例如，我们可以先观察散落在地板上的碎玻璃片，然后观察玻璃落到地板上的那一刻，然后是空中的玻璃，最后是在拿着它的人。 没有科学规律，“时间的心理箭头”必须与热力学箭头的方向相同，系统的熵增加。 然而，许多科学家认为之所以如此，是因为人类大脑中发生了能量变化，类似于我们在自然界中观察到的变化。 大脑有行动、观察和推理的能量，因为人类的“引擎”燃烧燃料和食物，并且就像在内燃机中一样，这个过程是不可逆的。
然而，有些情况下，在保持心理时间箭头的相同方向的同时，熵在不同系统中既增加又减少。 例如，在计算机内存中保存数据时。 机器中的内存模块从无序状态变为磁盘写入顺序。 因此，计算机中的熵减少了。 然而，任何物理学家都会说，从整个宇宙的角度来看——它在增长，因为它需要能量来写入磁盘，而这种能量以机器产生的热量的形式消散。 因此，对既定的物理定律有一个小的“心理”阻力。 我们很难认为风扇噪音所带出的东西比记忆中的作品或其他价值的记录更重要。 如果有人在他们的 PC 上写下一个将颠覆现代物理学、统一力理论或万物理论的论点怎么办？ 我们很难接受这样一种观点，即尽管如此，宇宙中的普遍无序却有所增加。
早在 1967 年，Wheeler-DeWitt 方程就出现了，从那时起它并不存在。 这是一种将量子力学和广义相对论在数学上结合起来的尝试，是朝着量子引力理论迈出的一步，即所有科学家都渴望的万物理论。 直到 1983 年，物理学家唐·佩奇 (Don Page) 和威廉·沃特斯 (William Wutters) 才提出可以使用量子纠缠的概念来规避时间问题的解释。 根据他们的概念，只能测量已定义系统的属性。 从数学的角度来看，这个提议意味着时钟不能独立于系统工作，只有在与某个宇宙纠缠在一起时才会启动。 然而，如果有人从另一个宇宙看我们，他们会将我们视为静止的物体，只有他们的到来才会引起量子纠缠，让我们真正感受到时间的流逝。
这一假设构成了意大利都灵一家研究所的科学家工作的基础。 物理学家 Marco Genovese 决定建立一个考虑量子纠缠细节的模型。 可以重新创建一种物理效果，表明这种推理的正确性。 已经创建了一个由两个光子组成的宇宙模型。
一对是定向的——垂直极化，另一对水平极化。 然后，它们的量子态及其偏振会被一系列检测器检测到。 事实证明，在达到最终确定参考系的观察结果之前，光子处于经典的量子叠加状态，即它们是垂直和水平方向的。 这意味着观察时钟的观察者决定了影响他成为其中一部分的宇宙的量子纠缠。 然后，这样的观察者能够根据量子概率感知连续光子的偏振。
这个概念非常诱人，因为它解释了许多问题，但它自然导致需要一个“超级观察者”，他将超越所有的决定论，并将一切作为一个整体来控制。
6. 多元宇宙-可视化
我们所观察到的以及我们主观上认为的“时间”实际上是我们周围世界可测量的全球变化的产物。 随着我们深入研究原子、质子和光子的世界，我们意识到时间的概念变得越来越不重要。 根据科学家的说法，每天陪伴我们的时钟，从物理的角度来看，并不能衡量它的流逝，而是帮助我们组织我们的生活。 对于那些习惯于牛顿普遍和无所不包的时间概念的人来说，这些概念是令人震惊的。 但不仅科学传统主义者不接受他们。 著名理论物理学家李斯莫林（Lee Smolin），我们之前提到的今年诺贝尔奖的可能获得者之一，认为时间是存在的，并且是相当真实的。 曾经——像许多物理学家一样——他认为时间是一种主观错觉。
现在，在他的《重生时间》一书中，他对物理学采取了完全不同的看法，并批评了科学界流行的弦理论。 据他说，多元宇宙并不存在（6），因为我们同时生活在同一个宇宙中。 他认为时间至关重要，我们对当下现实的体验不是幻觉，而是理解现实本质的关键。
