События к-2 ч-24

СОБЫТИЯ К-2 Ч-24
 
Каждый раз, когда вы смотрите в ночное небо и чувствуете себя маленьким и незначительным, вы даже близко не представляете, насколько всё на самом деле хуже. Или лучше — зависит от вашего отношения к бесконечности. Потому что согласно одной из самых головокружительных космологических гипотез, наша Вселенная — это не просто колоссальное пространство с миллиардами галактик. Нет, это всего лишь крошечная частица в структуре ещё большей Вселенной, которая сама является песчинкой в ещё более грандиозном космосе. И так — до бесконечности. В обе стороны.
Добро пожаловать в фрактальную космологию — концепцию, от которой у большинства академических физиков начинается нервный тик, но которая упорно отказывается умирать на задворках научной мысли. Идея проста и одновременно чудовищно сложна: структура мироздания повторяется на всех масштабах, от субатомного до сверхгалактического, и нет никакого «дна» или «потолка». Мы застряли где-то посередине бесконечной лестницы, и каждая ступенька — это целая вселенная со своими законами, жизнью и, возможно, своими философами, которые тоже ломают голову над тем же самым вопросом.
Звучит как бред сумасшедшего или сюжет для научно-фантастического романа? Возможно. Но прежде чем отмахнуться, давайте разберёмся, почему эта идея преследует человечество со времён древних греков и почему современная физика, сама того не желая, подбрасывает ей всё новые аргументы.
Фрактальная космология: когда математика сходит с ума
Фракталы — это математические объекты, которые выглядят одинаково вне зависимости от того, насколько близко вы к ним приближаетесь. Увеличьте часть фрактала — и вы увидите ту же структуру, что и в целом. Снова увеличьте — опять то же самое. Бенуа Мандельброт, отец фрактальной геометрии, показал, что природа буквально пропитана этими самоподобными структурами: береговые линии, деревья, кровеносные сосуды, молнии, горные хребты. Куда ни плюнь — фрактал.
И вот тут возникает крамольная мысль: а что если сама Вселенная устроена по тому же принципу? Что если космическая паутина — эта грандиозная структура из галактических нитей и пустот — это не финальный уровень организации материи, а лишь один из бесконечного множества?
Фрактальная космология утверждает именно это. Согласно этой гипотезе, распределение материи во Вселенной не становится однородным на больших масштабах, как утверждает стандартная модель. Вместо этого кластеризация продолжается вечно: галактики объединяются в скопления, скопления — в сверхскопления, сверхскопления — в ещё более крупные структуры, и этому нет конца. А в другую сторону — элементарные частицы содержат свои собственные вселенные, где наши законы физики — лишь локальное недоразумение.
Это не просто изящная математическая абстракция. Это фундаментальный вызов всему, что мы думаем о космосе. Если фрактальная космология верна, то понятия «размер Вселенной» и «возраст Вселенной» теряют всякий смысл. Бесконечность не имеет ни начала, ни края — только бесконечную глубину в обоих направлениях.
Матрёшка миров: от кварков до мультивселенных
Представление о вложенных мирах — не изобретение современных физиков-фриков. Ещё Анаксагор в V веке до нашей эры утверждал, что в каждой вещи содержатся «семена» всех других вещей, и деление материи бесконечно. Лейбниц говорил о монадах — элементарных субстанциях, каждая из которых отражает всю Вселенную. А Джонатан Свифт в «Путешествиях Гулливера» изобразил миры, вложенные друг в друга, за два века до открытия атомной структуры.
Но по-настоящему эта идея расцвела в XX веке, когда квантовая механика разнесла в клочья интуитивные представления о реальности. Внезапно оказалось, что на микроуровне материя ведёт себя совершенно иначе, чем на макроуровне. Появились спекуляции: а что если каждый масштаб — это отдельный «этаж» реальности со своими правилами?
