Страниц: « Предыдущая 1 2 [3] 4 5 Следующая »
  Печать  
Автор Тема: Мартин Гарднер. Снова этот правый левый мир  (Прочитано 30151 раз)
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3401


Paul Is Live!!!


« Ответ #30 : 15 Декабря 2013, 03:11:42 »



Обе песни стереофонические. При написании этих песен оба автора приобрели оптический имидж. Но каждая песня по содержанию больше подходит к фильму, в котором снимался другой.



В книге рисунки, разумеется, расположены в обратном порядке.
Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3401


Paul Is Live!!!


« Ответ #31 : 15 Декабря 2013, 03:12:27 »



Именно по этой перевернутой версии я ее и восстановила.



Фильм называется "Срочно требуется песня". Использован и у Крымовой (1987), и в Лужниках (1986).



Эта ссылка не моя. Попробуйте определить без радиоактивного кобальта, перевернуто изображение или нет. Ответ обоснуйте.
Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3401


Paul Is Live!!!


« Ответ #32 : 15 Декабря 2013, 03:13:49 »

Подведем итоги положению с симметрией в физике. Четность не сохраняется, и в Галактике имеются силы, ответственные за винтовую асимметрию определенного типа. Имеются аргументы в пользу того, что в галактике из антивещества ориентация будет обратной. Антинейтрино в каждой из своих 4 модификаций обладает асимметрическим строением.Но никто не знает, должно ли изменение заряда сопровождаться заменой левого и правого. Картина асимметрического пространства вызывает возражения. Точно так же трудно объяснить знак заряда ориентацией асимметрической структуры. Мысль о том, что отражение материи слева направо и наоборот влечет за собой изменения зарядов, остается благой надеждой.Янг напоминает, что ученые были поражены, обнаружив асимметрическое поведение стрелки в магнитном поле проводника с током. Но когда строение материи было лучше понято, симметрия восстановилась. Физики верят, что загадка винтовой ориентации и тайна заряда будут поняты при проникновении в структуру вещества. Возможно, что окончательная структура после многих промежуточных этапов неожиданным образом окажется простой.

НЕИЗМЕННОСТЬ ВРЕМЕНИ

На самом деле, вместо упрощения ситуация еще больше усложнилась. Физики Принстонского университета предположили, что в слабых взаимодействиях с участием нейтральных каонов даже закон неизменности времени нарушается.
Чтобы понять фантастичность этого нового открытия, надо рассмотреть нарушение четности с точки зрения общей теоремы симметрии заряда-четности-времени. Эта теорема утверждает, что, если их все перевернуть, результат не будет отличаться от нормального события в природе. Перевернуть время в теории физики значит поменять направление движения частицы или волны. Если, по теореме симметрии, перевернуть молоко, все заряды изменятся, антимолоко отразится в зеркале, а движение превратится в обратное. Говоря более реальными лабораторными терминами, теорема симметрии рассматривает микрособытия с участием заряда, четности, времени и разных возможностей. Они все могут быть положительными или отрицательными в смысле направления, заряда и времени. Если изменить все знаки, но оставить возможности, новое микрособытие вполне может произойти в природе.
До нарушения четности физики думали, что изменение только одного знака всё равно описывает возможное событие. Антимолоко отличается от молока зарядом, отраженное молоко структурой молекул, а молоко с обращенным временем двигает частицы назад, но больше никакой разницы нет. Все физические законы таковы, что, если математически описать событие с обращенным временем, его всё равно можно будет наблюдать.
Эддингтон писал, что основные законы природы безразличны ко времени. Между прошлым и будущим такая же разница, как между левым и правым.
Нарушение четности было удивительным, но общая симметрия вселенной восстановилась, когда открыли, что обратная четность должна сопровождаться обратным зарядом. Галактики из антивещества вполне могут существовать - они похожи на Галактику, только отражены особым зеркалом, которое одновременно переворачивает и четность, и заряд.
Эксперименты в Принстоне, включающие в себя "слабые" взаимодействия, нарушили симметрию заряда-четности. Единственный способ сохранить симметрию заряда-четности-времени - это предположить, что неизменность времени тоже нарушается. Для объяснения причины такого предположения можно прочитать научные статьи "Нарушение симметрии в физике" Вигнера, "Эксперименты с обращенным временем" Оверсета и "Может ли время идти назад" Гарднера.
Это объясняется с помощью 3 частей мозаичной картины. Разрежем квадрат на 3 равных прямоугольника, изображающих заряд, четность и время. Квадрат симметричный, и прямоугольники тоже. Если их перевернуть в зеркале, изображение не изменится. При нарушении четности один из кусков становится асимметрическим, и общая форма портится. Предположим, что и симметрия заряда нарушается. Тогда восстанавливается общая симметрия четности-заряда. Но оказалось, что четность и заряд тоже несимметричны. Как же тогда сохранить симметрию квадрата? Только если сделать время асимметрическим. Каждый кусок при переворачивании теряет свою симметрию, но квадрат остается квадратом, и общая симметрия сохраняется.
Физики еще не наблюдали странную форму времени. Но, видя, что заряд и четность приняли странную форму, они решили сохранить общую симметрию заряда-четности-времени, сделав время асимметрическим. Пришлось принять как должное, что на микроуровне, по неизвестным причинам, природа отличает прошлое от будущего. Стрела времени, как назвал ее Эддингтон, часто встречается в "слабых" взаимодействиях. Если перевернуть заряды всех частиц и отразить всё в зеркале, вселенная не будет вести себя так, как раньше. Надо еще и поменять течение времени. Тогда всё отразится в волшебном зеркале, которое физики называют зеркалом заряда-четности-времени.
Как это связано с вопросом, где лево, а где право? Даже если мы общаемся с антигалактикой, всё равно можем это объяснить. Надо просто поставить эксперимент с нарушением заряда и четности. Это значит, что время в другой галактике такое же, как наше. Кроме того, общаться с галактикой, где время обращено, практически невозможно.
Физики не ведут борьбу за сохранение симметрии заряда-четности-времени не просто из-за того, что они любят симметрию. На самом деле, многие физики считают некрасивым и неудовлетворительным, если мир искривлен, но желание сохранить симметрию заряда-четности-времени полагается на гораздо большее. Теорема симметрии так прочно основана на фундаменте теории относительности, что, если она окажется неверной, вся физическая теория развалится.
Вот такая сложилась ситуация. Прямых доказательств того, что микрособытие не может идти назад, нет. Симметрия заряда-четности в некоторых взаимодействиях не сохраняется. Отсюда и вывод - чтобы сохранить симметрию заряда-четности-времени, придется объединить отражение заряда-четности с асимметрическим временем.
Физики в Принстоне под руководством Фитча и Кронина использовали те же злополучные каоны, которые своей проблемой "тэта-тау" нарушили четность. Примерно через каждые 500 раз нейтральный каон, не имеющий заряда, распадается на 2 пиона разных зарядов, а не на 3, как обычно. Нейтральный каон имеет отрицательную четность, а 2 пиона - положительную. Переход отрицательного в положительное нарушает неизменность заряда-четности. За эту работу Фитч и Кронин получили Нобелевскую премию.
Паоло Францини и его жена Джульетта Ли, работающие в Брукхейвене, показали более сильное нарушение заряда-четности в событии на основе электромагнетизма. Нейтральный эта-мезон, как и фотон, сам себе античастица, поэтому в веществе и антивеществе он одинаковый. Эта короткоживущая частица, которая существует миллиардную долю секунды, делится на 3 пиона - положительный, отрицательный и нейтральный. Францини показал, что положительный пион в магнитном поле движется быстрее, чем отрицательный. Так как это нарушает симметрию заряда-четности, приходится, по некоторым причинам, нарушить и симметрию времени. Результаты были опубликованы как большой прорыв в физике частиц.
В европейском центре ядерных исследований в Женеве эта-распад был повторен - и никакого нарушения симметрии заряда-четности не возникло. Ученые показали, что магнитное поле, которое Францини использовал для движения заряженных пионов, было неоднородным. Чтобы избежать этого, они постоянно вращали поле в разных направлениях. Окончательный результат был отрицательным, и физики успокоились, что в электромагнитных взаимодействиях заряд и четность не нарушаются.
Мнения физиков по вопросу, что нарушает заряд и четность нейтральных каонов, разделились. Одно время были предложены "мини-слабые" силы, которые в 1000 раз слабее "слабых", но не настолько слабые, чтобы проявляться в других взаимодействиях. Роберт Адер в книге "Частицы, поля и творчество" и в статье "Вселенское зеркало" предложил "супер-слабые" силы, которые в миллион раз слабее "слабых". Он обсуждает эксперименты для проверки нарушения заряда-четности, и надеется, что когда-нибудь появится то или иное решение.
Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3401


Paul Is Live!!!


« Ответ #33 : 15 Декабря 2013, 03:18:01 »

ГДЕ АНТИВЕЩЕСТВО?

А теперь пора поднять вопрос, который десятилетиями тревожил физиков и космологов. Если антивещество может существовать во вселенной, где оно? Ответы разнообразны и зависят от того, какая теория объединения или всеобщая теория используется. Вот некоторые предположения:
1. Половина галактик, а, возможно, и половина звезд в галактиках состоит из антивещества. Но так как фотоны - сами себе античастицы, мы не можем понять, это свет галактики или антигалактики, звезды или антизвезды. Дирак писал: "Если существует полная симметрия между положительными и отрицательными зарядами в природе, то только благодаря чистой случайности на земле, да и во всей солнечной системе электроны отрицательны, а протоны положительны. Возможно, что на других звездах электроны положительны, а протоны отрицательны. Звезд каждого вида должно быть примерно поровну. А так как спектры у них одинаковые, различить их астрономическими методами невозможно".
Шведский астрофизик Ганс Альвен в статье "Антивещество и космология" и в книге "Миры и антимиры" вместе с Фредом Хойлом и Оскаром Клейном выработал метагалактическую теорию, по которой большой взрыв создал одинаковые количества вещества и антивещества, из которых образовались звезды 2 типов.
Современные космологи так не считают. Во вселенной есть много мест, где галактики взаимодействуют. Если бы одна была из вещества, а другая из антивещества, при аннигиляции частиц и античастиц выделялись бы гамма-лучи, но они не обнаружены. Кроме того, космическая пыль постоянно перемешивается, и если бы она состояла из 2 видов вещества, тоже выделялись бы гамма-лучи. Поэтому все астрономы считают, что звезды - это не антизвезды.
2. Вещество и антивещество создаются неизвестными процессами в центрах галактик. Вещество выделяется наружу и образует звезды, а антивещество остается в ядре. Эти процессы объясняют фантастическую энергию квазаров. Хойл выдвинул такую теорию. Хотя обсуждения продолжаются, доказательства не обнаружены до сих пор.
3. Возможно, вещество и антивещество друг друга отторгают. Некоторые физики считали, что отторжение является антигравитацией, но теперь известно, что антигравитация нарушает общую теорию относительности. Потом решили, что отрицательная масса, если она существует, отторгает положительную, а положительная привлекает отрицательную. В результате отрицательная гонится за положительной, но не ловит ее, а только увеличивает скорость. Теория относительности при этом не нарушается, но общепринятая теорема о положительной энергии отрицает существование отрицательной массы. И вещество, и антивещество имеют положительную энергию и положительную массу. Во всяком случае, отрицательная масса не объясняет отсутствие антивещества.


Может сложиться впечатление, что закрученное пространство и закрученные частицы - понятия взаимоисключающие, но это совсем не так. Неоднородное строение пространства может обусловливать асимметрическое строение частиц и определять природу зарядов. Если спиральность пространства во всей вселенной одинаковая, то античастицы движутся против микроструктуры, и существование антигалактик затруднено - материя имеет одну и ту же спиральность.Но большинство физиков вследствие привычки к макроскопической симметрии считают гипотезу о закрученной вселенной неудовлетворительной и неизящной. Одним из аспектов однородности пространства является возможность существования антигалактик. Однородность их только допускает, но не гарантирует. По неизвестным причинам галактики, как аминокислоты, могут оказаться одной природы, хотя теоретически возможны 2 вида.Для сохранения общей симметрии выдвинута еще одна гипотеза. В начале всех времен существовал первобытный универсал, который потом разорвался на космос и антикосмос, разлетевшиеся с большой скоростью. Наш мир мог быть симметричным, но потом, в результате расширения, нейтрино и антинейтрино потеряли энергию - и нам достался несимметричный остаток мира.Мы живем в космосе. Где-то далеко, за пределами наших возможностей наблюдения, существует обширный антикосмос, где всё иначе. И весь мир разорван так, что воссоединить его уже невозможно. Такой взгляд интригует многих научных фантастов, но ни один космолог не воспринимает его всерьез.

4. Начальный взрыв вселенной случайно породил больше вещества, чем антивещества. Если вы подбросите миллион монет в воздух, вряд ли ровно половина упадет орлом вверх, хотя все монеты одинаковые. Возможно, по такой же случайности и аминокислот одного вида на земле появилось больше, чем другого. После аннигиляции частиц и античастиц во вселенной осталось вещество только одного вида. С этой теорией связаны некоторые трудности, особенно если учитывать отошение барионов (частиц, состоящих из 3 кварков) к фотонам в реликтовом излучении после большого взрыва.
5. Когда вселенная взорвалась, вещества и антивещества было поровну, но по разным причинам, в зависимости от той или иной теории, симметрия нарушилась. В результате какого-то фазового перехода вещество стало преобладать над антивеществом. После аннигиляции частиц и античастиц во вселенной осталось только вещество.
Нарушение симметрии при быстром охлаждении вселенной можно понять без технических подробностей. Обычная вода симметрична независимо от того, в какую сторону ее повернуть. А когда она замерзает, общая симметрия превращается в отдельную - красивые шестиугольные снежинки.
Нарушение симметрии можно изобразить в виде шляпы, лежащей на столе полями вниз, с камешком наверху. Эта шляпа с камешком имеет радиальную симметрию - ее можно вращать вокруг вертикальной оси. Но равновесие камешка неустойчивое. Если он упадет куда-нибудь на поля, радиальная симметрия превратится в двустороннюю. А что будет с пробкой посреди миски с водой? Так как поверхностное натяжение неустойчивое, пробка уплывет в сторону и нарушит радиальную симметрию.
Абдус Салам нарушает симметрию поворотом. Пусть за круглым столом сидят люди, и перед каждым из них стоит тарелка супа, а между ними на равном расстоянии - тарелка салата. Эта структура зеркально симметрична. Но если хозяйка придвинет левую тарелку салата к своей тарелке супа, а остальные сделают то же самое, стол сохранит вращательную симметрию, но потеряет зеркальную.
Точно такую же радиально симметричную фигуру можно составить и из домино. Если щелкнуть по одной косточке, упадут и остальные - симметрия нарушится. Это происходит как влево, так и вправо с одинаковой вероятностью.
Аналогично, и вселенная в горячем состоянии была симметрична относительно вещества и антивещества. При охлаждении симметрия нарушилась. Вещество и антивещество были одинаково возможными результатами. Известную нам вселенную мы называем веществом, но всё могло быть иначе. Поэтому противоположное вещество приходится называть антивеществом.
До появления теорий объединения Сахаров (по некоторым данным, тоже левша) связал изменение фазы с преобладанием протонов. По техническим причинам, пока еще неизвестным, когда вселенная остыла, примерно на каждый миллион антипротонов было 1 протоном больше. После аннигиляции из оставшихся протонов в мире возникло вещество. Реликтовое излучение - это остатки фотонов, в которые превратились протоны и антипротоны при аннигиляции. Так теория Сахарова одновременно объяснила и реликтовое излучение, и преобладание вещества во вселенной.
В подробности развития теории Сахарова вдаваться не обязательно. Можно привести несколько версий. Шелдон Глазго описывает одну из них: "Давным-давно вселенная была горячей и маленькой, как булавочная головка. В ней возникало множество частиц и античастиц разных видов. Вещества и антивещества было одинаково. У каждого кварка был свой антикварк. Но тут вмешалась теория Сахарова, и возникла асимметрия между веществом и антивеществом - пара-тройка лишних кварков на каждый миллион частиц. Когда вселенная остыла, антикварки аннигилировали с кварками, а немногие оставшиеся кварки соединились в нуклоны и образовали основную часть вселенной. Ничего этого не могло бы произойти без нарушения симметрии заряда-четности, и кажется, что это свойство теории зависит от существования хотя бы 3 семей фермионов. Это важная, фундаментальная роль странности, очарования, истины, прелести, мюонов и тау-лептонов. Если бы вещества и антивещества во вселенной было поровну, они бы давно уже аннигилировали. Не было бы ни земли, ни солнца, ни звезд на небе".
Стивен Хокинг говорит так: "Ясно, что вселенная не подчиняется симметрии времени, так как она расширяется - а если бы время шло назад, то вселенная сжималась бы. Из этого следует, что скорее антиэлектроны превратятся в кварки, чем электроны в антикварки. Когда вселенная расширилась и остыла, все антикварки аннигилировали с кварками, но так как кварков было больше, они остались. Из них и произошло то вещество, которое мы видим и которым сами являемся. Так что наше существование подтверждает теорию объединения, но только качественно: количество оставшихся после аннигиляции кварков с уверенностью предсказать невозможно, так же как и то, кварки это или антикварки (но если бы антикварков было больше, нам бы просто пришлось их переименовать)".
Из этих цитат неясно, верят ли Глазго и Хокинг в нарушение симметрии или, как считает Роджер Пенроус, в общую асимметрию физических законов. Возможно, Глазго и Хокинг и сами еще не знают этого.
Но как бы ни объяснять нарушение заряда-четности, следует отметить, что, если бы этого не произошло, то вещество и антивещество рассыпались бы на множество частиц, вечно стремящихся в никуда. Поэтому существование вселенной и мы сами - следствие нарушения заряда-четности.
6. Не случайность и не нарушение симметрии, а какое-то неопределенное асимметрическое поле вызвало этот большой взрыв, так что вещества образовалось больше, чем антивещества. Возможно, "супер-слабые" силы Адера или какие-нибудь другие ответственны за левые нейтрино и нарушение четности-заряда в "слабых" взаимодействиях. А может быть, асимметрия простирается и дальше.
Математик, физик и космолог из Оксфорда Роджер Пенроус поддерживает идею того, что асимметрия простирается дальше. Он сомневается, что отсутствие антивещества - результат только нарушения симметрии. На более фундаментальном уровне, чем пространство и время, ниже теории относительности и квантовой механики Пенроус помещает асимметрическую структуру - вихревое пространство.
Вихри - это его изобретение, и многие студенты и коллеги Пенроуса по Оксфорду работают с вихрями. Появляется техническая литература по этой теории, чтобы исследователи могли знакомиться с новыми событиями. Теория вихрей противоречит теории суперструн, но есть надежда, что вихри соединятся с суперструнами, придав этой теории геометрическую основу, которой пока нет.
Вихри - это обобщение спИнов, абстрактных геометрических предметов, введенных в физику Дираком. СпИны играют важную роль в теории относительности и квантовой механике, где они описывают вращение частиц и атомов. Вихри - это математические структуры, которые определяют движение невесомых частиц. Они дают точки пространства из 4 комплексных измерений (точнее говоря, этих измерений 8). Комплексные числа, как убежден Пенроус, живут своей жизнью. Они такие же настоящие, как и действительные числа, и нужны для понимания теории относительности, квантовой механики и любой другой теории, которая включает их в себя.
В обычном трехмерном пространстве вихри - это множество кругов, образующих систему вложенных бубликов. Они состоят из множества точек, движущихся со скоростью света по касательной к окружности, через которую они проходят. Вся эта система движется в направлении, указанном стрелкой. С течением времени форма конфигурации сохраняется. Тут описывается, как угловое мгновенное натяжение невесомой частицы меняется при изменении выбора начальной точки.
Вихри дают описание пространства и времени, математически аналогичного пространству и времени в теории относительности. Но на достаточно малом уровне понятие точки пространства и времени исчезает в комплексном пространстве теории вихрей. Вместо точек вы получаете пересечение вихрей, которые изображают лучи. Пересечения не являются геометрическими точками - это смутные площади, размытые и неопределенные.
В программе вихревых частиц выдвинуто много гипотез, которые могут или не могут быть плодотворными. Отдельные вихри изображают невесомые частицы, движущиеся со скоростью света - фотоны, нейтрино и гравитоны. 2 вихря описывают электроны и другие лептоны. 3 вихря определяют протоны, нейтроны и другие адроны. Более сложные частицы, например, очаровательные, изображаются бОльшим количеством вихрей. В этих гипотезах симметричные группы теории частиц возникают естественно, без дополнительных предположений.
Силы рассматриваются как деформация вихревого пространства. Например, гравитон искривляет пространство и время тяготением. Если гравитоны закручивают пространство и время, как считает Пенроус, то они могут быть носителями кручения. Кручение - это спиральность частиц, нарушение четности в "слабых" взаимодействиях, различие между положительным и отрицательным зарядом и, возможно, необратимость времени. Вихри могут двигаться со скоростью света, расширяться, сжиматься, закручиваться влево и вправо при движении вперед или не закручиваться вообще. Их можно считать основой вселенной - строительным материалом для частиц, полей, пространства и времени.
Электромагнитные уравнения Максвелла (это который левша), теория относительности, энергия, импульс и вращение частиц, теория кварков - всё это естественно возникает в теории вихрей. Пенроус и его коллеги в основном использовали вихри для общепринятых стандартных моделей частиц, а не для теорий объединения и всеобщих теорий. Как и теория суперструн, теория вихрей избегает бесконечности, которая портит теорию частиц. Ее защитники, как и в теории суперструн, утверждают, что эта теория слишком красива, чтобы не быть хотя бы частично верной.
Пенроус понимает, что математической красоты еще недостаточно для плодотворной теории - ее надо проверить опытами. Как и теория суперструн, она не учитывает массы частиц, силы взаимодействий, а также не может делать предсказания, которые в наше время поддаются проверке. Но Пенроус надеется, что, возможно, теория вихрей когда-нибудь сделает проверяемые предсказания.
Настоящие ли вихри? Это такой же бессмысленный вопрос, как и настоящая ли эллиптическая орбита планеты. Ответ зависит от математической философии. Лучше всего не заниматься такими метафизическими вопросами, а подумать о теории вихрей как о новой математической технологии, о новой форме, которая может быть полезной и в математике, и в теории относительности, и в квантовом поле. Она не меняет обычные теории, а только иначе формулирует их. А приведут ли когда-нибудь другие формулы к проверяемым изменениям в физической теории - видно будет.
В своей лекции "Фундаментальная асимметрия физических законов" немецкий математик Вейль предположил, что частица может быть асимметрической. Это так обидело Паули, который проповедовал симметрию, что он назвал уравнение Вейля бесполезным. Но, по иронии, нейтрино, которое сам Паули предсказал, описывается именно тем уравнением, которое он высмеял.
В теориях объединения трудно объяснить, как симметрия, которая, бесспорно, преобладала после большого взрыва, нарушилась, ограничив антивещество. В теории вихрей таких трудностей нет, поскольку нарушения симметрии заряда, времени и четности встроены в вихревое пространство. Но есть другая трудность - откуда во вселенной так много симметрии. Пенроус не согласен, что при нарушении теоремы симметрии заряда-четности-времени вся физика развалится. Нужно только сохранять заряд, четность и время на высшем уровне точности в той части вселенной, которая доступна для наблюдений.
"Можно ли создать основную физическую теорию, которая на фундаментальном уровне неизменна для заряда, четности, времени или любой их комбинации?" - спросил однажды Пенроус на лекции. Ответ: "Не только можно, но и нужно". Теорема симметрии заряда-четности-времени будет ложной, только если ее предположения ложные. Одно из таких ложных предположений - что пространство и время плоское, то есть имеет нулевую кривизну. Пенроус считает, что теорема симметрии когда-нибудь нарушится квантовым тяготением. Его теория вихрей несимметрична по заряду-четности-времени. Вселенная не приобрела время после большого взрыва - оно встроено в общую структуру вакуума.
Стрела времени, как считает Пенроус, объясняет, отчего, когда квантовое измерение начинает портить волновую функцию системы, подсчет возможностей работает отлично и полностью согласуется с фактами, если работает в обычном будущем направлении - но дает неверные ответы, когда используется в прошедшем направлении.
Короче говоря, вселенная Пенроуса на фундаментальном уровне не совсем симметрична. Мало физиков в наше время ее поддерживают, так как симметрия более красива и изящна, чем асимметрия. Но, с другой стороны, симметрия может показаться скучной. Если искусство и музыка могут быть асимметрическими, то и вселенная тоже. Что красивее - безоблачное небо или закат? Что приятнее - барабанный бой или мелодия? "Я считаю", - говорит Пенроус, - "что, несмотря на технические трудности, асимметрический подход может быть плодотворным. Время, работа, интуиция и удачливость покажут".
7. Самое безумное предположение, объясняющее отсутствие антивещества во вселенной, но сохраняющее симметрию вещества и антивещества - это далеко существующая вселенная, оторванная от нашей, где время идет назад. Теорема симметрии полностью сохраняется. Мир с обращенным временем сделан из антивещества, где четность и заряд обратны нашим. И таких вселенных много - одни из вещества, где время наше, другие из антивещества, где стрела времени показывает назад.
Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3401


