tqg87

Гравитация как-то связана со временем, а "напряженность" гравитационного поля каким-то образом способна повлиять на скорость течения времени. Вспомните что происходит около горизонта событий чёрной дыры. Объект видит, как пролетают годы и столетия со скоростью света, а его движение со стороны кажется настолько медленным, что это затягивается на миллионы лет. При этом в системе отсчёта замедленного объекта всё идёт как надо. Не кажется ли вам, что тут не обошлось без теории относительности и игр прострнаства-времени? Точно. Именно так. Но как всё это работает на физическом уровне? Что такое жуткое делает гравитация и какой тут механизм работает? Давайте попробуем найти физическую суть путешествий во времени с участием гравитации и дадим простой ответ на этот вопрос!

Итак, друзья мои, продолжаем рубрику "Простые понятия". Cегодня поговорим про такую штуку, как гравитационное поле. Получился у нас этакий котопёс, ведь гравитационное поле - это не самое простое понятие, которое можно было выбрать для рубрики "Простые понятия". Но составить хотя бы общее представление о том, чем является гравитационное поле, невероятно важно.

Вообще, понятие поля в физике всегда хочется с чем-то сопоставить. И практически всегда такое сопоставление будет совершенно неверным. Все дело в том, что когда мы ищем какие-то простые физические и материальные аналогии, эти материальные аналогии становятся излишне упрощенными.

Совершенно неправильно представлять какое бы то там ни было физическое поле в виде, например, материального облака, состоящего из частиц. Это совершенно другое понятие. И тут уместно будет сказать, что любое физическое поле – это скорее математическое понятие, нежели понятие физическое. И вот то, что мы с вами обычно представляем как поле – это скорее некоторые виды вещества.

Зачем вообще нужна была идея поля как такового? В процессе исследований выяснилось, что те или иные физические явления не передаются напрямую, потому что для того, чтобы они передавались напрямую, нужно, ну скажем так, некоторый носитель.

Представьте себе, что у вас есть набор шариков, и для того, чтобы толкнуть дальний шарик, нужно использовать какой-то ближний предмет, будь то там кий для удара или будь то другой шарик. В какой-то момент такие штуки описывались через эфир. Но не важно как такое назвать - важно, что нужна "промежуточная материя".

Если у нас есть массивное тело, то вокруг него есть гравитационное поле. Так вот, как раз-таки на примерах гравитации, наверное, проще всего будет понять, почему поле не есть какая-то особая материя, в прямом понимании этого слова, не есть нечто материальное, состоящее из частичек, которые будут напоминать мячики, а есть именно особый род материи, который отличается от стандартной материи, привычной для нас.

Мы помним, что современные представления описывают гравитацию как некоторое специфическое явление, связанное с деформацией пространства-времени. Эту идею предложил Эйнштейн, а до Эйнштейна подобную логику прорабатывали другие известные физики. Но именно с появлением теории относительности появилось и какое-то формальное и, скажем так, полноценное описание гравитации. На сегодняшний день гравитация описывается именно таким образом.

Более того, находятся различные подтверждения, которые действительно подсказывают, что логика Эйнштейна была правильной. И вот гравитация является искажением пространства-времени, вызванным появлением там массивного тела. Соответственно, логично полагать, что если мы отдалились куда-то в далекую-далекую галактику, то там, скорее всего, никаких массивных тел рядом нет, и там гравитация на тело будет практически не воздействовать.

Расстояние, на котором гравитация воздействует на объект, определяется дальностью действия гравитационного поля. Но при всем при этом, как мы уже сказали, гравитационное поле это не какое-то там особое состояние материи, которое похоже на дождевое облако, или там на разлитую краску, или на что угодно, а это специфическое поведение пространства.

Мы берем ту самую модель, которую изображают. Объект таким образом сформировал вокруг себя пространство-время и создал гравитационное поле.

Гравитационное поле в итоге - это некоторая непрерывная субстанция, которая имеет, ну скажем так, некоторую напряженность Если здесь уместно, конечно, использовать это слово. Получается, что гравитационное поле у нас есть абсолютно везде и оно проходит через любые объекты.

В тех точках, где есть массивный объект гравитационное поле имеет ненулевое значение. Это ненулевое значение выражается в виде знаменитого искажения. А в тех точках, где, соответственно, материя далеко, это искажение практически не ощутимо.

Именно эту область мы с вами стараемся представить как некоторую зону, где существует тот самый кисель, дым, пар, что угодно. Вот все то, как вы себе представляете в материальном эквиваленте любое физическое поле.