熵为零
Sandu Popescu、Tony Short、Noah Linden (7) 和 Andreas Winter 在 2009 年的《物理评论 E》杂志上描述了他们的发现，这表明物体通过进入量子纠缠态与它们的量子纠缠态实现平衡，即能量均匀分布的状态。周围环境。 2012 年，托尼·肖特证明了纠缠会导致有限的时间平等。 当一个物体与环境相互作用时，例如当一杯咖啡中的颗粒与空气碰撞时，有关其属性的信息会向外“泄漏”并在整个环境中变得“模糊”。 信息的丢失导致咖啡的状态停滞不前，即使整个房间的清洁状态不断变化。 根据波佩斯库的说法，她的病情会随着时间的推移而停止变化。
7. 诺亚·林登、桑杜·波佩斯库和托尼·肖特
随着房间洁净状态的变化，咖啡可能会突然停止与空气的混合，进入自己的洁净状态。 然而，与环境混合的状态比咖啡可用的纯状态要多得多，因此几乎不会发生。 这种统计上的不可能性给人的印象是时间之箭是不可逆的。 时间之箭的问题被量子力学模糊，难以确定性质。
基本粒子没有精确的物理性质，仅由处于不同状态的概率决定。 例如，在任何给定时间，一个粒子可能有 50% 的机会顺时针转动，而有 50% 的机会向相反方向转动。 物理学家约翰贝尔的经验强化了该定理，指出粒子的真实状态不存在，它们被概率引导。
然后量子不确定性导致混乱。 当两个粒子相互作用时，它们甚至无法自行定义，独立发展的概率称为纯态。 相反，它们成为两个粒子一起描述的更复杂概率分布的纠缠分量。 例如，这种分布可以决定粒子是否会朝相反的方向旋转。 系统作为一个整体处于纯状态，但单个粒子的状态与另一个粒子相关联。
因此，两者可以相距许多光年，并且彼此的旋转将保持相互关联。
时间箭头的新理论将其描述为由于量子纠缠导致的信息丢失，它使一杯咖啡与周围的房间保持平衡。 最终，房间与环境达到平衡，而它又慢慢地与宇宙的其他部分接近平衡。 研究热力学的老科学家认为这个过程是能量的逐渐消散，增加了宇宙的熵。
今天，物理学家认为信息变得越来越分散，但从未完全消失。 尽管熵在局部增加，但他们认为宇宙的总熵始终保持在零。 然而，时间之箭的一个方面仍未解决。 科学家们认为，一个人记住过去而不是未来的能力，也可以理解为相互作用粒子之间关系的形成。 当我们在一张纸上阅读信息时，大脑会通过到达眼睛的光子与它进行交流。
只有从现在开始，我们才能记住这条信息告诉我们什么。 波佩斯库认为，新理论并不能解释为什么宇宙的初始状态远未达到平衡，并补充说应该解释大爆炸的本质。 一些研究人员对这种新方法表示怀疑，但这一概念和新数学形式的发展现在有助于解决热力学的理论问题。
伸手去拿时空的颗粒
正如一些数学模型所暗示的，黑洞物理学似乎表明我们的宇宙根本不是三维的。 不管我们的感官告诉我们什么，我们周围的现实可能是一个全息图——一个遥远平面的投影，实际上是二维的。 如果这个宇宙图景是正确的，那么一旦我们掌握的研究工具变得足够敏感，对时空三维性质的错觉就会被消除。 费米实验室物理学教授克雷格霍根多年来一直研究宇宙的基本结构，他认为这个水平刚刚达到。
8. GEO600引力波探测器
如果宇宙是一个全息图，那么也许我们刚刚达到现实分辨率的极限。 一些物理学家提出了一个有趣的假设，即我们生活的时空最终并不是连续的，而是像数码照片一样，在其最基本的层面上是由某些“颗粒”或“像素”组成的。 如果是这样，我们的现实必须有某种最终的“解决方案”。 这就是一些研究人员如何解释出现在 GEO600 引力波探测器 (8) 的结果中的“噪音”。