Paul Is Live!!!


« Ответ #34 : 15 Декабря 2013, 03:20:58 »

ЧТО СЛУЧИЛОСЬ С МОНОПОЛЯМИ?

А теперь рассмотрим другой вопрос, который десятилетиями беспокоил физиков. Где магнитные монополи?
Дирак впервые предположил, что магнитный заряд измеряется в квантах, после чего началось квантовое измерение электричества. Это ввело красивую симметрию в электромагнитные уравнения Максвелла (который левша).
Эти уравнения описывают единую теорию поля. Электричество и магнетизм - явления того же самого порядка. Эрстед открыл, что движение электрического тока создает магнитное поле, а Фарадей показал, что изменение магнитного поля производит электрический ток. Кроме того, Максвелл предсказал, что весь свет в широком смысле - включая гамма- и икс-лучи, ультрафиолет с короткого конца, радио- теле- и радарные волны, инфракрасные лучи с длинного - это одинаковые электромагнитные волны, отличающиеся только частотой.
В единой теории Максвелла электрическое поле создается постоянным электрическим зарядом и переменным магнитным полем, а магнитное поле - только переменным электрическим полем. Это нарушало симметрию. Раз есть электроны и протоны, которые имеют отрицательный и положительный заряд, то должны быть и частицы, которые имеют северный и южный магнитный заряд. Физики думают - что не запрещается законами природы, то разрешается. Этот всеобщий принцип сформулирован Гелманом. А так как Дирак верно предсказал существование античастиц, физики не могут отказаться и от уравнений, которые предполагают существование магнитных монополей.
Вот протон, окруженный электрическим полем. Векторы (стрелки, показывающие силу и направление) смотрят наружу. При движении протона возникает слабое магнитное поле, ориентированное по кругу:


   ^         *-->*
 Г | 7       ^   |
  \|/        |   |
<--*--> -----+---+---->
  /|\        |   |
 L | J       |   V
   V         *<--*


А вот электрическое поле электрона. Его векторы смотрят внутрь. И при его движении возникает магнитное поле, но противоположное протону:

   |         *<--*
 \ | /       |   ^
  JVL        |   |
-->*<-- -----+---+---->
  7^Г        |   |
 / | \       V   |
   |         *-->*


У гипотетического северного монополя векторы смотрят наружу, а электрическое поле при движении напоминает магнитное поле электрона:

   ^         *<--*
 Г | 7       |   ^
  \|/        |   |
<--*--> -----+---+---->
  /|\        |   |
 L | J       V   |
   V         *-->*


У гипотетического южного монополя векторы смотрят внутрь, а электрическое поле при движении напоминает магнитное поле протона:

   |         *-->*
 \ | /       ^   |
  JVL        |   |
-->*<-- -----+---+---->
  7^Г        |   |
 / | \       |   V
   |         *<--*


Вот это симметрия так симметрия!
Закон сохранения заряда обозначает, что общий заряд вселенной равен 0. Поэтому положительные и отрицательные заряды могут появляться и исчезать только парами. Пока частица одного заряда не аннигилирует с частицей другого заряда, она не исчезает. В теории Дирака это относится и к магнитным зарядам. Монополи создаются парами разной полярности и пропадают, когда встречаются между собой.
Однополюсных магнитов не бывает, так как магнитное поле возникает при движении атомов и других частиц. Но ни атом, ни тем более протон или электрон невозможно разрезать, чтобы получить отдельные полюса. В электромагнитной теории Максвелла магнетизм объясняется как движение электрических зарядов, а электричество вряд ли может быть описано как движение магнитных зарядов.
Дирак описал магнитные монополи как частицы на концах длинной тонкой линии. Так как линия Дирака одномерная и не имеет толщины, ее нельзя считать настоящей. Это просто математическая модель, как широта и долгота на глобусе. Дирак был такой молчаливый, что, по легенде, студенты Кембриджа изобрели единицу разговорчивости 1 дирак - 1 слово в год. Однажды на лекции о монополях он просто вытащил из кармана длинную струну. Один конец он закрепил, чтобы показать, что такое линия Дирака, а другой вращал, чтобы показать движение магнитного заряда. После лекции кто-то спросил, специально ли Дирак положил в карман струну, чтобы использовать ее на лекции. "Нет", - ответил Дирак. - "Эта струна была у меня в кармане и раньше, когда я еще не думал о монополях". Но для чего он носил эту струну, так и не сказал.
Линии Дирака не говорят о массе и спИне монополей, а только о заряде, и никакой новой теории не предлагают. Но физики начали искать монополи где угодно - в космических лучах, в метеоритах, в лунных камнях, в осадочных породах океана, в магнитных материалах. Они создавали их столкновением энергетических частиц в больших ускорителях. Открытие магнитных монополей могло бы быть таким же важным событием, как и открытие позитронов. Но монополи так и не были обнаружены, и физики не могли согласиться по вопросу о причинах этого.
Иногда появлялись объявления об охоте за монополями. Например, некий Буфорд Прайс из Беркли взволновал физиков, объявив, что сфотографировал след космического монополя. Другой охотник за монополями, некий Луис Альварес, опроверг объявление Прайса, и физики решили, что это ложная тревога. Объявление некоего Биаса Кабреры из Стэнфорда взволновало еще больше. Он говорил, что его чувствительный магнитомер поймал монополь в день святого Валентина. Через год Шелдон Глазго прислал Кабрере телеграмму: "Розы красные, а фиалки синие. Пора искать второй монополь".
Сам Глазго в монополи не верит. Он считает, что магнитное поле создается электрическим током, как написал Максвелл в своих уравнениях. И он не один такой. Большинство физиков считают, что искать монополь так же бесполезно, как и искать единорога.
И вдруг история с магнитными монополями сделала крутой поворот. Жерар Гуф в Голландии и Александр Поляков в России независимо друг от друга построили новую теорию монополя, основанную на теориях объединения. Это так называемый большой объединенный монополь или просто тяжелый монополь. Его масса должна быть необычной для частицы - примерно как у амебы. С этой огромной массой он движется очень медленно, зато имеет достаточную силу, чтобы пройти через любое вещество. На современных ускорителях получить такую массу практически невозможно.
Теории объединения предсказывают, что тяжелые монополи существовали в первые 10^-35 секунды после большого взрыва, когда температура первичного бульона была большая. Пары разной полярности аннигилировали, но были и такие, которые остались. Возможно, эти монополи создали черную материю - невидимое вещество, которое нужно для объяснения скоплений галактик и других космологических особенностей. Возможно, монополи накапливаются внутри планет типа земли - северные в южном магнитном полюсе, а южные в северном. А так как они постоянно перемещаются, то и магнитные полюса меняют расположение. При таких перемещениях могут происходить аннигиляции, энергия которых повышает температуру внутри земли. Возможно, монополи есть и внутри звезд, и в черных дырах, и в ядрах галактик.
Бывают и другие причудливые рассуждения. Например, монополи могут быть катализатором при распаде протонов. Такой распад упоминается во многих теориях объединения, но его доказательства не обнаружены. Монополи бывают разных видов. Северные и южные тяжелые монополи соединяются в монополиум и при аннигиляции превращаются в разнообразные частицы.
В отличие от монополей Дирака, тяжелые монополи крепления к струнам не требуют. Они очень плотные, но не похожи на точки: у них сложная внутренняя структура. Их устойчивость, когда рядом нет двойников, объясняется моделью солитонов.
Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3401


Paul Is Live!!!


« Ответ #35 : 15 Декабря 2013, 05:31:30 »

Солитон - это одиночная волна, которая долго сохраняет форму и размер. Первое наблюдение подобной волны сделал морской инженер и архитектор Скотт Рассел. Проезжая верхом вдоль Эдинбургского канала, он увидел, что лодка резко остановилась. Вот как Рассел описал это: "Не было такой массы воды в канале, которую она привела в движение: она собралась вокруг носа судна в чудовищном волнении, потом вдруг оставила ее позади, двигаясь с большой скоростью, приняв форму большой одинокой возвышенности, круглая, ровная, хорошо очерченная масса воды, которая продолжала двигаться вдоль канала, очевидно, не меняя форму и не уменьшая скорость. Я ехал за ней верхом и догнал ее со скоростью примерно 8-9 миль в час, сохраняющую свой размер - 30 футов длины и 1,5 фута высоты. Но ее высота постепенно уменьшалась, и через пару-тройку миль я потерял ее из вида за поворотом канала. Это было мое первое знакомство с редким и красивым явлением, которое я назвал перемещающейся волной".
Силы, которые сохраняют эту волну в воде, включают в себя равновесие между постоянным рассеиванием высокочастотных волн и их заменой на новые, с ограничением между берегами. Более 100 лет назад одиночные волны казались редким явлением. Но в наше время стало ясно, что в океане бывают такие сейсмические волны огромной длины, вызванные подводными землетрясениями. Кроме того, одиночные волны возможны и в других физических системах. Иногда даже невозможно запретить им создаваться.
Примеров много. Когда двойная спираль молекулы ДНК помещена в растворитель, происходит обмен атомами водорода между растворителем и ДНК. Разрыв между спиралями движется вдоль молекулы устойчивой волной. Подобные солитоны проходят и по спиралям молекул белков. Некоторые солитоны проявляют периодичность и колеблются между крайними значениями тех или иных величин. Такие вторичные солитоны возникают в лучах лазера, движущихся по световоду. Энергия проходит по нервам солитонами. Звуковые волны от некоторых механических вибраций могут образовать солитоны.
Магнитные поля в проводниках и текучих средах образуют воронки. Возможно, красное пятно на Юпитере - долгоживущий солитон в бурной атмосфере гигантской планеты. Пузырь воздуха под обоями тоже можно назвать солитоном. Вы толкаете этот пузырь пальцами, но никак не можете избавиться от него. Пузырь движется, как бумажная волна, которой внутреннее давление воздуха мешает раствориться.
Лучше всего использовать солитоны в оптических волокнах. Эти волокна не дают свету рассеиваться и сохраняют его форму. Скорость солитонов уже довели до 4 триллионов в секунду и собираются довести до 10 триллионов в секунду. Эдмунд Эндрюс в своей статье "Как ускорить волокнистые световоды" пишет, что теоретически возможно передать всё содержимое библиотеки за 2 минуты: "В этих солитонах есть что-то волшебное. Это почти что-то из ничего". Говорят, что воронковидные солитоны напоминают вечный двигатель.
В последние годы построены солитоновые модели элементарных частиц. Возьмем, например, магнитный монополь. Если теория суперструн верна, то все элементарные частицы являются солитонами. Вместо постоянных волн эфира до появления относительности в устаревшей теории воронковидных атомов, суперструны - это солитоны в вакууме вселенной.
Когда солитон сохраняется в общей структуре поля, он называется топологическим. Простейший пример - длинная горизонтальная лента, растянутая между опорами. Если один конец повернуть на 180°, лента получит кручение. Это кручение и есть топологический солитон. Его можно двигать взад-вперед по ленте, но избавиться от него нельзя. При соединении концов ленты в петлю получится лист Мебиуса - поверхность с 1 стороной, 1 краем и солитоном, то есть кручением, которое может двигаться в любом направлении, постоянно оставаясь на ленте.
Иногда топологические солитоны могут возникать парами. Между опорами лента без кручения. Если повернуть ее середину на 180°, будут 2 солитона, смотрящие в разные стороны. Их можно двигать взад-вперед, пока середина повернута. Но если середину отпустить, кручения исчезнут. Вы можете повернуть середину ленты сколько угодно раз, чтобы получить много солитонов. Эти кручения на концах ленты напоминают противоположные спирали веревок Хинтона. Если закрепить концы ленты без кручений, солитоны могут двигаться по ленте в разные стороны, а при встрече друг с другом они исчезают.
Вот модель 2 топологических солитонов с противоположной структурой, происходящих из векторного поля. Пусть на каждой карте колоды нарисована стрелка влево. Положите колоду на стол, кровать или бумагу и растяните в ряд - это будет вакуумное состояние векторного поля, указывающего на запад.
Поставьте левый указательный палец под нижнюю карту ряда и поднимите верхний край. Двигайте его вправо, оставляя нижний на месте, пока она не наклонится вправо. Получится маленький шатер. Держите одну карту, длинной нижней стороной касаясь вершины этого шатра. Если вы двигаете карту влево-вправо, шатер будет двигаться вместе с картой. Этот шатер и есть солитон, где векторы, то есть края карт, показывают вверх и внутрь. Пусть этот ряд карт растянется на мили в обоих направлениях, а крайние карты закреплены. Тогда на концах ряда векторы-края горизонтальные, но с приближением шатра-солитона они поднимаются и показывают вверх под острым углом к горизонту, а карта в середине шатра смотрит вектором вверх. Солитон может двигаться на запад или на восток, но убрать его нельзя.
Посмотрим, как это векторное поле заставляет солитон появляться и исчезать при встрече с антисолитоном. Сделайте длинный ряд из нескольких колод. Не поворачивайте карту в нижней части ряда, а раскройте пустоту справа, как будто открытая книга плоско лежит на обеих сторонах. Это антисолитон. Пустота создает шатер-солитон слева. Антисолитон-пустоту нельзя двигать влево-вправо, но можно перекладывать отдельные карты, как бы перелистывая страницы. Когда солитон и антисолитон движутся, их края-векторы меняются постоянно, без перерыва. Обе структуры постоянны, когда они отдельно. Но встретившись, они исчезают, и поле превращается в вакуум, когда все векторы параллельны.
Те же самые векторы можно прикрепить к окружности, чтобы они все показывали от центра. Сделайте пробор, расчесав их в разные стороны. Там, где волосы разойдутся, будет отрицательный солитон, а где сойдутся - положительный в виде шатра. Оба солитона могут двигаться по кругу куда угодно, но при встрече исчезают.
Пусть большой шар покрыт волосами-векторами, которые показывают наружу. Попробуйте причесать этот шар так, чтобы все волосы шли по касательной к поверхности. У вас ничего не получится. Можно сделать несколько разных солитонов, лысин и пучков, которые бродят по шару, но прилизать все волосы топологически невозможно. Зато можно сделать так, чтобы все волосы встали дыбом. А на других поверхностях, таких, как бублик, векторы, покрывающие всю поверхность, можно уложить. Конечно, бублик топологически отличается от шара. Нельзя изменить его форму так, чтобы полностью убрать дырку. Так что устойчивость солитона зависит от топологических особенностей самого пространства.
В некоторых случаях топологический солитон и его двойник при встрече не исчезают - они свободно проходят друг через друга. Для этого надо завязать 2 противоположных узла на длинной веревке с закрепленными краями. Узлы - это солитоны, которые невозможно убрать, даже если они встретятся. Топологам понадобились десятки лет, чтобы доказать это. Растянув один узел и сжав другой, можно свободно поменять их местами.
Если завязать один узел на другом, получится квадратный узел. Он называется сложным, так как состоит из 2 простых. Простой узел нельзя разделить на несколько узлов, которые занимают разные места на веревке. Если простые узлы повернуты в одну сторону, квадратный узел получится витым, а если в разные - плоским. Плоский узел симметричный, его можно совместить с зеркальным отражением, витой - никак.
Магнитный монополь - это солитон, возникающий в калибровочном поле Янга и Майлса при повышенной температуре, как после большого взрыва. Топологические ограничения не дают монополям рассеиваться. Северный солитон можно изобразить в виде шара, состоящего примерно из 100 бозонов (носителей магнитной силы), которые смотрят наружу. Поляков назвал это ежовым шаром. А южный солитон или антисолитон тоже имеет векторы, но они смотрят внутрь, в центр шара. Топологические ограничения калибровочного поля не дают солитону рассеиваться, пока он не встретится со своей античастицей. Это постоянная петля или узел энергии в векторном поле Янга и Майлса, ком, "вечный" до тех пор, пока он не встретит двойника. Когда это происходит, противоположные векторы взаимно уничтожаются, а энергия остается. Дело в том, что невозможно постоянно менять векторы монополя, чтобы они все смотрели в одну сторону, как в вакуумном состоянии, без перерыва, который образует линию Дирака. А так как линия бесконечна, то для ее уничтожения нужна бесконечная энергия. Но бесконечная энергия недоступна, и монополи устойчивы.
В теориях объединения монополь - частица не только самая тяжелая, но и самая фантастическая. Ее сильное магнитное поле создает ток, в котором появляются и исчезают пары частиц. Внутри монополя можно найти любые частицы и поля, какие только есть в природе. Там восстанавливается нарушенная симметрия и появляются другие частицы. Чем ближе к ядру, тем выше температура и больше симметрия. Как будто вы вернулись назад по времени, когда было одно только горячее симметричное поле. Большой объединенный монополь раскрывает всю температурную историю вселенной. Конечно, всё это только рассуждения. Возможно, магнитных монополей не существует. Теория вихрей еще не настолько крепка, чтобы предсказывать такие линии, но сам Пенроус считает, что монополей быть не может.
Разница между северным и южным монополями не зеркальная, но векторы у них смотрят в противоположные стороны. Может быть, какая-то противоположная форма подчеркивает разницу между северным и южным магнитным зарядом, как между положительным и отрицательным электричеством?
Во многих теориях объединения магнитные монополи должны были возникнуть после большого взрыва в таком же количестве, как и протоны. А как они пережили охлаждение космоса до современного состояния? Никто не знает, и это один из дефектов теории большого взрыва. Кажется, не существует подходящего механизма избавления от них. Эта проблема с монополями может быть решена посредством новой теории расширения вселенной.
В этом развитии теории большого взрыва считается, что после того, как вселенная расширилась от размеров протона до размеров яблока или мяча - это и был большой взрыв - быстрое расширение остудило вселенную, но частицы и античастицы, образовавшиеся при расширении, аннигилировали, и вселенная опять стала горячей. После второго, малого взрыва вселенная окончательно остыла, и ее расширение замедлилось. Следствием расширения является тот факт, что вселенная в миллионы раз больше, чем в предыдущих теориях. Острая проблема, которая портила старые теории, но, возможно, решается в новой - это объяснение того, что случилось с монополями. Быстрое расширение просто раздуло их во все стороны, поэтому их так мало, что вряд ли возможно найти.
Космологи пересматривали теорию расширения вселенной с тех пор, как Алан Гут предложил ее. Новая версия, поддержанная Стивеном Хокингом и другими специалистами - это хаотическое расширение, предложенное молодым российским физиком Андреем Линде. Эта теория нового расширения, улучшающая основную теорию Гута, является атеистической версией взглядов Лейбница, где бог выбирает лучшую вселенную из бесконечного множества возможных миров. Возможные - это такие, где основные законы природы не противоречивы. Хаотическое расширение принадлежит к теориям пузырей. Наша вселенная - одна из бесконечного множества миров, оторванных друг от друга, как пузыри в воздухе. "Странно, что существует много вселенных, которые плавают, как пузыри пены по реке времени", - пишет Артур Кларк.
Вакуум Линде обычно называют первобытным океаном. Он переполнен колеблющимися квантами - это пена, в которой каждая частица вместе со своим полем появляется и исчезает в определенное время по неустойчивым принципам квантовой механики. Так как возможности этих частиц и полей стремятся к 0, ложный вакуум кажется пустым, хотя на самом деле он совсем не пустой - поэтому и ложный. Тут и там время от времени в вакууме случайный колеблющийся квант взрывается во вселенную, забирая энергию из первобытного океана. Гут назвал это последним бесплатным (или дешевым) обедом. Каждый пузырь-вселенная имеет свои случайные законы и, с точки зрения Линде, свое пространство и время. Например, мы живем в такой вселенной, что ее законы и структура пространства и времени способствуют возникновению живых существ, таких, как мы.
В хаотической теории всевозможные вселенные возникают из вакуума, процветают, а потом опять возвращаются в вакуум - подобно лицам, появляющимся в тумане и исчезающим там же, как сказал Шерлок Холмс в одном из рассказов Конан Дойля.
Отчего в нашей вселенной физические законы, пространство и время выглядят именно так, а не иначе? Это бессмысленный вопрос, как и тот, отчего у вас та или иная рука ведущая. Никто не выбирает вам ведущую руку. Глупая вселенная просто пересматривает все возможные руки. Хаос сменил бога у Лейбница. Эйнштейн был против квантовой механики, так как он не любил, что бог играет в кубики со вселенной. Как бы он отреагировал на то, что кубики играют в бога со вселенными?
Так же, как и мы, вселенная имела начало и будет иметь конец. Но если мы рассматриваем вселенную в широком смысле, как всё, что существует в бесконечном первобытном океане с бесконечным множеством миров-пузырей, реальных и нереальных - тогда вселенная постоянная, устойчивая, не имеет ни начала, ни конца. А цель у нее есть? Этот вопрос метафизический, а не научный. И вряд ли когда-нибудь прогресс физики сможет дать ответ на этот вопрос.
Хокинг и другие сделали предположение, что случайные колебания, создающие вселенные, могут происходить в пространстве и времени нашей вселенной. Каждая маленькая вселенная проходит через узкую трубку пространства и времени диаметром меньше протона, которая называется колесной червоточиной, а потом расширяется в первобытном океане, как кровеносный сосуд. Она быстро растет и становится большой вселенной, которая точно так же может создавать маленькие. Результатом является каскад новых миров. Сначала они соединены червоточинами, как пуповинами, но потом эти соединения исчезают, и новые миры отделяются от старых и друг от друга. А так как каждый мир способен к размножению, то пена первобытного океана создает вселенные быстрее, чем в первоначальной теории Линде.
В безумной работе "Что мешает создать вселенную в лаборатории" Гут и Эдвард Фахри сделали еще шаг вперед в этой теории - возможность живого разума сознательно сделать вселенную одним росчерком пера. Для этого надо взять массу примерно 25 фунтов и сильно сжать. Чем меньше размер, тем больше плотность и температура, чтобы масса могла выскочить из нашего пространства и времени и вырасти в новую вселенную. Испортит ли это наш мир? Авторы уверяют нас, что нет. Мы будем смотреть в микроскоп на это событие в виде маленькой черной дыры со следами радиации, которые показывают, что внутри что-то происходит. Эта вселенная будет вне нашего пространства и времени.
Странная возможность. А наша вселенная - результат случайного квантового колебания или намеренно создана каким-нибудь студентом в другом пространстве и времени? Гут считает, что вселенная могла появиться в чьем-нибудь подвале. Но студента, который проделал этот эксперимент, рядом нет, поэтому никто не может сказать точно, как она сделана.
Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3401


Paul Is Live!!!


« Ответ #36 : 15 Декабря 2013, 20:43:42 »

СТРЕЛЫ ВРЕМЕНИ

Время описывалось многими метафорами, но самая старая и привычная - это сравнение времени с рекой. Греческий философ Гераклит говорил о непостоянстве, что в 1 реку 2 раза не войдешь, так как придет новая вода. Его ученик Кратил добавлял, что и 1 раз не войдешь, так как, пока ты входишь, река меняется. Огден Нэш писал в своем произведении "Время шагает": "Пока женщины одеваются, те женщины, которыми они были, встают и уходят".
У Джойса в "Поминках по Финнегану" символом времени является большая река, протекающая через Дублин, ее "вода-туда-сюда" окончательно впадает в море, а потом возвращается в "рекооборот" и снова начинает бесконечный цикл изменений.
Это крупный символ, но не совсем точный. Меняется не время, а мир. "В каких единицах измерять скорость времени?" - спрашивает австралийский философ Смарт. - "Секунда в ...?" Время идет - это всё равно, что длина растягивается. Остин Добсон писал в своих "Парадоксах времени": "Вы говорите, что время идет? Нет, это мы идем, а время стоит на месте".
Кроме того, против течения плыть можно, а в прошлое вернуться нельзя. Меняющийся мир больше похож на волшебный ковер, который разворачивается только впереди, а сворачивается только сзади, позволяя идти только в 1 направлении, находясь на небольшой площади настоящего. С умственной точки зрения, настоящее - это не физическое мгновение, а размытый отрезок времени в пару-тройку секунд, пока мозг сохраняет образ данного события, световой след создает иллюзию непрерывного движения в фильме, а звуки, сыгранные в быстрой последовательности, напоминают аккорд. Об этом писали многие философы и психологи. Но отчего ковер никогда не разворачивается назад? Какова физическая основа этой странной асимметрии времени?
Лабораторные эксперименты подтверждают, что на микроуровне некоторые "слабые" взаимодействия могут идти только в 1 сторону. В эти события как бы встроена стрела времени. Но если не учитывать этих редких аномалий, все основные законы физики, включая теорию относительности и квантовую механику, обратимы по времени. То есть, если в любом основном законе поменять положительное время на отрицательное, закон можно использовать, как и раньше: он описывает то, что действительно происходит в природе.
А вот в событиях на макроуровне контраст очевиден. Стрела времени всегда смотрит из прошедшего в будущее. Говорить, что стрела показывает - тавтология, так как она сама определяет, где прошедшее, а где будущее. Но главное не это. Между 2 концами есть разница.
Направление стрелы времени в работе нашего ума единое и постоянное. Мы помним прошедшее и не помним будущее. Остановимся после написания этого отрывка. На листе бумаги только что написанные предложения - следы прошедшего. Остальная часть листа пустует. Теперь напишем несколько новых предложений. Слово "теперь" предыдущего предложения - теперь уже прошедшее. А теперь и это "теперь" стало прошедшим... ну, и так далее. Для нас всегда будущее не определено и еще не существует, а прошедшее неизменно и уже не существует. Когда-то оно существовало, а теперь исчезло. Мы знаем, что оно было, с помощью памяти и других следов, которые остаются в настоящем. По этим следам мы и восстанавливаем прошедшее. Каждую минуту, которая становится прошедшим, мы попадаем в будущее. Зная, как вела себя природа, мы также можем предполагать, как она будет себя вести.
Стрела времени имеет определенное направление не только в нашем сознании. События внешнего мира тоже происходят только в 1 сторону. Если мы смотрим фильм назад, несомненно, что в нем изображен несуществующий мир. Люди и животные выглядят гротескно. А когда на экране нет живых существ, всё равно можно заметить, что фильм идет назад - это падающие листья, дождь, снег, волны у берега и другие действия, происходящие только в 1 сторону. Отчего основные законы физики обратимы по времени, кроме некоторых "слабых" взаимодействий, возможных только в лаборатории, хотя на макроуровне во вселенной множество событий, которые не могут идти назад?
Перед тем, как ответить на этот вопрос физически, рассмотрим точку зрения математиков и философов. Они считают, что основа для стрелы времени - это только человеческое сознание, работа ума в 1 сторону. При этом часто цитируют Вейля: "Объективный мир просто существует, а не происходит. Только с точки зрения сознания, движущегося вперед по линии жизни (в теории относительности - по линии мира) тела, часть этого мира оживает, как образ в пространстве, который постоянно меняется по времени".
Некоторые философы отстаивают эту точку зрения, ученых она тоже привлекает. Например, некий Гринбаум считает, что время неоднородно в объективном смысле, но он убежден, что приходящее с понятием настоящего полностью зависит от ума. Научный философ Поппер, с которым Гринбаум спорил по этому вопросу, выразил удивление, как реалист Гринбаум вдруг перешел на идеалистический язык, обсуждая стрелу времени.
Гарднер считал, что путаница Гринбаума чисто лингвистическая, а не противоречащая таким реалистам, как Поппер и Рассел. Возможно, Гринбаум сдается, когда пишет в своей статье "Смысл времени": "Но, характеризуя приходящее как зависимое от ума, я полностью позволяю, чтобы умственные события, от которых оно зависит, сами требовали биохимическую или, возможно, физическую основу, включающую в себя кибернетическое оборудование". Если Гринбаум верит в это, зачем нужен весь спор о реалистическом языке?
Защитники этой точки зрения обычно говорят таким странным языком, что трудно понять, о чем они думают на самом деле. Вряд ли они отрицают, что существует огромный внешний мир за пределами человеческого ума. Например, если вы думаете, что дерево не существует вне вашего ума, вам нет причин думать, что существует чужой ум. Не существует логического способа опровергнуть вас, хотя, возможно, вы понимаете, что эгоцентризм - не очень распространенная точка зрения. На самом деле, вы вполне можете думать, что единственный эгоцентрист - это вы сами.
Скорее всего, дорогой читатель, вы не эгоцентрист - то есть думаете не только о себе, но и о внешнем мире, действительно существующем за пределами человеческого ума. Если это так, то вы можете думать и о структуре внешнего мира. Например, поскольку дерево существует, когда на него никто не смотрит, оно должно иметь форму, когда на него никто не смотрит.
Конечно, всё, что мы знаем о внешнем мире, происходит в наших головах. Внешний мир всегда подразумевается, а не ощущается непосредственно. Информация о мире воспринимается нашими чувствами, сложным путем проходит по особым каналам и окончательно формируется в мозгах. То есть всё, что мы знаем о мире, зависит от ума. Но это общеизвестно и самоочевидно. Знание само по себе зависит от ума. Знать - это работать умом. Если, услышав звук, вы понимаете, что это звук, то дерево, падения которого ухо не слышит, звука не издает. Если, увидев форму, вы понимаете, что это форма, спиральная туманность сама по себе формы не имеет. А если ваш ум понимает, что такое раньше и позже - тогда, конечно, приходящее зависит от ума.
Но что достигается разговором на таком необычном феноменологическом языке? Возможно, это придает сомнительное удовольствие некоторым философам, которые жалуются, что критики их не понимают, а это, в свою очередь, обозначает, что их взгляды глубже, чем у критиков. Но и для ученых, и для барменов феноменологический язык кажется очень трудным. Если, например, астроном говорит, что у туманности Андромеды есть 2 спиральных рукава, то незачем его ругать, когда он сердится на такие слова: "Подождите. Спираль - это математическое понятие, созданное человеческим умом, а не часть природы".
Ученые и большинство философов, как обычные люди, говорят на языке, который Карнап назвал объектным - этот язык описывает структуру внешнего мира вещей, независимого от наших мозгов. Даже епископы, которые утверждают, что неощутимое не существует, говорят о внешней вселенной с ее сложными математическими особенностями так, как будто она ощущается богом.
Следует обратить внимание на то, что стрела времени - такая же законная часть внешнего мира, как и пространственные отношения. Эта стрела, показывающая, что события происходят только в 1 сторону, принадлежит внешнему миру, как большое и маленькое, горячее и холодное, быстрое и медленное, светлое и темное, левое и правое и другие структурные отношения внешнего мира. Например, если у динозавров были внуки, то динозавры-дедушки и бабушки были старше их. Даже настоящее существовало во внешнем мире - в том смысле, что, когда каждый динозавр рождался, это для него было настоящее.
Возможно, субъективист возразит: "Но тогда был и ум динозавра, который чувствовал время". Идем дальше в прошедшее. А трилобиты чувствовали время? Не говоря уже об одноклеточных существах первобытного океана. Идем еще дальше в прошедшее. Марс старше кратеров, солнце старше Марса, Галактика млечного пути старше солнца. По теории большого взрыва, миллиарды лет назад вселенная взорвалась и с тех пор расширяется. Конечно, наши знания об этом расширении зависят от ума, но зачем беспокоить очевидное?
Стрела времени в наших головах смотрит туда же, куда и во внешнем мире. Поверхность Марса хранит следы прошедшего, и клетки нашего мозга тоже. Отчего обе стрелы смотрят одинаково? Все, кроме немногих субъективистов, ответят объективным языком науки, что наши мозги состоят из того же вещества, что и вселенная, поэтому их частицы подчиняются тем же законам. Наше знание о времени зависит от памяти, а память - это и есть сложный вид следа. В предположении, что наш маленький слабый мозг распространяет свою стрелу времени на космос, а не наоборот, чувствуется явный эгоизм.
Если вы согласны с тем, что приходящее - это часть природы, независимая от нашего ума, вернитесь к первому вопросу: так как основные законы физики, кроме некоторых редких аномалий, обратимы по времени, что заставляет природу всегда двигаться одинаково? Отчего многие события происходят только в 1 сторону?
Возможно, ответ частично находится в законах вероятности. События происходят в 1 сторону не из-за того, что не могут идти назад, а из-за того, что это маловероятно. Чтобы понять, что это значит, можно выполнить несколько простых экспериментов с колодой карт.
Пусть колода состоит из одних тузов. Тогда, сколько бы вы ни тасовали эту колоду, вероятность нахождения туза равна 1. А теперь возьмите туза и 2. Тогда последовательности туз-2 и 2-туз имеют равную вероятность 1/2.
Попробуйте сделать то же самое с колодой из туза, 2, 3 и 4. Эти карты можно разложить 4!=24 разными способами. Вероятность последовательности туз-2-3-4 или любой другой равна 1/24.
Количество перестановок называется факториалом. Размеры факториалов быстро растут. Например, вероятность того, что случайно перетасованная стандартная колода из 52 карт будет упорядоченной, равна 1/52!, то есть примерно 1/(8*10^67). Это значит, что вернуться к первоначальному порядку практически невозможно. Основные физические законы не мешают колоде вернуть первоначальный порядок, но есть еще и законы случая. Если, скажем, тасовальная машина будет работать миллион лет, она восстановит первоначальный порядок. Теорема Пуанкаре (нетрудно догадаться, что он тоже левша) утверждает, что первоначальный порядок восстановится столько раз, сколько дается времени. То есть, тасуя бесконечно, его можно вернуть бесконечное количество раз.
Когда множество предметов случайно взаимодействуют друг с другом, вероятность заставляет время идти только в 1 сторону. Объяснить это можно, описав начало игры в бильярд. Кий разбивает равносторонний треугольник из 15 нумерованных шаров, они разлетаются туда-сюда, и шар № 8 падает в лузу. Снимем это на кинопленку и покажем назад. Всем сразу станет ясно, что фильм перевернут. Ни один бильярдист никогда не видел, чтобы шары на зеленом сукне собирались обратно в треугольник. Законы физики не запрещают этой ситуации, но она маловероятна.
А что делать с шаром № 8, который упал в лузу? Вы можете подумать, что физические законы не дают вылетать из лузы, катиться вверх по наклонной и присоединяться к другим шарам. Нет, это событие тоже маловероятно. А теперь представьте молекулы в виде миллиардов маленьких шариков, движущихся в пространстве. Откройте бутылку с каким-нибудь газом, и молекулы этого газа быстро разлетятся по комнате. В бутылку они уже не вернутся - точно так же, как 52 перетасованные карты не вернутся к первоначальному порядку. Если бы каждая молекула газа в комнате изменила свое направление на противоположное, они бы могли вернуться в бутылку. Диффузия газа в принципе обратима по времени, но практически этого не происходит из-за статистических законов вероятности.
Посмотрим, что происходит с шаром № 8. Пусть, когда все шары остановились, движение каждой молекулы в этом событии перевернулось. Под столом, где лежит шар № 8, горячие от импульса молекулы собрались вместе и взорвались. Этот взрыв отправляет шар вверх. Горячие от трения молекулы гонят шар дальше. Остальные шары движутся аналогично. Шар № 8 выскакивает из лузы и вместе с другими собирается в первоначальный треугольник. Этот импульс возвращает кий на место.
Фильм о поведении отдельной молекулы в этом событии никого не удивит. Физические законы не нарушаются. Но, рассматривая миллиарды молекул, движущихся туда-сюда, вероятность того, что они все будут двигаться обратно, настолько мала, что, если это событие произойдет, оно будет похоже на чудо.
Так как сила тяжести работает только в 1 сторону - притягивает и не отталкивает - можно предположить, что движение тел под влиянием силы тяжести необратимы по времени без нарушения основных законов. Но это не тот случай. Если перевернуть движение планет, они всё равно будут вращаться по тем же орбитам. Эта обратимость позволяет астрономам вычислять, когда были прошедшие затмения.
А как быть со столкновениями предметов по силе тяжести - например, падением метеоритов? Конечно, это необратимо по времени. Но когда большой метеорит падает на землю, происходит взрыв, и множество молекул разлетаются туда-сюда. Если перевернуть направление каждой молекулы, их импульс будет содержать достаточно энергии, чтобы отправить метеорит обратно. Яйцо падает на землю, как Шалтай-Болтай со стены, и разбивается. Переверните движение молекул в этом событии - яйцо сложится обратно и прыгнет на место. Никакие основные законы, кроме статистических, при этом не нарушаются.
Так что большинство физиков находят основу стрелы времени в законах вероятности. Эта вероятность объясняет такие необратимые процессы, как смешение кофе со сливками, разбивание окна камнем и другие события с участием множества молекул, происходящие только в 1 сторону. Тут и 2 закон термодинамики, который всегда передает температуру от горячего к холодному, и тасование карт, нарушающее их порядок.
"Без всякого вмешательства в тайны сознания", - говорил Эддингтон на лекции, - "возможно определить, куда идет время. Нарисуем произвольную стрелу. Если стрела смотрит в будущее, то случайностей в состоянии мира становится больше, а если в прошедшее, то меньше. Это единственная физическая разница".
Эддингтон прекрасно знал о существовании событий, происходящих только в 1 сторону, когда энергия исходит из центра. Если бросить камень в воду, волны расходятся кругами. Маловероятно увидеть, чтобы волны сходились по воде кругами и выбрасывали камень из воды. В принципе, при определенных условиях возможно и такое событие. Например, в лабораторной посуде нетрудно сделать сходящиеся волны. Но в природе не происходит таких событий по краям водоема, чтобы вызвать это явление, кроме движения молекул воды, которое надо перевернуть, чтобы сходящиеся волны могли выбросить камень из воды.
Точно так же мала вероятность и других событий с излучением, которые теоретически обратимы, а практически нет. Если электрон, протон и электронное антинейтрино соберутся так, чтобы точно прицелиться в ядро атома, получится нейтрон. Будет наблюдаться обращенный бета-распад. Природа не запрещает это, но начальные условия настолько маловероятны, что мы не можем его наблюдать.
Звездная радиация изображает то же самое, только в крупном виде. Энергия никогда не скапливается на звезде, чтобы ядерные реакции шли назад и поглощали эту энергию вместо того, чтобы выделять ее. Основные законы физики, включая теорию относительности и квантовую механику, снова не запрещают такое событие - только невозможность начальных условий. Для того, чтобы начать процесс возвращения радиации назад, бог в высшем пространстве должен собрать все волны на краях вселенной. Без этого невероятного условия ничего не получится.
В еще более крупном виде, расширение вселенной происходит от центра, где произошел большой взрыв. Нет причин, чтобы вещество не могло двигаться обратно. Если направление движения всех галактик изменится, красное смещение превратится в фиолетовое, и сжатие космоса не будет нарушать основных законов. Многие космологи так и считают, что когда-нибудь вселенная действительно перестанет расширяться и пойдет обратно.
Для Эддингтона все излучающие процессы - от расходящихся волн до расширения вселенной - это просто движение к беспорядку. Сначала волны вокруг камня упорядочены, а потом они перепутываются и постепенно исчезают. Свет звезды становится беспорядочным под влиянием других небесных тел, искривляясь в пространстве и времени. Если пространство и время - это замкнутая поверхность шара, как считал Эддингтон, то звездное излучение станет хаотическим. И вся вселенная, расширяясь, становится беспорядочной. Эддингтон утверждал, что все события во вселенной, которые происходят только в 1 сторону, подчиняются законам вероятности.
Возникает удивительный вопрос: если макроскопическая стрела времени определена вероятностью как направление событий к увеличению случайности, как удалось вселенной добиться начального порядка? И кто поднимает вселенную, когда она опускается?
Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3401


Paul Is Live!!!


« Ответ #37 : 16 Декабря 2013, 00:59:58 »

ЭНТРОПИЯ

Понятие энтропии используется как в термодинамике, так и в информационной теории и обозначает меру беспорядка, то есть отсутствие точности. Информативность системы - это мера порядка. Обе величины взаимно обратны - чем больше энтропии в системе, тем меньше информативности, и наоборот.
Эти свойства можно показать с помощью колоды карт. Пусть в 1 колоде чередуются черные и красные карты, черная сверху. Она упорядочена по цветам, но не по мастям и не по достоинствам. А во 2 колоде чередуются только масти - пики, трефы, бубны и червы идут подряд, а достоинства как придется. Это и значит, что во 2 колоде меньше энтропии и больше информативности, чем в 1.
Если перетасовать каждую колоду, информативность полностью уступит место энтропии. Хотя для того, чтобы полностью перетасовать упорядоченную колоду, это надо делать много раз. Максимальная энтропия при минимальной информативности в термодинамике называется состоянием равновесия.
Австрийский физик Больцман, который занимался статистической термодинамикой, много думал над тем, как пользоваться законами статистики, чтобы объяснить точность, то есть отсутствие энтропии, в нашей вселенной. Более древние ученые такой вопрос не ставили. Галилей, Кеплер и Ньютон давали простой ответ - что бог достаточно хорошо знаком с математикой, чтобы "показывать свою ловкость" на небесном своде. А Больцман жил в то время, когда ученые и философы уже начали задумываться о космологической эволюции. Возможно ли, спрашивал Больцман, чтобы вселенная сначала была огромным беспорядочным морем случайно движущихся частиц? Требовали ли законы энтропии, чтобы где-то в бесформенном море естественным путем возникла такая сложная и точная вселенная, как наша?
Смелая точка зрения Больцмана началась с того, что в закрытой посуде молекулы газа движутся хаотически. В идеальном случае это замкнутая система, изолированная от всего мира. Молекулы газа летают туда-сюда, бьются об стенки и друг об друга. И все эти движения обратимы по времени. Если мы снимем фильм про этот газ и покажем его назад, не будет никакой разницы между ним и тем же фильмом, показанным вперед. Этот газ находится в состоянии равновесия, то есть в максимальной энтропии.
Если в данном пространстве нет ничего, кроме этой посуды с газом, есть ли в этой системе стрела времени? Больцман утверждает, что нет. Время имеет смысл, так как движение без времени не существует, но определить, куда смотрит стрела времени, тоже невозможно. Это хорошо показано в фильме - что время симметричное, и его стрела не имеет направления. Чтобы избежать безнадежного парадокса, подумаем о роли наблюдателя.
Посмотрите на молекулы в этой посуде с помощью своей психологической стрелы времени. Вы можете видеть поведение каждой молекулы. Теперь в эту систему введена ваша стрела времени. Молекулы движутся из вашего прошедшего в ваше будущее. Если бы все молекулы вдруг остановились и изменили направление движения, вы бы сразу это заметили. Но это не значит, что время перевернулось. Просто молекулы необъяснимым образом летят в другую сторону, не прерывая движения событий вперед.
При наличии наблюдателя посуда, очевидно, уже не является изолированной системой. Она взаимодействует с вашей сложной молекулярной системой, имеющей направление времени. Но если посуда одна, и никто за ней не наблюдает, даже боги - можно считать, что время осталось, но потеряло свое направление. Обратить время в этой системе так же бессмысленно, как перевернуть газ вверх дном или отразить в зеркале.
Эта ситуация напоминает пространственную асимметрию. Пусть на стеклянной двери написано ВХОД. Но если ни с той, ни с другой стороны нет наблюдателя, который может прочитать ВХОД или ДОХВ - эту дверь в пустоте вполне можно считать асимметрической, но в какую сторону смотрит надпись ВХОД, говорить бессмысленно, как и отражать ее в зеркале.
Рассмотрим подробнее, что происходит в этой идеальной посуде. Молекулы движутся в случайном порядке. Общее состояние - максимальная энтропия. Но мы можем заметить удивительно приятную картину. Время от времени образуются небольшие "карманы", в которых энтропия ненадолго исчезает, а потом опять появляется. Сначала мы видим множество мелких короткоживущих площадок, на которых молекулы собираются чаще, чем обычно. Если мы смотрим дольше, то видим более крупные и долгоживущие примеры порядка. А если смотреть миллионы лет, можно увидеть молекулы в любой последовательности - например, собранные в одном углу или составляющие слово ВХОД. В любом примере такого порядка мы можем определить стрелу времени, чтобы показать, увеличивается или уменьшается энтропия в этом примере, то есть в какую сторону он движется. Но в любой момент этот пример может двигаться или так, или иначе. Поэтому всей системе невозможно приписать определенное направление времени. Иногда она колеблется, даже меняет энтропию, но в общих чертах остается в состоянии равновесия без направленной стрелы.
Эти колебания можно хорошо изобразить в колоде карт. Перетасуйте колоду, разложите ее на столе и исследуйте. Вы найдете там небольшие примеры порядка - 5 красных, 2 валета подряд, последовательность 6-7-8 и так далее. Конечно, надо знать, что такое последовательность, но это не важно. Например, если считать, что король-7-10 - это последовательность, мы можем случайно ее найти. При следующем тасовании могут появиться и те последовательности, которые уже были, и новые. Чем дольше тасовать, тем длиннее будут последовательности. Кроме того, бесконечное тасование может привести к бесконечному повторению определенной последовательности. Если на каждой карте написать букву, то при бесконечном тасовании можно получить все пьесы Шекспира, и не один раз.
Вот такой великий взгляд Больцмана на космос огромных размеров, возможно, бесконечный по пространству и времени, содержащий множество частиц в состоянии равновесия. Обязательно ли, думал он, должны время от времени появляться "карманы", в которых энтропия ненадолго уменьшается? "Ненадолго" значит миллиарды лет. Наша вселенная - маленькая точка в бесконечном хаотическом море - возможно, является такой площадкой. Когда-то, целые эры назад, энтропия в одном месте уменьшилась настолько, что образовалась упорядоченная вселенная, в которой находимся мы сами. Это событие настолько маловероятно, что кажется чудом, но надо помнить, что прошла бесконечность времени, пока эти колебания не породили нашу вселенную. Мы актеры в пьесе, случайно поставленной при бесконечном тасовании космических карт. Точнее говоря, хаотическое море не может двигаться по времени только в 1 сторону. Но мы знаем, что в нашей пьесе, в "кармане" с уменьшенной энтропией появилась стрела времени. Как только вселенная вернется в состояние хаоса, так стрела времени покажет увеличение энтропии.
При дальнейшей разработке взглядов Больцмана появляются трудности и парадоксы, которые здесь рассматривать не нужно. В наше время ни один физик не воспринимает их всерьез, хотя изредка некоторые пытаются оживить эту теорию в виде квантовых колебаний пустого пространства или множественных миров квантовой механики. Это всё хорошо подходит к идеальной замкнутой системе газовых молекул, но вселенная ведет себя гораздо интереснее. Дело в том, что, если бы вселенная была колеблющимся газом в состоянии равновесия, мы бы наблюдали в ее отдаленных частях больший беспорядок, чем в той, где мы живем. На самом деле все части так же упорядочены, как и наша.
Но еще можно сохранить центральное понятие Больцмана о том, что энтропия - основа для макроскопической стрелы времени. Ключ к этому - большой взрыв, и трудно представить, что Больцман не был бы доволен, если бы дожил до появления доказательства взрывного происхождения огромной вселенной. Незачем искать объяснение уменьшенной энтропии в постоянных колебаниях случайно движущихся частиц. Эту работу за несколько минут сделает большой взрыв.
Конечно, всё начинается с тайны. Кто знает, что вызвало взрыв, и какая материя взорвалась? Больцман мог бы приписать это случайному событию, которое произошло в море кварков, движущемся в состоянии максимальной энтропии. Кварковый бульон мог иметь какое-то время, или же вообще бессмысленно говорить о времени до взрыва. По крайней мере, позже, когда частицы с большой скоростью излучали энергию наружу, и температура снижалась, энтропия прекратилась, и родилась вселенная с прекрасным макропорядком. А когда она родилась, появились 2 огромные стрелы времени - космическое расширение и энтропия.
Эти стрелы неодинаковые, и бесполезно спорить, какая из них главнее. Вселенная - капля в энтропии большого взрыва, поэтому можно говорить, что взрыв и результирующее расширение вселенной вызвали и сохраняют до сих пор стрелу энтропии. Например, в статье "Стрела времени" некий Давид Лазер показывает, что расширение вместе с квантовой механикой и обратное отношение энтропии к информативности вместе создают и поддерживают стрелу термодинамики.
С другой стороны, трудно представить, как расширяющаяся вселенная могла бы начать свой долгий путь от порядка к беспорядку, если бы законы вероятности каким-то непонятным образом не предшествовали взрыву. Можно предположить, что законы вероятности были созданы взрывом, но мы находимся в такой метафизической области, что не можем следить за веществом дальше, не входя в древние споры о математическом фундаменте.
Что бы ни говорили об этом, вселенная - очевидно, богатая смесь огромных всеобщих движений к беспорядку и небольших последовательностей, которые движутся наоборот. Лазер называет процессы увеличения порядка исторической стрелой. Образование вещества, упорядоченно движущегося наружу от места большого взрыва, было первым большим событием, имеющим историческую стрелу. Более новые примеры - эволюция звезд и планет. А потом на одной планете около упорядоченного солнца, излучающего энергию, появилась жизнь - самая точная вещь, которую мы знаем.
Чтобы понять историю этих примеров увеличения порядка, движущихся против энтропии, полезно вспомнить, что немецкий научный философ Ганс Рейхенбах назвал ответвлениями от системы. Это изолированные системы, в которых энтропия быстро увеличивается или уменьшается, пока вся вселенная медленно стремится к хаосу. Дэвис в своей работе "Пространство и время во вселенной" описывает типовую иерархию ответвлений от системы. Это начинается с того, что в горячую воду бросают кубик льда. Энтропия воды быстро увеличивается. Это не естественное колебание Больцмана, а временнОй асимметрический процесс, создающий нашим действием ответвление от системы (кубик и вода), которого раньше не было.
А теперь рассмотрим этот кубик льда, упорядоченный кристалл. Он взят из другого ответвления от системы - холодильника. Этот холодильник как будто нарушает 2 закон термодинамики - передает температуру от холодного к горячему. Поэтому вода замерзает и превращается в лед. Холодильник умеет это делать, так как на него влияет другое ответвление от системы - горячий насос. А насос работает на электроэнергии, которая производится другим ответвлением от системы - динамомашиной. В свою очередь, динамомашина использует энергию, скажем, горения жира. А упорядоченная в жире энергия приводит к древним ответвлениям от системы - множеству растений и животных, из точных тел которых добывают этот жир. Живые существа - это сложные системы отрицательной энтропии, стрелы которых смотрят туда, куда нужно, так как они питаются увеличенной энтропией упорядоченного солнца.
На земной поверхности много ответвлений от системы, имеющих стрелу энтропии, которая смотрит в том или ином направлении. Многие из них работают на солнечной энергии. Главные исключения - землетрясения и вулканы, а движение ветра и воды зависит от солнца, которое всегда держит атмосферу в состоянии неуравновешенной энтропии. Город, например, Лондон, показывает огромный рост порядка и информативности. Но Лондон не мог бы развиваться иначе, чем в результате огромных движений внешнего мира к беспорядку. Город имеет миллионы ответвлений от системы, живых и неживых, которые работают на неуравновешенной энтропии цепных систем, связанных с солнцем.
Дом строится - медленный рост порядка. Огонь его сжигает - быстрый рост беспорядка. Оба этих события не являются колебаниями Больцмана - они результат внешнего вмешательства. Короче говоря, преобладает 2 закон термодинамики. Космос не может полностью потерять энтропию. В нем есть особые "карманы", которые поднимаются. Но так как большинство ответвлений от системы опускаются, можно считать, что и вся вселенная опускается.
Не следует вносить лингвистическую путаницу в тот факт, что историческая стрела противоречит стреле энтропии по отношению к порядку. Эти виды движения легко различаются. Ветер раздувает карточный домик, но не может вернуть его обратно. А цветок не превращается в семя. Падение карточного домика ведет к беспорядку, а рост цветка ведет к порядку. Эти события движутся в одном направлении, они оба показывают одинаковое время в макромире. Поэтому можно пренебречь разницей между видами движения и назвать стрелой энтропии любое движение макрособытий из прошедшего в будущее.
А сама вселенная действительно опускается? Космологи точно не знают, хотя иногда говорят, что знают. Если пространство и время открыты, а не искривляются на себя, как в первоначальной модели Эйнштейна, расширение будет продолжаться вечно. Вселенная когда-нибудь придет в выгоревшее инертное состояние, которое некий Джеймс Джинс назвал смертью горячего и холодного. Звезды превратятся в пепел - и черные карлики, и нейтронные звезды, и черные дыры. Их бывшая радиация навечно уйдет в никуда.
А если пространство и время замкнуты, что в наше время кажется маловероятным, расширение когда-нибудь прекратится, и вселенная начнет сжиматься. Как на это отреагируют звезды, планеты и жизнь - пока еще неизвестно. Возможно, всеобщая энтропия уменьшится, и весь космос рано или поздно уйдет в черную дыру.
Подведем итоги. В безумной вселенной, какой она нам кажется, есть хотя бы 5 стрел времени. Физики еще не знают, как они связаны между собой. Направление времени на микроуровне, в "слабых" взаимодействиях нейтральных каонов, до сих пор непонятно. Возможно, оно не влияет на макроскопические стрелы, как асимметрия частиц не влияет на молекулы, а асимметрия молекул не влияет на двустороннюю симметрию, скажем, тигра.
Остальные 4 стрелы находятся на макроуровне:
1. Стрела энтропии.
2. Стрела событий, излучающих из центра - это расходящиеся круговые волны на воде и звездная радиация.
Эти стрелы создаются законами вероятности - стрела энтропии статистическим законом термодинамики, а стрела излучения вероятностью границ или начальных условий.
3. Расширение вселенной.
4. Психологическая стрела сознания.
Можно ли перевернуть 1 или несколько стрел, не влияя на остальные? Можно ли перевернуть все? В последние годы не только научные фантасты и философы, но и некоторые космологи задумываются о существовании вселенных, где некоторые или все стрелы обратны нашим. Это фантастические миры с обращенным временем.
Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3401


Paul Is Live!!!


« Ответ #38 : 18 Декабря 2013, 20:53:50 »

МИРЫ С ОБРАЩЕННЫМ ВРЕМЕНЕМ

Направление времени определяется 5 стрелами. Как эти стрелы связаны друг с другом - не важно. Поговорим о существовании другой вселенной, похожей на нашу основными законами, но где все 5 стрел времени показывают в другую сторону.
Теорема симметрии заряда-четности-времени утверждает, что этот мир сделан из антивещества. Считается, что антивещество имеет не только обратный заряд, но и обратную асимметрию по отношению к веществу. А нарушение симметрии заряда и четности требует асимметрического времени. Теоретикам было бы приятно, если бы существовала вселенная, где заряд, четность и время перевернуты. Предположим, что обращение времени на уровне частиц как-то связано с обращением остальных стрел времени. Тогда, возможно, в отдаленном пространстве существует вселенная из антивещества, где структуры движутся иначе и по пространству, и по времени.
Мир с противоположными стрелами времени напоминает мир, отраженный в зеркале. Если не обращать внимания на внешнего наблюдателя с его пониманием левого и правого, то один мир - зеркальное отражение другого. То же и с обращенным временем. В каждой вселенной разумные существа живут по времени вперед. А если время во вселенной идет назад, это только по сравнению с событиями в другой вселенной.
Понятие мира с противоположными стрелами времени принадлежит Больцману. Это не противоречит логике, но результаты могут быть непредсказуемыми. Например, общаться с разумными представителями мира с обращенным временем невозможно. Пусть мистер А живет во вселенной, а мистер Б - в мире с обращенным временем. Мистер А шлет письмо мистеру Б. Мистер Б читает его и шлет ответ мистеру А. С точки зрения мистера А, мистер Б движется в прошедшее и не может ответить, так как он еще не получил письмо. С точки зрения мистера Б, ответ придет в прошедшее раньше, чем мистер А пошлет письмо. Получаются логические противоречия, похожие на парадоксы фантастических произведений, когда человек отправляется в прошедшее и убивает себя ребенком.
Поэтому общение не допускается логикой. А как насчет наблюдения? Отраженный мир легко увидеть в зеркале. А мир с обращенным временем увидеть труднее. Дело в том, что свет вместо того, чтобы идти от предмета, идет к предмету. Если наблюдение включает в себя электромагнетизм, этот мир вообще будет невидимым. Предположим, что мы открыли излучение, которое направляется к миру с обращенным временем и снова возвращается к нам, не вмешиваясь в ход истории. Используя это странное излучение, мы увидим, что в другом мире что-то происходит, но общаться не сможем. Это будет мир, который движется по времени назад. Они, в свою очередь, то же самое подумают о нас. А вообще, подобные наблюдения невозможны, так как они нарушают причинно-следственные законы.
Никто не знает, что это за такое излучение, но в предположении о его существовании не будет никакого логического противоречия. Странно только, что это предположение даже не требует определенного взгляда на историю - что в состоянии вселенной в любой момент должно быть определено будущее. Когда мистер А изучает состояние вселенной мистера Б, он замечает, что эта вселенная возвращается в предыдущие состояния. Точно так же и мистер Б, изучая вселенную мистера А, видит, что эта вселенная движется назад. Оба соглашаются, что прошедшее всегда неизменно. А так как ни мистер А, ни мистер Б не могут изучать будущее другого мира, оба будущих остаются неопределенными. Изучение прошедшего другой вселенной дает противоречию определенности-неопределенности не больше, чем просмотр фильма об исторических событиях назад. Для тех, кто участвует в событиях, случайность и свобода воли имеют значение, когда события разворачиваются в неопределенное будущее. Парадоксы возникают только при взаимодействии с миром, в котором стрелы времени смотрят в обратную сторону. Без этого взаимодействия разница чисто лингвистическая. Мы описываем их события языком обращенного времени, и они, наблюдая за нами, делают то же самое. В каждом мире стрела времени смотрит из прошедшего в будущее.
Кажется, боги высшего пространства и времени, наблюдая вселенные с противоположными стрелами времени, не помогают экспериментально разрешить это противоречие. Даже если они видят всю историю вселенных в ослепительный момент гипервремени, это не исключает возможности того, что каждая вселенная, разворачиваясь в своем времени, в любой момент может иметь неопределенные ответвления. Так все религии примиряют очевидное противоречие между понятиями свободы воли и судьбы. Миры с обращенным временем не влияют на древний спор определенности и неопределенности.
Британский физик Фрэнк Стэннард в "Симметрии оси времени" несерьезно предположил, что миры с обращенным временем могут занимать то же самое место в пространстве и времени - они проникают друг в друга, но не взаимодействуют, как одна пара шашистов играет в белопольные шашки, а другая на той же доске в чернопольные. Есть и другие взгляды на взаимопроникающие вселенные. Например, теория объединения предполагает, что в нашу вселенную проникает мир из "теневого" вещества. Другую возможность рассматривают математики, работающие с клеточными автоматами. Время зернисто и состоит из быстрой последовательности единиц, которые называются хроносами. Короче говоря, вселенная прыгает из одного состояния в другое, как кадры в фильме или отдельные точки на экране. Движение в фильме или на экране кажется сплошным, но на самом деле это последовательность отдельных картин с интервалами между ними. Пусть в эти интервалы будут вставлены кадры из другого фильма. Тогда с помощью специальной техники, которая показывает только эти кадры, мы сможем увидеть второй фильм. Точно так же и другой мир может существовать в другом времени, но в том же пространстве, что и наша вселенная. Этот другой мир Стэннард назвал миром Фауста, так как в произведении Гете (который, кстати, тоже левша) Мефистофель заставил Фауста идти назад по времени. Стэннард утверждает, что мир Фауста находится вокруг нас, но мы не можем его наблюдать, так как там время идет иначе.
Комический писатель Линдон изложил взгляды Стэннарда таким образом:

"НЕ В ТУ СТОРОНУ

Я вышел из двери, на которой было написано "Доктор Стэннард" - и сразу же попал в калейдоскоп мыслей. Всё перевернулось. События, казалось, происходили странно, так как в мире Фауста время идет назад.
Я увидел, что мистер Кранкеланк ехал на велосипеде задним ходом (но осторожно) мимо машин, которые гудели рядом: чтобы попасть домой на обед (который был очень вкусным), он спиной вперед сел в поезд, на который опоздал.
Я заметил, что Эдди Чемпер жевал жареное сало, а потом положил его туда, где оно должно лежать с утра до ночи: жена сделала его сырым, отнесла в магазин и продала.
Я поклонился старой столетней леди Бринкер, которая умерла в декабре (хотя похоронена раньше): эта толстая пьяница с насмешкой подмигнула мне и сказала, что через 100 лет будет питаться грудным молоком.
Мне показали, что грабитель банков в тюрьме отбывал наказание задом наперед: через 17 лет он снимет тюремную одежду, выйдет на свободу и будет возвращать украденное.
Я проследил за мытьем Лу Клинбоди (эта борьба с собственной природой победила меня). Она покрывала себя пеной, вышедшей из отверстия, а вода лилась в краны.
Я видел восстановление. Развалины превращались в дома и оживали. Дым влетал в бомбы, которые поднимались (заставляя меня дрожать) и возвращались в самолеты хвостом вперед.
Я слышал починку - работали гаечные ключи: как только их убирали, сломанные детали становились целыми. После этого я вошел в дверь, на которой было написано "Доктор Стэннард", и мои часы пошли как обычно.
Но я написал об этом большую книгу. Никто не может ее цитировать, хотя я выучил ее как следует и хорошо ее знаю. Я начал с конца и забыл, как ее писал, стер заголовок и знаю не больше, чем вы".

Если точка зрения Стэннарда кажется фантастической, рассмотрим следующее понятие, восходящее к Платону. Пусть расширяющаяся вселенная достигнет такого состояния, что силы тяготения прекратят движение наружу, и вселенная начнет сжиматься. Возможно, в крайнем переделе расширения наш мир войдет в единство пространства и времени - состояние, в котором физические уравнения больше не годятся - и, когда он начнет сжиматься, все стрелы времени перевернутся и покажут в другую сторону. Короче говоря, вселенная превратится в мир из антивещества с обращенным временем.
В последние годы астрофизик Томас Голд серьезно предложил такую космологическую модель. Замечание Голда о том, что энтропия пойдет в другую сторону во вселенной, сжимающейся до большого кризиса, было еще фантастичнее, чем свежее объявление, что нефть - не продукт органической жизни, а имеет химическое происхождение. Стивен Хокинг все-таки много лет допускал это. На конференции астрофизиков в Чикаго Хокинг объявил, что передумал. Он сказал, что убежден в том, что, если вселенная перейдет в фазу сжатия, стрела энтропии будет смотреть туда же, куда и раньше.
То же самое надо сказать и о психологической стреле ума, которая, как считает Хокинг, основана на энтропии. Но, как он повторил свою точку зрения в "Краткой истории времени", сжимающаяся вселенная может прекратить поддерживать жизнь.
А теперь посмотрим, как Платон описывает это в диалоге "Политик":

"ГОСТЬ: Послушай. Бывает время, когда бог ведет мир и помогает развивать его; а бывает время при завершении какого-нибудь цикла, когда он уходит, и мир, как живое существо, получившее ум от своего создателя, по вынужденной необходимости переворачивается в другом направлении.
СОКРАТ: Отчего это бывает?
ГОСТЬ: Оттого, что только божественные предметы всегда остаются неизменными, а тело к ним не принадлежит. Небо и вселенная, хоть и наделены от создателя множеством качеств, имеют ту же природу, что и тело, поэтому не могут быть свободны от видоизменений. Но их движение, по мере возможности, одинаковое и в одном месте, так что это единственный обратимый предмет, который меньше всего поддается изменениям. Так как господин всех движущихся предметов один способен двигать себя, то думать, что он двигает их то в одном направлении, то в другом, просто глупо. Отсюда мы не можем сказать, что мир всегда движется сам по себе, или бог заставляет его вращаться в разных направлениях, или же разные боги с противоположными целями заставляют его вращаться. Но я уже сказал, и это единственная оставшаяся возможность, что мир иногда управляется внешней божественной силой, которая получает свежую жизнь и бессмертие от обновляющей руки создателя, а иногда движется свободно и непринужденно в течение бесконечных циклов лет, и в это время он идет назад - это следует из совершенного равновесия, из его огромного размера и из того факта, что он вращается на небольшой оси.
СОКРАТ: Твое описание мира кажется мне очень разумным.
ГОСТЬ: Давай подумаем и разберем из всего сказанного природу явления, которое, как мы утверждаем, является причиной всех этих чудес. Вот так.
СОКРАТ: Что ты сказал?
ГОСТЬ: Время от времени в движении вселенной происходит обращение.
СОКРАТ: Как это может быть причиной?
ГОСТЬ: Из всех изменений движения небесных тел, мы считаем это самым большим и полным.
СОКРАТ: Я тоже так думаю.
ГОСТЬ: Можно также предполагать, что результатом этого являются большие изменения для человеческих существ, населяющих мир в наше время.
СОКРАТ: Такие изменения происходят естественным путем.
ГОСТЬ: А животные, как мы знаем, с трудом выживают при этих больших и серьезных изменениях множества разных видов, когда они сразу сталкиваются с ними.
СОКРАТ: Это верно.
ГОСТЬ: Отсюда обязательно следует большое их разрушение, которое также распространяется на жизнь человека: мало кто выживет, а те, которые останутся, будут предметом нескольких новых и заметных явлений, особенно того, которое происходит при переходе в цикл, противоположный нашему.
СОКРАТ: То есть как это?
ГОСТЬ: Жизнь всех животных сначала дойдет до мертвой точки, и смертная природа прекратит стареть, а потом пойдет назад и станет моложе и нежнее: седина пожилых вернет свой цвет, бородатые мужские щеки станут гладкими и яркими, как раньше, молодые тела будут мягче и меньше, в течение дней и ночей приближаясь к природе ребенка, умом и телом, а на следующей стадии они совсем уменьшатся и исчезнут. Мертвые тела быстро пройдут через подобные изменения, и через несколько дней от них ничего не останется.
СОКРАТ: А скажи мне, гость, как тогда будут создаваться животные, и как они собираются рождать друг друга?
ГОСТЬ: А вот так, Сократ. Очевидно, в этом порядке природы не будет такого понятия, как размножение животных: земляне, которые упоминаются в этой истории, тогда будут единственными существами - они вырастут из земли; по этой традиции, которая в наше время незаслуженно забыта, наши предки, ближайшие по времени к концу старого периода и появившиеся в начале нового, будут нашими предсказателями. Заметь, каким существенным будет продолжение этой истории: после возвращения молодости будет оживление мертвых, которые лежат в земле; вместе с обращением мира колесо их поколения повернется назад, и они будут жить в обратную сторону, если бог не унесет их куда-нибудь в другое место. По этой традиции они обязательно вырастут из земли и получат название землян, так что данная легенда вполне им подойдет.
СОКРАТ: Конечно, это существенно для того, что было: но расскажи мне, в каком цикле мира в царстве времени будет существовать жизнь, о которой ты говоришь - в том или в этом? Ведь изменение движения звезд и солнца может произойти в обоих".

Пусть циклы, описанные гостем у Платона, повторяются бесконечно. Тогда мы получим переменную модель вселенной, похожую на модель Голда, а также на восточные религии с их вечным возрождением. А теперь добавим новые предположения. Начнем с понятия о том, что каждая черная дыра связана с белой дырой, из которой выходит вся масса и энергия, которая вошла в черную. Эти дыры соединены мостом Эйнштейна и Розена, который Джон Уиллер называет червоточиной. Возможно, центры квазаров и подобных галактик Сейферта являются белыми дырами. Если так, то окончательная смерть энтропии в нашей вселенной откладывается на неопределенный срок, поскольку вещество постоянно циркулирует между черными и белыми дырами. В последнем кризисе вселенной всё исчезнет в гигантской черной дыре. Последует ли за этим большой взрыв белой дыры и начало нового цикла? Живем ли мы во вселенной из вещества, которое является остатком антивещества от кризиса предыдущей вселенной?
Каждый цикл движения назад в этой переменной модели объясняется двояко. Если мы выражаем определенность, то следующий цикл просто повторяет события предыдущего в обратном порядке. С другой стороны, вселенная с обращенным временем, как и любой мир Фауста, расположенный где-то далеко, не обязательно должны быть определенными. Они могут идти назад по совсем другой истории. При отсутствии второй вселенной, которая может с ней взаимодействовать, разумные существа обратной вселенной будут считать, что они движутся по времени вперед самым обычным образом.
В первом объяснении как будто нет ни одной ошибки, кроме того, что для истории скучно и бесполезно повторяться, меняя направление времени. Это всё равно, что читать "Поминки по Финнегану" то с начала, то с конца до слова "рекооборот", или смотреть фильм то вперед, то назад. Но для того, чтобы понять, что такое вперед и назад, нужны внешние наблюдатели. Если таких наблюдателей нет, то следует говорить о едином цикле, который не повторяется.
Это зрелище становится менее скучным, если циклы в истории разные. Взгляды Платона и Голда не требуют, чтобы история каждого "рекооборота" повторялась. В каждом цикле разумные существа находят мир таким же, как и мы, движущимся от неизменяемого прошедшего в непредсказанное будущее. Это будущее, как утверждает некий Вильям Джеймс, наполнено такими сюрпризами, что даже боги не могут его предвидеть. Так же и фильм кажется гораздо интереснее, если мы не знаем наперед, чем он закончится. (Возможно, левши считают наоборот - чем лучше знаешь содержание фильма, тем интереснее пересматривать его)
А теперь расширим эту точку зрения. В мире есть бесконечное множество вселенных, каждая по очереди расширяется, сжимается и имеет будущее, которое не существует, пока не произойдет. Разумные существа в каждом цикле любой вселенной живут по времени вперед. А так как между этими мирами нет взаимодействия, то вряд ли появятся логические противоречия, которые доведут эту точку зрения до абсурда.
Возникает странный вопрос: что мешает излучению в расширяющейся части цикла продолжать движение и переходить в сжимающуюся часть? Дэвис в своей книге утверждает, что Уиллер объяснил это как постепенное чередование прилива и отлива, когда вселенная замедляется, останавливается и начинает двигаться обратно. Если так, то в конце расширяющегося цикла можно заметить часть этого излучения, возвращающегося в неясном, рассеянном состоянии. Если при сжатии направление времени изменится, это, как предполагает Дэвис, станет поиском электромагнитных волн из будущего. Он говорит, что эксперименты с поисками таких волн уже проводились, но результатов не дали.
Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3401


Paul Is Live!!!


« Ответ #39 : 20 Декабря 2013, 03:43:52 »

ЛЮДИ И ЧАСТИЦЫ С ОБРАЩЕННЫМ ВРЕМЕНЕМ

Еще более странная ситуация получается в мысленных экспериментах, где отдельные люди или частицы идут по времени назад, а остальная вселенная - вперед.
Младший современник Платона, греческий историк Феопомп из Хиоса писал о молодильных яблоках. Конечно, это совсем не то же самое, что движение человека по времени назад, так как он думает, говорит и работает обычным путем.
Написано множество фантастических произведений о личностях, которые молодеют - в том числе и "Забавный случай Бенджамена Баттона", автор Скотт Фиджеральд. Бенджамен родился 70-летним стариком, седым и с бородой. В 65 лет он идет в детский сад, потом в школу, а в 50 лет женится. В 20 лет он поступает в Гарвард, а заканчивает в 16 лет. Когда начинается 1 мировая война, он идет в армию и сразу становится генералом, так как, будучи старше, в испанско-американскую войну уже был сначала лейтенантом, а потом полковником. Но когда он появляется на военной базе в виде мальчика, его отправляют домой. Он продолжает молодеть, пока не перестает ходить и говорить. В конце книги он вспоминает темноту, белую колыбель и сладкий вкус молока. (Можно добавить, что жители Бирмы считают именно так. Ребенок рождается 60-летним, годовалому 59 лет и так далее. Самые старые и уважаемые имеют возраст в 5-10 лет. А когда человеку исполняется 0 лет, то есть 60, добавляют еще 10, и он начинает молодеть снова)
Когда Фиджеральд опубликовал этот рассказ, он добавил туда такое примечание: "Этот рассказ возник под влиянием Марка Твена, который жалеет, что начало жизни лучше, а конец хуже. Использовав этот эксперимент на одном человеке в обычном мире, я вряд ли испытал эту идею по-настоящему. Через несколько недель после окончания я нашел похожий сюжет у Самуэля Батлера. Рассказ напечатан прошлым летом и является причиной странного письма от неизвестного поклонника: "Я прочитал рассказ про Бенджамена Баттона и хочу сказать, что как новеллист вы достаточно безумны. Я в своей жизни видел много кусков сыра, но вы самый большой из них. Мне не хотелось бы тратить на вас бумагу, но придется"."
В свою очередь, Марк Твен (кажется, тоже левша) был увлечен упоминанием обращенного времени. В его "Таинственном страннике" есть сцена, где время идет назад во всем мире. Он наблюдает сражения и другие события в обратную сторону, но сам в них не участвует.
Похожие сцены встречаются во многих фантастических произведениях. "Назад по времени" Дамона Найта начинается с того, что Лоренс Салливен выходит из могилы. Он живет назад, пока не становится ребенком. Потом в больнице оживает его мать. Эти события смешные и нелогичные, так как все говорят нормальными словами. Описывается, как дождь идет в облака, врачи отдают деньги и получают лекарства, на подбородке, по которому проводят бритвой, появляется щетина, на свадьбе снимают кольца, слезы текут по щекам вверх, детей загоняют в утробу и так далее. (А вот точная цитата из сказки Валентина Постникова "Волшебные часы": "Филин начал крутить стрелку в другую сторону. Задом наперед. И тогда началось необыкновенное. Зима сменилась осенью, осень летом, лето весной. Потом снова зима, осень, лето, весна. И снова зима, осень, лето, весна. Всё наоборот. Снег летел обратно в облака, прошлогодние листья поднимались на деревья, в одно мгновение зеленели, потом превращались в почки. Птицы летели хвостиками вперед, они становились птенчиками, садились на гнезда, а потом исчезали в яичных скорлупках. Солнце бежало по небу в обратную сторону. Дождь вылетал из травы к солнцу")
Другая попытка извлечь юмор из мира с обращенным временем - это рассказ Реймонда Бэнкса "Шиворот-навыворот". После войны выжил только один человек с железными легкими, который не может ни двигаться, ни говорить. Его навещает группа гуманоидов с планеты, где старики молодеют. Они по ошибке думают, что на земле люди тоже живут назад, так как, просматривая фильм о земной жизни, они случайно вставили пленку шиворот-навыворот. Поэтому фильм идет назад.
У Брайна Олдиса в романе "Эпоха" не показана жизнь в обратную сторону, но глава "Когда мертвые оживают" описывает историю земли назад по времени. Непереваренная пища выходит из тел, дубы превращаются в желуди, водопады движутся вверх, люди сначала умирают, потом рождаются, и вселенная сжимается к большому взрыву, который становится большим кризисом.
Если не считать того, что мистер Баттон у Фиджеральда растет назад, он живет в обычном мире, идущем вперед. Описание ситуации, в которой стрела времени действительно смотрит назад, можно найти в романе Кэрролла (это который опять-таки левша) "Сильвия и Бруно". Немецкий профессор дарит рассказчику неземные часы с обратным винтом, который заставляет его и окружающих двигаться по времени назад. Там есть забавное описание обеда с обращенным временем, когда пустая вилка поднимается к губам, потом появляются мелко нарезанные куски баранины, которые отправляются в тарелку и складываются в единое целое. Эта сцена непоследовательна - порядок реплик за столом обратный, но сами слова произносятся прямо, например:

"ЖЕНА: Какая грустная рыба.
ЛЮБОВНИК: Ты тоже, моя дорогая.
ЖЕНА: Прекрасная погода".

А в одном журнале была статья под названием "Часа для много слишком минуты 73 но".
У немецкого композитора Хиндемита есть малоизвестная одноактная опера "Туда и обратно". После того, как ревнивый муж стреляет в жену, медсестры уносят ее на носилках. С потолка спускается дед-время, останавливает маятник часов и вращает стрелки в другую сторону. Медсестры приносят тело, оно оживает, а пуля возвращается в пистолет мужа. Дед-время уходит, оставляя ссорящуюся пару. Музыка и слова идут нормально, переставлены только реплики. (Совсем другое дело в сказке Александра Семенова "12 агентов Ябеды-Корябеды", где невидимая веревка заставляет всех, кто на нее наступает, произносить слова наоборот. Да и шифровки у него зеркальные. А в другой сказке, "Научно-фантастические сны", он пишет о путешествиях в мир антимолекул. Вполне возможно, что он тоже левша)
Попробуем представить человека, у которого тело и ум перевернуты, хотя остальной мир неизменный. Тогда мы столкнемся с непреодолимыми трудностями. Этот человек не может пройти через прошлую жизнь, так как его опыт тесно связан с внешним миром. А поскольку мир движется вперед, прошлый опыт не может повториться. Мы увидим его в безумном танце смерти, напоминающем автомат с мотором, пущенным обратно. С его точки зрения, он сам думает вперед, а мир, кажется, идет назад. Если так, то он не сможет ни видеть, ни слышать, так как звуковые волны внешнего мира будут не приходить, а уходить к их источнику.
Получается логический абсурд, если использовать обращение стрелы времени для разумной личности. Но возможно ли на микроуровне квантовой теории говорить, что частица движется по времени назад? Фейнман получил Нобелевскую премию по физике за свой революционный вклад в квантовую механику. С точки зрения Фейнмана, его взгляды на пространство и время, а также хитроумные схемы утверждают, что античастицы - это частицы, движущиеся назад по времени в течение микросекунд.
Когда создается пара электрон-античастица, положительный позитрон обычно короткоживущий - он встречается с другим электроном, и они сразу же аннигилируют, испуская гамма-лучи. По теории Фейнмана, существует только электрон. Когда мы видим позитрон, на самом деле, это электрон, быстро движущийся по времени назад. А так как наше время, в котором мы наблюдаем это событие, идет только вперед, то электрон с обращенным временем кажется позитроном. Мы думаем, что позитрон исчезает вместе с электроном, когда электрон уходит в прошлое. Электрон просто танцует по пространству и времени, прыгает в прошлое и оставляет след в пузырьковой камере, напоминающий след позитрона, движущегося по времени вперед:


     ^
     +-------------------------+
     |                       7 |
     |            Электрон Б/  |
     |                     /   |
     |                    /    |
     |                   /4    |
     | +---------------------+ |
     | |     /\Позитрон/     | |Настоящее
     | +---------------------+ |
     |     / 3  \    /         |
     |    /      \  /          |
     |   /        \/2          |
     |  /Электрон А            |
     | /1                      |
Время|                         |
     +-------------------------+>
      Пространство


Вот так выглядит схема Фейнмана. Кусок картона с горизонтальным отверстием медленно движется вверх - вперед по времени. Если посмотреть в отверстие, события происходят в настоящем, стремящемся вперед:
1. Движется электрон А.
2. Создается пара электрон-позитрон.
3. Позитрон и электрон А аннигилируют.
4. Электрон Б движется дальше.
Но если не обращать внимание на время, то есть убрать картон, будет только 1 частица - электрон, который движется по времени вперед, назад и опять вперед.
Фейнман получил эту основную идею, будучи студентом, из телефонного разговора с профессором Джоном Уиллером. Получая Нобелевскую премию, Фейнман произнес такую речь:

"УИЛЛЕР: Я знаю, отчего у всех электронов одинаковые массы и заряды.
ФЕЙНМАН: Ну, и отчего же?
УИЛЛЕР: Оттого, что это всё один и тот же электрон".

Уиллер продолжал объяснять по телефону свою необычную точку зрения. В теории относительности физики используют схему Минковского, чтобы показать движения предметов по пространству и времени. Путь предмета на такой схеме называется мировой линией. Этот след оставлен одним электроном. Электроны обозначены буквой X, позитроны буквой O:


     ^
     |
     |   --
     |  /  \
     | |    |     -            ^
     | |    |    / \           |
     | |    |    | |   /\   -  |
     |  \  / -   | |  |  | / \ |
     +---XO-O-X--O-X--X--O-O-X-X-Настоящее
     |   /\ | |   *   |  | | | |
     |  /  | *   / \ /   | | |/
     |  \ / / \ /   -     \ *-
     |   *--   *           *
     |  /     / \         / \
     | /      \ /         \ /
Время|         -           -
     +-------------------------->
      Пространство


Уиллер представил, что один электрон вьется по пространству и времени то вперед, то назад, оставляя след в виде мировой линии. Эта мировая линия напоминает огромный узел или ком скрученной веревки с миллиардами пересечений, заполняющих космос в ослепительно безвременное мгновение. Если мы сделаем поперечное сечение космического пространства под прямым углом к оси времени, то получим объемную картину этого мгновения. (Кстати, у нас, филологов, такое сечение называется синхронным или горизонтальным, а параллельное оси времени - соответственно, диахронным или вертикальным) Поперечное сечение движется вперед по оси времени, и в этом подвижном сечении настоящего происходят все мировые события. Это поперечное сечение разделяет мировую линию электрона на миллиарды движущихся точек, показывающих, где разрезан электронный узел. Если поперечное сечение режет мировую линию там, где частица движется по времени вперед, получается электрон, а если назад, то позитрон. Так что, с фантастической точки зрения Уиллера, все электроны и позитроны в космосе - это поперечные сечения узловатого пути 1 частицы. А поскольку это всё сечения той же самой мировой линии, они, конечно, имеют одинаковые массы и заряды. Положительный и отрицательный заряд - это просто направления, по которым в данный момент частица вьется в пространстве и времени.
Но в этой теории есть большая ловушка. Количество электронов и позитронов во вселенной должно быть примерно одинаковым. Чтобы нарисовать на бумаге плоский аналог точки зрения Уиллера, надо изобразить запутанный узел из сплошной линии, а потом пересечь его прямой горизонталью. Эта прямая является линейным поперечным сечением на плоскости - одна ось обозначает время, а другая пространство. Когда узел пересекает прямую вверх (по стреле времени), получается электрон, а когда вниз (против стрелы времени), получается позитрон. Поэтому электронов и позитронов должно быть примерно одинаково. Когда Уиллер описал свою точку зрения, Фейнман спросил: "Отчего же тогда позитронов меньше, чем электронов?" Уиллер ответил: "Возможно, они прячутся в протонах или еще где-нибудь".
Уиллер не предлагал серьезную теорию, но предположение о том, что позитрон - движущийся по времени назад электрон, захватило фантазию Фейнмана, и он решил, что это дело можно объяснить математически, причем вполне логично, по законам квантовой механики. Это стало угловым камнем в его взглядах на пространство и время. Эта теория эквивалентна традиционным взглядам, но танцующие частицы Фейнмана дали новую возможность объяснять некоторые вычисления, упрощая их. Значит ли это, что позитрон на самом деле является электроном, движущимся по времени назад? Вряд ли, так как это единственная физическая трактовка схемы Фейнмана: другие трактовки, такие же значительные, не говорят об обращенном времени.
Ситуация стала проясняться последними экспериментами, которые предполагают таинственную связь заряда, четности и времени. Танцующие частицы Фейнмана, которые прыгают по времени то вперед, то назад, кажется, больше не имеют такой неземной физической трактовки, как раньше. Если античастицы, наблюдаемые на земле, рассматривать без противоречия как частицы, движущиеся по времени назад, вполне может существовать вселенная, похожая на нашу, но все асимметрические черты - заряд, четность и время - перевернуты. И если заряд является, в пока еще неизвестном смысле, переворотом слева направо, то антимир - это простой мир, перевернутый по пространству и времени.
Мы уже говорили, что Кант удивлялся наличием зеркальных предметов, которые, при всем их сходстве, невозможно совместить друг с другом. Это становится менее таинственным, когда мы понимаем, что эти предметы совмещаются в высшем пространстве, так что их разница является иллюзией, когда они попадают в трехмерное пространство с противоположной асимметрией.
Теперь физики меньше удивляются явлением пространственной асимметрии на микроуровне, чем односторонностью времени в некоторых микрособытиях. Точка зрения Фейнмана предлагает странный выход - что время можно расширить так же, как и пространство, чтобы объяснить удивление Канта. Если наш мир и антимир одинаковы, как левая и правая рука, нам придется делать 2 прыжка вместо 1 - в высшее пространство и в высшее время. А в трехмерном пространстве и одномерном времени мы видим 2 мира зеркально отраженными и движущихся по времени в разные стороны. Чистый разум в высшем пространстве и времени мог бы считать наш мир и антимир одинаковыми.
Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3401


Paul Is Live!!!


« Ответ #40 : 25 Декабря 2013, 15:25:05 »

РАННИЕ ТЕОРИИ ВЕЩЕСТВА

Удивительно, как много замечательных идей в науке было выдвинуто задолго до того, что они были доказаны на опыте. Что касается теории вещества, лучшим примером предсказания древних греков является гипотеза Левкиппа об отдельных частицах. Ее приняли Демокрит и Эпикур, а римский ученый и поэт Лукреций ловко уложил в гексаметры.
Но атомизм был не единственной теорией вещества у греков. Многие мыслители поддерживали другую точку зрения - что вещество бесконечно делимо и непрерывно. У материальных предметов нет наименьшего размера. Греческие философы до Сократа утверждали, что вещество - единая сущность, принимающая разные формы. У Фалеса это вода, у Анаксимена воздух, у Гераклита огонь, а у Ферекида из Сироса земля. Эмпедокл принял все эти основные формы вещества - и землю, и воду, и воздух, и огонь. По-современному они называются, соответственно:

Твердые, жидкие, газообразные -
Просто, понятно, вольготно.
А с этою плазмой дойдешь до маразма,
И это довольно почетно.

Столько же было и основных свойств вещества - сухое, мокрое, холодное и горячее. Земля сухая и холодная, вода мокрая и холодная, воздух мокрый и горячий, огонь сухой и горячий. Эмпедокл также говорил о чувствах любви и борьбы, под которыми подразумеваются притяжение и отталкивание. Конечно, греки знали, что вещество меняет форму. Вода замерзает в лед и кипит в пар, воск плавится и так далее. Это свойство вещества менять форму в дальнейшем использовали алхимики, чтобы превращать простые металлы в золото. (На самом деле металлы в золото можно превратить только с помощью икс-лучей. Но это радиоактивное золото будет еще дороже обычного)
Платон, под влиянием пифагорейцев, предполагал, что вещество состоит из твердых частиц, только непонятно, он выдвинул эту теорию в шутку или всерьез. Аристотель (повторяю, что он левша) принял точку зрения 4 состояний - земля, вода, воздух и огонь являются основными формами единой и неделимой сущности. Небесные тела состоят из особой сущности, которая не меняет форму. Это было удачное предположение. Современные физики считают плазму отдельным состоянием вещества. Солнце и звезды - это горячие шары из плазмы, то есть хаотической смеси ионов (заряженных атомов) и свободных электронов. Пространство наполнено плазмой, излучаемой горячими звездами. Считается, что 90% вещества во вселенной - плазма.
Около 2000 лет теория вещества Аристотеля, с его устойчивым космосом и круглой землей в центре, преобладала в научном и философском мышлении западного мира. Фома Аквинский (возможно, Михалков под упрямым Фомой подразумевал именно его!) называл духовную сущность первичной материей. Она бесформенная, непонятная и не существующая отдельно от бога. Когда бог создавал вселенную, он придал первичной материи форму, чтобы она стала вторичной материей. Эту вторичную материю Аристотель и делил на землю, воду, воздух и огонь. Небесное вещество Аристотеля и первичная материя Фомы - это то, что современные космологи называют первичным полем, чисто математическая структура, которая каким-то образом породила все поля и частицы нашего мира. Но так как это первичное поле имеет структуру, Фома вряд ли мог считать его первичным.
В атомной теории Эпикура, хорошо изложенной Лукрецием, частиц бесконечное множество, они разной формы и размера. Эти зерна-атомы постоянно движутся в пустоте по разным направлениям, но в твердые вещества они связаны в устойчивом колеблющемся состоянии. Иногда говорят, что греческий атомизм был удачным предположением, но это не совсем так. Например, есть отличное объяснение того, что такое быстрое горячее испарение. В своей книге "О природе вещей" Лукреций описывает высыхание мокрой тряпки как улетучивание мелких невидимых частиц воды. Он также хорошо объясняет танец пылинок в лучах света, проникающих в темную комнату. Так как пылинки легкие, они приводятся в движение невидимыми ударами атомов. Движение исходит из атомов, пишет Лукреций, и постепенно появляется на уровне наших чувств. Хотя пылинки танцуют не поэтому, здесь приведено отличное предсказание открытия броуновского движения. И пока не появилась работа Эйнштейна по этой теме, не было подтверждено, что танец частиц вызывается ударами танцующих атомов.
Греческий атомизм, который преобладал в теории греков и римлян, в средние века был полностью забыт, но в период Возрождения восстановился, и его принял Ньютон. По Ньютону, частицы - это мелкие предметы разных размеров и форм, которые связаны силой, действующей на небольших расстояниях. Эти частицы постоянно движутся, сталкиваются друг с другом и разлетаются. В 18-19 веке атомизм собрал достаточно доказательств в свою пользу, особенно в кинетической теории газов, где движения атомов или молекул (тогда эти термины не различались) объясняли законы давления, объема и температуры. Поклонниками атомизма были многие, но самый знаменитый из них - Дальтон. (Он также известен тем, что не различал цвета, поэтому цветовую слепоту еще и до сих пор называют дальтонизмом)
В 1897 Джозеф Томсон из Кембриджа открыл электрон. Этот термин использовался и раньше, но Томсон называл его просто корпускулой. Его атом, впервые разделенный на электрические заряды, был положительным шаром, внутри которого перекатывались отрицательные электроны. Ядро было открыто Рутерфордом, (такое написание фамилии гораздо точнее) который вывернул атом Томсона наизнанку. Положительно заряженное ядро с вращающимися электронами, как уменьшенная модель солнечной системы, стало началом квантовой механики.
В 1933 ядро оказалось смесью положительных протонов и незаряженных нейтронов, окруженных отрицательными электронами. Свойства элементов зависели от разницы в структуре атома. Атомы, соединенные электромагнитными силами, назвали молекулами. Других частиц, кроме протона, нейтрона и электрона, в 1933 еще не существовало.
У атомизма, как и у всякой другой теории, были не только сторонники, но и противники. Самые известные из них - это австрийский физик Эрнест Мах, под влиянием которого одно время был Эйнштейн, и французский католический священник Пьер Дюэм. Они считали атомы и молекулы простыми геометрическими абстракциями, не соответствующими внешнему миру. "Наивно и грубо думать иначе", - говорил Мах.
Критика немецкого химика Вильгельма Освальда была еще более резкой. Он думал, что атомизм - это вообще бесполезная теория, которую невозможно проверить. Он презрительно отзывался о "крючках", соединяющих атомы в молекулы. В книге Освальда по химии об атомах нет ни слова.
Но самая забавная и необычная реакция на атомизм 19 века - работа британского химика Бенджамена Брейди. В книге "Химические расчеты" он возродил теорию Аристотеля, утверждая, что в химии происходят только качественные изменения, которые можно наблюдать в природе и в лаборатории. Брейди считал использование невидимых частиц для объяснения этих изменений бесполезной метафизикой. С помощью расчетов, основанных на символической логике Джорджа Буля, Брейди применял свои уравнения для всех известных в то время химических явлений. Это лучший пример того, как тратить умственную энергию на единственную науку - превращать все незаметные теоретические предметы в метафизический абсурд.
Десятки лет химики колебались ответить на вопрос, существуют ли атомы в действительности. Некий Эйра Ремсен в статье "Нерешенные проблемы химии" дал такой комментарий: "Только самые молодые и неопытные люди могут с уверенностью говорить об атомах. Чем дальше входишь в тайны химии, тем таинственнее кажется атом. Фактически, атом - большая нерешенная проблема химии. Но хитрая. Вопрос в том, что такое атом? Атомная теория была и остается очень полезной. Будет ли - это уже другой вопрос. Мы не можем ни увидеть атомы, ни доказать, что они существуют. Атомы так же далеки от глаз химика, как звезды от глаз астронома".
Но уже в 1912 Пуанкаре (еще раз повторяю, что он левша) писал: "Атомы больше не являются фантазией. Факты говорят в пользу того, что мы сможем их увидеть и пересчитать. Теперь атом для химиков настоящий". После подобных доказательств Освальд передумал, а Мах и Дюэм все-таки остались верны своим взглядам.
В наше время атомы и молекулы перешли через размытую черту в науке, которая отделяет незаметные предметы от заметных. Их можно увидеть и пересчитать с помощью электронных микроскопов. Снимаются фильмы, показывающие, как атомы танцуют под действием электромагнитных сил.
В наше время возможен новый сдвиг понятий, так как разрабатывается теория суперструн. Вопрос об этих невидимых петлях напоминает тот, который в 19 веке задавали об атомах: настоящие ли эти струны, или просто выдумка математической теории? Но, прежде чем разбираться с суперструнами, рассмотрим забытые теории вещества 17-18-19 века.
Предлагались и обсуждались дюжины атомистических теорий. Например, некий Вильям Петти изображал атомы в виде мелких шариков с северным и южным полюсом, как у земли. Эти шарики имеют разные размеры и скорости, они могут вращаться друг около друга. В своей книге "Принципы физики" некий Никлаус Хартсекер возродил гипотезу Платона, что атомы похожи на кубы, додекаэдры, треугольные призмы, шары, острия иголок и другие твердые геометрические тела.
Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3401


Paul Is Live!!!


« Ответ #41 : 25 Декабря 2013, 15:37:37 »

Самая интересная теория атома в конце 17 века была выдвинута югославским математиком и философом Роджером Бешковичем, работавшим в Италии. Эта всеобщая теория имела такое влияние, что в британской энциклопедии 19 века ей было посвящено 14 страниц. Но в 20 веке эта теория совершенно забыта, так что в новом издании британской энциклопедии статья про Бешковича даже не упоминает ее, занимая всего 3 колонки. Это биография, вклад ученого в астрономию и другие физические науки, а также большой список его произведений.
Самое оригинальное в атомизме Бешковича - что частицы не имеют пространственных размеров. Это одинаковые точки с массой и инерцией. На небольших расстояниях, порядка тысячной дюйма или меньше, они отталкиваются, в то время как у Ньютона притягиваются. А так как сила отталкивания стремится к бесконечности, когда расстояние стремится к 0, частицы не могут касаться. На средних расстояниях притяжение и отталкивание уравновешивают друг друга, и получаются устойчивые системы частиц, похожие на атомы в современных теориях. А на больших расстояниях частицы Бешковича испытывают силу притяжения, как у Ньютона.
Бешкович сравнил эти изменения с силой пружины - в обычном состоянии притяжение и отталкивание уравновешены, сжатая пружина отталкивается, растянутая притягивается. Но это одна и та же сила, которая может отличаться качественно и количественно, и вызывается только 1 частицей. Что может быть проще? В наше время физики тоже мечтают о такой простоте. Современные теории суперсимметрии утверждают, что до большого взрыва было только 1 поле супертяготения с 1 квантовой частицей.
Бешкович нарисовал частицу и силу в виде вот такой кривой:


B
|D
| \                   G
|  \                 / \               N
|   \               /   \             / \
|    \             /     \           /   \
|     \           /       \         /     \
A------E---------H---------I-------M-------O--------------C
|       \       /           \     /         \   *----V
|        \     /             \   /           \ /
|         \   /               \ /             S
|          \ /                 L
|           F
|


Горизонталь обозначает расстояние между частицами, вертикаль - силу. При движении вверх растет отталкивание, вниз - притяжение. При уменьшении расстояния отталкивание стремится к бесконечности, а при увеличении - притяжение стремится к 0. В точке D частицы отталкиваются сильно, в точках G и N слабее. В точке F частицы притягиваются сильно, в точках L и S слабее. Сила притяжения, как показал Ньютон, прямо пропорциональна произведению масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния. В точках E, H, I, M и O притяжение и отталкивание уравновешены. Устойчивое состояние частиц образует группы - атомы, молекулы, кристаллы и такие большие предметы, как камни, планеты, звезды. Эти устойчивые состояния, которых на схеме мало, являются поверхностями воображаемых шаров, окружающих частицу - в атомной модели Бора (возможно, он тоже левша) это орбиты электронов.
Частицы Бешковича движутся в пустоте, но ученый отличал бесконечное геометрическое пространство от настоящего пространства вселенной, которое содержит конечное число частиц. Сила притяжения или отталкивания мгновенна - Ньютон назвал ее действием на расстоянии. Бешкович не думал, что сила - это волны, которые движутся в пустоте с конечными скоростями, но его понятие точечных центров силовых полей заставило Фарадея и других развивать теорию полей.
У Бешковича были и другие замечательные понятия. Например, он предполагал, что на огромных расстояниях отталкивание снова растет, позволяя вселенным прилегать друг к другу, не взаимодействуя. И не только это. Если бы силовые линии не пересекались в точках устойчивого вещества, 2 или больше вселенных могли бы проникать друг в друга, занимая то же пространство. А так как они не взаимодействуют, мы не можем знать о других мирах, даже если находимся среди них. 1 из них напоминает теневой мир, предложенный в теории суперструн.
В наше время только историки могут одолеть массивный том Бешковича "Теория естественной философии, упрощенная до единого закона сил, существующих в природе". Эта книга написана на латыни. В статье "Кварки и Бешкович" некий Филипп Ренар обращает внимание на то, что теория этого ученого напоминает законы поведения кварков. Вот классический пример того, как теория, привлекательная своей простотой, может быть обработана изысканной математикой задолго до экспериментальной поддержки. Стоила ли она тех огромных умственных усилий, которые Бешкович вложил в нее? Ответить нелегко. В некотором смысле, она предсказала современную теорию частиц и проложила путь дальнейшим теориям.
Если не обращать внимания на суперструны, то современная стандартная теория частиц в основном принадлежит Бешковичу. Она утверждает, что всё вещество вселенной состоит из 2 типов частиц - кварков и лептонов, которые являются точечными концентрациями квантовых полей. Так же, как и атомы у Бешковича, они имеют массу и инерцию, но у них также есть и другие свойства - спИн и заряд, о которых Бешкович даже не подозревал. Следует отметить, что его понятие частиц, отталкивающихся на близком расстоянии, что мешает им сливаться, напоминает силу отталкивания, которая мешает сливаться фермионам. Эта сила вызывает принцип исключения Паули - закон, который не дает веществу сильно сжиматься.
По некоторым причинам, Ньютон считал свет потоком частиц. Но эксперименты показали, что свет, очевидно, ведет себя как волны. Но волны чего? Естественно, возникло понятие эфира - несжимаемого, однородного, невидимого вещества без трения, которое заполняет всё пространство, как прозрачное желе. На фоне этого устойчивого эфира можно измерять абсолютные движения. Пока Эйнштейн не создал теорию относительности, физики не считали понятие эфира ненужным, хотя в последние десятилетия он вернулся в виде фальшивого вакуума - пены из частиц-пузырей, которые возникают из ничего и превращаются в ничто.
Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3401


Paul Is Live!!!


« Ответ #42 : 25 Декабря 2013, 18:27:17 »

В 19 веке множество разнообразных причудливых теорий частиц использовали понятие эфира. Гипотеза эфирных струй Карла Пирсона загоняла частицы в наше пространство и время из высших размерностей, предсказывая теорию устойчивого состояния, в котором атомы водорода откуда-то попадают в наше пространство и время. Осборн Рейнольдс думал, что фундаментальные частицы - это дырки эфира.
Жорж Лесаж из Женевы и другие выдвинули квантовую теорию, которую до сих пор любят чудаки, что тяготение - это не сила, а поток частиц. Как земля притягивает луну? Это притяжение - иллюзия. Оба небесных тела экранируются невидимыми, беспорядочно движущимися частицами, которые заполняют эфир. Это уменьшает давление между телами. В результате земля и луна притягиваются. Краткий отчет об этих забавных теориях можно найти в главе "Теории вещества и эфира" книги Рауса Болла "Математические развлечения и задачи".
Самая интересная и популярная из теорий частиц - теория воронки, предложенная британским физиком Вильямом Томсоном Кельвином. Его воронковидные атомы слегка предсказывались Гоббсом, Мальбраншем и другими философами, но они не получили прочную математическую основу, пока немецкий ученый Герман Гельмгольц не начал исследовать воронки. Гельмгольц доказал, что однородная, несжимаемая среда без трения, которую можно назвать эфиром, поддерживает в себе постоянные структуры - солитоны.
Пусть в каком-нибудь месте текучей среды образовалось кручение, похожее на ураган в воздухе или знакомую всем воронку воды на дне раковины. Получится тонкая нитка или трубка, которая приобретает асимметрию, когда кручение движется по спирали. Такие нитки, говорил Гельмгольц, могут быть бесконечны в обоих направлениях, если сама среда бесконечна. А если среда конечна, то концы нитки будут находиться на поверхности или соединятся в кольцо.
Кельвин заметил, что это возможная модель фундаментальной частицы - маленькая петля, которая не меняется в текучей среде эфира. Он вывел эту удивительную гипотезу в своей лекции о воронковидных атомах, иллюстрируя свои теории проволочными моделями атомной структуры. Кельвин изобразил атомы в виде маленьких невидимых воронковидных колец, вибрирующих с разной частотой, что придает атому разные свойства. Как современные поклонники теории суперструн, он сравнивал разные вибрации со струнами музыкальных инструментов. Кроме того, эти воронковидные кольца могут связываться в узлы или по-разному соединяться. Если они связаны или соединены, (наподобие олимпийских колец) разделить их уже невозможно. Масса, объем и энергия кольца неизменны, а вот скорость и импульс могут меняться. Предполагалось, что творец делал эти маленькие солитоны с узловатостью и соединенностью миллиардами, пока создавал вселенную.
Кельвин написал несколько работ о воронковидных атомах, а многие другие физики обсуждали и использовали эту теорию. В своей работе "Статика воронки" Кельвин изобразил отдельные кольца, связанные множеством пересечений, из которых самым простым был узел. Шотландский математик Питер Тейт, который переводил работы Гельмгольца о воронках, в своей работе "Узлы" сравнивал разные виды узлов с химическими элементами. Изомеры - это узлы противоположной асимметрии.
Впоследствии Кельвин развил теорию губчатой воронки. Так как эфир несжимаемый, воронковидный атом, который ведет себя как частица, создает движение, заполняющее пространство, как квантовое поле. Кельвин изображал эфир в виде однородного губчатого вещества, содержащего миллиарды воронок в разных направлениях. На этой основе он объяснял световое излучение.
Ирландский физик Джордж Фиджеральд обработал губчатую теорию, построив спиральные пути воронковидного движения, которые могут объяснить положительный и отрицательный заряд, северный и южный магнитный полюс, колебания электромагнитных полей при излучении. Британский физик Вильям Хикс превратил воронковидные кольца в шары с воронковидным движением внутри и показал, как из шаров, поглощающих друг друга, могут образоваться молекулы.
Теория воронковидного атома приобрела тесный круг поклонников в Англии и Америке, который существовал на рубеже веков. Тейт сделал устройство для получения видимых воронковидных колец. Они вели себя так причудливо, что вызвали уверенность в этой теории. В своих "Лекциях о новых открытиях физической науки" Тейт описал это устройство:
"Аппарат очень простой - это деревянная коробка с круглой дыркой с одной стороны, а пустая противоположная сторона обтянута полотенцем. Чтобы воздух, который выходит из коробки, был видимым, мы наполняем его газом NH3, поливая дно коробки раствором. Когда там достаточно NH3, можно добавить газ HCl. Для этого в коробке находится блюдо с NaCl, облитое H2SO4. Газы соединяются, образуя твердое вещество NH4Cl, и то, что выходит из коробки, является частицами, такими маленькими, что они остаются взвешенными, как дым в воздухе. Но если ударить по противоположной стороне коробки, из отверстия вылетит воронковидное кольцо, движущееся само по себе, как независимое твердое тело.
А вот как действует одно воронковидное кольцо на другое. Когда 2 воронковидных кольца сталкиваются, они ведут себя, как сплошные мягкие кольца. После удара они вибрируют, как будто сделаны из резины. Нетрудно сделать вибрацию одного воронковидного кольца без влияния другого. Для этого надо сделать отверстие не круглым, а овальным или квадратным. Круг - это уравновешенная форма простой воронки, так что, если сделать воронку другой формы, она вибрирует, становясь круглой и приходя в устойчивое равновесие.
Гельмгольц показал, какие свойства должна иметь воронковидная нитка. Каждая часть ядра этой нитки вращается. Воронковидная нитка может иметь множество разных форм, а не только простейшую. Вот только невозможно в такой несовершенной среде, как воздух или вода, сделать воронковидную нитку более сложной формы, чем круг. Теоретически воронковидная нитка может быть с узлами и петлями, но нет такого отверстия, из которого дым выходит узловатой воронкой. Если бы мы могли придать отверстию нужную форму, и если бы не трение воздуха, эта воронка сохранила бы свои характеристики, как и круглая.
Гельмгольц также показал, что это кольцо неделимое - его нельзя разрезать. Быстро поднесите острый конец ножа, а оно не режется - только отодвигается или вьется вокруг ножа: примерно так же ведет себя и атом. Этот предмет невозможно не только разрезать - даже приблизиться нельзя".
В книге Болла сказано, как делать подобное устройство. Проделайте в картонной коробке дырку. Наполните коробку дымом, закройте и стукните по обратной стороне коробки. Поставьте перед коробкой свечу и смотрите, как движется дымовое кольцо. Когда коробка наполнена воздухом, добавляет Болл, и кольца не видно, эксперимент более эффектный.
Кельвин постепенно потерял интерес к воронковидным атомам, а Джозеф Томсон, который открыл электрон - нет. В автобиографии "Воспоминания и раздумья" он говорит о "спартанской" простоте этой теории и добавляет: "Еще мне понравилось сходство воронковидных ниток с электрическими силовыми линиями, приведенными Фарадеем, чтобы представить электрическое поле. Линии Фарадея, как воронковидные нитки, не появляются и не исчезают, их концы являются электрическими зарядами, а концы воронковидной нитки находятся на границе среды - поэтому можно считать, что электрический заряд и есть граница. Кажется, если даже воронковидности недостаточно, чтобы представить вещество, это всё равно очень полезное представление электрического поля".
Чтобы увековечить открытие Нептуна профессором Адамсом, Кембриджский университет учредил ежегодную премию Адамса за лучшую работу на определенную тему - например, взаимодействие воронковидных колец. Премию получил Томсон за книгу "Изучение движения воронковидных колец". У теории воронки появились новые поклонники. Томсон утверждал, что в устойчивую молекулу могут быть связаны не более 6 колец, но каждое тоже может состоять из мелких колец. Но без картинок понять описание Томсоном узлов и связей довольно трудно.
Джозеф Томсон продолжал описывать воронковидные атомы в "Корпускулярной теории вещества" и оставался поклонником этой теории до конца жизни. В его биографии увлечение этой теорией называется "самым славным эпизодом в безнадежной борьбе". Дэвид Найт в своей книге "Атомы и элементы" пишет: "Жаль, что воронковидный атом оказался глухим тупиком, а не прекрасной магистралью, как можно было сначала представить".
Знаменитый левша Максвелл, который объединил электричество с магнетизмом, считал, что гипотеза воронки у Кельвина - самая многообещающая атомная теория 19 века. Его статья "Атом" из британской энциклопедии - прекрасная история атомизма. Теорию Бешковича Максвелл обвиняет в том, что точечная частица не может вибрировать. "Кроме того, это сомнительный научный вкус - после свободного использования атомов избавляться от сил, действующих на ощутимых расстояниях, сводя все функции атомов к действию на неощутимых расстояниях".
"С другой стороны", - продолжает Максвелл, - "воронковидное кольцо Гельмгольца, как истинная форма атома Томсона, больше удовлетворяет условиям, чем любой атом. Прежде всего, оно имеет количественно постоянные объем и силу, 2 независимых свойства, а также качественно постоянный уровень использования узловатости на себя и соединенности с другими воронковидными кольцами. В то же время оно может бесконечно изменять форму и вибрировать с разными периодами, как это делают молекулы. А количество разных использований воронковидных колец может быть очень большим, не предполагая высокого уровня их использования.
Но лучше всего в этой теории, с философской точки зрения, то, что ее успех в объяснении явлений не зависит от хитрости, с которой ее изобретатели сохраняют внешний вид, сначала вводя одну гипотетическую силу, а потом другую. Когда воронковидный атом приводится в движение, все его свойства постоянны и определены законами движения первичной среды, которые полностью выражены в уравнениях. Ученик Лукреция может резать и рубить твердые атомы, чтобы соединить их в миры. Последователь Бешковича может придумывать новые силовые законы, которых требует каждое новое явление. А тот, кто хочет идти по дороге, открытой Гельмгольцем и Томсоном, таких ресурсов не имеет. Свойства его первичной среды - только инерция, неизменная плотность и совершенная подвижность, а метод, которым изображается движение этой среды - чисто математический анализ. Трудности этого метода огромны, но слава, окружающая их преодоление, уникальна".
Максвелл хвалит теорию воронковидных колец за ограниченное добавление свойств частиц просто для того, чтобы сделать теорию соответствующей наблюдениям. Дается основная структура колец, а всё остальное определяется математическим анализом. То же самое можно услышать и теперь от защитников теории суперструн.
Максвелл продолжает: "А главное, чего недостает этой теории вещества - объяснение массы и тяготения. Объяснение массы может показаться нелепостью. Предполагается, что основное свойство вещества - содержать импульс и энергию, и даже Томсон, определяя первичную среду, приписывает ей массу. Но, если верить Томсону, хотя первичная среда - единственное настоящее вещество, то, что мы называем веществом, на самом деле не первичная среда, а движение первичной среды. Это движение содержит воронковидные кольца и приводит нам примеры их постоянного существования, которое мы привыкли приписывать непосредственно веществу. А первичная среда, единственное настоящее вещество, полностью избегает наших чувств, если не имеет движения, которое превращает некоторые его части в воронковидные кольца, рассматривая их как молекулы".
Под первичной средой Максвелл подразумевает всеобщий эфир, который тогда считался носителем световых волн. Но если мы заменим первичную среду на первичное поле, фальшивый вакуум, пространство и время или математическую структуру - этот отрывок из физики частиц может быть написан вполне по-современному.
Известный физик Альберт Майкельсон тоже поддержал теорию воронковидных атомов. В книге "Световые волны и их использование" он называл эту теорию "самой многообещающей гипотезой о природе вещества. Она может быть самым большим обобщением современной науки, о которой хочется сказать, что это истина, даже если и не так: то есть все явления физической вселенной - это просто разные проявления движений всеобщего эфира".
Если заменить эфир на любое другое выражение, то же самое можно в наше время сказать о суперструнах. А вот отрывок из книги Тейта, который звучит по-современному, подчеркивая красоту теории со всеми ее математическими трудностями:
"Идея воронковидных атомов дает нам возможность объяснить многие свойства вещества, но, к несчастью (а может, и к счастью), в ней встречаются некоторые математические трудности высшего (по крайней мере, на такой ранней стадии) порядка по сравнению с теми, которые предлагаются другими идеями о природе вещества.
Предмет вращательного движения среды непривлекателен с чисто математической точки зрения, так что никто с ним ничего не делал, а только смотрел, пока Гельмгольц не дал нам фундаментальные предположения - хотя они прекрасны, но это только первый шаг. Действительно, чтобы исследовать, что происходит, когда круглые воронковидные атомы сталкиваются, и всё это движение не имеет осевой симметрии, нужна жизнь 2-3 поколений лучших математиков Европы, если только не появится какой-нибудь математический метод, гораздо мощнее любых современных, для решения этой особой проблемы. Несомненно, это ужасная трудность, но единственная, которая кажется подходящей для развития этой красивой теории: так что математики должны работать над преодолением подобных трудностей".
Как назло, простые изящные теории чаще всего оказываются ложными. Так же, как и работа Бешковича, литература о воронковидных атомах является примером того, что многообещающая гипотеза может вызвать огромный математический анализ, который нельзя применить ко вселенной, так как теория слишком опережает экспериментальные доказательства. В этом смысле суперструны напоминают воронковидные кольца Кельвина. И, хотя теория суперструн учитывает множество известных явлений, этой теории, очевидно, не хватает предсказаний, которые можно проверить на современных ускорителях частиц. Подтвердят ее новые эксперименты или опровергнут?
Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3401


Paul Is Live!!!


« Ответ #43 : 26 Декабря 2013, 01:16:11 »

СПИН

А теперь немножко отклонимся от темы и поговорим о таком таинственном понятии, как спИн. СпИн - это самое загадочное свойство частиц. Например, у электрона есть орбитальный спИн, когда он вращается вокруг ядра, и внутренний спИн - движение внутри или снаружи атома. Понятие внутреннего спИна введено голландскими физиками Самуэлем Гольдсмитом и Георгом Уленбеком в 1925, а потом подтверждено экспериментально, хотя не совсем понятно. Дирак долго искал объяснение, пока в 1928 не распространил на эту идею влияние специальной теории относительности на частицу.
Внутренний спИн раскрыл тайну, связанную с принципом исключения, открытым Паули, за что он получил Нобелевскую премию. Принцип исключения не следует путать с эффектом Паули. Некий Георг Гамов писал об этом эффекте в своей "Физической биографии", что физики-теоретики, как известно, ведут себя неловко, когда делают экспериментальную работу. Дорогой аппарат ломается, когда они трогают его. Паули был великий физик-теоретик, но даже его простое присутствие в лаборатории приводило к неудачам. Однажды какое-то оборудование в физическом институте Геттинга взорвалось без всякой причины. Гамов утверждает, что эта катастрофа произошла, когда Паули ехал в поезде из Цюриха в Копенгаген и остановился на станции Геттинг на 5 минут. Принцип исключения не дает фермионам (частицам с половинным спИном) приближаться друг к другу в одинаковом состоянии - то есть с одинаковыми квантовыми числами. К бозонам с целыми спИнами этот закон не относится. Например, на 1 орбите не может быть больше 2 электронов, и то только с противоположными спИнами. А 3 электрон будет с тем же спИном, что и любой другой, поэтому он не может быть на этой орбите. Когда Паули предложил этот принцип, он не знал, что такое спИн, а просто приписал электронам положительное или отрицательное квантовое число, не понимая его смысла. Открытие спИна придало смысл этому различию.
Принцип исключения Паули много чего объясняет. Это построение периодической таблицы Менделеева, которая, в свою очередь, объясняет всю остальную химию. Это причины того, что атомы не сжимаются под воздействием сил притяжения, что придает веществу устойчивость. Перед тем, как создавать мир, говорит некий Фримен Дайсон, бог должен был придумать закон исключения. Мало того, что без этого принципа вы бы провалились сквозь землю - вообще не существовало бы ни вас, ни земли. По принципу Паули, когда фермионы находятся очень близко, между ними возникает давление Ферми, которое больше не дает им сближаться. Это давление вызвано не электромагнитными силами отталкивания, а квантовой теорией волн. Давление Ферми на электроны не дает легким звездам испытывать гравитационный коллапс, достигая плотности белых карликов. Давление Ферми на нейтроны (а фермионы тоже подчиняются принципу Паули) прерывает коллапс тяжелых звезд на уровне нейтронных звезд. Без принципа исключения все звезды немедленно превратятся в черные дыры.
Полезно представить частицу как маленький шарик, вращающийся волчком, хотя это совсем не тот мяч, в который можно играть, но внутренний спИн действительно напоминает вращение планеты, бейсбольного мяча или круглого камня. Этот спИн иначе называется угловым или вращательным импульсом, а импульс - это произведение массы и скорости. Угловой импульс волчка изображается вектором вдоль оси вращения. Длина стрелки обозначает силу, а острие показывает направление движения. Так что угловой импульс равен произведению инерции и углового спИна.
У вращающегося волчка угловой импульс может иметь любое значение больше 0, а с частицей происходит нечто странное. Внутренний угловой импульс изменяется прерывистыми квантами, кратными h/(2*П), где h - постоянная Планка, а 2*П - отношение длины окружности к радиусу, измеряется в радианах. Короче говоря, внутренние спИны фундаментальных частиц равны 0, 1/2, 1, 3/2 и 2. Существуют ли бОльшие спИны - неизвестно. Частицы с целыми спИнами изучал индийский физик Сатьендра Боз, поэтому они называются бозонами. Эти частицы-носители симметричные, четные и совместимые с зеркальным отражением. А частицы с дробными спИнами изучал итальянский физик Энрико Ферми, поэтому они называются фермионами. Это электроны, протоны, нейтроны и кварки. Они асимметрические, нечетные и меняют форму при отражении в зеркале.
СпИны могут складываться. Поэтому, когда частицы соединяются в атомы и молекулы, общий спИн является суммой отдельных. Например, пион, состоящий из кварка и антикварка, имеет спИн 0, так как спИны кварков равны 1/2 и -1/2. А протон - это барион, состоящий из 3 кварков, его спИн 1/2 или -1/2, то есть 2 кварка одинаковые и 1 противоположный. Если в атоме все электроны спарены, они друг друга компенсируют, и результирующий спИн равен 0.
Еще есть важное квантовое число - изотопный спИн или изоспИн. Это свойство, предложенное Вернером Гейзенбергом, рассматривает протон и нейтрон как 2 состояния 1 частицы. Физики представляют абстрактное внутреннее изопространство, в котором нейтрон превращается в протон, а протон в нейтрон. Более простые примеры разных предметов, которые становятся одинаковыми при повороте в абстрактном пространстве - это узлы и пружины, закрученные в разные стороны. Чтобы превратить узел или пружину в зеркальное отражение, надо их повернуть в четырехмерном пространстве и снова поместить в трехмерное. Нейтрон - это 1 верхний кварк и 2 нижних, а протон - 1 нижний и 2 верхних. ИзоспИн позволяет частицам обменяться кварками и превратиться друг в друга.
Физики используют поворот и в широком переносном смысле - как любую симметричную операцию, включая перестановку частей уравнения. Например, если у куба отрезать углы, он превратится в октаэдр и наоборот. Подобным образом ведут себя додекаэдр и икосаэдр. А тетраэдр не меняется при этом. В суперсимметричной теории можно превратить фермион в бозон и наоборот особым симметричным поворотом в воображаемом сложном суперпространстве. Этот поворот, аналогичный отражению в суперсимметричном зеркале, превращает фермионы с дробными спИнами в бозоны с целыми спИнами и наоборот. Возможно, эти гипотетические партнеры существовали после большого взрыва при повышенной температуре, но они слишком тяжелы, чтобы быть обнаруженными при ударах частиц на современном холодном уровне с малой энергией. В списке приведены частицы со своими спИнами и часто встречающиеся названия их суперсимметричных партнеров:

Фотон (1) - фотино (1/2)
Гравитон (2) - гравитино (3/2)
Кварк (1/2) - скварк (0)
Глюон (1) - глюино (1/2)
Электрон (1/2) - селектрон (0)
Дубльвэ (1) - дубльвино (1/2)

Никто не знает, что происходит на самом деле при этих воображаемых поворотах, но математическая формальность может быть и объяснением, и предсказанием. Если не найдется геометрическая теория глубже, чем простая формальность, то физика частиц так и останется с этими таинственными поворотами в искусственном пространстве.
Обычно спИн частицы подчиняется правилу правой руки - если обхватить частицу правой рукой, изогнутые пальцы покажут движение поверхности, а вытянутый большой покажет направление спИнового вектора частицы, то есть оси вращения. Когда большой палец показывает вверх, спИн называется верхним или положительным, а когда вниз - нижним или отрицательным. При движении частицы определяется ее асимметрия. Когда спИновый вектор показывает туда же, куда частица движется, то есть параллельно, спираль называется правой. А когда спИновый вектор и движение смотрят в разные стороны, то есть антипараллельно, спираль называется левой.
Рассмотрим поток электронов. Если измерить спИн электрона, он может быть с одинаковой вероятностью левым и правым. Как ориентирован спИновый вектор? Ответ причудливый и невозможный для изображения. Введите координатную систему для определения оси случайно выбранного электрона или другой частицы с ненулевым спИном. Тогда спИновый вектор покажет или вперед, или назад вдоль выбранной координаты. Но без измерения ориентация спИнового вектора неизвестна. Что делает частица, когда за ней не наблюдают? Никто не знает этого. Физики говорят в этом случае, что спИн не определен. Верхний и нижний спИн просто накладываются. Это значит, что спИновый вектор может показывать любое направление. Но в момент измерения спИн определен и вектор показывает туда или обратно вдоль выбранной координаты.
Ситуация становится еще более парадоксальной, когда фермион вращается в магнитном поле. Его спИновый вектор напоминает ось вращения волчка в поле тяготения. Если повернуть волчок на полный оборот в 360°, он займет исходное положение, а верхний спИн так и останется верхним. У фермиона несколько иначе. Его ось надо повернуть на 720°, то есть на 2 полных оборота. Дело в том, что верхний спИн после 1 оборота превращается в нижний, а нижний - в верхний.
Чтобы точнее описать эту особенность фермионов, надо учитывать вероятность. Пусть у электрона верхний спИн. После поворота оси на 360° вероятность верхнего спИна стремится к 0, а нижнего к 1. Вероятность постоянно меняется в этих пределах. После поворота оси на 180° вероятность верхнего и нижнего спИна равна 1/2, на 540° - то же самое. В остальных положениях по кругу вращения дробь вероятности меняется. Это значит, что спИн электрона, как и падение монеты, с одинаковой вероятностью может быть верхним и нижним.
Частицы со спИном 0 всегда одинаковые и спИновых векторов не имеют, поэтому их не нужно поворачивать. Частицы со спИном 1 - это обычные волчки. Полный оборот возвращает их на место. Такие частицы имеют 3 состояния в магнитном поле - параллельное, антипараллельное и перпендикулярное. Частицы со спИном 2 ведут себя, как игральные карты, возвращаясь в исходное положение поворотом на 180°.
Устойчивая частица со спИном 3/2 называется омегой. Как и любой фермион, она возвращается в исходное положение после 2 полных оборотов. Есть и другие частицы со спИном 3/2, такие, как ядра некоторых атомов, но они обычно короткоживущие. Кроме того, частица со спИном 3/2 может возвращаться в исходное положение после 2/3 оборота.
Это всё противоречит нашему опыту с вращающимися предметами. Прежде всего, как может точечная частица типа электрона или кварка, не имеющая внутренней структуры, вращаться? На самом деле, никто толком не знает, существует ли спИн в квантовом мире отдельно от абстрактной математики. Но есть несколько интересных способов показать ситуации, в которых надо повернуть макроскопические предметы на 720°, чтобы поставить их на место. Они не объясняют, что происходит с вращающейся частицей, но делают спИн фермиона менее загадочным.
Одну модель предложил Дирак. Проденьте веревки через ручки ножниц, чтобы образовались петли. Станьте в эти петли, и получатся 4 прямых конца от ножниц до пола. Держа ножницы острием вверх, поверните их на 360° вокруг вертикальной оси. Веревки скрутятся. Попробуйте их распутать, и у вас ничего не выйдет. Вы только запутаете их еще больше. Но если еще раз повернуть ножницы в том же направлении, держа их острием вверх и больше не двигая, распутать веревки можно. Для этого поверните ножницы на 720°, возьмите их в левую руку, а правой перенесите дальнюю часть петли через ножницы на левое предплечье. Потом переложите ножницы в правую руку и перенесите петлю на левое предплечье. Тогда нитки распутаются.
Фокус Дирака с ножницами можно обобщить на любое число веревок, протянутых на стенах, полу или потолке комнаты. Поверните предмет на 360° вокруг любой оси. Веревки не распутаются. Поверните еще раз на полный оборот. Веревки распутаются.
Смоделировать половинный спИн можно и проще. К концу длинной ленты прикрепите монету. Другой конец прижмите на столе чем-нибудь тяжелым. Поверните монету на 360° вокруг оси ленты. Получатся 2 полуволны. Убрать их, не переворачивая монету, невозможно. А теперь еще раз поверните монету на 360°, чтобы получилось 4 полуволны. Как только вы проведете монету под лентой в том же направлении, не переворачивая ее, полуволны исчезнут. Это значит, что 1 оборот топологически отличается от исходного положения, а 2 не отличаются.
Этот фокус напоминает фокус Дирака с ножницами. А вот еще. Возьмите пустой стакан в левую руку. Сделайте рукой полный оборот по часовой стрелке, держа ладонь вверх - от этого запястье полностью вывернется. Перенесите руку через голову и еще раз поверните. Тогда рука вернется на место, а стакан сделает оборот на 720° по часовой стрелке вокруг вертикальной оси. Достаточно напрактиковавшись, можно использовать стакан с водой. В другом варианте этого фокуса надо держать руку на месте, а вращать туловище. Чтобы туловище, рука и стакан вернулись в исходное положение, нужен поворот на 720°, то есть 2 полных круга. Подобные движения используются в работе механического устройства, которое позволяет быстро поворачивать провода, не перекручивая их.
А вот фокус с мячом. На мяче напишите букву и проведите через нее большой круг. Потом нарисуйте на бумаге круг вдвое большего диаметра и вращайте мяч так, чтобы большой круг на мяче всегда шел по касательной. Через 360° буква перевернется. Сделайте еще круг мячом. Тогда буква станет на свое место.
Похожий фокус уже проводился со спиралями, которые дважды поворачиваются вокруг листа Мебиуса. После 1 круга спираль возвращается на место в отраженном виде, а после 2 опять становится в исходное положение. Все эти модели спИна фермионов связаны с математической структурой волокнистого пучка, которая часто применяется в теории частиц.
Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Сапфо
Модератор
Ветеран
*****
Сообщений: 3401


Paul Is Live!!!


« Ответ #44 : 26 Декабря 2013, 01:22:07 »

Поклонниками атомизма были многие, но самый знаменитый из них - Дальтон. (Он также известен тем, что не различал цвета, поэтому цветовую слепоту еще и до сих пор называют дальтонизмом)


А вот еще кое-что насчет дальтонизма.

Записан

Мне летом на севере надо быть - а я тут торчу!..
Форум для левшей и про левшей
   

 Записан
Страниц: « Предыдущая 1 2 [3] 4 5 Следующая »
  Печать  
 
Перейти в:  

2: include(../counters.php): failed to open stream: No such file or directory
Файл: /home/l/levsha/levshei.net/public_html/forumsmf/Themes/default/languages/Aeva.russian-utf8.php (main_below sub template - eval?)
Строка: 498