Кстати говоря, когда вы пытаетесь представить, что гравитационное поле, именно что материальное, состоит из каких-то ощутимых и обнаруживаемых частиц, вы вступаете на дорогу поиска гравитона. А гравитон это что? Это квант гравитационного поля.

Если вам хочется описать гравитационное поле более правильно, более научно, то в принципе лучше использовать некоторую математическую логику и сказать, что гравитационное поле это некоторая модель, которая описывает состояние пространства и позволяет таким образом сопоставить действие гравитации в конкретной точке на массивный объект, помещенный в это пространство.

Мой хаб в Telegram

Эту увлекательную беседу мы начнём с того, что обратимся к стандартному пониманию суперпозиции в обычной физике.

Обычная суперпозиция

В стандартном случае принцип суперпозиции означает, что если у вас есть несколько решений некоторого уравнения, описывающего физическую систему, то любая линейная комбинация этих решений также будет решением этого уравнения.

Звучит довольно путанно, но поможет простой пример. Представьте себе, что вы бросаете два камня в пруд. Каждый камень создает механические волны на поверхности воды. В тех местах, где волны от разных камней встречаются, они накладываются друг на друга (суперпозиционируются) или... если ещё проще...Складываются.

Можно смело сказать, что итоговая волна, которую вы видите на поверхности пруда, является результатом суперпозиции волн от каждого камня. Это линейная суперпозиция, потому что амплитуда результирующей волны в каждой точке является суммой амплитуд волн от каждого источника. Ну и важно отметить, что складывается оно по всем правилам математической обработки результата - плюс складывается с минусом, учитывается направление вектора и так далее. Некоторые почему-то притягивают сюда логику абсолютного значения.

И тут всё хорошо и логично. Но потом мы сталкиваемся с квантовой физикой. Там есть квантовая суперпозиция.

Определение квантовой суперпозиции и примеры

Это совсем другое понятие, хотя логика суммирования тоже может к нему применяться. Нам важно понимать что это такое, потому что суперпозиция - это база для всей квантовой механики.

Начнём с примера. Процитирую, пожалуй, классическое представление проблемы и не менее классический пример.

Представьте, что у вас есть монетка, которая крутится в воздухе. Пока она не упала, нельзя сказать, орёл там или решка – она как бы “и то, и другое сразу”. Вот это и есть квантовая суперпозиция!

В квантовой физике частицы (например, электроны) могут находиться в нескольких состояниях одновременно (например, иметь разный спин или энергию). Пока мы не измерили, в каком именно состоянии частица, она находится в “суперпозиции” всех возможных состояний. Только в момент измерения частица “выбирает” одно конкретное состояние.

Суперпозиция - это как “квантовая неопределенность” до момента наблюдения.

Осознать это в здравом уме не так-то и просто.

Кот Шрёдингера как пример безумия

Вот и Шрёдингер подумал, что это какой-то бред и привёл легендарный пример с котом. Да, я не устаю напоминать, что кот Шрёдингера был примером того, что квантовая физика - это безумие. Но в историю, как это часто бывает с событиями, он вошёл как милое животное, которое и живое и мёртвое.

Он предложил мысленный эксперимент. В закрытом ящике следует расположить кота и флакон с ядом. Флакон с ядом может быть разрушен, а зависит это от системы срабатывания, которая зависит от вероятности распада частицы. Мы умышленно подбираем такой вариант, когда это фифти-фифти или 50 на 50. Мы сможем узнать, что именно случилось с котом только в том случае, когда откроем ящик. Но до того момента кот сразу и живой, и мёртвый с равно вероятностью. Эксперимент иллюстрирует сразу и эффект наблюдателя, и состояние квантовой суперпозиции.

Квантовую позицию не представить в здравом уме

А теперь прочитайте это ещё раз и попробуйте перенести состояние фифти-фифти на обычную жизнь. Не получается? Именно так! Всё потому, что между квантовой физикой и физикой стандартной (которая нами легко воспринимается) существует серьезный барьер.

По сути любое квантовое событие рассматривается именно как кот в закрытом ящике. Я много раз поднимал эти темы на канале.

Состояние любой квантовой системы описывается квантовой или волновой функцией. Это база. И она не имеет определенного описания конкретного варианта или состояния системы.

Мы получаем результат только в случае наблюдения (парадокс наблюдателя). По сути дела это можно перефразировать, что конкретное состояние из множества вариантов проявляет себя только в момент взаимодействия с системой (это детектирование или что-то аналогичное). Такое взаимодействие принято называть коллапсом волновой функции.

И тут целая вереница интересных размышлений и разбора сопутствующих проблем (например про варианты, которые были у системы или про скрытые параметры). Но не будем пока отвлекаться. Всё это интересно, однако нам нужно познать квантовую суперпозицию.