为了验证这个非凡的假设，引力波物理学家克雷格霍根和他的团队开发了世界上最精确的干涉仪，称为霍根全息仪，旨在以最准确的方式测量时空的最基本本质。 这个代号为 Fermilab E-990 的实验并非众多其他实验之一。 这个旨在展示空间本身的量子性质以及科学家所谓的“全息噪声”的存在。
全息仪由并排放置的两个干涉仪组成。 他们将一千瓦的激光束引导到一个设备上，该设备将它们分成两束 40 米长的垂直光束，这些光束被反射并返回到分裂点，从而产生光束亮度的波动 (9)。 如果它们在分割装置中引起某种运动，那么这将是空间本身振动的证据。
9. 全息实验的图形表示
霍根团队最大的挑战是证明他们发现的影响不仅仅是由实验装置之外的因素引起的扰动，而是时空振动的结果。 因此，干涉仪中使用的镜子将与来自设备外部并由特殊传感器接收的所有最小噪声的频率同步。
人类宇宙
为了让世界和人类存在于其中，物理定律必须有一个非常具体的形式，物理常数必须有精确选择的值......它们是！ 为什么？
让我们从宇宙中存在四种相互作用的事实开始：引力（坠落、行星、星系）、电磁（原子、粒子、摩擦、弹性、光）、弱核（恒星能量的来源）和强核（将质子和中子结合成原子核）。 重力比电磁力弱 1039 倍。 如果它再弱一点，恒星就会比太阳轻，超新星就不会爆炸，重元素就不会形成。 如果它再强大一点，比细菌还大的生物就会被压碎，恒星经常会发生碰撞，摧毁行星并过快地燃烧自己。
宇宙的密度接近临界密度，低于临界密度，物质会迅速消散而不会形成星系或恒星，高于临界密度，宇宙会活得太久。 对于这种情况的发生，大爆炸参数的匹配精度应该在±10-60以内。 年轻宇宙最初的不均匀性为 10-5。 如果它们更小，就不会形成星系。 如果它们更大，就会形成巨大的黑洞而不是星系。
宇宙中粒子和反粒子的对称性被打破。 每个重子（质子、中子）都有 109 个光子。 如果有更多，星系就无法形成。 如果它们的数量更少，就不会有星星。 此外，我们生活的维度数量似乎是“正确的”。 复杂的结构不可能出现在二维中。 超过四个（三个维度加上时间），稳定的行星轨道的存在和原子中电子的能级变得有问题。
10. 人是宇宙的中心
人择原理的概念是由布兰登卡特于 1973 年在克拉科夫举行的一次专门纪念哥白尼诞辰 500 周年的会议上提出的。 一般而言，它可以这样表述，即可观测宇宙必须满足它所满足的条件才能被我们观测到。 到目前为止，它有不同的版本。 弱人择原理指出，我们只能存在于一个使我们的存在成为可能的宇宙中。 如果常量的值不同，我们永远不会看到这一点，因为我们不会在那里。 强人择原理（有意解释）说宇宙是这样的，我们可以存在 （10）。
从量子物理学的角度来看，任何数量的宇宙都可能无缘无故地出现。 我们最终进入了一个特定的宇宙，它必须满足许多微妙的条件才能让一个人生活在其中。 然后我们在谈论人类世界。 例如，对于一个信徒来说，一个由上帝创造的人类宇宙就足够了。 唯物主义世界观不接受这一点，并假设有许多宇宙，或者当前的宇宙只是多元宇宙无限演化的一个阶段。
现代版本的宇宙模拟假设的作者是理论家尼克拉斯博斯特伦。 据他说，我们所感知的现实只是我们没有意识到的模拟。 这位科学家提出，如果可以用足够强大的计算机对整个文明甚至整个宇宙进行可靠的模拟，并且模拟的人可以体验意识，那么很可能先进文明只是创造了大量这种模拟，我们生活在其中一个类似于矩阵（11）的地方。
这里提到了“上帝”和“矩阵”这两个词。 在这里，我们谈到了谈论科学的极限。 包括科学家在内的许多人认为，正是因为实验物理学的无奈，科学才开始进入与现实主义相反的领域，有形而上学和科幻小说的味道。 仍然希望物理学能够克服其经验危机，并再次找到一种方法来为一门可通过实验验证的科学而欢欣鼓舞。