Современная версия фрактальной космологии особенно любит играть с идеей чёрных дыр как родильных домов вселенных. Космолог Ли Смолин предложил концепцию «космологического естественного отбора»: каждая чёрная дыра порождает новую вселенную с немного изменёнными физическими константами. Вселенные, которые производят больше чёрных дыр, «размножаются» эффективнее. Мы живём в одной из триллионов дочерних вселенных, оптимизированных эволюцией для производства звёзд и чёрных дыр.
А теперь экстраполируйте это в обе стороны. Наша Вселенная — чёрная дыра в родительской вселенной. Та родительская вселенная — чёрная дыра в ещё более крупной структуре. И так далее, и так далее. Каждый протон в вашем теле потенциально содержит миллиарды галактик с цивилизациями, которые понятия не имеют, что их вся реальность умещается в точке, которую вы даже не можете увидеть. Голова уже кружится?
Научный фундамент или красивая фантазия?
Справедливости ради, нужно признать: у фрактальной космологии есть реальные проблемы с эмпирическим подтверждением. Стандартная космологическая модель — ;CDM — утверждает, что на масштабах свыше 300 мегапарсеков Вселенная становится однородной и изотропной. Это подтверждается наблюдениями реликтового излучения и крупномасштабными обзорами галактик. Фрактальная структура, если она и существует, должна «выключаться» где-то на этих масштабах.
Но вот незадача: мы продолжаем находить структуры, которые слишком велики, чтобы существовать согласно стандартной модели. Великая стена Слоуна, Великая стена Геркулес-Корона Бореалис, Огромная группа квазаров — эти космические монстры заставляют теоретиков нервно почёсывать затылки. Они не должны были успеть сформироваться за 13,8 миллиардов лет истории Вселенной. Но они есть.
Защитники фрактальной космологии ликуют: видите, структурирование продолжается! Чем мощнее наши телескопы, тем крупнее объекты мы находим. Где гарантия, что однородность когда-нибудь наступит? Может, мы просто ещё недостаточно далеко заглянули?
Критики парируют: выборка пока слишком мала, статистические методы несовершенны, а несколько аномалий не опровергают модель, проверенную тысячами других наблюдений. Кроме того, чистая фрактальная космология противоречила бы общей теории относительности в её стандартной формулировке — а это уже серьёзное обвинение.
Но знаете что? История науки полна примеров, когда «железобетонные» теории оказывались лишь приближением к более глубокой истине. Ньютоновская механика прекрасно работала, пока не появился Эйнштейн. Может, и ;CDM — это просто хорошее приближение для нашего локального участка бесконечной фрактальной структуры?
Мы — нейроны в мозге космического левиафана
Вот где фрактальная космология по-настоящему начинает щекотать нервы. Если структура реальности самоподобна на всех уровнях, то аналогии между разными масштабами — не просто поэтические метафоры, а буквальные соответствия.
Сравните изображение нейронной сети человеческого мозга и карту крупномасштабной структуры Вселенной. Похожи до жути, не правда ли? Узлы, нити, связи, пустоты. Итальянские исследователи Франко Ваза и Альберто Фелетти в 2020 году опубликовали работу, показывающую, что космическая паутина и нейронная сеть имеют поразительно схожую структурную организацию, несмотря на разницу в масштабе в 27 порядков.
Совпадение? Может быть. А может, это намёк на что-то более глубокое. Что если наша Вселенная — это буквально нейрон или клетка в организме существа настолько громадного, что мы не в состоянии его даже концептуализировать? И что если каждая клетка вашего тела — это вселенная для существ, которые так же ломают голову над природой своего космоса?
Это уже не физика, скажете вы. Это метафизика, философия, а то и вовсе мистицизм. Возможно. Но граница между физикой и метафизикой всегда была подвижной. Атомы когда-то считались философской спекуляцией. Чёрные дыры были математическим курьёзом. Квантовая запутанность казалась «призрачным дальнодействием», в которое отказывался верить сам Эйнштейн.
Фрактальная космология бросает вызов нашему антропоцентризму. Мы привыкли считать свой масштаб особенным, «нормальным». Но с точки зрения бесконечной иерархии, нет никакого привилегированного масштаба. Мы — середина бесконечности, случайная точка на бесконечной прямой.
Почему официальная наука морщит нос
Научный истеблишмент относится к фрактальной космологии примерно так же, как кардиналы относились к идеям Галилея — с холодной вежливостью и плохо скрываемым раздражением. И для этого есть причины, не все из которых связаны с косностью мышления.
Во-первых, фрактальная космология в её радикальной форме пока не фальсифицируема — а это смертный грех в эпистемологии Поппера. Если структура бесконечна в обе стороны, как это проверить? Мы всегда можем сказать, что однородность наступит «ещё дальше» или что субструктуры «ещё меньше». Теория, которую нельзя опровергнуть, рискует превратиться в религию.
Во-вторых, у нас пока нет математического аппарата, который позволил бы строго описать такую иерархию. Как связать квантовую механику с общей относительностью — уже головная боль. А тут нужно объединить бесконечное количество «этажей» реальности с потенциально разными физическими законами.
В-третьих — и это самое банальное — исследование фрактальной космологии не приносит грантов. Академический мир жесток: публикуйся в рамках мейнстрима или умри в безвестности. Молодой физик, решивший посвятить карьеру маргинальной гипотезе, рискует остаться без работы. Поэтому этой темой занимаются либо признанные мэтры, которым уже нечего терять, либо отважные безумцы.
Но наука движется не только грантами. Иногда достаточно одного красивого эксперимента или одного убедительного наблюдения, чтобы периферийная идея превратилась в новую парадигму. И кто знает — может, следующее поколение космических телескопов покажет нам структуры, которые окончательно похоронят космологический принцип однородности.
Бесконечность как приговор и освобождение
Фрактальная космология — это интеллектуальный экстрим. Она требует от нас принять, что понятие «всё» не имеет смысла. Что бы мы ни охватили своим разумом, всегда останется бесконечность за пределами и бесконечность внутри. Это может вызывать экзистенциальный ужас — ведь в бесконечной иерархии любое достижение, любая цивилизация, любой смысл растворяются в статистическом шуме.
Но можно посмотреть иначе. Если фрактальная космология верна, то каждая точка Вселенной — в том числе та, где находитесь вы прямо сейчас — является центром бесконечности. Не в физическом смысле, а в структурном: от вас одинаково далеко до «края» в обе стороны, потому что края нет. Вы — буквально — центр мироздания. Как и каждый атом, каждая галактика, каждая мыслящая частица этого невообразимого целого.
Наша Вселенная — возможно, лишь одна из бесчисленных матрёшек, вложенных друг в друга в бесконечном танце самоподобия. Мы не можем это доказать. Пока не можем это опровергнуть. Но сама возможность, что реальность устроена именно так, меняет перспективу. Когда в следующий раз вы будете смотреть на звёзды, вспомните: возможно, кто-то смотрит на вас изнутри каждого атома вашего тела. И ещё кто-то — снаружи, для кого вся наша Вселенная не больше пылинки в луче света.
Фрактальная космология не даёт ответов. Она задаёт вопросы, от которых захватывает дух. И, может быть, в этом её главная ценность — напоминать нам, что мы ещё даже не начали понимать, где живём.
Пустоты не существует: что находится между атомами и внутри них с точки зрения современной физики
 Все твёрдые и осязаемые тела состоят из вещества, собранного в атомах и молекулах, но между частицами есть пространство, в котором как будто бы ничего нет. Если следовать этой логике, то окажется, что и сами атомы состоят из пустоты.

Внутри атомов находятся электроны — точечные частицы, которые не имеют размеров, а ядро атома примерно в 10 тысяч раз меньше самого атома. Выходит, что любой атом почти целиком состоит из пустоты — почти всё вещество атома сосредоточено в его ядре. Ядро, в свою очередь, состоит из нейтронов и протонов, а они сложены из ещё более элементарных частей, которые называются кварками. И кварки тоже не имеют размеров — это просто точки.

Примерно так атом выглядит на самом деле — миниатюрное ядро в центре электронного облака, а между ними как будто бы ничего нет
  Подобные рассуждения исходят из неверных допущений. На самом деле пустоты не существует — на уровне микромира (одной триллионной доли миллиметра) есть как минимум три явления, которые делают размышления о пустоте бессмысленными.

Вещество не имеет чётких границ и вообще состоит из волн
Поведение молекул, атомов и отдельных частиц вроде нейтронов и протонов описывает квантовая механика со своими законами. Одно из основных правил квантовой механики — принцип неопределённости Гейзенберга. В вольной трактовке он звучит так:

Нельзя с одинаковой точностью узнать местонахождение частицы и её скорость. Чем больше определена скорость частицы — тем более размыто её местоположение, и наоборот.

Это ограничение фундаментально, оно не зависит от качества измерительных приборов. Чтобы как можно точнее определить скорость частицы — нужно пронаблюдать за ней какое-то время. В таких условиях о местоположении частицы можно сказать лишь «ну, её можно обнаружить где-то в этой области».

Принцип неопределённости — следствие двойственной природы любых частиц вещества. Тот же электрон — одновременно и частица, и волна. Как всякая волна, он «размыт» в пространстве. Поэтому в атоме его изображают не точкой, а целым облаком. Там, где яркость облака ниже — электрон находится реже, но вероятность его нахождения там никогда не равна нулю.

«Расплывчатость» микрочастиц это не допущение, продиктованное несовершенством научного оборудования, а фундаментальное свойство материи. Электрон — точечная частица, но только когда его зафиксировали (измерили). Пока электрон не зафиксирован — он «расплывается» как волна. Электрон не летает точкой где-то в этой волне — он и есть волна с неопределёнными границами и размерами.

Когда атомы собраны в молекулы, их электронные облака могут пересекать и перекрывать друг друга. Так что невозможно с уверенностью говорить о том, что между атомами — абсолютно пустое пространство. Там всегда может оказаться электрон. Принцип неопределённости может «забрасывать» его даже в самые «неудобные» области, просто вероятность этого крайне мала.

Электронные облака атома водорода на разных уровнях энергии электрона
  Существуют «фотографии» и даже целые «видеозаписи» атомов, где они выглядят как чётко очерченные шарики. Но это не настоящие изображения атомов как они есть, а всего лишь визуализации, построенные на собранных данных. На таких визуализациях местоположение и границы атомов всегда изображаются «в среднем». Иначе понятная картинка превратилась бы в расплывчатую кашу.

Чем масштабнее вещественное тело — тем определённее его границы и местоположение. Поэтому отдельная частица может «заполнить собой» целую комнату (и даже Вселенную, это не запрещено), а тела, которые состоят из огромного числа частиц (стулья, машины и дома), не расплываются и занимают вполне конечное и определённое место.

Впрочем, даже большие тела не избавлены от квантовой «расплывчатости», просто их волновая составляющая так сильно сокращается, что становится незаметной. Но её можно засечь высокоточным оборудованием. Так, в обсерватории LIGO с помощью лазеров учёные зафиксировали квантовое «дрожание» 40-килограммового зеркала — оно колебалось в пределах одной миллионной одной миллиардной миллиметра.

Виртуальные частицы — «клей» мироздания
Пусть электрон с ненулевой вероятностью может проявиться где угодно — всё-таки в атоме есть «тёмные» области, где вероятность нахождения электрона крайне мала. То есть, в этих областях большую часть времени нет никаких электронов, как и протонов, как и нейтронов. Значит, там абсолютно пусто?

И снова нет. Даже в самой «тёмной» области между ядром атома и его электроном есть нечто вполне материальное — «привязь», с помощью которой ядро удерживает электрон в атоме. Эта «привязь» — поток виртуальных фотонов, которые безостановочно снуют между ядром и электроном.

Виртуальные частицы так называются, потому что их нельзя зафиксировать напрямую. Они слишком быстро исчезают, распадаясь или превращаясь в другие частицы примерно за одну триллионную одной триллионной доли секунды. Расстояние, на которое они успевают переместиться, сравнимо с их «расплывчатостью» из-за принципа неопределённости. Это позволяет виртуальным частицам нарушать некоторые законы физики.

«Нормальные» частицы вроде реальных электронов и фотонов подчиняются базовым законам физики — их импульсы однозначно связаны с энергией, а энергию они не могут брать из ниоткуда. Но виртуальные частицы могут появляться сами по себе вопреки закону сохранения энергии, могут иметь отрицательную или мнимую массу. Всё это — полная бессмыслица с точки зрения физики. Тем не менее, есть масса признаков существования виртуальных частиц.

Эти «неправильные» частицы поистине вездесущи — они безостановочно рождаются и тут же исчезают во всех точках пространства: и между атомами, и внутри атомов, и даже внутри микрочастиц. Более того, они успевают «передать информацию» от одной реальной частицы к другой, если те находятся достаточно близко. Как в случае с электроном и протоном в ядре атома.

 Внутри самого протона роль виртуальных частиц становится ещё более заметной. Протон состоит из кварков — фундаментальных частиц, которые скреплены между собой «клеем» из виртуальных глюонов, частиц-переносчиков сильного взаимодействия. Там же, прямо внутри протона «бушует море» виртуальных кварков, которые постоянно появляются и исчезают, внося некоторый вклад в массу протона.

Существование таких частиц может показаться странным и неестественным: как что-то природное может нарушать законы самой же природы? Причина — в принципе неопределённости. На очень малых расстояниях и промежутках времени некоторые физические пропорции могут «сломаться», потому что энергия, масса, импульс как бы не успевают принять определённых значений.

Весь мир как возмущения квантовых полей
Двойственность материи, где электрон или фотон одновременно частица и волна, может показаться очень надуманной и неуклюжей концепцией. Это вина квантовой механики: при всей математической точности она довольно плохо описывает суть материи, потому что пытается «скрестить ежа с ужом» — классическую (макроскопическую) картину мира с микроскопической.

Но можно «спуститься на уровень ниже» и перейти к квантовой теории поля — она полностью отметает классические представления о реальности. В этой теории уже нет частиц как отдельных точек или очень маленьких шариков. Всё существующее здесь представлено в виде квантовых полей, а любые частицы — лишь как возмущения этих полей, локальные всплески энергии.
 В таком случае, идея абсолютной пустоты отпадает как несостоятельная, даже если закрыть глаза на неопределённость положения реальных частиц и на постоянное «бурление» виртуальных частиц. Любое квантовое поле — совершенно монолитная материальная сущность, которая заполняет собой каждую точку пространства и имеет в каждой точке ненулевую энергию — энергию вакуума.

Такой подход позволяет иначе взглянуть на существование виртуальных частиц. Из-за принципа неопределённости поля постоянно колеблются, создавая иллюзию рождения частиц. Далеко не всегда это нормальные, полноценные частицы. Как правило, колебания полей порождают «дефективных уродцев» с «поломанными» свойствами. В нашей Вселенной такие частицы долго не живут — они-то и называются виртуальными.

Типичная диаграмма Фейнмана, которая изображает взаимодействие двух электронов через обмен виртуальным фотоном. Как правило, волнистыми линиями на таких диаграммах обозначаются только виртуальные частицы
  Чем ближе свойства рождённой частицы к «физическому идеалу» — тем дольше она живёт. Тем частицам, что называются реальными, просто повезло иметь нормальные, пропорциональные свойства, которые соответствуют законам физики. Поэтому разница между реальными и виртуальными частицами — чисто количественная. По сути, всё это одно и то же, только первые проходят «естественный отбор», а вторые — нет.

Материя везде, пустоты не существует
Квантовые поля буквально «вшиты» в само пространство и заполняют его. В каком-то смысле, это и есть настоящая, фундаментальная материя нашей Вселенной. То, что люди привыкли видеть в повседневной жизни — лишь волновая «рябь» квантовых полей. Считать, что между частицами ничего нет — всё равно, что смотреть на горные вершины и думать, что между ними бесконечная пустота, только потому что пелена облаков скрывает землю внизу.

Понятие пустоты в физике вообще довольно условно, что демонстрирует эффект Унру. Его описание гласит: если начать достаточно быстро ускоряться, то из «пустоты» внезапно появятся частицы тёплого газа. То есть, «пустотность» окружающей среды зависит от ускорения наблюдателя, что совсем уж непривычно и полностью противоречит человеческой интуиции.

И пусть эффект Унру до сих пор не подтверждён на опыте — он хорошо показывает, насколько беспомощными могут быть попытки человека судить о пустоте и материи за пределами своей повседневной реальности, которая составляет очень и очень небольшую часть Вселенной.



БИБЛИОТЕКА ЛЕКЦИИ ДЛЯ ШКОЛЬНИКОВ
Удивительный мир внутри атомного ядра
ФИЗИКА • 30.11.2007 • 58 КОММЕНТАРИЕВ
•
•
•
•
Игорь Иванов
Научно-популярная лекция для школьников, ФИАН, 11 сентября 2007 года
Для просмотра видеозаписи необходимо включить JavaScript.
 
Скачать Adobe Flash Player (необходима версия не ниже 9)


Скачать видеозапись (mp4, 365 Mb)

 
Об авторе
Игорь Пьерович Иванов — кандидат физико-математических наук. Работал в Институте Математики СО РАН (Новосибирск), Forschungszentrum Juelich (Германия), INFN Cosenza (Италия), в Льежском университете (Бельгия) и в Университете Гента (Бельгия). Сейчас работает в Instituto Superior T;cnico (Лиссабон, Португалия).

 
Кандидат физико-математических наук Игорь Иванов и заместитель исполнительного директора фонда «Династия» Роза Хацкелевич. 11 сентября 2007 года. Москва, ФИАН (Фото © Ю. А. Лебедев)
Роза Хацкелевич: Я хочу представить вам Игоря Иванова — вот о котором мы так долго с Ильей говорили. И... несколько правил. Игорь сразу нам сказал, когда мы начали организовывать лекцию, что я не хочу, чтобы в зале сидели просто люди, как солдатики, и смотрели на меня, слушали и... ушли. Я хочу, чтобы люди, которые пришли в зал, прерывали меня и задавали мне вопросы в тех местах, в которых им покажется, что это уместно.
Нам эта идея очень понравилась, но сейчас, когда мы видим, что в зал пришло столько людей, мы думаем: «Как же это сделать?» И поэтому мы решили всё пустить на самотек. То есть Игорь будет говорить, мы по-прежнему ожидаем от вас вопросов, которые будут прерывать его речь, но если получится так, что вопросов будет так много, и Игорь не сможет продолжить свое выступление, то мы оставляем за собой право как-то упорядочить этот спонтанный процесс. То есть мы скажем: «Ребята, всё. Вопросы всё. Пусть нам Игорь скажет всё, что он хочет, и после лекции, тогда уже, пожалуйста, ответит — не знаю, сколько мы можем быть здесь? — до ночи будет отвечать на ваши вопросы».
Согласны? Мы очень хотели бы, чтобы вы были активны, мы очень хотим, чтобы вам сегодня было интересно, и почти уверены — или даже совсем уверены, — что это так и будет. Пожалуйста, начинаем.
Игорь Иванов: Спасибо большое. Мне действительно очень приятно видеть вас всех в этом зале, практически заполненном. (Меня слышно хорошо? Хорошо. Вот. Картинку видно? Свет не надо выключать? Можно выключить? Вот так лучше, да?)
На самом деле, вот то, что я буду показывать на слайдах, — там совсем немного будет, там будут такие, главные утверждения. А в основном эта лекция такая, рукомахательная: смотрите за руками, я всё вам буду показывать на пальцах. Вот.
 
Игорь Иванов: «А в основном эта лекция рукомахательная: смотрите за руками, я всё вам буду показывать на пальцах». 11 сентября 2007 года. Москва, ФИАН (Фото © Ю. А. Лебедев)
Сначала я вам расскажу, ну, как бы идеи, которые есть в современной физике, которая изучает то, что происходит внутри атомных ядер и даже еще глубже — внутри частичек, а потом, в самом конце, я покажу несколько слайдов про тот эксперимент, которого физики ждут уже многие годы. Этот эксперимент уже начали собирать по кусочкам, по деталькам уже 10 лет назад, и в следующем году его запустят. Сейчас уже приготавливаются элементы самой большой экспериментальной установки в мире — это Большой адронный коллайдер в Швейцарии. И вот этот эксперимент, который в следующем году запустится, даст ответ на многие вопросы и, фактически, подтолкнет физику к развитию дальше. Поэтому несколько слайдов, технических, экспериментальных покажу и, вот, про этот эксперимент. Ну что ж, поехали.