Это примерно такая математическая дичь

Квантовая суперпозиция - это МАТЕМАТИКА

Очень важно осознать, что квантовая физика отталкивается от математики. Переносить туда знания о макромире не то, чтобы сильно правильно.

Квантовая суперпозиция - это математика и только потом попытка наложить её на физику.

Для того, чтобы в должной мере понимать проблему, полезно изучать историю физики. Но я упрощу вам задачу и сделаю это за вас. Вывод там один - почти все квантовые явления начинаются с математического анализа. Это не физика, в которой встречается математика, это математика, которую потом пытаются найти в реальности и даже частенько находят.

Пример наблюдения квантовой функции в реальности

Вот, например, в 1993 году Дон Эйглер и его коллеги из лаборатории IBM Almanden в Сан-Хосе придумали способ реализовать студенческую задачу про частицу в ящике в реальной жизни. Это как раз способ моделирования суперпозиции.

Используя методы манипуляции отдельными атомами (ранее использовавшиеся для написания «IBM» атомами на металлической поверхности и про это было на канале), Эйглер и его команда поместили 48 атомов железа на медный лист таким образом, чтобы образовать твердую стенку радиусом 7,1 нанометра. Затем они инжектировали электроны в эту яму. Используя сканирующий туннельный микроскоп, который может улавливать отдельные электроны с поверхности, они измерили плотность электронов в разных точках загона.

При разных уровнях заполнения загона электронами они могли визуализировать плотности электронов, связанные с отдельными волновыми функциями в загоне. Вы можете прочитать об этом в их оригинальной статье в журнале Science: Crommie, Lutz, and Eigler, Science 262, 218 (1993).

По сути это наблюдение загадочной волновой функции на практике, где электроны вели себя согласно расчёту.

Получается, что как-то доходчиво представить математическую суперпозицию в терминах стандартной физики очень сложно. Механику сюда не притянуть. Лучшим примером остаётся монетка в воздухе, но и тут не всё так просто.

В классической механике объекты всегда имеют определенные значения своих свойств (например, положение или скорость). Суперпозиция просто описывает, как комбинируются значения этих свойств от разных источников.

В квантовой механике, как мы уже обсуждали, суперпозиция означает, что объект не имеет определенного значения свойства до момента измерения. Он находится в “смеси” всех возможных значений. Это принципиальное отличие, которое делает квантовую суперпозицию гораздо более загадочной и контринтуитивной, чем классическую.

Это говорит лишь о том, что не зря квантовые системы отталкиваются от математики, накладывая расчётные состояния на реальность. И можно было бы плеваться и говорить, что это не настоящая физика, но примеров, когда это работает успешно, вполне хватает. Например, в вашем устройстве, на котором вы сейчас читаете текст, есть транзисторы с квантовым туннелированием и это работает.

Дальше нам остаётся спорить про выбор конкретных состояний или про существование истинной случайности, про хаос или детерминированную, но сложную математическую модель и про то, что происходит при детектировании частицы в опыте Юнга. Но это уже совсем другая история.

А вот статья про тот самый эксперимент с визуализацией.

Частенько Теория Всего или Теория великого объединения обозначается только лишь как некоторое базовое уравнение. Оно включает известные фундаментальные взаимодействия и с его помощью, вроде как, можно посчитать ну абсолютно всё. На самом деле проблема Теории Всего куда более интересная, чем обычная попытка объединить все силы в одном флаконе.

Тут имеет место или базовое противоречие, которое ну никак невозможно исправить и такова природа, или вся физика стоит на костылях и качается от ветра. Есть и ещё один вариант - вовсе не должно быть никаких объединений.

Но давайте будем последовательны.

Появление новой физики

В 1900 году Макс Планк предложил теорию, которая гласит, что при тепловом излучении энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами ( или порциями). Так он пытался решить извечную проблему чёрного тела. Спектральная плотность энергии излучения должна была неограниченно расти по мере сокращения длины волны, что привело бы к ультрафиолетовой катастрофе. Полная мощность излучения должна была бы становиться бесконечной. Но если полагать, что энергия излучается пакетами или квантами, то всё уравновесится.

Идеи Планка о квантах расширил Альберт Эйнштейн. В 1905 году он опубликовал работу, объясняющую явление фотоэффекта, и предположил, что свет - это поток частиц (квантов), позже названных фотонами. Эти идеи были проработаны лучшими умами того времени и через несколько лет формируется математический формализм для описания новой физики, которая, как вы уже поняли, и была названа квантовой.

Злая ирония тут в том, что позже идеи Эйнштейна начнут конфликтовать с квантовым миром, который сформировался не без его участия, а Планк однажды отметит, что использовал этакий математический лайфхак в поисках ответа и совершенно не предполагал, что такое вообще может получиться.

Квантовая физика объяснила невероятно много

Теперь отмотаем физику на столетие вперёд и посмотрим на более современные представления. Частицы, который оказываются меньше какого-то стандартного размера, теперь живут в своем мире и именуются квантовыми. Они подчиняются таким закономерностям, которые не представить себе в здравом уме. Они могут находиться в квантовой суперпозиции (читай как везде одновременно), могут проходить через непроницаемые барьеры и много что ещё научились делать. Классическая физика теперь неприменима к квантовым мирам и законы Ньютона для них не годятся.

Самое страшное, что многие эксперименты подтверждают то или иное квантовое свойство или иллюстрируют соответствие действительности логики квантовой физики в реальной практике. И тут начинается самое интересное.

Стандартная модель физики элементарных частиц успешно объединила электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействие. Там удалось найти квантовые предпосылки и всё неплохо вытанцовывается. Но проблема в Эйнштейне.

Помимо того, что он неплохо описал фотоэффект посредством квантовой физики, он ещё и предложил теорию гравитации, которая стала базовой в современном физическом подходе. Все мы помним, что гравитация есть искажение пространства-времени и на канале было много материалов на эту тему. И тут случилось пшш.

Эйнштейн придумал себе проблему

Все базовые силы смогли описать квантовым механизмом. Пусть даже квантовый мир отличался от мира макрообъектов, но можно было разделить условно сферы работ разных физик по размерам и всё хорошо. Но это не решало проблему. В первую очередь, по причине того, что непонятно, какие частицы являются переносчиками гравитационного взаимодействия. У Эйнштейна гравитация непрерывна, а по логике квантового взгляда на проблему абсолютно всё должно квантоваться.

И да, наверное на всякий случай стоит тут сказать, что и гравитация Эйнштейна получила научное подтверждение. Расчётные подходы применяются в реальной практике и даже если запастись должным количеством скепсиса, то не получится поспорить, что благодаря этой же теории рассчитывается гравитационное замедление времени, которое учитывается всеми GPS, или обнаружены гравитационные волны.

Противоречий пруд пруди

Но проблема гравитации тут самая известная и представляет только верхушку айсберга. Если копать дальше, то в общей теории относительности события непрерывны и детерминированы, что означает, что каждая причина соответствует определённому локальному следствию. А в квантовой механике события, вызванные взаимодействием субатомных частиц, происходят скачками с вероятностными, а не определёнными результатами. В квантовых системах причина может проявляться позже следствия, а в квантовой запутанности может происходить что-то странное, что превышает скорость света. И таких примеров можно привести невероятное множество. Вот только суть одна.

Мы имеем две физики, обе из которых каким-то чудом работают. И тут возможны несколько вариантов. Или абсолютно все наши знания неправильные, или не хватает их полноты для правильного описания ситуации. Вероятно, что исследования в дальнейшем найдут ЧТО-ТО и это исключит вечный конфликт двух направлений. Попытки предпринимаются постоянно. Кстати, легендарная теория струн пыталась каким-то образом всё это увязать, но я не скажу, что сильно успешно. По идее, слияние двух этих школ в одну систему без противоречий и должно стать Теорией Великого Объединения.

Эйнштейн очень активно работал над Теорией Всего, но, как известно, так ничего вменяемого и не получилось.

А должна Теория Всего вообще существовать?

Для тех, кто называет Теорию Всего мемом или чем-то похожим, я хочу сказать, что существование общей целостной картины мира - это вполне логичное явление. Да, не исключено, что сейчас для Теории Всего не хватает знаний и что это кажется ерундой. Можно даже смириться с тем, что каждый из миров работает по собственным законам, а их наложение формирует то, что мы привыкли видеть. Можно обозначить, что так работает множество измерений, но пока всё логика науки и любого здравого рассуждения сводилась к тому, что у нас есть этакий "программный код всей системы", а мы разглядываем его фрагменты, которые потом соединяются в здравую логику.

Возможно мы имеем код на разных языках программирования, который работает внутри одной системы. Впрочем, когда я пишу эти строки, то понимаю, что на одном компьютере в среде Windows можно запустить разработку сразу на нескольких языках и воспроизводить программы разного типа без их конфликта. Они даже обмениваться данными смогут.

Соответственно, наверное важно тут понимать, чем эта Теория Всего должна являться и почему она невозможна. Опять попахивает проблемой эфира.

---

⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта