Feigins Oļegs Orestovičs

Kvantu pasaules noslēpumi. Par telpas un laika paradoksālajām īpašībām

Oļegs Orestovičs Feigins

Kvantu pasaules noslēpumi. Par telpas un laika paradoksālajām īpašībām

PRIEKŠVĀRDS

Šī jau otrā reize, tieši gadsimtu mijā, pēc pagājušā gadsimta sākuma vētrainās zinātnes revolūcijas, kad sabiedrisko domu atkal satricinājušas ļoti dīvainas, par mūsu pasaules uzskatu sapratni pašos pamatos izmainošas problēmas:

– Kas ir tumšā matērija un enerģija, kura gandrīz pilnībā piepilda Visuma redzamo daļu – Metagalaktiku?

— Kā darbojas tukšākais, kādu vien var iedomāties — vakuums, un kāpēc tajā visu laiku notiek ļoti dīvaini procesi?

— Kur ir mūsu pasaules augšējās un apakšējās robežas un kāpēc tās arvien vairāk ienāk mūsdienu Visuma uzbūves vispārīgajā plānā?

— Vai ir vienota teorija par absolūti visām daļiņām un spēkiem, un vai tā nenonāks pretrunā ar filozofisko pamatprincipu, kas paredz zināšanu par apkārtējo dabu nebeidzamību?

Jautājumi, jautājumi, jautājumi... tie rodas arvien biežāk, kļūst arvien aktuālāki, un atbildes uz tiem ir arvien neviennozīmīgākas. Parasti zinātnes vēsturnieki un filozofi šo situāciju saista ar pirmajām tuvojošās jaunu zināšanu viesuļvētras brāzmām, aizslaukošām, novecojušās idejas - zinātnes revolūciju. Protams, visa zinātniskā informācija, kuras plūsma jau sen ir pārpludinājusi un turpina pārņemt apkārtējo pasauli, ir savā veidā interesanta. To pēta un analizē daudzi speciālisti, un jebkurā brīdī var paspīdēt ar patiesi lieliem atklājumiem. Tomēr starp visām svarīgajām un nepieciešamajām zinātnēm ir fundamentālas, kas nosaka galvenos cilvēku sabiedrības progresa virzienus. Tādējādi bieži var dzirdēt, ka zinātņu karaliene ir matemātika. Mēs neapstrīdēsim šo pareizo viedokli, bet tikai piebildīsim, ka mūsdienu zinātnē, tāpat kā mūsdienu civilizētajās valstīs, monarhi valda, bet nevada... Matemātikas zinātne valda vissarežģītāko formulu un teorēmu abstraktajos augstumos, piedevām, ar tās palīdzību pilnveido citas zinātnes - dabaszinātņu disciplīnas - fizikas - attīstību.

Tagad zinātkāriem jauniem prātiem atvērti daudzi virzieni, kas ved uz fantastiskām nākotnes zinātnes tālēm. Un lielākā daļa no tiem ir tādā vai citādā veidā saistīti ar fiziku: biofizika, ģeofizika, hidrofizika, radiofizika, astrofizika, kosmofizika, fizikālā ķīmija, tehniskā un inženierfizika, kvantu fizika, daļiņu fizika, teorētiskā fizika un daudzas, daudzas citas šīs patiesi brīnišķīgās zinātnes apakšnodaļas. Svarīgi atcerēties vienkāršu patiesību: medicīnas, bioloģiskās, ķīmiskās, informācijas un tehniskās specialitātes pēta apkārtējās materiālās pasaules objektus un parādības, tikai pamatojoties uz zināšanām par to fizikālajiem likumiem. Īpaši skaidri redzama fizikas loma tehnoloģijās un elektronikā. Galu galā tādi brīnumi kā skaitļojamā tehnika, t.s. datori, mobilie tālruņi, internets, globālās pozicionēšanas sistēmas (objektu meklēšana ar “bākām” no satelītiem), plazmas un šķidro kristālu televizori, mākslīgie orgāni mūsu ikdienā ienākuši tikai šīs, vienas paaudzes laikā. Vēl pārsteidzošāki ir fizikālās zinātnes sasniegumi rūpnieciskajā un zinātniskajā instrumentālijā: radari, radioteleskopi, lāzeri, sinhrofazotrons un kodolreaktori ir savu izcelsmi parādā sākotnējiem salīdzinoši vienkāršajiem fiziskajiem pētījumiem.

Izrādās, ka neatkarīgi no mūsdienu cilvēka profesijas, vecuma un izglītības viņa kultūras bagāžā obligāti jāietver noteikts minimālais fizikālo zināšanu informācijas daudzums. Tas ir ārkārtīgi nepieciešams, kaut vai tikai tādēļ, lai izprastu parādību vispārējo struktūru un nozīmi apkārtējā realitātē. Pretējā gadījumā ir vienkārši ļoti neērti justies nezinošam mūsdienu izglītoto un intelektuāli attīstīto speciālistu vidū. Šeit ir vēl viens aspekts, kas daudziem šķiet strīdīgs, bet lielā mērā to apstiprina reālā pieredze. Tas, ka zināšanu izpratne pat vispopulārākajā līmenī māca mums strādāt ar visdažādākās informācijas plūsmu, ar kuru plašsaziņas līdzekļi mūs bombardē katru sekundi. Vienkārši sakot, zināšanu izpratne attīsta īpašu analītisko, loģisko domāšanu un kritisku attieksmi pret realitāti. Tāpēc vairums skeptiķu, bruņojušies ar paņēmienu kritiski izprast apkārtējo realitāti, reti iekrīt finanšu piramīdu celtnieku, mārketinga tīklu un citu krāpnieku slazdos, kuru mūsdienās ir tik daudz.

Tagad lasītājam vajadzētu būt skaidram, kādiem mērķiem piedāvātā grāmata kalpo, nedaudz atgādinot reportāžu krājumu no dabas noslēpumu izzināšanas zinātniskās frontes priekšējām līnijām, kur katra uzvara pār nezināmo paplašina zināšanu loku, paaugstinot cilvēka prātu. Tā pieejamā veidā stāsta ne tikai par jebkura zinātniskā jautājuma aktuālo beigu stāvokli, bet arī par patiesības meklētāju neskaidrajiem meklējumiem, kļūdām un šaubām. Galu galā patiesi interesants un aizraujošs ir tikai tas, kas saistīts ar uzvaru pār sarežģītām zinātniskām problēmām, kas nav tik viegli un vienkārši saprotamas. Tāpēc īstā zinātne sākas tur, kur beidzas mūsu zināšanas un sākas ērkšķainais ceļš uz nezināmo. Daļēji šī grāmata ir par to, kā “tiek attīstīta zinātne”, par ceļu meklējumiem nezināmajā, par paradoksāliem atklājumiem un mistiskām mīklām ceļā uz dabas izpratni.

Autors pateicas  Teh. Zinātnes doktoram, profesoram, UAS akadēmiķim D. I. Korņejevam, Dr. Valteram Babinam (Kanāda), Dr. Amritam Sreko Sorli (Slovēnija), profesoram V. A. Novikovam (Latvija), Dr. V. M. Vaksmanam un S. I. Doroņinai (Krievija) par aktuālu tēmu apspriešanu. Īpaši gribētos atzīmēt slavenā fiziķa un zinātnes popularizētāja, Krievijas Zinātņu akadēmijas akadēmiķa E. P. Krugļakova skarbo, bet konstruktīvo kritiku, kurš vada RAS komisiju Pseidozinātnes un zinātnisko pētījumu falsifikācijas apkarošanai.

Grāmatas noformējumā izmantoti materiāli no vietnēm: http://enchgallery.com/fractals/fracthumbs.htm; http://cdsweb.cern.ch; www.nasa.gov;www.arm.ac.uk;www.ligo.caltech.edu; bjr:/A^a1*$na-ture.com; www.nature.web.

IEVADS: FIZIKAS ATDZIMŠANA

Ak, cik daudz brīnišķīgu atklājumu mums

Gatavo apgaismības gars,

Pieredzes un grūtu kļūdu dēls,

Un ģēnijs, paradoksu draugs,

Un nejaušība, Dievs izgudrotājs...(Šeit un citur atdzejojis tulkotājs)

A. S. Puškins

Vēstures arēnā ir ienākusi jauna zinātne

Dažreiz par zinātniskiem uzskatiem bija jāmaksā barga cena. Galileo Galilejs bija spiests atteikties no saviem uzskatiem. Bet cilvēces atmiņā viņš uz visiem laikiem paliks kā jaunas fizikas radītājs.

Pirms runājam par mūsdienu zinātnes brīnumiem, pāršķirsim dažas vēstures lappuses. Ir pagājis seno metafizisko domātāju laikmets, pagājis viduslaiku un renesanses pretrunīgo, tumšo uzskatu periods - atdzimusi fizika. Starp vairākiem izcilāko zinātnieku vārdiem dabaszinātņu vēsturē - Johannesu Kepleru un Galilejs Galileju, - dabiskās vides mūsdienu zinātniskās pieejas priekštečiem - minami arī Nikolajs no Kuzas, Frensiss Bēkons, Nikolajs Koperniks, Džordāno Bruno, Leonardo da Vinči. Ne velti tiek uzskatīts, ka eksperimentālās zinātnes attīstība sākās ar Galileo darbu. Galu galā tieši šis zinātnieks spēja lieliski apvienot oriģinālos domu eksperimentus ar kustīgiem ķermeņiem un reāliem eksperimentiem, izciliem savā vienkāršībā, ko var atkārtot ikviens, neatkarīgi pārliecinājies par piedāvātās fiziskās īpašības pamatotību.

Pizas tornis. Saskaņā ar leģendu, Galilejs no Pizas torņa nometa dažāda smaguma objektus, lai demonstrētu, ka tie sasniedz Zemes virsmu vienlaikus. Tomēr patiesībā smagākie priekšmeti gaisa pretestības dēļ, visticamāk, nokristu zemē ātrāk par vieglākajiem.

Pati ideja apvienot domas modeļus un fizikālus eksperimentus, kas tos pārbauda, tajā laikā bija kaut kas pilnīgi jauns un patiesi radikāls, jo gadsimtiem, ja ne tūkstošiem gadu, tika uzskatīts, ka Visumu var izpētīt tikai ar pareizas loģiskās spriešanas palīdzību. Šādi uzskati izraisīja daudzus nepareizus priekšstatus, piemēram, nepieciešamību bultu gaisā pagrūst, lai turpinātu tās lidojumu, vai arī to, ka ķermeņi krīt zemē ar ātrumu, kas ir proporcionāls to masai.

Lai saprastu Galileo eksperimentu ideju, vienkārši jāatceras, kā apkārtējie objekti uzvedas gravitācijas ietekmē. Izlaidiet jebkuru priekšmetu no rokām, un tas nokritīs uz grīdas; šajā gadījumā pirmajā mirklī tā kustības ātrums būs nulle, bet tas nekavējoties sāks paātrināties - un turpinās paātrināties, līdz nokritīs zemē. Tāpēc Galilejs uzskatīja, ka, ja viņš varētu aprēķināt objekta krišanas ātrumu, tad nebūtu grūti šo aprēķinu attiecināt uz ikvienu vienmērīgi paātrinātas vai vienmērīgi palēninātas kustības gadījumu, kas tik bieži novērojams mums apkārt.

Tas bija Galileo novatoriskais darbs, kas pavēra ceļu skolā mums mācītās  klasiskās mehānikas radītāja, izcilā angļu fiziķa Īzaka Ņūtona (1642–1727), turpmākajiem triumfālajiem atklājumiem. Ar Ņūtona vārdu (sk. 1. krāsu att. pielikums, zemāk - krāsainais ieliktnis) ir saistīta arī universālās gravitācijas fizikālā fundamentālā likuma atklāšanu. Tiesa, te atkal redzam, ka pat lielie domātāji mēdza kļūdīties, jo Ņūtons uzskatīja, ka ķermeņu mijiedarbībai ir tālas iedarbības raksturs – ķermeņu ietekmes momentāla pārnešana vienam uz otru caur tukšo telpu, kas nepiedalās mijiedarbības pārraidīšanā. Tomēr attāluma iedarbības jēdziens tika atzīts par nepareizu pēc elektromagnētiskā lauka atklāšanas un izpētes, pierādot tā starpnieka lomu elektriski lādētu ķermeņu mijiedarbībā. Radās jauns mijiedarbības jēdziens - mikro diapazona mijiedarbības jēdziens, kas pēc tam tika attiecināts uz jebkuru citu mijiedarbību. Saskaņā ar šo koncepciju mijiedarbība starp ķermeņiem tiek veikta caur noteiktiem laukiem (piemēram, gravitācija caur gravitācijas lauku), kuri nepārtraukti izplatītās telpā

Pirmie eksperimenti uz Mēness. Apollo 11 misijas amerikāņu astronauts Nils Armstrongs miljoniem televīzijas skatītājiem demonstrēja slaveno Galileo eksperimentu uz Mēness,  no sava skafandra cimda vienlaikus izlaižot metāla lodi un putna spalvu. Šis eksperiments tādā pašā veidā tiek veikts arī uz Zemes, novērojot svina bumbiņas un putna dūnas kritienu vidē, no kuras izsūknēts gaiss.

Te jāatzīmē, ka aizpagājušā gadsimta zinātnē lielu lomu spēlēja maldīgie priekšstati par noteiktu visu caurstrāvojošo vidi – ēteri. Visa tā laika fizika balstījās uz ideju par ēteri kā elektriskās un magnētiskās mijiedarbības nesēju. Sākotnēji ēteris tika saprasts kā mehāniska vide, līdzīga elastīgam ķermenim, kurā gaismas viļņu izplatība tika pielīdzināta skaņas izplatībai gaisā.

Mehāniskā ētera hipotēze apvienoja nesaderīgo un nedaudz atgādināja mītisku būtni - grifonu ar putna galvu un lauvas ķermeni. Tādējādi gaismas viļņu izplatīšanās likumi paredzēja, ka ēterim ir jābūt ar absolūti cieta ķermeņa īpašībām, daudz cietākam par dimantu, un tajā pašā laikā ēteris nedrīkstētu izrādīt ne mazāko pretestību debess ķermeņu kustībai, pretējā gadījumā astronomi būtu to uzreiz novērojuši. Ilgu laiku matemātiķu un fiziķu paaudzes ir mēģinājušas nākt klajā ar daudz-maz ticamu noslēpumainā ētera modeli. Bet galu galā, vairāk nekā pirms gadsimta, tika stingri konstatēts, ka pats šīs noslēpumainās vielas jēdziens ir kļūdains. To izdarīja ievērojamā pagājušā gadsimta teorija – relativitātes teorija.

Lielā Ņūtona zinātne ir kā skaista, bet kašķīga sieviete. Ja vēlaties ar viņu sarunāties, jums būs pastāvīgi jāstrīdas.

“Ēteriskā Visuma” sabrukums sākās ar tagadējās mācību grāmatās aprakstīto eksperimentu, kas noskaidro ētera līdzdalību ķermeņu kustībā. Šo eksperimentu veica amerikāņu fiziķi Alberts Maikelsons un Edvards Morlijs tālajā 1881. gadā. Te gan jāpiebilst, ka ap Maikelsona un Morlija slavenajiem eksperimentiem ir vesels leģendu un maldu juceklis.

Pirmkārt, “klasiski konservatīvie pētnieki” Maikelsons un Morlijs nemaz negrasījās atspēkot pasaules ētera esamību, jo tā ideja tajos laikos bija tikpat nesatricināma kā universālās gravitācijas likums. Amerikāņu fiziķi tikai pirmo reizi vēlējās izmērīt tā relatīvās kustības ātrumu uz Zemes virsmas - "ēterisko vēju". Patiešām, pārvietojoties orbītā ap Sauli, Zeme pārvietojas arī attiecībā pret hipotētisko ēteri sešus mēnešus vienā virzienā un nākamos sešus mēnešus pretējā virzienā. Līdz ar to, pusgadu “ēteriskajam vējam” vajadzētu pūst pāri Zemei un rezultātā pārbīdīt instrumentu rādījumus vienā virzienā, bet pusgadu – otrā virzienā. Vērojot šos rādījumus veselu gadu, Maikelsons un Morlijs neatrada nekādas ētera ietekmes pazīmes. Šeit ir jāizkliedē vēl viens maldīgs priekšstats: beiguši savus eksperimentus amerikāņu fiziķi nepavisam neuzskatīja, ka viņi ir eksperimentāli pierādījuši ētera vēja un līdz ar to ētera neesamību dabā. Gluži pretēji, viņi ilgu laiku uzsvēra, ka vienkārši nespēj iegūt nekādu rezultātu ārpus savas aparatūras kļūdu robežām. Citiem vārdiem sakot, viņi vienkārši uzskatīja, ka laboratorijas tehnika ir pārāk neattīstīta, lai pētītu "ēterisko vēju".

Otrkārt, pretēji plaši izplatītam uzskatam, Maikelsona-Morlija eksperiments nepavisam nekalpoja par izejas punktu relativitātes teorijas radīšanai. Fakts ir tāds, ka tā galvenais autors, Alberts Einšteins, tajā laikā Bernes (Šveice) patentu biroja darbinieks, amerikāņu fiziķiem vienkārši nebija pat pazīstams.

Maikelsons un Morlijs izmantoja speciālu optisko mērierīci, kura gaismas kūli sadala divās daļās ar puscaurspīdīgu spoguli (stikla plāksne no vienas puses ir apsudrabota tieši tik daudz, lai daļēji laistu cauri tajā ienākošos gaismas starus un daļēji tos atstarotu). Rezultātā gaisma tiek sadalīta divos koherentos (saskaņotos) staros, no kuriem viens atstarojas taisnā leņķī. Pēc tam stari tiek atstaroti no vienādi izvietotiem necaurspīdīgiem spoguļiem un atgriežas. Iegūtais gaismas stars ļauj novērot abu staru superpozīciju un noteikt viena stara aizkavēšanos attiecībā pret otru.

Izveidojis teoriju, balstītu uz Minkovska laiktelpas koncepciju, un nosaucis to par "īpašo relativitātes teoriju", saīsināti "IRT", Einšteins sāka izstrādāt jaunu gravitācijas teoriju. Lielais fiziķis to nosauca par "vispārējo relativitātes teoriju" vai "VRT" un vienmēr uzskatīja to par savu augstāko zinātnisko sasniegumu, kas ietvēra Ņūtona universālās gravitācijas teoriju kā īpašu gadījumu. Vispārējās relativitātes teorijas pamatā ir Minkovska telpas attēls, ko ieliekuši materiāli ķermeņi, piemēram, deformācijas, ko rada svina lodītes uz gumijas plēves.

Tikai vēlāk, pēc pirmajiem iespaidīgajiem jaunās teorijas panākumiem, kļuva skaidrs tā nozīmīgumu apliecinošais Maikelsona-Morlija eksperiments, un viņiem par to tika piešķirti visdažādākie apbalvojumi un izteiktas pateicības.

Treškārt, pareizāk būtu runāt nevis par kādu atsevišķu Maikelsona-Morlija eksperimentu, bet par veselu virkni eksperimentu, kuros amerikāņu pētnieki ne vienmēr guva viennozīmīgus rezultātus. Tomēr viņi ļoti centās, ja iespējams, izvairīties no kategoriskiem formulējumiem, uzskatot, ka visas viņu šaubas nākotnē tiks atrisinātas, balstoties uz progresīvākas eksperimentālās bāzes.

Izstrādājot gravitācijas teoriju, Einšteins vispirms vērsa uzmanību uz to, ka visu caurstrāvojošā gravitācija vienādi iedarbojas uz visiem ķermeņiem. Tas piešķir absolūti identiskus paātrinājumus jebkurai masai, pilnīgi neatkarīgi no to veida, struktūras, ķīmiskā sastāva un citām īpašībām. Šeit Einšteins pamanīja pārsteidzošu dabas likumu, kuru viņš attīstīja par vissvarīgāko GTR fizisko principu - inerciālo un gravitācijas masu ekvivalenci. Inerciālā masa ir iekļauta trīs Ņūtona skolas likumos, bet gravitācijas masa ir iekļauta viņa universālajā gravitācijas likumā. Pats Einšteins vairākkārt atgādināja, ka pie ekvivalences principa viņu noveda, ķermeņu uzvedības parastā liftā novērošana. Piemēram, brīvi krītošā liftā iestāsies mākslīgā bezsvara stāvoklis, ko bieži izmanto astronautu apmācībās.

Lai kā arī būtu, “ētera krīze” tomēr tika veiksmīgi atrisināta, pateicoties izcilajam divdesmitā gadsimta fiziķim Albertam Einšteinam, kurš pilnībā mainīja klasiskos priekšstatus par telpu un laiku. Einšteins ierosināja, un viņa skolotājs un vēlākais līdzautors izcilais vācu matemātiķis Heinrihs Minkovskis (1864-1906) matemātiski pierādīja, ka patiesībā telpa un laiks nav atdalāmi. Šķiet, ka tie veido vienu četrdimensiju Minkovska telpas-laiku kontinuumu. Šo fizisko īpašību ir grūti vizualizēt, jo mēs dzīvojam trīsdimensiju pasaulē, ko apraksta Eiklīda ģeometrija. Minkovska telpas tēls ir ērts dažādās teorētiskās konstrukcijās, tas ir ļoti populārs matemātiķu vidū, kuri to sauc par "Minkovska kolektoru", kā arī teorētisko fiziķu vidū, kuriem ir ierasts runāt par "Minkovska kontinuumu". Tam uzmanību pievērsa arī zinātniskās fantastikas rakstnieki (...kosmosa flote ienira Minkovska telpā un veica ārpustelpisku lēcienu...), taču, kā likums, diemžēl neviens noviņiem pilnībā nesaprot šī fiziskā attēlojuma nozīmi.

Centrifūga, karuselis, rotors, vilciņš, virpulis - visos šajos rotējošajos ķermeņos un mehānismos notiek sava veida inerces spēku pāreja mākslīgos gravitācijas spēkos. Tādējādi mācību centrifūgā astronauti ne tikai pierod pie starta un piezemēšanās pārslodzēm, bet arī cenšas sajust, kā ir atrasties gāzveida milžu – Jupitera, Saturna, Urāna un Neptūna – atmosfēras dzīlēs.

Relativitātes teoriju parasti iedala divās daļās: speciālajā relativitātes teorijā (STR) un vispārējā relativitātes teorijā (VTR). Pirmajā aprakstīti dažādi relatīvistiski (no latīņu: relatīvā) efekti pie gandrīz gaismas ātruma (300 000 km/s). Saskaņā ar STR jebkuras mijiedarbības un signālu pārraides ātrumam ir principiāls ierobežojums - gaismas ātrums vakuumā. Kāpēc tieši gaismas ātrums atdala mūsu ikdienu no tādām pilnīgi fantastiskām relativistiskām parādībām kā laika palēnināšanās, ķermeņu izmēru relativistiskā saraušanās, vienlaicības relativitāte utt.?

Uz šo jautājumu vēl nav skaidras atbildes. STR formulas tikai paredz, ka, ja kāds materiālais ķermenis savā kustībā pietuvosies gaismas ātrumam, tad tā masa palielināsies līdz bezgalībai... Bet, zinātnieki vēl neprot strādāt ar bezgalībām, katrā ziņā tādā nozīmē, ka mums ir darīšana ar nereālu parādību.

Relativitātes teorijas otro daļu nosacīti sauc par vispārējo relativitāti (VT). VTR pamatā ir universālais inerciālo un gravitācijas masu ekvivalences princips. Var teikt, ka tas ir saistīts gan ar mums apkārt esošās telpas izliekumu, gan ķermeņu kustību, gan to pievilkšanos, par ko stāsta vispārējā relativitātes teorija.

To visu var vizualizēt, ja iztēlojamies savu pasauli kā plakanu elastīgu loksni. Tad visi ķermeņi atkarībā no to masas veido lielas un mazas ieplakas, kurās tie mijiedarbojoties ieripinās.

No otras puses, šie paši ķermeņi, pārvietojoties, veido tieši tādas pašas piltuves, kas ir piesaistītas telpas plēvei. Šajā gadījumā piltuves dziļumu nosaka kustības paātrinājums. No tā ir viegli izdarīt pārsteidzošu secinājumu, ka mūsu trīsdimensiju telpā ģeometrija, vispārīgi runājot, nav eiklīda un pašam laikam dažādos telpas punktos jāplūst atšķirīgi. Tā fizikas likumi parastu liftu var pārvērst par brīnišķīgu starpplanētu ceļošanas līdzekli, un ar nelielu iztēli, virzoties uz augšu, varam iztēloties sevi gāzveida milžu - Jupitera, Saturna, Urāna vai Neptūna atmosfērā ar lielāku gravitāciju nekā uz Zemes, bet, nolaižoties lejā, varam apmeklēt Mēness vai Merkūra virsmu.

Taču jau pagājušā gadsimta vidū kļuva skaidrs, ka relativitātes teorija pilnībā neizdzēsa visus priekšstatus par “gaismu pārnesošo pasaules ēteri”. Dabā var atrast vidi, kas nedaudz atgādina savu seno priekšteci, tikai to sauc jaunā vārdā - fiziskais vakuums. Fiziskā vakuuma kā īpašas materiālās vides jēdziens tika ieviests, lai izskaidrotu fiziskās mijiedarbības spēku rašanos. Šīs teorijas pamatā ir ideja, ka ķermeņi savā starpā apmainās ar tā sauktajām virtuālajām, tas ir, nenovērojamajām daļiņām. Piemēram, elektromagnētiskās mijiedarbības gadījumā - virtuāliem fotoniem. Turklāt mikropasaulē tika atklāti efekti, kurus nevarēja izskaidrot citādi kā tikai ar fiziskā vakuuma esamību. Piemēram, kad lielas enerģijas daļiņa palēninās, citas ļoti reālas elementārdaļiņas dzimst “no nekā”. Fiziķi izskaidro šo apbrīnojamo parādību, izmantojot hipotēzi, ka vakuums ir dažādu virtuālo daļiņu un lauku “kokteilis”. Vakuuma virtuālais “piepildījums” izpaužas mūsu pasaulē enerģētiskās mijiedarbības laikā, līdzīgi tam, kā attīstītāja šķidruma iespaidā kļūst redzams neredzamais fotonegatīvs.

Vispār fiziskais vakuums atgādina “pasaules ēteri” tikai ar divām īpašībām: visu caurstrāvojošajā būtībā un enerģētiskajā pildījumā. Ir svarīgi saprast, ka fiziskais vakuums ir pilnīgi materiāls; tā ir īpaša nepārtraukta vide, kas izpaužas dažādos procesos un parādībās, nevis virtuālu daļiņu gāze, starp kurām ir absolūts “īstā vakuuma” tukšums. Tāpēc pašreizējie mēģinājumi fiziska vakuuma aizsegā atgriezt zinātnei "pasaules ēteri", piedevām tādu, kas sastāv no daļiņām, kas pakļaujas tikai klasiskās mehānikas likumiem, acīmredzami ir lemti pilnīgai neveiksmei.

Jau ir atklāts, ka fiziskajam vakuumam ir vairākas paradoksālas īpašības, taču ir pamats uzskatīt, ka daba šeit ir parādījusi tikai aisberga virsotni. Piemēram, izrādījās, ka “netukšā tukšuma” īpašības ir cieši saistītas ar antidaļiņām – parasto daļiņu dvīņiem, kas no tām atšķiras ar sava elektriskā lādiņa zīmi. Bet, ja antidaļiņas pastāv, tad no tām var uzbūvēt veselu antiVisuma “gabalu”! Šeit uzreiz rodas interesants jautājums: vai hipotētiskā antipasaule, kas sastāv no antimatērijas, atšķirsies no parastās matērijas pasaules, kurā mēs dzīvojam?

Dzīvas diskusijas par šādiem jautājumiem ir notikušas kopš pagājušā gadsimta piecdesmitajiem gadiem, kad tika atklāts antiprotons. Tomēr antimatērijai pirmo reizi pievērsa uzmanību pagājušā gadsimta divdesmito gadu beigās. Tolaik slavenais angļu fiziķis Pols Adriens Moriss Diraks mēģināja izveidot elektrona modeli un nemitīgi sastapa ļoti dīvainas elektronu pēdas ar negatīvu enerģiju un masu (!). Asprātīgie fiziķi uzreiz nosauca Diraka "negatīvos" elektronus par slimajiem elektroniem. Patiešām, elektriskajā laukā šādiem elektroniem vajadzētu pārvietoties pretējā virzienā nekā parastajiem "elektrības atomiem", un jēdzieni "negatīvā enerģija" un "negatīvā masa" šķita kā nesaprotama abstrakcija. Tomēr, būdams izcils teorētiķis, Diraks spēja savas neparastās idejas pārvērst teorijā, kas saņēma poētisko nosaukumu “Diraka jūra” (sk. 2. attēlu, krāsaino).

Vakuums jau tad piesaistīja vislielāko fiziķu uzmanību, un Diraks uzreiz pieņēma, ka šis iedomātais tukšums patiesībā ir piepildīts ar bezgalīgu skaitu dažādu enerģiju “negatīvajiem” elektroniem. Bet reālais vakuums ir absolūti neitrāls un nekādā veidā neietekmē parasto vielu, tāpēc Diraks uzskatīja, ka “negatīvo” elektronu elektromagnētiskie un gravitācijas lauki pilnībā kompensē viens otru. Svarīga elektronu "Diraka jūras" iezīme bija slēgtu tukšumu klātbūtne bez elektroniem. Šajos "vakuuma putu" burbuļos parastajiem un negatīvajiem elektroniem vajadzēja savstarpēji iznīcināties (anihilēt), izstarojot fotonus — elektromagnētiskā lauka daļiņas (sk. 3. att., krāsains).

Lieki piebilst, ka sākumā teorija par "negatīvo "ēzeļa elektronu jūru" izraisīja līdzvērtīgu iebildumu jūru. Tātad, lai attaisnotu burbuļu iekšējās iznīcināšanas procesu, teorētiskie fiziķi mēģināja tajā ievietot protonu kā vienīgo pozitīvo daļiņu tajā laikā, taču tas viņus tikai ienesa jaunos Diraka jūras problēmu dziļumos.

"Diraka jūras" teorijas triumfs notika 1932. gadā, kad uz Zemes krītošajos kosmiskajos staros tika atklāts Diraka "negatīvais" elektrons - pozitrons. Tad sākās anti-pasauļu konstruēšana, un sākumā šķita, ka šīm pasaulēm jābūt pilnīgi identiskām, un, ja mēs spētu ieskatīties antipasaulē, to neanihilējot, mēs neko jaunu nepamanītu. Zinātniski tas izklausās šādi: visi dabas likumi ilgu laiku tika uzskatīti par nemainīgiem (nemainīgiem) attiecībā uz daļiņu lādiņa zīmes izmaiņām (tā sauktā lādiņa inversija jeb S-transformācija). Tomēr pagājušā gadsimta otrās puses sākumā fiziķi eksperimentāli atklāja šokējošu faktu: lai daļiņu pārveidotu par antidaļiņu, ir nepieciešams ne tikai mainīt lādiņa zīmi, bet arī atspoguļot daļiņu spogulī, kā arī veikt telpisku simetrijas izmaiņu - R-transformāciju. Kopā šīs divas daļiņu pārveidošanas darbības sauc par SR transformācijām. Tomēr brīnumi turpinājās, un drīz vien kļuva skaidrs, ka šāda transformācija vairākos gadījumos ir pilnīgi nepietiekama, jo tiek pārkāpta arī šāda SR simetrija. Tas ir, lai no elektrona iegūtu “īstu” antielektronu, ir jāmaina arī... laika ritējuma virziens, jāveic T-transformācija. Tā radās ideja

par SRT simetrijas saglabāšanas pamatlikuma esamību dabā.

Citiem vārdiem sakot, novērotājs nevarēs ar nekādiem eksperimentiem noteikt, kurā pasaulē viņš atrodas, ja vien viņš vienlaikus neveiks visas trīs etalondaļiņas transformācijas.

Tagad atgriezīsimies pie reāla vakuuma fizikālajām īpašībām un piebildīsim, ka elementārdaļiņām papildus masai un lādiņam ir arī spins — griešanās moments ap savu asi. Rotējot kā virsotnes, lādiņi attīsta arī magnētisko lauku ar elektrisko dipola momentu. Apskatīsim pašu anihilācijas procesu, izmantojot elektronu-pozitronu pāra piemēru. Šī apbrīnojamā parādība nenotiek uzreiz, bet divos posmos: pirmkārt, visīsākajā laikā veidojas pozitrona atoms, sastāvošs no daļiņām, kuras rotē ap kopējo masas centru. Pēc anihilācijas to enerģija un masa tiek pārvērsta elektromagnētiskajā starojumā, un pozitrona vietā rodas sava veida caurums. Vai šim "caurumam" varētu būt kādas fiziskas īpašības?

Jūs zināt, ka katrai matemātiskai funkcijai ir noteikts grafiks. Kad tiek pētīta jauna formula, to ir ērti izpētīt grafiski un dažādās koordinātu sistēmās. Mūsdienās šādas darbības tiek veiktas, izmantojot īpašas programmas un jaudīgus datorus. Kādā jaukā dienā programmētāju pārsteigtajām acīm tika pasniegta absolūti nesalīdzināma tā saukto fraktāļu ligatūra. Drīz vien, veicot detalizētu analīzi, kļuva skaidrs, ka jauno konstrukciju galvenā iezīme ir tāda, ka jebkura bezgalīgi maza to daļa pilnībā kopē jebkuru bezgalīgi lielu elementu (sk. 4. krāsu att.,). Izmantojot šo apbrīnojamo matemātisko funkciju īpašību, teorētiskie fiziķi ir izveidojuši abstraktu fiziskā vakuuma modeli nepārtraukta, bezgalīgi plāna fraktāļu pavediena veidā. Šim pavedienam nepārtraukti ir jāaizpilda bezgalīgi lielā Visuma trīsdimensiju telpa, vienlaikus kalpojot par elektromagnētiskā lauka spēka līnijām.

Izrādās, ka fiziskā vakuuma telpa, ar kuru ir piesātināti mūsu ķermeņi un kura neierobežotajos plašumos atrodas mūsu planēta, no vienas puses ir Toričelli tukšums no skolas fizikas mācību grāmatas, no otras puses, verdošs daļiņu un lauku okeāns.

Jebkurā gadījumā vakuums nepavisam nav kā tukša skatuve, kur tiek spēlēta izrāde “Visuma evolūcija”. Lai pasniegtu tā vizuālo tēlu, vēlreiz izmantosim datorgrafikas iespējas. Ja mazliet liek lietā iztēli, monitora ekrānā var redzēt “vakuuma” Visuma attēlu, kur kūsājošā tukšuma dziļumos ir paslēptas noteikta Universālā koka fraktāļu saknes no visām mūsu novērotajām dabas parādībām, un tā šūnās ir ierakstīti visi mūsu pasaules fiziskie likumi. Tādējādi, izmantojot virkni pārsteidzošu kokam līdzīgu fraktāļu kopu, Daba savieno loģisku notikumu ķēdi no neiedomājamiem fiziskā vakuuma dziļumiem līdz Metagalaktikas robežām un tālāk Visumā.

PIRMĀ NODAĻA JAUNĀS ZINĀTNES ĒRA

Var saprast, kāda būtiska ietekme uz cilvēku zināšanu attīstības virzienu bija tajā dienā, kad slepus zinātnē ienāca kvanti. Tajā pašā dienā majestātiskā un grandiozā klasiskās fizikas ēka tika satricināta līdz pašiem pamatiem, lai gan neviens to skaidri neaptvēra. Zinātnes vēsturē nav bijis daudz tādu satricinājumu, kas pēc spēka būtu salīdzināmi ar šo.

Luis de Broils, Nobela prēmijas laureāts, viļņu kvantu mehānikas dibinātājs

Mūsdienās kvantu teorija ir novedusi mūs pie dziļākas izpratnes: tā ir izveidojusi ciešāku saikni starp statistiku un fizikas pamatiem. Tas ir notikums cilvēka domas vēsturē, kura nozīme pārsniedz pašas zinātnes robežas.

Makss Borns, viens no kvantu fizikas pamatlicējiem

Šī nodaļa ir īss ieskats mūsdienu fizikas veidošanās nemierīgajā periodā. Tas bija dziļu meklējumu, maldu un pretrunu periods, kas mainīja cilvēku sabiedrības domu. Periods, kas bija pirms jaunās zinātnes laikmeta, kad cilvēce arvien vairāk ir spiesta izlemt, kurš tās attīstības virziens ir jāaizliedz un kā pārliecināt vai pat piespiest daudzo tūkstošu starptautisko pētnieku armiju ievērot šo aizliegumu.

ULTRAVIOLETĀ KATASTORA

Mana laika studentiem bija paveicies dzirdēt divdesmitā gadsimta jaunās fizikas parādīšanās vēsturi no izcilāko pasaules slaveno padomju zinātnieku, piemēram, Antona Karloviča Valtera, Moiseja Isaakoviča Kaganova, Arnolda Markoviča Koseviča, Emanuela Aizikoviča Kanera, Valentīna Grigorjeviča Pesčanska, Viktora Moiseviča Cukernika, Leva Samoiloviča Palatnika, Igora Ivanoviča Falko.

Lielais hadronu paātrinātājs(kolaiders) (LAK) ir moderns, īpaši jaudīgs daļiņu paātrinātājs, kas, pēc zinātnieku domām, palīdzēs viņiem iekļūt nezināmos matērijas dziļumos. Eksperimenti ar paātrinātāju ļauj sadurties daļiņu starojumam, kuru enerģija ir miljoniem reižu lielāka nekā kodolsintēzes laikā izdalītā enerģija. Optimisti uzskata, ka LAK atklās jaunas daļiņas un laukus, savukārt pesimisti uzskata, ka tas uz visiem laikiem slēgs ne tikai zinātni, bet arī visu civilizāciju, radot visu uzsūcošu melno caurumu.

Visvairāk atceros, kā viens no pagājušā gadsimta ievērojamākajiem teorētiķiem akadēmiķis A. I. Akhiezers iesāka šo lekciju kursa sadaļu, un viņš to sāka ar retorisku jautājumu: kā pareizi, Alberta Einšteina vārdiem runājot, pastāstīt par to “ideju drāmu”, kas pavadīja sāpīgo jaunās zinātnes par apkārtējās pasaules būtību dzimšanu? Nu tad Aleksandrs Iļjičs, būdams izcils pasniedzējs, ieveda mūs vienā no noslēpumainākajām un pievilcīgākajām fizikas sadaļām, kāda ilgu laiku (praktiski kopš tās pirmsākumiem) ir palikusi kvantu mehānika. Otrais šīs zinātnes nozares nosaukums ir viļņu mehānika. Šī ir teorija, kas nosaka mikrodaļiņu (elementārdaļiņu, atomu, molekulu, atomu kodolu) un to sistēmu aprakstīšanas metodi un kustības likumus, kā arī vispārīgo saikni starp daļiņu mikropasauli raksturojošiem un mums apkārt esošās lielās pasaules (makropasaules) fiziskajiem lielumiem.

Klasiskajā fizikā Lagranžs, Huks un Ņūtons apkārtējo dabu uzlūkoja kā abstraktu biljarda bumbu pasauli ar absolūti precīzām telpiskām koordinātēm un ātrumiem.

Pieredze rāda, ka šāds apraksts ne vienmēr ir derīgs elementārdaļiņu mikropasaulei. Klasiskās un kvantu mehānikas attiecības nosaka universālās pasaules konstantes Planka esamība, ko sauc arī par darbības kvantu un sadala visas apkārtējās enerģijas plūsmas sīkās daļās – enerģijas kvantos. Parasti pēdējos sauc vienkārši par kvantiem, un enerģija tiek uzskatīta par kvantizētu. Klasiskās un kvantu fizikas attiecības skaidri ilustrē ļoti vienkāršs piemērs no ģeometrijas. Tāpat kā nepārtrauktas līnijas un virsmas sastāv no neskaitāmiem, bezgalīgi daudziem, neredzamiem punktiem, tāpat dabā tiek kvantēti un sastāv no kvantiem nepārtrauktie procesi.

Kvantu jēdzienu 1900. gadā pirmo reizi ieviesa izcilais vācu fiziķis Makss Karls Ernsts Ludvigs Planks savā darbā par termiskā starojuma paradoksa atrisināšanu. Absolūti Melnā ķermeņa termiskā starojuma (ABB) teorija, kas pastāvēja tajā laikā un balstījās uz klasisko elektrodinamiku un statistisko fiziku, noveda pie pretrunas. Lai to atrisinātu, Planks pieņēma, ka gaisma netiek izstarota nepārtraukti (kā tas izriet no klasiskās radiācijas teorijas), bet noteiktās atsevišķās enerģijas daļās - kvantos. Tātad, apskatīsim tuvāk vienu no dziļākajām plaisām klasiskās fizikas piemineklī.

Deviņpadsmitā gadsimta beigās daudzi fiziķi centīgi centās atrast absolūti melnā ķermeņa starojuma izplatību. AMK modelis ir slēgts dobums ar nelielu atveri. Galvenā absolūti melnā ķermeņa iezīme ir tāda, ka jebkurš starojums, kas iekļūst caur šauro atveri, tiks vairākas reizes atstarots no iekšējās virsmas, pirms tas spēs iziet atpakaļ. Labs AMK modelis ir parastā martena krāsns ar liešanas atveri metālam.

Jūs droši vien esat redzējuši kaut ko, kas izskatās pēc melna ķermeņa. Piemēram, kamīnā gadās, ka vairākas pagales ir sakrautas gandrīz cieši kopā, un tajās izdeg pietiekami liels dobums. Ārpusē pagale paliek tumša un nespīd, savukārt iekšā izdegušajā dobumā uzkrājas siltums (infrasarkanais starojums) un gaisma, un pirms izkļūšanas šie stari atkārtoti atstarojas no dobuma sienām. Ja ielūkojaties plaisā starp šādām pagalēm, jūs redzēsiet spilgti dzelteni oranžu augstas temperatūras spīdumu, un no turienes jūs burtiski sajūtīsiet karstumu. Stari kādu laiku vienkārši bija iesprostoti pagalē.

Pavērosim starojumu no martena krāsns. Pēc metāla, koksa un dažādu piedevu pievienošanas vajadzīgās tērauda markas iegūšanai martena krāsns sāk intensīvi uzkarst. Tajā pašā laikā lietuve (atvere kausējuma novadīšanai) vispirms spīd tumšsarkanā krāsā, pēc tam spilgti sarkanā krāsā un visbeidzot, tieši pirms metāla izplūšanas, mirdz apžilbinoši baltā krāsā.

Absolūti melnā ķermeņa starojuma jaudas atkarība no viļņa garuma. Radiācijas intensitātes reālā atkarība no viļņa garuma dažādām temperatūrām (punktētas līknes) un to izskats saskaņā ar klasisko teoriju (nepārtraukta līnija)

Absolūti melnā ķermeņa starojuma modelis. Lai saprastu, kas ir absolūti melns ķermenis; jāiedomājas doba sfēra ar spoguļveida iekšējo virsmu, kuras vienā no sienām ir izveidots neliels caurums. Gaismas stars, kas iekļūst caur mikroskopisko caurumu, uz visiem laikiem paliek sfēras iekšpusē, bezgalīgi atstarojoties no tās sienām. Priekšmets, kas neatstaro gaismu, bet pilnībā to absorbē, šķiet melns, tāpēc to parasti sauc par absolūti melnu ķermeni. Absolūti melnā ķermeņa starojuma modelis var būt domnas krāsns, karsta ugunskura iekšpuse vai vienmērīga balta gaisma, ko izstaro nokaitēti metāla stieņi.

Visi deviņpadsmitā gadsimta termiskā starojuma likumi tika noteikti tieši AMK, jo tieši tiem var skaidri atšķirt spilgtuma atkarību no temperatūras. Tas ir saprotams, jo visi viļņi, ilgi klaiņojot iekšā AMK dobumā, iznāk vienādi, kā malta gaļa no gaļasmašīnas!

Viens no šiem likumiem tiek saukts par Stefana-Bolcmana likumu, kas nosaukts to zinātnieku vārdā, kuri to atklāja, un tas saista AMK izstaroto enerģiju ar tā temperatūras jaudu ceturtajā pakāpē. Otrais likums, nosaukts austriešu fiziķa Vina vārdā, nosaka, ka jo augstāka ir AMK temperatūra, jo īsāks ir tā viļņa garums. Tā kā gaismas viļņa garums palielinās no ultravioleta starojuma (kas dod mums iedegumu) līdz infrasarkanai gaismai (kas tiek izmantota telpu apsildīšanai un nakts redzamības ierīcēs), tad augstās temperatūrās mirdzošajam baltajam spīdumam pakāpeniski jāaizstājas ar violetu mirdzumu. Taču ne martena krāsnīs, ne visspožākajās ugunīs tādu pāreju mēs nekad neredzēsim.

Kas par lietu?

Pēc kāda laika staru emisijas un absorbcijas intensitāte AMK iekšpusē izlīdzinās. Līdz tam brīdim AMK uzvedība joprojām paliek diezgan saprotama. Problēmas sāk rasties, mēģinot aprēķināt izstarojošo enerģiju, kas uzkrāta līdzsvarā AMK iekšpusē. Un drīz vien kļuva saprotamas divas lietas. Pirmkārt, jo augstāka ir staru viļņu frekvence, jo vairāk to uzkrājas AMK iekšpusē. Otrkārt, jo augstāka ir viļņa frekvence, jo vairāk enerģijas tas nes un attiecīgi vairāk tās uzkrājas AMK iekšienē.

Atcerēsimies, kas ir radiācijas spektrs. Par spektru mēs parasti saucam krāsu joslu, ko veido gaismas stari pēc izlaišanas caur stikla prizmu. Jāprecizē, ka gaisma pēc savas būtības ir elektromagnētiskais starojums jeb elektromagnētiskie viļņi, kas izplatās pa elektromagnētiskajiem laukiem. Stingri noteikta garuma (vai frekvences) elektromagnētiskos viļņus sauc par monohromiem, ko no latīņu valodas var tulkot kā “vienkrāsains”.

Tādējādi elektromagnētiskā starojuma spektrs ir starojuma dalījums tādā veidā, ka katrā virzienā izplatās monohromatisks vilnis. Protams, jēdzienu "spektrs" nemaz nav nepieciešams attiecināt tikai uz elektromagnētisko starojumu. Vispārējā definīcija ir tāda, ka spektrs ir viļņu frekvenču (garumu) kopums, ko satur kāds starojums, vai pat matemātiski: spektrs ir noteikta lieluma vērtību kopums.

Nav iespējams nepateikt vēl dažus vārdus par tāda nozīmīga objekta kā spektrs lomu fizikas vēsturē. Tieši tas bieži spēlē izmanīga detektīva lomu, kurš izmanto savu ievērojamo metodi, spektrālo analīzi, lai izpētītu vissarežģītākos fiziskos paradoksus un teorijas. Tas ir atklājis zvaigžņu gaismas noslēpumus un Saules atmosfērā atklājis jaunu elementu, tas darbojas skolu fizikas kabinetos un kriminālistikas laboratorijās, vada superjutīgus unikālu iekārtu kompleksus starpplanētu automātiskajās stacijās un palīdz atklāt senā Damaskas tērauda noslēpumus.

AMK starojuma spektrālā analīze izraisīja patiesi katastrofālākās sekas visā klasiskajā fizikā. Saskaņā ar klasisko mehāniku un izcilā skotu zinātnieka Džeimsa Klerka Maksvela radīto elektromagnētiskā starojuma teoriju, visa AMK enerģija jāsadala starp visiem visdažādāko garumu viļņiem, kas aizpilda iekšējo dobumu. Tā kā saskaņā ar Vīna likumu maksimālā enerģija krīt uz spektra īsākā viļņa garuma ultravioleto daļu, visiem sakarsētajiem ķermeņiem vajadzētu spīdēt nevis ar sarkanu vai baltu, bet ar neredzamu ultravioleto gaismu. Dabiski, ka šāds rezultāts, ko pirmo reizi izskaitļoja slavenais angļu zinātnieks Lords Reilijs, bija rupjā pretrunā ar novēroto realitāti. Kopā šie secinājumi noveda pie neiedomājama rezultāta: starojuma enerģijai melnā ķermeņa iekšpusē ir jātiecas uz bezgalību! Šī ļaunā ņirgāšanās par klasiskās fizikas likumiem tika nodēvēta par ultravioleto katastrofu, jo augstfrekvences starojums atrodas spektra ultravioletajā daļā. Faktiski Vīna likums attiecas tikai uz krāsu, kas atbilst maksimālajam starojuma spilgtumam, savukārt tiek pieņemts, ka vispārējā plūsmā ir visas krāsas ar gariem viļņu garumiem. Kad AMK tiek uzkarsēts, starojuma krāsu diapazons izplešas īsviļņu daļā, dabiski saplūstot vienā krāsā.

KVANTU ATKLĀŠANA

Viena no mūsdienu vētrainākajām zinātnes revolūcijām sākās ar ļoti pieticīgā, klusā un pedantiskā vācu profesora Maksa Planka darbu. Plankam radās brīnišķīga ideja, ka starojuma teorijā ir jāievieš jauns elements, kas attīstītu klasiskās universālā atomisma idejas citā līmenī, un viņš izvirzīja slaveno postulātu: matērija nevar izstarot starojuma enerģiju citādi, kā tikai ierobežotās porcijās, kas ir proporcionālas šī starojuma frekvencei. Proporcionalitātes koeficients šajā gadījumā ir noteikta universāla konstante, kurai ir mehāniskās darbības dimensija, kuru Planks nosauca par kvantu. Viena kvanta pārvadātā enerģija ir vienāda ar: E = hv, kur v ir starojuma frekvence, un h ir slavenā Planka konstante (ļoti bieži racionālu apsvērumu dēļ fiziķi izmanto vērtību fi=h/2nf, ko sauc arī par Planka konstanti ar svītru). Drīz, balstoties uz eksperimentāliem datiem, Planks aprēķināja darbības elementārā kvanta vērtību, kas attēloja jaunu universālu konstanti: h = 6,626*10-34J*m.

Cilvēces vēsturē Planka atklātie kvanti radīja tādu pašu revolūciju kā Galileja un Ņūtona lielie atklājumi. Klasiskā fizika dominēja daudzus gadsimtus, bet eksperimentālās tehnoloģijas kļuva arvien sarežģītākas, un galu galā eksperimentālie dati sāka būt pretrunā ar tradicionāli iedibinātajām idejām. Tieši tad radās jaunā kvantu zinātne, kas lika mums pārskatīt daudzus klasiskās fizikas pamatprincipus. Tādējādi, nepārtraukti bombardējot eksperimentālos faktus, plaisas pieauga, un tradicionālās zinātnes ēkas fasāde sabruka. Tomēr, neskatoties uz atsevišķu zinātnieku un īpaši filozofu paniku, pēc neizpratnes putekļu nosēšanās, kļuva redzams objektīvo zināšanu nesatricināmais ietvars. Un burtiski nekavējoties brīnišķīgi atlasīta izcilu fiziķu, teorētiķu un eksperimentālistu komanda sāka būvēt jaunas kvantu zinātnes sastatnes.

Lielākais domātājs visā cilvēces vēsturē Alberts Einšteins lielākajai daļai cilvēku ir pazīstams kā noslēpumainās relativitātes teorijas radītājs. Taču zinātnes annālēs viņa pirmie soļi saistās ar pavisam citiem meklējumiem, proti, ar kādu ievērojamu parādību, kas saista elektromagnētisko starojumu un elektrisko strāvu. Šo apbrīnojamo procesu “starojošas vielas pāreju uz elektrisku”, kā rakstīja pagājušā gadsimta zinātniskie žurnāli, 1887. gadā atklāja vācu fiziķis Heinrihs Hercs.

Pareizāk būtu teikt, ka Hercs šo fenomenu nevis atklāja, bet ieviesa fiziskajā zinātnē, jo nesistemātiski novērojumi par saules gaismas ietekmi uz vienkāršu elektroskopu ziedkopu elektrizēšanos tika sastapti jau astoņpadsmitā gadsimta beigās. Ja Hercs zinātnē ieviesa fotoelektriskā efekta jēdzienu, tad izcilais krievu fiziķis Aleksandrs Grigorjevičs Stoletovs par patiesi zinātnisku fenomenu padarīja fotoelektrisko efektu. Profesors Stoletovs pelnīti tiek uzskatīts par jauna eksperimentālās fizikas viļņa radītāju, kas galvenokārt izpaužas dabaszinātnieku skolas izveidē Maskavas universitātē.

Fotoelektriskā efekta fenomens.

Izstrādājot Planka kvantu koncepcijas, Einšteins 1905. gadā izveidoja fotoelektriskā efekta teoriju. Einšteins ierosināja, ka gaisma tiek ne tikai izstarota un absorbēta, bet arī izplatās kvantos, tas ir, ka diskrētums ir raksturīgs ne tikai gaismas emisijas un absorbcijas procesiem, bet arī pašai gaismai, ka gaisma sastāv no atsevišķām daļām - gaismas kvantiem.

Pētot apgaismojuma ietekmi uz lādiņa rašanos vadītājos un dielektriķos, Aleksandrs Grigorjevičs izstrādāja pasaulē pirmo vakuuma cauruli, kas bija stikla caurule, no kuras tika izsūknēts gaiss, ar galos pieslēgtiem elektrodiem. Tuvinot caurulei spēcīgu elektriskās izlādes lampu, zinātnieks nekavējoties fiksēja elektriskās strāvas parādīšanos. Ja fotoelektriskā efekta ārējā puse kopumā bija vairāk vai mazāk saprotama, tad iekšējais saturs nemaz neatbilda klasiskās elektrodinamikas principiem. Patiešām, apzinoties noteiktu “elektrības elementārķermeņu atšķirīgā lādiņa stāvoklī” esamību, tā laika fizika paredzēja, ka lādiņu ģenerēšanas process noritēs ar elektromagnētisko vilni līdzīgi, piemēram, ābeles svārstībām — kristāla režģi, kas piepildīts ar nobriedušiem āboliem — elektroniem. Šajā iedomātajā attēlā elektromagnētisko spēku pielietošana izraisīs pakāpenisku elektronu ābolu “krusas” augšanas procesu, palielinoties gaismas viļņu režģa - stumbra šūpošanas amplitūdai.

Diemžēl! Realitātē viss izskatījās pavisam savādāk! Pietika ieslēgt gaismas avotu, un ārējā ķēdē nekavējoties parādījās strāva. Turklāt drīz vien kļuva skaidrs, ka fotoelektriskā efekta novērošanai ir piemērota ne katra gaisma. Pat augstas intensitātes sarkanā gaisma nevarēja “iesākt” procesu, bet pilnīgi pietika ar vāju saules staru. Process izrādījās bija diezgan dīvains, it kā spēkavīrs ar lēnām kustībām šūpojas un šūpo stumbru, noliecot to gandrīz līdz zemei, bet neviens ābols nenokrīt, bet tad pienāk bērns, strauji uzsit tam ar mazu āmuru - un uzreiz nobirst augļu straume. Neskaitāmu eksperimentu gaitā Stoletovs nonāca tuvu fotoelektriskā efekta mīklas atrisināšanai, taču galīgais risinājums šeit bija jāmeklē citam mūsu laika ģēnijam – Einšteinam.

To, kas ir elektromagnētiskais vilnis, var viegli iedomāties, izmantojot šādu piemēru. Ja jūs izmetat priekšmetu uz ūdens virsmas, uz virsmas veidosies viļņi, kas izplatīsies apļos. Tie pārvietojas no savas izcelsmes (traucējuma) avota ar noteiktu izplatīšanās ātrumu. Elektromagnētiskajiem viļņiem interference ir elektriskie un magnētiskie lauki, kas pārvietojas telpā. Laika gaitā mainīgs elektromagnētiskais lauks noteikti izraisa mainīga magnētiskā lauka parādīšanos un otrādi. Šie lauki ir savstarpēji saistīti.

Tobrīd bija pagājuši tikai nedaudz vairāk kā pieci gadi kopš Planka darbības kvanta dzimšanas, taču jauns Bernes patentu biroja darbinieks drosmīgi ķērās pie Planka revolucionārā modeļa attīstīšanas, pārnesot tā radītāja idejas par elektromagnētiskās enerģijas kvantēšanu gaismas plūsmas korpuskulārajā struktūrā. Patiešām, šī pieeja (starp citu, pazīstama jau ilgi pirms Ņūtona, kura vārds parasti tiek saistīts ar jēdzienu "gaismas korpuskulas") ļāva viegli izskaidrot visas fotoelektriskā efekta pretrunas. Pietika pieņemt, ka nedalāmai gaismas daļiņai - fotonam, kas izsit elektronu no metāla virsmas, ir jābūt noteiktai “sliekšņa enerģijai”, un viss nostājās savās vietās.

BORA ATOMS

Viss turpmākais kvantu zinātnes attīstības periods ir nesaraujami saistīts ar cita "jaunā matērijas skatījuma pamatlicēja" vārdu - Nilsu Boru (1885-1962). Šis slavenais dāņu zinātnieks savu zinātnisko karjeru sāka vietā, kas ir svēta ikvienam fiziķim – Kembridžas universitātes Kevendiša laboratorijā. Tieši šeit jaunais zinātnieks paša sera Rezerforda vadībā sāka konstruēt jaunus atomu struktūru modeļus. Šajā periodā zinātnes debesīs uzdzirkstīja pirmais vairāk vai mazāk pareizais Rezerforda planetārais atoms. Šis modelis ar savu skaidrību, vienkāršību un dziļo jēgu (Visums atomā!) ilgu laiku piesaistīja sabiedrības uzmanību un joprojām (!) ir atrodams dažās neveiksmīgās mācību grāmatās un populārzinātniskās publikācijās. Kāpēc neveiksmīgās?

Fakts ir tāds, ka, rotējot ar centrbēdzes paātrinājumu ap atoma kodolu, elektronam saskaņā ar elektrodinamikas likumiem nekavējoties jāizstaro enerģija un jākrīt uz kodolu. Jaunajam dāņu teorētiķim Nilsam Boram, kurš ieradās Anglijā stažēties pēc doktora disertācijas aizstāvēšanas savā zemē, izdevās atrisināt šo problēmu un novirzīt fiziķus pa atoma uzbūves izpratnes pareizo ceļu. Bors par savu sākumpunktu izvēlējās jaunos kvantu mehānikas postulātus, saskaņā ar kuriem subatomārā līmenī enerģija tiek izstarota tikai kvantu porcijās.

Saskaņā ar Bora mācību grāmatas postulātiem elektrons neizstaro enerģiju, atrodoties "stacionārās" orbītās. Šajā gadījumā pašu elektromagnētiskās enerģijas kvantu izstarojošo darbību salīdzina ar pāreju: no“augstas” orbītas – “zemā” orbītā.

Tolaik Bors nevarēja izskaidrot dīvainos elektronu uzvedības noteikumus atoma iekšienē, taču viņš jau nojauta, ka šīs atsevišķās, diskrētās orbītas ir kaut kādā veidā saistītas ar zinātnei vēl nezināmiem kvantu kustības likumiem. Bora pieņēmumi balstījās uz faktu, ka tieši kvantu kustības unikalitāte atšķir atsevišķas orbītas no visas iespējamās to kopas.

Tas viss jau bija nopietni pretrunā ar planetāro analoģiju, jo saskaņā ar klasiskās mehānikas likumiem elektronu orbītām vajadzēja būt pilnīgi citādām. Izrādījās, ka tiešas kvantu kustības iezīmes atoma iekšienē izpaudās tikai atsevišķu izvēlētu elektronu transdislokācijas stāvokļu klātbūtnē.

Pēc tam, pēc kvantu zinātnes attīstības, kļuva skaidrs, ka no tā kā sava veida aptuvens likums organiski izriet Bora atomu postulāti par stabilām orbītām. Tajā pašā laikā ir orbīta ar zemāko iespējamo enerģiju, kurā elektrons var atrasties neierobežotu laiku. Zinātniskā izteiksmē Bors parādīja, ka elektrons nevar atrasties patvaļīgā attālumā no atoma kodola, bet var atrasties tikai fiksētu orbītu sērijās, ko noauca par “atļautajām orbītām”. Elektroni šādās orbītās nevar izstarot patvaļīgas intensitātes un frekvences elektromagnētiskos viļņus, pretējā gadījumā tiem, visticamāk, nāktos pārvietoties uz zemāku, neatļautu orbītu. Tāpēc tie tiek turēti savā augstākajā orbītā, kā lidmašīnas izlidošana no lidostas, kad galamērķa lidosta ir slēgta sliktu laikapstākļu dēļ.

Tomēr elektroni var pārvietoties uz citu atļauto orbītu. Tāpat kā lielāko daļu kvantu mehānikas pasaules fenomenu, arī šo procesu nav viegli vizualizēt. Elektrons vienkārši pazūd no vienas orbītas un materializējas citā, nešķērsojot telpu starp tiem. Šo efektu sauca par "kvantu lēcienu". Bora noteikumi par atomu orbītu kvantēšanu izskaidroja ne tikai apbrīnojamo mums apkārt esošo atomu stabilitāti, bet arī apbrīnojamo faktu, ka atomi izstaro stingri noteiktas frekvences gaismu. Bors izteica šīs frekvences, izmantojot kodola un elektronu lādiņu vērtības, to masas un Planka konstanti. Tādējādi Bora noslēpumainie kvantēšanas noteikumi, sāka aprakstīt visas svarīgākās atomu īpašības.

Nākamais kvantu fizikas triumfa posms bija gaismas rakstura vai plašākā nozīmē elektromagnētiskā starojuma analīze, kas, kā izrādījās, sastāv no kvantiem - fotoniem. Svarīgs notikums mūsdienu pasaules attēla radīšanā bija tas, ka (tas tika parādīts eksperimentāli) brīvo elektronu gaismas izkliede notiek saskaņā ar divu daļiņu elastīgās sadursmes likumiem. Tādējādi tika atklātas gaismas korpuskulārās īpašības un eksperimentāli pierādīts, ka līdz ar viļņu īpašībām gaisma, šķiet, sastāv no daļiņām. Šeit izpaužas gaismas dualitāte (duālisms), tās korpuskulārā viļņu daba. Radās loģiska pretruna: lai izskaidrotu dažas parādības, bija jāņem vērā, ka gaismai ir viļņu raksturs, bet, lai izskaidrotu citas, tai ir korpuskulāra daba. Šīs pretrunas atrisināšana noveda pie kvantu mehānikas fizikālo pamatu radīšanas.

Kad Džons Daltons pirmo reizi mūsdienu zinātnes vēsturē ierosināja matērijas uzbūves atomu teoriju, atomi viņam šķita nedalāmi kā mikroskopiskas biljarda bumbiņas. Tomēr visā deviņpadsmitajā gadsimtā kļuva arvien skaidrāks, ka tāds modelis ir nepieņemams. Pagrieziena punkts šeit bija izcilo angļu eksperimentālo fiziķu Džozefa Džona Tomsona un Ričarda Rezerforda atklājums. Pēc šo zinātnieku eksperimentiem kļuva pilnīgi skaidrs, ka atoms ir ne tikai dalāms, bet tam ir sarežģīta uzbūve: tas sastāv no masīva, pozitīvi lādēta centrālā kodola un ap to kustīgiem viegliem, negatīvi lādētiem elektroniem. Tūlīt radās jauna problēma: šādi sastādīts atoms nebūs stabils un nekavējoties sadalīsies.

Pretrunu Bors novērsa, piemērojot elektronu stāvokļu kvantu teoriju atomu orbītās.

Ja elektrons nolec uz zemāku orbītu, tas zaudē enerģiju un attiecīgi izstarojot gaismas kvantu - noteiktas enerģijas fotonu ar fiksētu viļņa garumu. Pēc acs mēs atšķiram dažādu enerģiju fotonus pēc krāsas, tātad karstam metālam ir dzeltenbalta krāsa, volframa stieple elektriskā spuldzē ir dzeltena, ugunskura ogles ir dziļi sarkanas, bet dažādas inertās gāzes neona reklāmas spuldzēs mirdz visās varavīksnes krāsās. Bet, lai pārietu uz augstāku orbītu, elektronam attiecīgi ir jāabsorbē fotons.

ar atoma planētu modeli radās principiālas problēmas. Pirmkārt, saskaņā ar fizikas likumiem šāds atoms nevarēja pastāvēt ilgāk par vienu mirkļa daļu. Saskaņā ar mehānikas likumiem elektrons orbītā pārvietojas ar paātrinājumu. Tāpēc tam vajadzētu izstarot elektromagnētisko enerģiju un drīz iekrist kodolā. Klasiskā modeļa pretrunas atrisināja Bors savā formālajā atoma modelī, elektrons pārvietojas stacionārās orbītās, neizstarojot; elektromagnētiskā lauka kvanta emisiju pavada tā pāreja uz zemāku orbītu, un tā paša fotona absorbcija tiek pavadīta ar lēcienu uz augstāku līmeni.

Nilss Bors, Kopenhāgenas kvantu mehānikas skolas dibinātājs (Prinstona, ASV, 1948)

Nilss Bors ir viens no galvenajiem mūsdienu ideju attīstītājiem par atomu un elementārdaļiņu pasauli. Bors izveidoja pirmo atoma struktūras kvantu modeli un par to 1922. gadā viņam tika piešķirta Nobela prēmija fizikā. Papildus izcilajiem zinātniskajiem sasniegumiem viņš bija skolotājs veselai visas pasaules fiziķu paaudzei, un viņu dziļi cienīja pat viņa zinātniskie oponenti, piemēram, Einšteins, Heizenbergs un de Broils, kuriem par kvantu teorijas filozofiskajiem pamatiem bija atšķirīgi uzskati.

Bora atoma attēlā elektroni pārvietojas augšup un lejup pa orbītām diskrētos lēcienos — no vienas atļautās orbītas uz otru, tāpat kā mēs kāpjam augšup un lejup pa kāpņu pakāpieniem. Katru lēcienu obligāti pavada elektromagnētiskā starojuma enerģijas kvanta - fotona - emisija vai absorbcija.

Mūsdienās atomu spektroskopijas speciālisti var viegli aprēķināt šo viļņu raksturlielumus un interpretēt tos, lai izskaidrotusarežģītāko atom struktūras īpašības. Tomēr tieši Bors spēra pirmos soļus šajā virzienā tālajā 1913. gadā, zibenīgi iezīmējot gandrīz visas galvenās mūsdienu atomu fizikas kvantu mehānikas iezīmes.

Nākamo liktenīgo soli jaunajā zinātnē 1924. gadā veica izcilais franču fiziķis, vēlākais Nobela prēmijas laureāts Luijs de Broils. De Broils ilgi domāja par Bora atomu postulātu skaidrojumu un atomu orbītu kvantēšanas principiem. Savu pārdomu rezultātā viņš izvirzīja hipotēzi par korpuskulāro viļņu duālisma universālumu. Saskaņā ar šo hipotēzi katrai daļiņai neatkarīgi no tās būtības ir jāpiešķir vilnis, kura garums ir saistīts ar daļiņas impulsu. Tas ir, ne tikai fotoniem, bet arī visām “parastajām daļiņām” (elektroniem, protoniem utt.) piemīt viļņu īpašības, kurām it īpaši vajadzētu izpausties daļiņu difrakcijā.

KORPUSKULU-VIĻŅU DUĀLISMS

Laika gaitā Bora intuitīvā hipotēze kvantu mehānikas likumu ietvaros padevās stingram sistemātiskam formulējumam un jo īpaši elementārdaļiņu duālās dabas jēdzienam - korpuskulāro viļņu dualitātei. Mūsdienās elektroni mums šķiet nevis kā mikroskopiskas planētas, kas riņķo ap atoma kodolu, bet gan kā to orbītās šļakstoši varbūtību viļņi, kā bēgums un paisums sarežģītas formas baseinā.

De Broila attiecības fiziskā nozīme slēpjas faktā, ka viena no jebkuras daļiņas fiziskajām īpašībām ir ātrums. Tajā pašā laikā fiziķi vairāku teorētisku un praktisku iemeslu dēļ dod priekšroku runāt nevis par daļiņas ātrumu kā tādu, bet gan par tās impulsu (vai kustības daudzumu), kas ir vienāds ar daļiņas ātruma un masas reizinājumu. Vilni raksturo pilnīgi atšķirīgi fundamentālie raksturlielumi - garums (attālums starp divām blakus esošām vienas zīmes amplitūdas virsotnēm) vai frekvence (vērtība, kas ir apgriezti proporcionāla viļņa garumam, tas ir, virsotņu skaits, kas iet caur fiksētu punktu laika vienībā). De Broilam izdevās formulēt attiecības, kas savieno kvantu daļiņas impulsu ar tās viļņa garumu. Šīs attiecības burtiski nosaka sekojošo: pēc vēlēšanās, var uzskatīt, ka kvantu objekts ir daļiņa ar impulsu; vai, to var uzskatīt arī par vilni. Citiem vārdiem sakot, kvantu daļiņas viļņu un korpuskulārās īpašības ir būtiski savstarpēji saistītas.

De Broila attiecības ļāva izskaidrot vienu no lielākajiem jaunās kvantu mehānikas noslēpumiem. Kad Nilss Bors ierosināja savu atoma modeli, tas ietvēra jēdzienu par atļautajām orbītām elektroniem ap kodolu, kurā tie varēja griezties tik ilgi, cik vēlas, nezaudējot enerģiju. Izmantojot de Brigli attiecību, mēs varam ilustrēt šo koncepciju. Ja mēs uzskatām elektronu par daļiņu, tad, lai elektrons paliktu savā orbītā, tam ir jābūt vienādam ātrumam (vai, precīzāk, impulsam) jebkurā attālumā no kodola.

Ja mēs uzskatām elektronu par vilni, tad, lai tas ietilptu noteiktā rādiusa orbītā, šīs orbītas apkārtmēra garumam jābūt vienādam ar veselu tā viļņu garumu skaitu. Citiem vārdiem sakot, elektrona orbītas apkārtmērs var būt vienāds tikai ar vienu, diviem, trim (un tā tālāk) tā viļņu garumiem. Pretējā gadījumā elektrons vienkārši nenonāks vēlamajā orbītā.

De Broila attiecības galvenā fiziskā nozīme ir tāda, ka mēs vienmēr varam noteikt orbītā esošo elektronu atļauto momentu (korpuskulārajā attēlojumā) vai viļņu garumus (viļņu attēlojumā). Tomēr lielākajai daļai orbītu de Broila sakarība parāda, ka elektronam (tiek uzskatīts par daļiņu) ar noteiktu impulsu nevar būt atbilstošs viļņa garums (viļņu attēlojumā), lai tas iekļautos šajā orbītā.

Un otrādi, elektronam, kas tiek uzskatīts par noteikta garuma vilni, ne vienmēr būs atbilstošs impulss, kas ļaus elektronam palikt orbītā (korpuskulārajā attēlojumā). Citiem vārdiem sakot, lielākajai daļai orbītu ar noteiktu rādiusu viļņu vai korpuskulārais apraksts parādīs, ka elektrons nevar atrasties šajā attālumā no kodola.

Tomēr ir neliels skaits orbītu, kurās elektrona viļņu un korpuskulārie attēlojumi sakrīt. Šajās orbītās impulss, kas nepieciešams, lai elektrons kustētos pa orbītu (daļiņas veidā), precīzi atbilst viļņa garumam, kas nepieciešams, lai elektronu ievietotu aplī (viļņa veidā).

Tieši šīs orbītas ir atļautās atoma Bora modelī, jo tikai uz tām elektronu korpuskulārās un viļņu īpašības nav pretrunā.

Kvantu mehānikā viens no klasiskās mehānikas pamatjēdzieniem — momentālā ātruma jēdziens — zaudē savu nozīmi. Tāpat arī jēdziens par daļiņas enerģiju noteiktā laika momentā kļūst bezjēdzīgs. Galu galā enerģija ir saistīta ar frekvenci, bet frekvences jēdziens attiecas uz bezgalīgu harmonisku svārstību procesu laikā.

Apgalvojums, ka elektronu var tikai aptuveni uzskatīt par materiālu punktu, nozīmē, ka tā koordinātes, impulsu un enerģiju var norādīt tikai aptuveni. To kvantitatīvi izsaka Heizenberga nenoteiktības attiecība.

Saskaņā ar nenoteiktības principu, jo precīzāk, piemēram, ir fiksēts impulss, jo lielāka būs nenoteiktība koordinātu vērtībās. Saskaņā ar nenoteiktības principu viens no svarīgākajiem klasiskās mehānikas jēdzieniem, daļiņas trajektorijas jēdziens, zaudē savu nozīmi. Galu galā šī koncepcija pieņem, ka daļiņa jebkurā laika brīdī atrodas noteiktā telpas punktā un tai ir impulss, kas ir vērsts tangenciāli uz trajektoriju. Tagad vairs nevar teikt, ka daļiņa pārvietojas pa kādu līniju. Ņūtona kustības apraksts mikropasaulē kļūst neiespējams un bezjēdzīgs.

Ložu sadalījums mērķī un dubultspraugas eksperiments

Sadalījums A, B un C atbilst gadījumiem, kad ir atvērtas tikai spraugas A, tikai spraugas B vai abas spraugas. Varētu sagaidīt sadalījumu A+B, bet eksperiments dod sadalījumu C. Klasiskajā mehānikā un mūsu ikdienā jebkura materiāla daļiņa ir materiāls objekts, kas atrodas noteiktā laika brīdī noteiktā vietā, ar noteiktu enerģiju un ātrumu. Šajā gadījumā tiek pieņemts, ka daļiņu parametru precizitāte var būt jebkura. Saistot daļiņas impulsu ar tās viļņa garumu, mēs iegūstam bezgalīga sinusoīda attēlu, kas stiepjas visā telpā. Tāpēc izteicienam "viļņa garums noteiktā punktā" nav nozīmes, tāpat kā punktveida impulsa jēdzienam.

Klasiskajā fizikā, kas balstīta uz Ņūtona principiem un piemērojama mūsu parastajā pasaulē esošajiem objektiem, mēs esam pieraduši ignorēt faktu, ka mērinstruments, mijiedarbojoties ar mērīšanas objektu, ietekmē to un maina tā īpašības, tostarp, faktiski, mērītos lielumus.

Ieslēdzot telpā gaismu, lai atrastu grāmatu, jūs pat nedomājat par to, ka radītā gaismas staru spiediena ietekmē grāmata var izkustēties no savas vietas un jūs nepazīsiet tās telpiskās koordinātas, kas izkropļojās jūsu ieslēgtās gaismas ietekmē. Intuīcija mums saka (šajā gadījumā pilnīgi pareizi), ka mērīšanas akts neietekmē mērīšanas objekta izmērītās īpašības. Tagad padomājiet par procesiem, kas notiek subatomārā līmenī.

Pieņemsim, ka man ir jānosaka elektrona telpiskā atrašanās vieta. Man joprojām ir nepieciešams mērinstruments, kas mijiedarbosies ar elektronu un atgriezīs signālu maniem detektoriem ar informāciju par tā atrašanās vietu. Un tad rodas grūtības: man, izņemot citas elementārdaļiņas, nav citu instrumentu, kā mijiedarboties ar elektronu, lai noteiktu tā atrašanās vietu telpā.

Apkārtējiem objektiem, piemēram, vienai un tai pašai grāmatai, to atrašanās vieta telpā nav atkarīga no tā, vai mēs uz to skatāmies vai nē. Bet mikropasaulē nav iespējams “paskatīties” uz daļiņu, neizmainot tās stāvokli.

Termins “telpiskās koordinātes nenoteiktība” nozīmē, ka mēs nezinām precīzu daļiņas atrašanās vietu. Piemēram, ja izmantojat globālo pozicionēšanas sistēmu (GPS), lai noteiktu šīs grāmatas atrašanās vietu, sistēma to aprēķinās ar dažu metru precizitāti. Tātad no GPS operatora viedokļa grāmata ar zināmu varbūtību var atrasties jebkur dažu kvadrātmetru robežās.

Situāciju var ievērojami optimizēt, ja ņemam palīgā parastu lineālu - šajā gadījumā varam teikt, ka grāmata atrodas, piemēram, 4 m 11 cm no vienas sienas un 1 m 44 cm no otras. Bet arī šeit mūs ierobežo mērījumu precizitāte ar mērlentes skalas minimālo dalījumu (pat ja tas ir milimetrs) un pašas ierīces mērījumu kļūdas - un labākajā gadījumā mēs varēsim noteikt objekta telpisko stāvokli ar precizitāti līdz minimālajām skalas dalījuma vērtībām.

Jo precīzāku ierīci mēs izmantojam, jo precīzāki būs iegūtie rezultāti, mazāka būs mērījumu kļūda un mazāka nenoteiktība. Principā mūsu ikdienas pasaulē ir pilnīgi iespējams samazināt nenoteiktību līdz nullei un aprēķināt grāmatas koordinātes precīzi.

MATĒRIJAS VIĻŅI

Klasiskajā zinātnē varbūtības atspoguļojas Laplasa slavenajā apgalvojumā, ka, ja pastāvētu novērotājs, kas noteiktā brīdī apzinātos visus dabas spēkus šo spēku pielietojuma vietās, tad "nepaliktu nekas, kas tam būtu neskaidrs, un tā skatiena priekšā parādītos gan nākotne, gan pagātne". To sauc par Laplasa determismu. Protams, šis apgalvojums nav izsmelts ar iepriekš minēto Laplasa apgalvojumu par visuzinošo saprātu. Tas atspoguļo smalku un dziļu ideju sistēmu par realitāti un tās izzināšanas veidiem.

No Laplasa determisma viedokļa Ņūtona mehānika ar tās nepārprotamajiem likumiem ir jebkuras zinātniskās teorijas kanons, zinātnisko zināšanu ideālā kopsumma. Jebkurai teorijai no šī viedokļa ir izsmeļoši jāapraksta realitātes īpašības, pamatojoties uz stingri nepārprotamiem mehāniskiem likumiem.

Dažas kvantu fizikas interpretācijas ir konstruētas no Laplasa determisma viedokļa. Tās izstrādāja tādi izcili zinātnieki kā Planks, Einšteins, Šrēdingers un Luijs de Broils. Viņi un viņu daudzie sekotāji apgalvoja, ka kvantu mehānikas fundamentālās varbūtības raksturs nozīmē, ka tā kā fizkāla teorija ir nepilnīga.

Bora, Borna, Brilljuena zinātniskās skolas, kā arī visi tie, kas uzskatīja kvantu mehāniku kā pilnvērtīgu un likumīgu fizikālo teoriju, iebilda pret šo kvantu mehānikas interpretāciju. Lai gan joprojām turpinās diskusijas par varbūtības attēlojumu statusu mūsdienu fizikā, kvantu mehānikas attīstība pakāpeniski vājina Laplasa determisma piekritēju pozīcijas.

Vispārīgi runājot, apspriežot kvantu fizikas varbūtību raksturu un klasiskās mehānikas determismu, jāsaprot, ka nejaušība var radīt jaunas vēsturiskas vienības ne tikai mikroobjektu līmenī.

Zinātniskā izpēte daudzējādā ziņā ir līdzīga izsmalcināti izstrādātu noziegumu atrisināšanai, tikai tā ir nesalīdzināmi aizraujošāka un izklaidējošāka. Tāpēc, runājot par zinātnisko atklājumu vēsturi, ir jāpievērš uzmanība to autoru loģiskajām konstrukcijām. Atcerēsimies nesalīdzināmo Agatas Kristi detektīvu Herkulu Puaro, kā viņš pēta sarežģītas detektīvu mīklas, brīžiem atgriežoties pie izmeklēšanas sākuma, brīžiem pārlecot cauri vairākām epizodēm līdz kādai viņu interesējošai detaļai, brīžiem pārdomāti apstājoties un pārejot pie kādas pavisam citas versijas.

Matērijas viļņi

"Lai gan mēs runājam noteiktā valodā un lietojam īpašus jēdzienus; tas ne vienmēr nozīmē, ka reālajā pasaulē ir kaut kas atbilstošs" Roberts Openheimers - amerikāņu fiziķis, viens no atombumbas radītājiem

Ko līdzīgu piedzīvos arī lasītājs, sajūtot, kā sižetam sarežģijoties, lēno, vienmērīgo dabas vēstures plūdumu (tā iepriekš sauca visas dabaszinātnes, ieskaitot fiziku) nomainīja iztēli pārsteidzoša vētraina atklājumu straume. Bet deviņpadsmitais gadsimts iezīmējās zinātnē ar lieliem nopelniem: atjautīgas tvaika turbīnas, elektrība, radioaktivitāte, rentgena stari un Herca eksperimenti ar elektromagnētiskajām svārstībām. Tomēr pavērsiens zinātnes atziņās un bez pārspīlējuma arī cilvēces civilizācijas vēsturē bija nesalīdzināmi dziļāks un fundamentālāks.

Pagātnes zinātne visās dabas vēstures daļās ir diezgan veiksmīgi izmantojusi mehānisko pieeju. Faktiski pat tagad gandrīz viss skolas fizikas kurss ir balstīts uz klasisko mehāniku. Tomēr deviņpadsmitā gadsimta beigās klasiskās fizikas majestātiskajai celtnei izskrēja pirmās draudīgās neizprotamo paradoksu plaisas. Tiesa, sākumā nevienam pat nebija aizdomu, ka fasādes kosmētiskā remonta vietā, lai saglabātu vismaz ēkas vispārējās kontūras, būs jāpārskata pat fizikālie pasaules skatījuma pamatu principi. Divdesmitā gadsimta zinātniskā revolūcija parādīja, cik dramatisks var būt zinātnisko ideju liktenis, ja ar tām iepazīstas ne tikai no mācību grāmatām.

Tomēr vislabāk būtu ieklausīties šo iespaidīgo zinātnes sasniegumu aculiecinieku un veidotāju vārdos. Lielais Einšteins par to rakstīja: "Tā ir drāma, ideju drāma." Un veselas jaunas fizikas sadaļas - viļņu kvantu mehānikas - veidotājs, slavenais franču fiziķis Luiss de Broils vēlāk ar rūgtumu atzīmēja: “Autori, kuri tagad raksta traktātus par kvantu mehāniku, gandrīz vairs nerunā par pamatidejām, kas to radīja. Šķiet, ka viņi pat dod priekšroku terminam "kvantu mehānika", nevis terminam "viļņu mehānika", kas, viņuprāt, izraisa neprecīzu vai bezjēdzīgu fizikāloprocesu attēlojumu. Tikmēr tieši viļņu mehānika un no tās atvasinātie viļņu vienādojumi paliek visas mūsdienu kvantu teoriju matemātiskās attīstības pamatā; Bez tiem mūsdienās nebūtu traktātu par kvantu mehāniku.

Ar savu skaidrību un vienkāršību Rezerforda-Bora planētas atoma modelis ieguva diezgan daudz atbalstītāju fiziķu, ķīmiķu un pat astronomu vidū, kuri tajā saskatīja vispārīgu Visuma uzbūves pamatshēmu. Tajā pašā laikā lielākā daļa zinātnieku, apdulluši no jaunas informācijas plūsmas, pat nepiešķīra lielu nozīmi kliedzošajām pretrunām ar klasisko elektrodinamiku.

Bora un viņa kolēģa Arnolda Zomerfelda darba rezultātā tika izveidots tā sauktais formālais atoma modelis (formmodelis), kam bija nozīmīga loma atomfizikas vēsturē. Daudzi Zommerfelda skolēni un kolēģi, tostarp Volfgangs Pauli, Džordžs Ulenbeks un Semjuels Goldsmits, mēģināja noskaidrot atomu formas modeļa noslēpumainā paredzamā spēka nozīmi. Tieši viņi nāca klajā ar ļoti izteiksmīgu modeli, lai vizuāli izskaidrotu veselu virkni noslēpumaino īpašību atomu formas modelim, ko viņi sauca par mikrodaļiņu spinu. Sākumā šī ideja attiecās tikai uz elektronu, kas sāka atgādināt mikroskopisku virsotni, kas rotē ap savu asi. Kopumā šāds modelis turpināja tradīciju attīstīt analoģijas starp atomu un Saules sistēmu, jo papildus tās kustībai pa eliptisku orbītu ap Sauli, mūsu planēta griežas arī ap savu asi.

Interesanti, ka šo analoģiju pirmais pamanīja topošais Nobela prēmijas laureāts Arturs Komptons (slavenā “Komptona efekta”- mikroviļņu starojuma viļņa garuma palielināšanās, saskaroties ar elektronu straumi, autors), taču pēc Pauli skarbās kritikas no tās atteicās. Zommerfelda jaunais aspirants kaislīgi centās pierādīt, ka tiešā līdzība starp elektronu un rotējošu mikroobjektu neiztur kritiku.

No otras puses, kvantu vilciņa jeb spina attēla nozīme varēja būt kaut kādā veidā saistīta ar tolaik nesaprotamo Pauli principu, kas aizliedza apsvērt divu "viena spina daļiņu" kopas.

Starp citu, tieši šis princips pirmo reizi ļāva racionāli izskaidrot Mendeļejeva ķīmisko elementu periodiskās tabulas konstruēšanas fizikālos pamatus.

Pauli kritiku savulaik atbalstīja Lorencs, kurš uzskatīja, ka elektrona griešanās ātrums var viegli pārsniegt gaismas ātrumu, kas ir pretrunā ar relativitātes teorijas principiem.

Jāteic, ka hipotēze par griešanos kvantu mikroobjektos fiziķu vidū joprojām izraisa karstas diskusijas. Taču tāds ir visu pietiekami dziļo ideju liktenis, kas skar Visuma pamatus, kuru izpratni katra jaunā zinātnieku paaudze veic jaunā līmenī.

Lai kā arī būtu, atomu modelis drīz vien izsmēla visas savas iespējas un kopā ar Rezerforda-Bora planetāro shēmu iegāja atomfizika vēsturē. Neskatoties uz to, Bora Kopenhāgenas skolas nopelni jaunās kvantu mehānikas attīstībā ir vienkārši nenovērtējami.

Izpētījuši atomu ar formālo modeli, zinātnieki vienlaicīgi sāka meklēt noslēpumainās viļņu funkcijas fizikālo nozīmi. Pirmos panākumus šeit guva divi atzīti intelektuālie līderi kvantu fizikas attīstībā: Verners Heizenbergs un Ervins Šrēdingers. Neatkarīgi viens no otra viņi ieguva problēmas risinājumu, izmantojot pilnīgi dažādas metodes. Heizenbergs izstrādāja tā saukto kvantu mehānikas matricas formu, bet Šrēdingers atvasināja savu slaveno vienādojumu, kas apraksta kvantu sistēmu uzvedību.

Šrēdingera vienādojums matemātiski ir otrās kārtas daļējs diferenciālvienādojums. Matemātiskajā fizikā šādi vienādojumi apraksta dažādu lielumu uzvedību, kas laika gaitā mainās, piemēram, kosmosa kuģa koordinātes, cunami viļņa ātrumu un augstumu vai kvantu ģeneratora — māzera vai lāzera — staru kūļa enerģijas blīvumu.

VIĻŅU FUNKCIJA

Ja sāksim risināt kādu no kvantu vienādojumiem, tad gala formā iegūsim vēlamā daudzuma atkarību no daudziem citiem parametriem, piemēram, ātruma atkarību no laika. Matemātikā visas tādas atkarības, kad viens vai vairāki lielumi noteiktā veidā ir atkarīgi no cita lieluma (lielumu grupas), sauc par funkcijām.

Šrēdingera vienādojumā vēlamais lielums ir tā sauktā viļņa funkcija. Šī noslēpumainā /

/-funkcija (apzīmēta ar šo grieķu alfabēta burtu) ļoti labi darbojas tehniskajos kvantu optikas aprēķinos, taču tās fiziskā nozīme joprojām kalpo par pamatu, lai laiku pa laikam uzliesmotu zinātniskas polemikas. Vienīgais, kas šeit šķiet konsekvents, ir tas, ka /?a/-funkcija kvadrātā apraksta konkrēta notikuma varbūtību kvantu pasaulē. Citiem vārdiem sakot, viļņa funkcijas kvadrāts ļauj aprēķināt varbūtību atrast mikrodaļiņu noteiktā telpas punktā noteiktā laika brīdī. Tādā veidā tiek noteikta varbūtība, ka patvaļīgs kvantu objekts atradīsies noteiktā vietā un noteiktā laikā noteiktu ar to notiekošu procesu rezultātā. Visbiežāk tas izskatās kā risinājums mikroobjekta parametru noteikšanai pēc tā mijiedarbības ar mērierīci. Šī varbūtība veido tā saukto “varbūtības viļņu” jēdzienu, kas nosaka mikrodaļiņu pēdu statistisko sadalījumu difrakcijas eksperimentos.

Mēģinājums atrisināt Šrēdingera vienādojumu tā vispārīgākajā formā

mūsdienu teorētiķiem, pat nodrošinātiem ar jaudīgām skaitļošanas sistēmām ir diezgan grūts uzdevums. Protams, eksperimentālos fiziķus interesē pavisam citi risinājumi, kurus viņi iegūst īpašu stacionāru problēmu ietvaros. Šajās problēmās tiek pieņemts, ka meklētās /?a/-funkcijas vērtības atrodas pie noteikta “vidējo vērtību” apgabala, kas, savukārt, nav atkarīgs no laika. Protams, stacionāros uzdevumos iegūtos risinājumus ir grūti saistīt ar periodiskiem svārstību procesiem, kas laika gaitā maina visus to parametrus. Šķiet, ka stacionāru problēmu risinājumi veido nemainīgu kvantu sistēmas ietvaru, kas piedalās noteiktos procesos, un zināšanas par šādu mikropasaules reālu parādību “matemātisko arhitektūru” izrādās ļoti noderīgas, jo ir grūti ieskicēt procesa gaitu, neņemot vērā tā rašanos īpašos apstākļus.

Viļņu vienādojuma stacionārie risinājumi ļauj izdarīt vairākus svarīgus secinājumus. Piemēram, viena no nenoteiktības attiecības versijām, ko atvasinājis izcilais teorētiskais fiziķis V. Heizenbergs, apgalvo: ja kvantu sistēma maina savu enerģiju noteiktā laika periodā, tad enerģijas mērījuma precizitāte ir lielāka, jo ilgāku laika periodu mēs fiksējam.

Matemātiskā formā tā ir ļoti vienkārša nevienādība: enerģijas nenoteiktības un laika nenoteiktības reizinājums ir lielāks vai vienāds ar Planka konstanti.

Stacionāros uzdevumos laiks it kā apstājas, tā ka mikrodaļiņu enerģija paliek nemainīga bezgalīgi ilgi, kas nozīmē, ka laika nenoteiktība tiecas līdz bezgalībai, kas pēc Heizenberga sakarības uzreiz liek enerģijas nenoteiktībai tiekties uz nulli. Tas viss neizbēgami nozīmē, ka mikrodaļiņu enerģētiskie parametri stacionāros stāvokļos tiek noteikti tieši tāpat kā makrokosmosa objektiem - debess ķermeņiem vai biljarda bumbām.

Šrēdingera vienādojumu, tāpat kā jebkuru dabas pamatlikumu, nevar atvasināt no citiem, vienkāršākiem likumiem. To var tikai uzminēt un tad iemācīties lietot. Šim nolūkam, protams, jums jāzina, ko nozīmē visi vienādojuma simboli un kādas parādības atomā tie attēlo. Ar to ir nodarbojušās visas fiziķu paaudzes un turpina to darīt līdz pat šai dienai...

Daļiņu brīvas kustības gadījumā Šrēdingera vienādojums sniedz mums atrisinājumus, kas nav nulle jebkurai enerģijas vērtībai, tāpēc šajā gadījumā brīvai daļiņai var būt jebkurš kustības ātrums un atbilstoša enerģija. Bet, ja pieņemam, ka mikroobjekts atrodas saistītā stāvoklī, piemēram, bumbiņa uz atsperes, tad Šrēdingera vienādojuma atrisinājumu veids būtiski mainās un nulles vērtības tiek iegūtas tikai noteiktām enerģijas vērtībām. Šos mikrodaļiņu enerģijas līmeņus sauc par atļautajām diskrētajām enerģijām, un varbūtība atrasties tajās būtībā nav nulle.

Tas viss uzreiz atgādina orbitālo elektronu atļauto enerģijas līmeņu attēlu atoma Bora modelī. Patiešām, Bora elektronu orbītas ir tie atļautie enerģijas stāvokļi, kuros elektrona atrašanas varbūtība tajās atšķiras no nulles. Tiesa, Bors vienkārši postulēja elektronu planētu diskrētu orbītu esamību savā atomu Saules sistēmā, tāpat kā Planks savulaik bija uzminējis absolūti melna ķermeņa diskrēto enerģijas emisijas modeli. Visaptverošu Rezerforda- Bora atoma uzbūves principu skaidrojumu precīzi nosaka kvantu mehānika, kas arī izskaidro elektronu lēcienu kvantu raksturu no vienas atoma orbītas uz otru. Šiem elektroniem Šrēdingera vienādojumi piešķir noteiktu atļauto enerģijas stāvokļu kopu. Attiecīgi kvantu pāreju laikā elektronu enerģijai jāmainās nevis nepārtraukti, bet pakāpeniski un stingri noteiktā daudzumā. Šī vērtība veido enerģijas atšķirību starp galīgo un sākotnējo pārejas orbītu, turklāt šī enerģija ir tas pats Planka darbības kvants, ar kuru sākās jaunās fizikas laikmets.

Izrādās, ka kvantu fizikā ar daudzu ievērojamu zinātnieku pūlēm tika apvienotas divas paradoksālas pagājušā gadsimta sākuma hipotēzes - Planka par enerģijas kvantiem un de Broils par matērijas viļņiem!

Amerikāņu fiziķis un zinātnes popularizētājs Edvards Kondons jaunu matemātisko attēlu (matricu) rašanos kvantu mehānikas aparātā raksturoja šādi: “’25. gada vasarā; Kad viļņu mehānika vēl nepastāvēja un matricu mehānika bija tikai tikko radusies, divi Getingenes teorētiķi devās paklanīties slavenā Deivida Hilberta, vietējo matemātiķu atzītā vadītāja, priekšā. Bija radušās problēmas ar matricām, un viņi gribēja lūgt palīdzību no pasaulē atzītas autoritātes. Hilberts viņus uzklausīja un atbildēja kaut ko ļoti nozīmīgu: ikreiz, kad viņam bija jātiek galā ar šīm kvadrātu tabulām, tās parādījās aprēķinos "kā sava veida blakusprodukts", risinot viļņu vienādojumus.

"Tātad, ja jūs pameklēsiet viļņu vienādojumu, kas noved pie šādām matricām, jūs, iespējams, varēsiet vieglāk tikt ar tām galā," viņš nobeidza.

Abi teorētiķi nolēma, ka dzirdējuši visstulbāko iespējamo padomu, jo Hilberts vienkārši nav sapratis, par ko tiek runāts. Bet pats Hilberts vēlāk ar prieku pasmējās, parādot, ka viņi būtu varējuši atklāt Šrēdingera viļņu mehāniku sešus mēnešus pirms tās autora, ja viņi būtu pievērsuši vairāk uzmanības viņa, Hilberta vārdiem.

Tādējādi izveidojās diezgan kurioza situācija, kad līdz divdesmitā gadsimta pirmā ceturkšņa beigām par prioritāti mikropasaules aprakstīšanā fiziskajā arēnā sāka cīnīties divas kvantu teorijas ar atšķirīgām sākotnējām koncepcijām. Matricas mehānikā Heizenbergs ar Bora atbalstu pierādīja elektronu korpuskulāro raksturu, atspoguļojot to savās matricu sistēmās. No pirmā acu uzmetiena pilnīgi atšķirīgu pieeju ierosināja Šrēdingers ar de Broila atbalstu, savā vienādojumā atspoguļojot elektrona viļņu raksturu.

Heizenberga pieeja bija balstīta tikai uz novērojamiem lielumiem, un viņš principā neapsvēra atomu trajektoriju jēdzienu. Savukārt Šrēdingers arī izvairījās no elektronu orbītu “planetārās” nozīmes ap “saules” kodolu un savā vienādojumā aprobežojās ar noslēpumainās /?a/-funkcijas abstrakto saturu. Visu fizisko strīdu lielais tiesnesis - eksperiments arī izrādījās bezspēcīgs, jo daži eksperimenti atklāja elektrona korpuskulārās īpašības, bet daži - viļņu īpašības!

Nobela prēmijas laureāts V. Heizenbergs

Nobela prēmijas vēsturē Verners Heizenbergs bija viens no jaunākajiem fiziķiem, kura apņēmība un apbrīnojamās darba spējas ļāva viņam kļūt par vienu no jaunās kvantu fizikas radītājiem, vienlaikus atklājot fundamentālo zinātnisko nenoteiktības principu.

Tas bija karstu debašu periods, kas tolaik vēl ļoti nedaudzos fiziķus sadalīja divās nesamierināmās nometnēs: novatoriskās matricas mehānikas piekritējos un matemātiski caurspīdīgās viļņu kvantu fizikas piekritējos. Šajā sarežģītajā situācijā Šrēdingers darbojās kā galvenais šķīrējtiesnesis, 1927. gadā skeptiķiem un saviem atbalstītājiem pārliecinoši demonstrējot, ka abas kvantu teorijas savā matemātiskajā būtībā ir vienādas. No šejienes uzreiz sekoja galvenais secinājums par abu mehāniku fizisko līdzvērtību Bora atoma aprakstā. Citiem vārdiem sakot, matricas teorijas idejas par elektrona korpuskulāro attēlu ir tikpat uzticamas kā viļņu kvantu mehānikas idejas par elektronu viļņiem.

Tādējādi beidzās straujais kvantu fizikas uzplaukuma “piecu gadu periods”, kas sākās ar de Broila matērijas viļņu rašanos kā korpuskulārā-viļņu duālisma principa tālāku attīstību un beidzās ar kvantu fizikas pamatmetodu un matemātiskā aparāta izstrādi. Pagājušā gadsimta divdesmito gadu beigās kvantu teorija pārsteidza mūsdienu zinātniekus ar tās uzbūves harmoniju un dziļumu, bet tās svarīgākā vērtība izpaudās tajā, ka fiziķi pirmo reizi tikuši pie spēcīga zinātniska instrumenta atomu objektu pētīšanai. Un viss sākās ar Rezerforda-Bora atoma modeļa pārskatīšanu. Pirmā nesakritība ar kvantu mehāniku bija elektronu trajektoriju jēdzienā, jo jēdziens par noteiktu trajektoriju kvantu objektu mikropasaulē ir pilnīgi bezjēdzīgs! Kāds tad jauns fiziskais attēlojums var aizstāt klasiskās "planētu" elektronu orbītas?

Pastmarka izdota Vernera Heizenberga simtgadei

Šeit ir skaidrs viens: jaunajam atoma modelim tā vai citādi ir jābalstās uz elektrona atrašanas atomā varbūtību sadalījuma principu. Ir svarīgi ņemt vērā, ka elektrona maksimālā enerģija (fiziķi to sauc par kopējo) ir atkarīga no attāluma starp atoma kodolu un elektronu. Bet, kā saskaņā ar kvantu teoriju var modificēt pašu elektronu enerģijas jēdzienu?

Interesanti, ka uz šo vienkāršo jautājumu, kas visvairāk satrauc skolotājus, fiziķi gandrīz gadsimtu nav spējuši sniegt saprātīgu atbildi.

Tagad vairāki atzīti kvantu fizikas līderi apņēmīgi pieprasa, lai no skolu un augstskolu mācību grāmatām tiktu izņemtas visas elektronu trajektoriju pieminēšanas!

Acīmredzot līdz galīgajam šī metodiskā strīda atrisinājumam vēl ir tālu, taču līdz ar Bora atoma rekonstrukciju risinājums tika rasts diezgan ātri. Fiziķi vienkārši sāka attēlot elektrona nosacītās trajektorijas līniju, savienojot tos punktus, kuros iespēja satikt elektronu bija maksimāla. Tajā pašā laikā tika piebilsts, ka pats elektrons, protams, nav punkts un tas ir jāuztver kā figurāls korpuskulāro viļņu objekta mākonis, kas izsmērēts pa telpu. Un vissvarīgākais šeit bija tas, ka uz elektronu orbītu mākoņiem tika novietots stingrs pāra skaits de Broila elektronu viļņu! Tātad atomam tuvākās orbītas minimālā enerģija atbilda vienam vilnim, nākamajam un augstākajam – diviem un tā tālāk...

ATBILSTĪBAS UN PAPILDINĀTĪBAS PRINCIPI

Visbeidzot, orbītu struktūra atomā saņēma skaidru fizisku pamatojumu, kaut arī ne pārāk vizuālu, jo elektronu varbūtības mākoņus uz papīra var attēlot tikai simboliski. Tieši šādi elektronu novietojums ir attēlots skolu un augstskolu mācību grāmatās – tur, kur elektronu atrašanas iespējamība ir liela, tie izskatās kā blīvi melnu dūmu mākoņi, un tur, kur tos grūti sastapt, pārvēršas caurspīdīgā muslīnā. Šādus attēlus pat sauc par dūmu modeļiem, kuros ņemtas vērā elektronu mākoņu dažādās formas, ko rada starpelektronu mijiedarbība.

Sarežģītos atomos elektronus burtiski saplēš atgrūšanās no saviem daudzajiem brāļiem un pievilkšanās kodolam, un šeit rodas diezgan sarežģītas savstarpēji šķērsojošas struktūras, kuru smalkā saviešanās ļoti atšķiras no atoma planētas modeļa apļiem un elipsēm.

Mūsdienās ikviens var savām acīm novērot mirdzošo, nosacīti daudzkrāsaino elektronu apvalku apbrīnojamo dinamiku atomu, molekulu un vienkāršu cietu vielu kristālisko režģu fragmentu datormodeļos.

Kvantu zinātnes attīstības vēsture ir pilna ar paradoksiem un šķietamiem absurdiem. Un tā pēc šķietami pilnīga atoma Rezerforda-Bora planetārā modeļa sabrukuma 1923. gadā parādījās zinātniska publikācija, kas aizstāvēja šo atomu teorijas “relikviju”, un to uzrakstīja neviens cits kā varbūtības kvantu mehānikas radītājs Nilss Bors!

Kopenhāgenas teorētisko fiziķu skolas dibinātājs savā darbā ieviesa jaunu zinātnisku atbilstības principu, formulējot to kā apgalvojumu, ka kvantu-mehāniskās sistēmas uzvedība pēc klasiskās fizikas kanoniem lielu kvantu skaitļu robežās mēdz būt vienāda. Plašāk atbilstības principu var interpretēt kā apgalvojumu, ka jebkurai jaunai fizikālai teorijai noteiktās robežās ir jāreproducē iepriekšējā modeļa rezultāti, kas jau ir izturējuši (bet citā līmenī) visaptverošu pārbaudi.

Protams, viss kvantu fizikas aparāts tika izveidots, lai aprakstītu mikroskopiskus atomu objektus un elementārdaļiņas. Tajā pašā laikā, protams, neviens no šīs jaunās zinātniskās paradigmas pamatlicējiem ne mirkli nešaubījās, ka makropasaulē turpina diezgan veiksmīgi darboties klasiskās mehānikas un elektrodinamikas likumi. Bors uzskatīja, ka būtu diezgan saprātīgi pieņemt, ka objektīvajiem fizikas likumiem kopumā jābūt neatkarīgiem no aprakstīto fizisko objektu lieluma.

Tas viss kalpoja par pamatu galīgajam atbilstības principa formulējumam apgalvojuma formā, ka klasiskā fizika ir kvantu mehānikas tuvinājums.

Nākamo principu, kuram vajadzēja vismaz zināmā mērā izskaidrot dīvainās attiecības, kas izveidojās kvantu pasaulē starp daļiņām un viļņiem, Bors ļoti precīzi un kodolīgi nosauca komplementaritātes principu. Jāsaka, ka Bora komplementaritātes princips joprojām tiek uzskatīts par vienu no dziļākajām mūsdienu dabaszinātņu filozofiskajām un metodoloģiski ietilpīgākajām idejām. Piemēram, izcilais pagājušā gadsimta teorētiķis Ričards Feinmens šo principu nostādīja vienā līmenī ar tādiem abstraktās domāšanas šedevriem kā relativitātes princips vai lauka darbības princips.

Savā darbā, kas uz visiem laikiem ir iekļuvis dabaszinātniskās filozofijas šedevru kasē, “Kvantu postulāts un atomu teorijas jaunākā attīstība”, N. Bors sprieda:

"Universālā darbības kvanta atklāšana radīja nepieciešamību turpināt novērošanas problēmas analīzi. No šī atklājuma izriet, ka visa klasiskajai fizikai raksturīgā apraksta metode (ieskaitot relativitātes teoriju) paliek piemērojama tikai tik ilgi, kamēr visi aprakstā iekļautie darbības dimensijas lielumi ir lieli salīdzinājumā ar Planka darbības kvantu. Ja šis nosacījums nav izpildīts atomfizikas parādību jomā, tad stājas spēkā īpaša veida likumi, kurus nevar iekļaut kauzālā apraksta ietvaros... Šis rezultāts, kas sākotnēji šķita paradoksāls, tika atrasts; tomēr tā skaidrojums ir tāds, ka norādītajā zonā vairs nav iespējams novilkt skaidru robežu starp fiziska objekta neatkarīgu uzvedību un tā mijiedarbību ar citiem ķermeņiem, ko izmanto kā mērinstrumentus; šāda mijiedarbība noteikti rodas novērošanas procesā, un to nevar tieši ņemt vērā mērīšanas jēdziena nozīmē...

Šis apstāklis attiecībā uz eksperimentālo datu analīzi un sintēzi faktiski nozīmē pilnīgi jaunas situācijas rašanos fizikā. Tas liek mums aizstāt klasisko cēloņsakarības ideālu ar kādu vispārīgāku principu, ko parasti sauc par “komplementaritāti”.

Sekojot tālāk šī izcilā fiziķa domu gājienam, jāsamierinās ar to, ka informācija, ko iegūstam ar dažādu mērinstrumentu palīdzību par pētāmo objektu uzvedību, kas šķiet nesavienojami, patiesībā nevar būt tiešā veidā saistīti viens ar otru parastajā veidā, bet gan jāuzskata par viens otru papildinošiem. Tādā veidā jo īpaši tiek izskaidrota neveiksme mēģinājumā konsekventi analizēt atsevišķa atomu procesa “individualitāti”, ko it kā simbolizē darbības kvants, sadalot šādu procesu atsevišķās daļās. Tas ir saistīts ar to, ka, ja mēs vēlamies ierakstīt jebkuru momentu procesa laikā ar tiešu novērošanu, tad mums ir jāizmanto mērierīce, kuras lietošana nevar būt saskaņota ar šī procesa norises likumiem. Starp relativitātes teorijas postulātu un komplementaritātes principu, neskatoties uz visām atšķirībām, var saskatīt zināmu formālu analoģiju.

Pēc tam līdz pat dzīves beigām Bors lielu uzmanību veltīja sava komplementaritātes principa attīstībai, pamatoti uzskatot, ka, lai sniegtu pēc iespējas skaidrāku priekšstatu par situāciju, kas izveidojusies atomfizikā, vispirms ir nepieciešams nedaudz sīkāk apsvērt tos mērījumus, kuru mērķis bija kontrolēt kāda fiziska procesa telpisko un laika gaitu. Šāda kontrole galu galā vienmēr ir saistīta ar noteiktu skaitu nepārprotamu savienojumu starp objekta uzvedību un mērogiem un pulksteņiem, kas nosaka mūsu izmantoto telpisko un laika atskaites sistēmu.

Par pētāmā objekta neatkarīgu uzvedību telpā un laikā, neatkarīgi no novērošanas apstākļiem, var runāt tikai tad, kad, aprakstot visus aplūkojamajam procesam būtiskos apstākļus var pilnībā atstāt novārtā objekta mijiedarbību ar mērierīci, kas neizbēgami rodas, veidojot minētos savienojumus.

Ja tomēr, kā tas ir kvantu jomā, šāda mijiedarbība pati par sevi būtiski ietekmē pētāmās parādības gaitu, situācija pilnībā mainās, un mums jo īpaši ir jāatsakās no klasiskajam aprakstam raksturīgās saiknes starp notikuma telpiskajām un laika īpašībām un vispārējiem dinamiskiem saglabāšanas likumiem.

Tādā pašā veidā arī otrādi kvantu likumus, kuru formulēšanā būtiski tiek izmantoti impulsa vai enerģijas jēdzieni, var pārbaudīt tikai tādos eksperimentālos apstākļos, ka tiek izslēgta stingra objekta telpiskās un laika uzvedības kontrole.

Vēlāk Bors vairākkārt atzīmēja, ka atoma daļiņas koordinātes un impulsu nevar izmērīt ne tikai vienlaicīgi, bet arī kopumā, izmantojot vienu un to pašu ierīci. Patiešām, lai izmērītu atoma daļiņas impulsu, ir nepieciešama ārkārtīgi viegla, mobila “ierīce”. Lai izmērītu koordinātes, ir nepieciešama ļoti masīva “ierīce”, kas nekustētos, kad tai uztriecas daļiņa.

Tālāk ieteicams uzzināt viena no kvantu fizikas pamatlicēja viedokli par kvantu pasauli.

Luijs de BROILS KĀPĒC MUMS IR JĀZINĀ PAR KVANTIEM?

(izvilkums no grāmatas "Revolūcija fizikā")

Daudzus, aplūkojot šīs mazās grāmatiņas nosaukumu, neapšaubāmi nobiedēs noslēpumainais vārds “kvanti”. Patiešām, ir tik neskaidra pat relativitātes teorija, kas pēdējos gados ir bijusi diezgan dzīvI aprakstīta plašākai sabiedrībai. Kas attiecas uz kvantu teoriju, es domāju, ka lasītājam par to ir vēl neskaidrāks priekšstats. Tiesa, tas ir piedodami, jo kvanti ir diezgan noslēpumaina lieta.

Kas attiecas uz mani, es sāku pētīt kvantus, kad man bija apmēram divdesmit gadi, un turpināju tos pētīt ceturtdaļgadsimtu. Un tomēr man godīgi jāatzīst, ka, lai arī pa visu šo laiku esmu panācis nedaudz dziļāku izpratni par dažiem šī jautājuma aspektiem, es vēl nevaru pilnīgi droši pateikt, kas slēpjas zem kvantu patieso seju aizklājošās maskas.

Tomēr man šķiet, ka, neskatoties uz visu pēdējo gadsimtu fizikā notikušā progresa svarīgumu un nozīmi, zinātnieki nespēja dziļi izprast parādību patieso būtību, kamēr viņi neko nezināja par kvantu esamību. Jo bez kvantiem nebūtu iespējams iedomāties ne gaismu, ne matēriju.

Var saprast, kāda būtiska ietekme uz cilvēku zināšanu attīstības virzienu bija tajā dienā, kad zinātnē slepus ienāca kvanti. Tajā pašā dienā majestātiskā un grandiozā klasiskās fizikas ēka tika satricināta līdz pašiem pamatiem, lai gan neviens to skaidri neaptvēra. Zinātnes vēsturē nav bijis daudz tādu satricinājumu, kas pēc spēka būtu salīdzināmi ar šo.

Un tikai tagad mēs spējam saprast un novērtēt notikušās revolūcijas varenību un nozīmi. Klasiskā fizika, kas ir uzticīga Dekarta ideālam, Visumu attēloja kā sava veida milzīgu mehānismu, kura uzvedību var aprakstīt ar pilnīgu precizitāti, precizējot visu tā daļu novietojumu telpā un pozīcijas maiņu laika gaitā; mehānisms, kura uzvedību principā varētu paredzēt ar absolūtu precizitāti, zinot noteiktu skaitu parametru, kas nosaka tā sākotnējo stāvokli. Tomēr šis viedoklis bija balstīts uz noteiktām hipotēzēm, kuras tika izvirzītas un kuru pamatotība šķita acīmredzama. Viens no tiem ir pieņēmums, ka reģions telpā un laikā, kurā mēs gandrīz instinktīvi cenšamies ievietot visas savas sajūtas, ir reģions, kas ir pilnīgi stingrs un noteikts, un kurā katra fiziskā parādība principā var būt pilnīgi stingri lokalizēta, neatkarīgi no visiem dinamiskajiem procesiem, kas kontrolē šo parādību. Tāpēc visa fiziskās pasaules attīstība tika samazināta līdz izmaiņām ķermeņu telpiskajā stāvoklī laika gaitā. Tāpēc dinamiskie lielumi, piemēram, enerģija un impulss, klasiskajā fizikā parādās kā atvasinājumi, kas izveidoti, izmantojot ātruma jēdzienu. Tādējādi dinamikas pamatā izrādās kinemātika.

Pavisam cita situācija ir kvantu fizikā. Darbības kvanta esamība noved pie pretrunas starp stingras lokalizācijas telpā un laikā jēdzienu un dinamiskas attīstības jēdzienu. Lai aprakstītu reālo pasauli var tikt izmantots katrs no tiem atsevišķi. Tomēr tos nevar piemērot vienlaikus ar visu stingrību. Precīza lokalizācija telpā un laikā ir sava veida statiska idealizācija, kas izslēdz jebkādu attīstību un jebkādu kustību. Kustības stāvokļa jēdziens tīrā veidā, gluži pretēji, ir dinamiska idealizācija, kas ir pretrunā ar precīzas pozīcijas un laika momenta jēdzieniem.

Kvantu teorijas ietvaros fizisko pasauli nevar aprakstīt, vienā vai otrā pakāpē neizmantojot vienu no šiem diviem pretrunīgajiem jēdzieniem. Tādējādi tas izriet no sava veida kompromisa, un mums labi zināmās Heizenberga nenoteiktības attiecības norāda uz to, cik lielā mērā šis kompromiss ir iespējams. Starp citiem jaunās teorijas secinājumiem ir tāds, ka kinemātika vairs nav zinātne ar neatkarīgu fizikālo nozīmi. Klasiskajā mehānikā bija iespējams pētīt kustības telpā un tādējādi noteikt ātrumu un paātrinājumu neatkarīgi no tā, kā šīs kustības tika fiziski realizētas. Pēc tam no šīs abstraktās kustības likumu izpētes, ieviešot dažus jaunus fiziskos principus, var pāriet uz dinamiku. Kvantu mehānikā šāds ceļš principā ir nepieņemams, jo kinemātikas pamatā esošā telpiskā un laika lokalizācija ir iespējama tikai atsevišķos īpašos gadījumos, ko nosaka īpaši dinamiski kustības apstākļi. Mēs redzēsim tālāk, kāpēc, pētot parādības plašā mērogā, tomēr ir pilnīgi pieņemami izmantot kinemātikas likumus. Tomēr, pārejot pie parādībām, kas notiek atoma mērogā, kur kvantiem ir liela nozīme, mēs varam teikt, ka kinemātika, kas definēta kā zinātne par kustību neatkarīgi no visiem dinamiskajiem apstākļiem, pilnībā zaudē savu nozīmi.

Vēl viena hipotēze, kas būtībā ir klasiskās fizikas pamatā, ir tāda, ka ar atbilstošu piesardzības pasākumu palīdzību principā ir iespējams padarīt mērījumu procesā nenozīmīgu traucējumu ietekmi uz pētāmās parādības dabisko gaitu. Citiem vārdiem sakot, tiek pieņemts, ka eksperimentu var veikt tā, lai tā radīto traucējumu ietekme pētāmā procesa gaitā būtu tik maza, cik vēlas. Šādu hipotēzi var uzskatīt par derīgu parādībām, kas notiek plašos mērogos. Tomēr atomu pasaules parādībām tas izrādās nekorekti. Tas ir saistīts ar darbības kvanta esamību un faktu, ka, kā parādīja Heizenberga un Bora smalkā un dziļā analīze, jebkurš mēģinājums izmērīt jebkuru lielumu, kas raksturo noteiktu sistēmu, noved pie nekontrolētām izmaiņām citos lielumos, kas nosaka šīs sistēmas īpašības. Precīzāk, jebkura lieluma mērījums, kas ļauj noteikt sistēmas pozīciju telpā un laikā, rada nekontrolētas izmaiņas attiecīgajā konjugētajā daudzumā, kas nosaka sistēmas dinamisko stāvokli. Jo īpaši izrādās, ka nav iespējams precīzi izmērīt divus savstarpēji konjugētus daudzumus vienā un tajā pašā brīdī.

Tagad ir skaidrs, kādā nozīmē var teikt, ka darbības kvanta esamība padara dažādu sistēmas daļu telpisko un laika lokalizāciju nesaderīgu ar kādu no tās konkrētajiem dinamiskajiem stāvokļiem, jo, lai lokalizētu sistēmu, ir precīzi jāzina vesela lielumu virkne, kuru mērīšana savukārt izslēdz atbilstošo konjugēto lielumu noteikšanu, kas raksturo sistēmu, dinamisko stāvokli. Kvantu esamība ļoti savdabīgā veidā nosaka traucējumu lieluma apakšējo robežu, ko fiziķis ievieš, mērot sistēmas, kuras viņš pēta. Tādējādi tika atspēkota viena no hipotēzēm, kas veidoja klasiskās fizikas pamatu, un šī fakta nozīme ir ļoti liela.

Tātad izrādās, ka nekad nevar zināt precīzas vērtības vairāk nekā pusei no lielumiem, kas nepieciešami, lai pilnībā aprakstītu sistēmu no klasiskā viedokļa. Noteikta lieluma vērtība, kas raksturo sistēmu, ir jo nenoteiktāka, jo precīzāk ir zināma tās konjugētā daudzuma vērtība. Tas noved pie būtiskas atšķirības starp veco un jauno fiziku uzskatos par determinismu dabas parādībās.

No klasiskās fizikas viedokļa lielumu piešķiršana, kas nosaka dažādu sistēmas daļu atrašanās vietu noteiktā laika brīdī, un atbilstošo konjugēto dinamisko lielumu piešķiršana ir pilnīgi pietiekama, vismaz principā, lai precīzi aprakstītu sistēmas stāvokli visos turpmākajos laika punktos. Zinot precīzas... lielumu vērtības, kas raksturo sistēmu kādā brīdī Ј0, bija iespējams viennozīmīgi paredzēt, kādas šo lielumu vērtības x, y,... atrastos, ja tās tiktu noteiktas kādā nākamajā laika momentā Ј. Tas izriet no vienādojumiem, kas ir pamatā mehāniskajām un fizikālajām teorijām, un šiem vienādojumiem ir tieša matemātiska īpašība.

Apgalvojumi, ka, balstoties uz tagadnes parādībām, ir iespējams precīzi paredzēt nākotnes parādības un ka nākotne savā ziņā ir pilnībā ietverta tagadnē un nevar tai kaut ko pievienot, veido to, ko sauc par dabas parādību determinismu. Taču šāda precīzas prognozēšanas iespēja paredz precīzu mainīgo lielumu noteikšanu, kas apraksta pozīciju telpā, un ar tiem saistītos dinamiskos mainīgos. Tieši šī vienlaicīga savstarpēji konjugētu lielumu noteikšana no kvantu mehānikas viedokļa izrādās neiespējama. Un tas saistīts ar būtiskām izmaiņām, kas notikušas mūsdienu teorētiskās fizikas prognozēšanas iespēju un dabas parādību savstarpējo saistību izpratnē.

Tā kā lielumu vērtības, kas raksturo sistēmas stāvokli laika momentā Ј0, var noteikt tikai ar zināmu nenoteiktību, kas kvantu teorijā ir neizbēgama, tad attiecīgi fiziķis vairs nevar precīzi paredzēt, kādas būs šo lielumu vērtības kādā turpmākā laika momentā. Tas var tikai paredzēt varbūtību, ka, nosakot šos lielumus nākamajā laika momentā Ј, mēs iegūsim noteiktas vērtības. Saikne starp secīgu mērījumu rezultātiem, kas izskaidro parādību kvantitatīvo pusi, vairs nebūs klasiskajam determinismam atbilstoša cēloņsakarība. Tas drīzāk būs varbūtības savienojums, vienīgais, kas ir savienojams ar nenoteiktību, kas izriet no paša darbības kvanta esamības. Šīs ir galvenās izmaiņas mūsu uzskatos par fizikālajiem likumiem, kuras visas filozofiskās sekas mums šķiet tālu no pilnībā izprastas.

Mūsdienu teorētiskās fizikas attīstības rezultātā radās divas svarīgas idejas: Bora komplementaritātes princips un ierobežoto reprezentāciju princips. Bors bija pirmais, kurš pamanīja, ka jaunajā kvantu fizikā, ko tai piešķīrusi viļņu mehānika, daļiņu un viļņu jēdzieni, telpiskā un laika lokalizācija un labi definēts dinamiskais stāvoklis ir viens otru papildinoši. Ar to viņš domāja, ka, lai pilnībā aprakstītu novērotās parādības, ir jāizmanto abi šie jēdzieni, taču, neskatoties uz to, tie zināmā mērā nav savienojami viens ar otru. Lai aprakstītu realitāti attēlus, ko tie izveido, nekad nevar izmantot vienlaikus. Piemēram, lielu skaitu atomu fizikā novēroto parādību var izskaidrot tikai ar daļiņām. Tāpēc fiziķim ir nepieciešama šī jēdziena izmantošana. Tāpat, lai izskaidrotu veselu virkni citu parādību, ir jāizmanto viļņa jēdziens. Jebkura no šiem diviem jēdzieniem konsekventa piemērošana dabas parādību aprakstīšanai, stingri runājot, izslēdz otra pielietošanu. Taču patiesībā kādu procesu raksturošanai tiek izmantoti abi jēdzieni, un, neskatoties uz to pretrunīgo raksturu, atkarībā no situācijas ir jāizmanto viens vai otrs.

Tas pats attiecas uz telpiskās un laika lokalizācijas un skaidri definēta dinamiskā stāvokļa jēdzieniem: tie ir tikpat papildinoši kā daļiņas un viļņa jēdzieni, ar kuriem turklāt, kā mēs drīz redzēsim, tie ir cieši saistīti. Var jautāt, kāpēc šo pretrunīgo ideju pielietošana nekad nenoved līdz absurdam. Kā jau teicām, tas ir saistīts ar faktu, ka nav iespējams vienlaikus noteikt visas detaļas, kas ļautu mums pilnībā noskaidrot šīs divas idejas. Matemātiskajā valodā to izsaka Heizenberga nenoteiktības sakarība, kas galu galā ir darbības kvanta pastāvēšanas sekas. Tādējādi kvantu atklāšanas milzīgā nozīme mūsdienu teorētiskās fizikas attīstībā parādās pilnīgi skaidri.

Ar Bora komplementaritātes principu cieši saistīts ierobežots priekšstatījuma princips. Tādi vienkārši tēli kā daļiņa, vilnis, telpā strikti lokalizēts punkts, diezgan noteiktas kustības stāvoklis pēc būtības prieksstata noteiktas abstrakcijas, idealizācijas. Vairumā gadījumu šīs idealizācijas aptuveni atbilst faktiskajam stāvoklim, lai gan tām ir noteiktas piemērojamības robežas. Katras šīs idealizācijas izmantošana ir iespējama tikai līdz brīdim, kad rodas nepieciešamība izmantot “papildu” idealizāciju. Tādējādi var teikt, ka daļiņas pastāv, jo lielu skaitu fizisko parādību var izskaidrot tikai tad, ja tiek atzīta to esamība. Tomēr citās parādībās korpuskulārā daba ir vairāk vai mazāk aizsegta, un skaidri redzams tikai procesa viļņveida raksturs.

Mūsu radītās vairāk vai mazāk shematiskās idealizācijas spēj atspoguļot dažus dažādu parādību aspektus, taču tās joprojām ir ierobežotas, un visa realitātes bagātība neietilpst to stingrajā ietvarā...

Šeit ir pietiekami daudz runāts, lai parādītu lasītājam, cik dziļa un interesanta ir kvantu teorija. Tā ne tikai radīja zinātnes nozari — atomfiziku —, kas ir vissvarīgākā interesantākā un aizraujošākā, taču tas neapšaubāmi paplašināja arī mūsu izpratni par pasauli un noveda pie daudzu jaunu ideju rašanās, kas neapšaubāmi atstās dziļas pēdas cilvēka domas vēsturē. Tāpēc kvantu fizika interesē ne tikai speciālistus, tā ir pelnījusi ikviena kulturāla cilvēka uzmanību.

OTRĀ NODAĻA KVANTU REALITĀTES PARADOKSI

Mēs esam daudzkārt atkārtojuši, ka kvantu mehānikas vienādojumi atšķiras no klasiskās mehānikas vienādojumiem. Tāpēc kvantu objektu kustību nevar aprakstīt vai attēlot klasiskos jēdzienos un attēlos.

Tikpat neiespējami uz globusa atzīmēt visas pasažiera kustības, kad tas šķērso Atlantijas okeānu ar tvaikoni. Taču, lai kā kuģi šūpotu viļņi un lai ko darītu pasažieris, vidēji tas tomēr kustas atbilstoši noteiktajam kursam.

Pols Erenfests, viens no kvantu fizikas pamatlicējiem

Nenoteiktības principa atklāšana parādīja, ka cilvēks, mācoties par dabu, var atrauties no savas iztēles, atklāt un aptvert pat to, ko nespēj iedomāties.

Ļevs Davidovičs Landau, Nobela prēmijas laureāts, izcils teorētiķis

KVANTU PASAULES JAUTĀJUMI

Kvantu zinātnes pamatu vēsture ir bagāta ar karstām diskusijām starp tās dibinātājiem par jaunās mikropasaules realitātes dziļo nozīmi.

Visbiežāk sastopamie strīdi bija saistīti ar šādiem jautājumiem:

— Kāda cita nozīme, izņemot varbūtību, varētu būt psi-funkcijai, kas daudzos aspektos joprojām ir noslēpums?

— Kā notiek pāreja no mikroobjekta viļņu būtības uz tā otro, diskrēto “es”: caur “viļņa funkcijas sabrukumu” vai “viļņu paketes samazināšanos”?

— Kā izveidot precīzu un skaidru attēlu — šīs parādības analogu?

Kvantu varbūtības metamie kauliņi Heizenberga-Bora pārliecināšanas filozofija (vai reliģija?) ir tik smalki pārdomāta, ka ticīgajam pagaidām nodrošina mīkstu spilvenu, no kura viņu nav nemaz tik viegli nostumt. Lai guļ... Lielie sākotnējie kvantu teorijas panākumi nevar likt man noticēt pamatā esošajai kauliņu spēlei. Alberts Einšteins

— Vai šī pieeja nozīmē, ka mūsu nākotne nav noteikta un ka kauzalitātes kvantu princips nosaka tikai varbūtības sakarības starp notikumiem mikropasaulē?

— Un visbeidzot, cik pilnīgi kvantu pasaules likumi apraksta objektīvo realitāti?

Tieši šāda veida jautājumi pamudināja Einšteinu un viņa kolēģus Podoļski un Rozenu uzrakstīt slaveno rakstu “Vai fiziskās realitātes kvantu mehānisko aprakstu var uzskatīt par pilnīgu?” Viņi ierosināja paradoksālu domu eksperimentu, no kura loģiski izrietēja, ka, lai aprakstītu fiziskus objektus, nepietiek ar viļņu funkciju. Tādējādi tika apgalvots, ka kvantu mehānika vēl nav pilnībā izstrādāta un tās likumi pilnībā neapraksta mūsu pasauli. Einšteins, Podoļskis un Rozens aplūkoja divu savstarpēji saistītu (korelētu) daļiņu sistēmu. Izcilas spekulatīvas analīzes rezultātā viņi nonāca pie pārsteidzoša secinājuma, ka "... tā kā šīs sistēmas vairs nemijdarbojas, tad jebkādu darbību rezultāti pirmajā sistēmā nevar izdarīt reālas izmaiņas otrajā sistēmā...".

Viļņu funkcijas sabrukšanas modelis

Mērīšanas akts kvantu mehānikā uzreiz maina viļņu vektoru. Šo dīvaino darbību sauc par viļņu funkcijas sabrukumu vai viļņu pakešu samazināšanu. Tomēr visa būtība ir tāda, ka Šrēdingera vienādojuma risinājumos vienkārši nav šādu “nepilnību”. Tātad, kas notiek ar viļņu funkciju mērīšanas procesā un kā šos procesus var aprakstīt kvantu mehānikas valodā?

Eksperimenti, lai pārbaudītu EPR - Einšteina-Podoļska-Rozena paradoksu

Lāzeri vakuuma kamerā ierosina atsevišķus atomus, kas izstaro fotonus — elektromagnētiskā starojuma kvantus. Fotoni lido pretējos virzienos, ceļojot vairākus metrus garā gaismas vadā. Pēc polarizatoriem tie sasniedz fotodetektorus. Saskaņā ar kvantu mehāniku, starp lidojošo fotonu polarizāciju vajadzētu rasties smalkai korelācijai, ko kopumā apstiprināja nākamie eksperimenti.

Jau neskaitāmo reizi sekosim Lielo Fizikas teorētiķu komandas prātojumam. Tātad, ņemsim divas mikrodaļiņas un ilustrācijas labad nosauksim tās par A – Alisi un B – Bobu. Ļaujiet šiem kvantu objektiem piedzimt vienā punktā un pēc tam izlidot dažādos virzienos. Dzimšanas brīdī nevienai no daļiņām nav noteiktu koordinātu un impulsa, bet impulsa nezūdamības likuma dēļ to momentu summa jebkurā turpmākajā laika momentā ir vienāda ar nulli (tāpat kā pirms daļiņu dzimšanas). Tagad jebkurš Alises koordinātu atrašanās vietas mērījums izraisīs tās viļņu funkcijas sabrukumu, un tajā pašā laikā Boba viļņu funkcija arī "sabruks", jo viņa koordinātas tika automātiski atjauninātas, izmantojot Alises datus! Ja viļņa funkcija pilnībā raksturo daļiņu, tad ar Bobu kaut kas patiešām notiks, bet mērījums tika veikts Alisei, kura tajā brīdī varēja atrasties ļoti tālu no Boba, pat Metagalaktikas otrā pusē! Tas ir kā mistiska maģija – Alise parauj neredzamu auklu, un kaut kur Visumā parādās smaidošs Bobs! Tas ir Einšteina-Podoļska-Rozena paradokss vai saīsināti EPR paradokss.

EINŠTEINA-PODOĻSKA-ROZENA PARADOKSS

Analizējot eksperimentu, Einšteins, Podoļskis un Rozens uzskatīja, ka divi dažādi vienas kvantu sistēmas daļas mērījumi nevar novest pie dažādiem otrā komponenta stāvokļiem, jo starp tiem nav mijiedarbības. Šo kvantu sistēmu hipotētisko īpašību vēlāk nosauca par lokalizāciju (tas ir, dalāmību neatkarīgās daļās). Alternatīvo viedokli, saskaņā ar kuru "divu dažādu mērījumu rezultātā, kas veikti pirmajā sistēmā, otrā sistēma var nonākt divos dažādos stāvokļos ...", pētnieki noraidīja.

Elektromagnētiskā starojuma polarizācija

Kvantu sistēmas parametru nenoteiktību labi parāda elektromagnētiskā starojuma kvantu - fotonu piemērs. Polarizējošā plēve pārraida visu gaismu, ja tā ir polarizēta gar plēves ēnojumu, un bloķē visu gaismu, ja tās polarizācija ir perpendikulāra ēnojumam. Ja fotonu polarizācija ir kādā leņķī ar ēnojumu, tad vienkārši nav konkrētas atbildes uz jautājumu, vai fotoni izies cauri plēvei. Šajā gadījumā var tikai mēģināt novērtēt iziešanas procesa varbūtību.

Viens no EPR paradoksa skaidrojumiem radās uzreiz pēc Einšteina, Podoļska un Rozena raksta publicēšanas. Tādējādi pilnībā saskaņā ar viļņu funkcijas koncepciju EPR korelētās daļiņas var raksturot ar vienu kopīgu viļņu funkciju. Tāpēc vienas daļiņas mērījuma brīdī faktiski mainās gan abu daļiņu vispārējā viļņu funkcija, gan atbilstošā kvantu objekta - divas korelētas daļiņas. Pēc tam diskusija pievērsās atdalīto kvantu sistēmu īpašībām un to kritiskajiem parametriem. Viens no pirmajiem, kas sniedza plašus komentārus par Einšteina darbu, bija Nilss Bors. Trīs mēnešus vēlāk tajā pašā žurnālā viņš paziņoja, ka EPR domu eksperiments neatceļ nenoteiktības principu un nerada šķēršļus kvantu mehānikas pielietošanai.

Bora galīgie secinājumi parādīja, ka paradokss, kas radās, ir kvantu sistēmu atrašanās vietas pieņēmuma rezultāts. Lokalitātes noraidīšana un saiknes esamības atzīšana starp holistiskās kvantu sistēmas atdalītajām daļām novērš EPR paradoksu. Tieši EPR paradoksa analīze lika Boram formulēt komplementaritātes principu, kas prasa kvantu sistēmu un mērierīci uzskatīt par vienotu, neatņemamu struktūru. Kvantu sistēmas mērīšanas rezultāti ir atkarīgi no tās stāvokļa un mērinstrumentu konstrukcijas.

Bors uzsvēra, ka Einšteinam ir tiesības uzskatīt kvantu teoriju par nepilnīgu, taču tās praktiskā efektivitāte tādēļ nemazinājās. Gandrīz visi teorētiķi piekrita Boram, izņemot Ervīnu Šrēdingeru un zināmā mērā Luisu de Broilu. Slavenajam franču teorētiķim vienmēr bija sava sākotnējā pozīcija un viņš savus “matērijas viļņus” uzskatīja par sava veida “pilotviļņu” konstrukcijām.

Nav šaubu, ka EPR paradoksam bija liela nozīme kvantu teorijas attīstībā. Pirmkārt, tas stimulēja vairāku jaunu koncepciju izstrādi un radīja interesi par kvantu daļiņu korelētajiem stāvokļiem. Kad šādi stāvokļi tika atklāti eksperimentāli fotoniem, sākās strauja jaunas fizikas jomas attīstība — kvantu optika. Turklāt eksperimenti ar korelētiem kvantu daļiņu pāriem (sauktiem arī par EPR pāriem) ir ļāvuši pārbaudīt, vai varbūtības uzvedība patiešām ir raksturīga atsevišķai kvantu daļiņai, vai arī tā ir jebkuru daļiņu īpašība.

"Pārdabisks savienojums" starp divu fotonu polarizācijām

Šo stāvokli veido divu stāvokļu superpozīcija, no kuriem pirmajā abi fotoni ir lineāri polarizēti pa vertikālo asi, bet otrajā - pa horizontāli un satur vienādu skaitu vertikāli un horizontāli polarizētu stāvokļu. Ja šādu fotonu ceļā novieto horizontālos polarizatorus, tad būs vienlīdz iespējama fotonu caurstarošana un aizkavēšanās. Šajā gadījumā abi fotoni iziet cauri vai aizkavējas kopā. Šķiet, ka katrs fotons “zina”, vai tam ir jāiziet cauri polarizatoram, atkarībā no tā “brāļa” uzvedības.

Šeit mums jāatceras vēl viens kvantu pamatprincips: nenoteiktības princips. Saskaņā ar šo principu mēs nevaram veikt noteiktu fizisko parametru pāru mērījumus. Piemēram, nav iespējams vienlaicīgi izmērīt mikroobjekta koordinātes un impulsu. Populārzinātniskajā literatūrā tas bieži tiek skaidrots ar duālo dimensiju savstarpējo ietekmi. Ir pierādījumi, ka līdzīgus argumentus sākotnēji izmantoja nenoteiktības principa autors, viens no kvantu mehānikas pamatlicējiem Verners Heizenbergs. Tomēr viņš vēlāk izstrādāja un papildināja teoriju tā, ka koordinātu mērījumu ietekme uz impulsu sāka šķist nenozīmīga.

To var parādīt šādi: aplūkosim patvaļīgu savstarpēji nesaistītu daļiņu kopumu vienā un tajā pašā stāvoklī; Katrai daļiņai šajā ansamblī mēs izmērām impulsu vai pozīciju, bet ne abus. Mērījumu rezultātā mēs iegūstam, ka vērtības ir sadalītas ar noteiktu varbūtību, pie kam nenoteiktības attiecība ir patiesa to dispersijām (matemātisks parametrs no varbūtības teorijas).

ŠREDINGERA KVANTU KAĶIS

EPR paradoksam bija liela nozīme kvantu teorijas attīstībā. Pirmkārt, tas stimulēja vairāku jaunu koncepciju izstrādi un radīja interesi par kvantu daļiņu korelētajiem stāvokļiem. Kad šādi stāvokļi fotoniem tika atklāti eksperimentāli, sākās strauja jaunas fizikas jomas attīstība — kvantu optika. Turklāt eksperimenti ar korelētiem kvantu EPR pāriem ļāva pārbaudīt, vai varbūtiskā uzvedība patiešām ir raksturīga atsevišķai kvantu daļiņai, vai arī tā ir daļiņu kopas īpašība.

Tātad, mēs jau esam noskaidrojuši, ka kvantu objektam atšķirībā no klasiskā ir sākotnēja statistiska daba. Tomēr jāatceras, ka kvantu mikrosistēmu varbūtību daba neaprobežojas tikai ar klasisko nenoteiktību, kas saistīta ar nepilnīgām zināšanām par objekta parametriem. Tāpēc, lai aprakstītu kvantu sistēmas, tiek izmantots īpašs, ļoti svarīgs jēdziens: stāvoklis.

Vēsture ietver arī domas paradoksu, ko formulējis Šrēdingers un ko sauc par "Šrēdingera kvantu kaķi". Tajā izcilais fiziķis koncentrējās uz kvantu superpozīcijas stāvokļu neparasto dabu, konstruējot paradoksālu domu eksperimentu, kas ir pretrunā ar mūsu ikdienas uztveri par apkārtējo realitāti. Tādējādi viņš ierosināja, ka slēgtā kastē atrodās trauks ar indi, ko var sadauzīt ar radioaktīvās sabrukšanas kontrolētu mehānismu. Kastē atrodas Šrēdingera kaķis, dzīvs vai miris atkarībā no radioaktīvās sabrukšanas rezultāta. Jāņem vērā, ka mērīšanas process kā mijiedarbība ar makroskopiskiem mērinstrumentiem ir principiāli neatgriezenisks process, kura rezultātā tiek mainīts mērītā objekta stāvoklis. Redukcijai, tāpat kā jebkurai fiziskai parādībai, ir raksturīgs tās pastāvēšanas laiks. Tomēr, ņemot vērā procesa īstermiņa raksturu, jautājums par tā iekšējo dinamiku parasti netiek izskatīts. Šajā gadījumā traucējumiem jāizplatās nekavējoties, jo daļiņas mērījuma laikā var atrasties jebkurā attālumā viena no otras. Un tomēr nav nekādu pretrunu. Saskaņā ar kvantu mehānikas likumiem mērījumu laikā radītie traucējumi ir nejauši. Šajā gadījumā momentānā traucējumu pārraide nav signāla pārraide, jo tā nevar pārnēsāt informāciju.

Šrēdingers nāca klajā ar savu iedomātu eksperimentu, uzskatot kvantu mehāniku par nepilnīgu un pilnībā neaprakstošu mūsu realitāti.

Tā kā ir skaidrs, ka kaķim obligāti jābūt dzīvam vai mirušam (starp dzīvību un nāvi nav starpstāvokļa), tad tas attiecas arī uz atoma kodolu.

Tam jābūt vainu sadalītam vai veselam.

Nilss Bors uzskatīja, ka sistēma "kvantu kaķis" pārstāj būt stāvokļu sajaukums un izvēlas vienu no tiem brīdī, kad notiek novērošana. Eksperiments ar kaķi parāda, ka šajā interpretācijā pašas darbības būtība – novērošana un mērīšana – nav definēts pietiekami.

Ervina Šrēdingera krūšutēls Vīnes Universitātē

Kamēr kaste ir aizvērta, sistēma atrodas abos stāvokļos vienlaicīgi: “sadalījies kodols, miris kaķis” un “neskarts kodols, dzīvs kaķis”, un tikai tad, kad kaste tiek atvērta, tiek īstenota viena no iespējām.

Pagājušā gadsimta vidū amerikāņu fiziķis Hugo Everets ierosināja daudzu pasauļu kvantu mehānikas interpretāciju, kurā pastāv abi kaķa stāvokļi, bet mijiedarbojas ļoti īpašā veidā. Kad novērotājs atver kasti, pasaule sadalās divos dažādos visumos, no kuriem vienā novērotājs skatās uz kasti ar beigtu kaķi, bet otrā – uz dzīvu kaķi. Paradokss?

Slavenais angļu fiziķis Stīvens Hokings reiz iesaucās: "Kad dzirdu par Šrēdingera kaķi, mana roka sniedzas pēc pistoles!" Galīgā vienotība starp fiziķiem šajā jautājumā vēl nav panākta.

Vēlāk redzēsim, ka šķietami abstraktas diskusijas par kaķiem un kvantu likumiem var pielietot praksē: kvantu skaitļošanā un kvantu kriptogrāfijā. Ir iespējams nosūtīt gaismas signālu caur optisko vadītāju, kas atgādina divu stāvokļu maisījumu. Ja ļaundari pieslēgsies pie kabeļa kaut kur pa vidu un pieskarsies signālam, lai noklausītos pārraidīto informāciju, tas nekavējoties signālu izmainīs (tiek veikts novērojums) un gaisma pārslēgsies uz kādu no stāvokļiem. Veicot gaismas statistiskos testus kabeļa uztverošajā galā, varēs noteikt, vai gaisma atrodas stāvokļu sajaukumā, vai arī tā jau tiek novērota un pārsūtīta uz kādu no stāvokļiem. Principā tas ļauj izveidot saziņas līdzekļus, kas novērš neatklāta signāla pārtveršanas un noklausīšanās iespēju.

Bet tagad es piedāvāju jūsu uzmanībai oriģināla satīriķa un šad tad galvu paceļoša reliģiskā obskurantisma kritiķa izcili humoristisku stāstu...

Denis ABSENTIS KVANTU KAĶIS

(fragments)

Pēc materiālo struktūru rašanās otrs dabas brīnums bija dzīvība, ko Ervins Šrēdingers sauc par “visskaistāko šedevru, kas jebkad sasniegts pa Dieva kvantu mehānikas līnijām.

Alexanders Mens, "Reliģijas vēsture»

Anglija, 1935. gada janvāris

- Kādas muļķības jūs te esat sarakstījis, Ervin?! — Redaktors nolika rokrakstu malā, paslaucīja brilles un ar izbrīnu paskatījās uz apmeklētāju, kas apmulsis sēdēja viņam priekšā. — Kā jums ienāca prātā šis sprāgušais kaķis? Vai tiešām nav iespējams izskaidrot kvantu mehānikas likumu būtību bez tik apšaubāmām alegorijām? Ja es jūs agrāk nebūtu pazinis un nebūtu publicējis jūsu rakstus…

- Hans, man arī šis kaķis nemaz nepatīk... Bet akurāt uz to uztāja jūsu referents. Tūlīt paskaidrošu. Redziet, man sākumā šķita, ka esmu atradis ļoti spilgtu un pazīstamu tēlu populāram divu stāvokļu superpozīcijas raksturojuma skaidrojumam... Es taču esmu reliģiozs cilvēks, un ziniet... Arī kvantu mehānika ir radīta ar Dieva žēlastību.

Vienkārši daži tās momenti daudziem ir nesaprotami, un bija jāatrod atbilstošs un aizraujošs tēls, kas dramatizē interpretācijas problēmu. Tad cilvēki ieinteresēsies un pārvarēs šķietamās izpratnes grūtības. Protams, Jēzus tēls pie krusta – tiešām tas būtu saprotams ikvienam...

- Ervin... - Hanss Dītls pārtrauca virpināt rokās brilles un nolika tās uz galda. — Jūs jūties labi? Esat pārliecināts, ka jums nav drudzis? Vispirms beigts kaķis, bet tagad beigts...

Redaktors apklusa, sapratis, ka gandrīz pateicis kaut ko ļoti zaimojošu. Bet profesors, savas idejas savaldzināts, neko nemanīja.

- Bet te jau arī ir visa būtība,- Šrēdingers ātri pārtrauca redaktoru, - ka Jēzus pie krusta vislabāk parāda kvantu paradoksa būtību un simtnieka dūriens ar šķēpu ir viļņu funkcijas sabrukšanas brīdis. Iedomājieties tikai – mūsu Kungs karājas bezsamaņā, krustā sists, asiņo, un neviens – dzirdat, neviens! — tobrīd nevar pateikt, vai viņš ir miris vai tomēr dzīvs. Galu galā tā ir kvantu nenoteiktības jēdziena tīrākā forma. Ontoloģiskā izpratnē Kristus nevar būt dzīvs un miris vienlaikus – tā ir kvantu superpozīcija. Tikai šķēpa dūriens var sniegt mums atbildi uz viņa stāvokli. Tikai tāda lūk, empīriskā pārbaude. Kvantu ziņā Pilāta sūtītais romiešu simtnieks ar šķēpu ir ārējs novērotājs, eksperimentētājs, sniedzot mums galīgo atbildi uz jautājumu, vai Jēzus šobrīd ir dzīvs vai miris. Tas jau ir tas attēls, kurā redzamas momentānas izmaiņas objekta kvantu stāvokļa aprakstā, kas notiek mērīšanas laikā. Bet līdz tam mēs neko droši nezinām; Kristus mums nav ne dzīvs, ne miris!

Šrēdingers triumfējoši atlaidās krēslā, lūkodamies uz redaktoru, kurš izskatījās apmulsis.

- Jūs tak saprotat, ka zinātnisks žurnāls neko tādu nevar publicēt, tā ir acīmredzama zaimošana, - apjukušais Dītls beidzot izspieda. — Varat iedomāties, kā mums uzbruktu visu ticību pārstāvji? To pat nevar apspriest pie pilna saprāta. Nopietni, Ervin, jūs labi jūtaties?

- Sākumā man tā nešķita nekāda tāda zaimošana, - Šrēdingers uzreiz kļuva skumjš. — Galu galā šis Kristus stāvoklis ir labi zināms visiem, gan ticīgajiem, gan neticīgajiem. Tāpēc es domāju, ka šis labi zināmais fakts būtu ļoti ilustratīvs problēmas izskaidrošanā. Bet jūsu referents mani jau ir pārliecinājis un ieteicis aizstāt Kristu ar kaķi...

— Ar kaķi? — Likās, ka redaktoru tūlīt piemeklēs insults. — Jūs tūlīt Kristus vietā piedāvāsiet krustā piesistu kaķi? Jūs patiešām esat traks...

- Nē, nē, - Šrēdingers steidzīgi pārtrauca. - Protams, ne jau sistu krustā. Vienkārši kaķi, kura stāvoklis mums nav zināms. Nu ne dzīvs un ne miris vienlaicīgi. Tātad jūsu referents ieteica aizstāt krustu ar kasti. Kaķis tiek ievietots aizzīmogotā kastē, un mēs nezinām, vai viņš tur ir dzīvs vai jau ir nosmacis. Viņas kvantu stāvoklis…

- Stop! Izbeidziet, Ervin. Šodien jūs noteikti nejūtaties labi. Atliksim šo sarunu uz rītdienu. Pēdējais, kas mums vajadzīgs, ir tiesas prāvas no visādām dzīvnieku aizsardzības biedrībām!

– Bet tas taču tikai abstrakts - iedomāts kaķis. Kāds tam sakars... Nu, labi. Ja uzskatāt, ka kaķa nosmacēšana ir nežēlīga, tad kastē varat atstāt caurumus un kaķis vienkārši nomirs no bada, bet mēs nezināsim, vai tas jau ir noticis vai nē. Un to mēs uzzināsim tikai tad, kad atvērsim kasti.

- Bet eksperimentētājam acīmredzot ir jāiedod ausu aizbāžņi, - redaktoram pēkšņi izpaudās ļauna ironija, - lai viņš nedzirdētu izsalkušā kaķa ņaudēšanu?

- Nu, var kaķim muti aizšūt ... - Profesors paskatījās uz redaktora sejas izteiksmi un apklusa. - Labi, ne tā. Var samitrināt kaķi un piestiprināt divus elektrodus... Nē, tas arī nav tas... Kastē var ievietot indes ampulu. Aha! Patiešām, vislabāk šādā veidā. Mēs ievietojam kaķi kastē, aizzīmogojam to un atstājam sistēmu mierā stundu. Mēs nezinām, vai ampula ir sadauzīta vai nav. Un attiecīgi mēs nezinām, vai kaķis miris.

- Ervīn! – Hanss Dītls jau bija nomierinājies un mēģināja noskaņot prātu  analītiski. – Bet kāpēc, pie velna, šai sasodītajai ampulai nejauši būtu jāsaplīst?

- Nu, tās ir tehniskas detaļas! Piestiprināsim šai ampulai āmuru, kas norausies, kad... kad...

- Ak āmuru arī? — redaktors līdzjūtīgi novilka. - Jā-jā. Patiešām, un šis jūsu nogalināšanas āmurs jūsu elles mašīnā, kā tas tiks likts lietā?

- Nu... Mēs šim āmuram pieliksim ģeiģera skaitītāju un blakus novietosim radioaktīvo avotu, kas izstaro gamma starus...

- Tā-tā-tā. — Redaktora balsī jau sāka izpausties psihiatra līdzjūtīgās pazīmes, kas reizēm bija tik nepieciešamas viņa darbā. - Un kas tālāk?

— Bet skaitītāja mehānismu mēs pieslēgsim pie solenoīda, kas, ja notiks atpakaļskaitīšana, pārsitīs kolbu ar zilskābi...

— Zilskābes kolba? Jā, jā, tas ir ļoti interesanti. — Dītls jau iekšēji bija samierinājies ar bēdīgo faktu, ka vecais Šrēdingers ir kļuvis vājprātīgs, un jau domāja tikai par to, kā tikt vaļā no acīmredzami neadekvātā profesora.

- Tādā veidā kaste piepildīsies ar nāvējošiem tvaikiem - un mūsu kaķis mirs! Vai arī, ja atpakaļskaitīšana nenotiek un kolba paliek neskarta, tad paliks dzīvs! Bet līdz tam mums kaķis joprojām ir “gan miris, gan dzīvs”. Un tikai novērošanas process noved kaķi kādā no stāvokļiem. – Šrēdingers triumfējoši paskatījās uz redaktoru.

- Labi, dārgais Ervin, labi, - viņš teica nomierinošā, klusā balsī. - Diemžēl es jau kavēju tikšanos, tāpēc mēs atgriezīsimies pie šīs diskusijas rīt, labi? Vai parīt... Ļoti interesanta ideja, mēs to noteikti vēl apspriedīsim. Bet man ir pienācis laiks atvadīties, es pazemīgi lūdzu jūs mani atvainot...

Šrēdingers izgāja pa kabineta durvīm un kāpa lejā pa platajām kāpnēm.

Ja viņš būtu uzkavējies pie durvīm, viņš, iespējams, būtu dzirdējis, kā Hanss Dītls paceltā balsī dod norādījumus savam sekretāram:

- Ja te atkal uzradīsies tas trakais, zaimojošais maniaks, vivisekcionists un kaķu bendētājs, triec viņu prom ar netīru slotu! Pat ja viņš būtu desmitkārtējs Nobela prēmijas laureāts, es negrasos apkaunot mūsu cienījamo izdevumu ar aprakstiem par viņa dēļ nobendētu un mirstošu kaķu ciešanām. Un atceries, manis priekš viņa nekad nav. Dzirdi? Nekad!

Šo monologu Šrēdingers nedzirdēja. Tomēr profesoram bija skaidrs, ka viņam nav jēgas šeit atgriezties ne rīt, ne parīt. Izejot uz ielas, fiziķis apstājās, nopūtās, pakratīja galvu un, palūkojies uz tuvāko baznīcu, klusā balsī nomurmināja:

Kembridžas studentu humoristisks plakāts

- Jā, tiešām, ar to kaķi sanācis kaut kāds stulbums... Ar Kristu viss ir tik vienkārši un skaidri... Bet tā nedrīkst - tā nedrīkst... Šeit Hansam pilnīga taisnība. Man vispār nevajadzēja pieminēt Kristu. Tagad man būs jāmēģina sazināties ar citu redakciju. Varbūt man vajadzētu doties uz Berlīni...

Nopūties Šrēdingers devās mājās, pie sevis atkārtodams: “Nākamreiz ne vārda par Kristu, ne skaņas par Kristu, tikai par kaķi. Tikai kaķi - pretējā gadījumā neviens to vispār nepublicēs.

- Nu, cienījamais profesor, šī, protams, ir dīvaina ilustrācija... - Vācu žurnāla “Dabaszinātnes” redaktors domīgi apstaigāja kabinetu un pagriezās pret logu. – Bet man šķiet, ka jūs ar to kaķi esat aizgājis par tālu. Būtu jauki, ja tas būtu tikai kaķis. Bet tik daudz nevajadzīgu papildu ierīču - kaste,  nāvējošā gāze, kaut kādi āmuri, solenoīdi, ģeigera skaitītāji, gamma izstarotāji... Tajā visā ir kaut kas sadistisks un maniakāls, vai ne? Kāpēc jums tik ļoti nepatīk kaķi? Varbūt mēs varam izdomāt kaut ko nedaudz vienkāršāku, vai kā?

- Es jau par to domāju, bet...

Šrēdingers šaubīdamies piegāja pie redaktora un pēkšņi ar šausmām saprata, ka redaktors skatās pa logu uz baznīcu. Fiziķis sastinga uz vietas. Pēc sekundes redaktors atmeta ar roku, it kā aizdzīdams nevajadzīgās domas, un ātri devās uz galda pusi:

- Nu ko, profesor, tā ir jūsu darīšana. Ja vēlaties kaķi, lai būtu kaķis. Rīt nosūtīsim drukāt.

Šrēdingers atviegloti uzelpoja.

TREŠĀ NODAĻA KVANTU SAPINUMS

Ja divas sistēmas, kuru stāvokļi mums ir zināmi, īslaicīgi nonāk fiziskā mijiedarbībā un pēc tam atkal atdalās, tad tās vairs nevar aprakstīt vienādi, tas ir, vairs nevar teikt, ka katra sistēma atrodas savā stāvoklī.

Šo apstākli uzskata par kvantu mehānikas raksturīgāko iezīmi, atdalot to no klasiskās zinātnes. Īslaicīgas mijiedarbības rezultātā sapinušās iepriekš neatkarīgas sistēmas.

Ervins Šrēdingers, Nobela prēmijas laureāts, viens no kvantu mehānikas pamatlicējiem

JAUNĀS FIZIKAS SAREŽĢĪJUMI

Atcerēsimies Heizenberga nenoteiktības principu un padomāsim, kā mēs varētu mēģināt to apiet kādā no iedomātiem eksperimentiem. Pieņemsim, ka trešās daļiņas sabrukšanas rezultātā izveidojās divas identiskas daļiņas. Šajā gadījumā saskaņā ar impulsa saglabāšanas likumu to kopējam impulsam jābūt vienādam ar trešās daļiņas sākotnējo impulsu, tas ir, abu daļiņu impulsiem jābūt saistītiem. Tas dod mums iespēju izmērīt vienas daļiņas impulsu un, izmantojot impulsa nezūdamības likumu, aprēķināt otrās daļiņas impulsu, neradot nekādus traucējumus tās kustībā. Tāpēc, izmērot otrās daļiņas koordinātes, mēs šai daļiņai varēsim iegūt divu vienlaikus neizmērāmu lielumu vērtības, kas pēc kvantu mehānikas likumiem nav iespējams. Tādējādi izrādīsies, ka nenoteiktības attiecība nav absolūta, un kvantu mehānikas likumi ir nepilnīgi un nākotnē var tikt precizēti.

Sarežģītu sapinumu sistēma starp elektroniskā agregāta blokiem. Kvantu sapīšanās bieži tiek salīdzināta ar daudziem elektroniskiem savienojumiem, kas apvieno elektroniskos elementus vienā ierīcē, kā neatņemamas fiziskas sistēmas analogu. Sapinies stāvoklis ir saliktas sistēmas nedalāms (neatdalāms) stāvoklis, ko nevar sadalīt atsevišķās, pilnīgi neatkarīgās un patstāvīgās daļās.

Tomēr pastāv teorētiska iespēja, kad kvantu mehānikas likumi paliks absolūti. Lai tā notiktu, mums jāpieņem, ka abas mijiedarbīgās daļiņas joprojām ir kaut kādā veidā saistītas viena ar otru. Tad mērījumu radītie traucējumi pirmās daļiņas stāvoklī uzreiz tiks pārnesti uz otrās daļiņas stāvokli. Šādi savienotas daļiņas kvantu mehānikā sauc par sapītām, un tās apraksta ar vienu viļņu funkciju neatkarīgi no tā, cik tālu tās atrodas viena no otras. Pārraidītie traucējumi atbilst viļņu funkcijas sabrukuma samazinājumam. Līdzīgas momentānas izmaiņas mikroobjekta kvantu stāvokļa aprakstā, kas notika fizikālo mērījumu laikā, pagājušā gadsimta divdesmitajos gados detalizēti aprakstīja viens no kvantu teorijas matemātiskā aparāta veidotājiem Džons fon Neimans.

Kvantu sapīšanās notiek sistēmā, kas sastāv no divām vai vairākām mijiedarbīgām apakšsistēmām (piemēram, vairākām elementārdaļiņām), un tā ir vairāku kvantu stāvokļu superpozīcija vienam pret otru. Šajā gadījumā izmaiņas vienā sistēmas daļā izraisa vienlaicīgas izmaiņas pārējās tās daļas. Šeit joprojām daudz kas paliek neskaidrs, un joprojām trūkst eksperimentālu datu. Taču sapīto stāvokļu apbrīnojamās īpašības ir apstiprinātas ar daudziem fiziskiem eksperimentiem, un tieši šīs “pārdabiskās” iespējas ir pamatā jaunu elektronisko skaitļošanas ierīču – kvantu kompjūteru – darbināšanai.

Negatīvs un pozitīvs. Kvantiski sapinusies sistēma nedaudz atgādina fotoplati ar neattīstītu attēlu. Tas ir unikāls objekta fiziskais stāvoklis, kad redzamā informācija var parādīties tikai pēc fotoplates apstrādes (mijiedarbība ar vidi). Protams, situācija ar sapīšanu izskatās nedaudz sarežģītāka, un nav iepriekš parādītas "negatīva" informācijas. Tas drīzāk atgādina situāciju, kad vienmērīgi sadalīti pa fotonegatīvu ļoti daudz attēlu un tāpēc nav redzami.

Atkarībā no kvantu sapīšanās lieluma (tas svārstās no nulles līdz vienam), sistēma var sastāvēt no atdalāmām lokālām daļām, kas ir vāji savienotas viena ar otru. Šajā gadījumā sapīšanās mērs ir tuvs nullei. Ja sistēma veido vienotu nedalāmu veselumu, tad sapīšanās mērs ir vienāds ar vienu. Sistēmu, kuras daļas atrodas atdalāmā (nesavienotā) stāvoklī (sapināšanās mērs ir nulle), var iedalīt stingri neatkarīgās daļās. To var izdarīt tikai tādas sistēmas gadījumā, kuras daļas nekad nav mijiedarbojušās viena ar otru.

Ir viegli pieņemt, ka sapīšanās lielums ir atkarīgs no mijiedarbības intensitātes. Tādējādi, kontrolējot mijiedarbību ar vidi, ir iespējams manipulēt ar kvantu sapīšanās pakāpi starp sistēmas sastāvdaļām. Piemēram, slēgta sistēma var būt maksimāli sapinusies, un tajā nebūs lokālu (klasisko) komponentu (apakšsistēmu). Bet, ja tā sāk mijiedarboties ar vidi, tad sapinuma pakāpe starp tās apakšsistēmām pakāpeniski samazinās, un tās “izpaužas” kā lokāli objekti. Kad notiek mijiedarbība ar vidi, superpozīcija tiek iznīcināta un atkarībā no mijiedarbības veida parādās viens vai otrs klasiskais stāvoklis. Tieši šo fizisko procesu sauc par dekoherenci. Otra šī procesa puse ir sistēmas saķeres ar vidi pakāpes palielināšanās. Šķiet, ka tas “izrauj” daļas no tā, kas iepriekš bija vienots veselums, piešķir tām noteiktu formu, un tās kļūst redzamas, atšķiramas no mums ierastā klasiskā skatījuma.

KVANTU PASAULES ROBEŽAS

Vispārīgi runājot, ir vērts atzīmēt, ka sapīto stāvokļu teorija attiecas ne tikai uz kvantu mikrosistēmām, bet daži no tās rezultātiem var tikt attiecināti uz patvaļīgi izvēlētiem makroobjektiem (sk. 6. krāsu attēlu). Mikrodaļiņas ir tikai ērtākie objekti, lai pētītu un manipulētu ar kvantu sapīšanos fizikas pētījumos. Tām kvantu sapīšanās ir īpaši spēcīga, un to vairs nevar ignorēt, kā tas ir makroobjektu gadījumā. Situācija šeit atgādina "viļņu funkcijas" jēdziena pielietojumu mikro- un makropasaulē.

Kvantu sapīšanās mērs ir tieši saistīts ar fiziskās sistēmas informācijas daudzumu. Saikne starp kvantu informāciju un sapīšanos ļauj aprakstīt fiziskos procesus, kas maina kvantu sapīšanās pakāpi starp sistēmas sastāvdaļām kā informācijas apmaiņu ar tās vidi.

Kopumā kvantu sapīšanās klātbūtne makroskopiskajās sistēmās joprojām ir karstu diskusiju priekšmets. Visintensīvāk tiek apspriests jautājums par neatdalāmības kvantu principu: ja sistēmas mijiedarbojas viena ar otru, tad tās savā starpā ir kvantiski sapinušās (savienotas ar nelokālām kvantu korelācijām). Tajā pašā laikā daži teorētiķi pat sliecas domāt, ka visi mijiedarbības akti apkārtējā pasaulē neatkarīgi no to mēroga ir mijiedarbības objektu kvantu sapīšanās (neatdalāmības) priekšnoteikumi.

Tomēr ir skaidri jāsaprot, ka fiziķiem vēl nav izdevies izveidot konsekventu, vispārpieņemtu mūsu Visuma shēmu, kas sastāv no nedalāmām materiālām sistēmām un objektiem. Vēl lielākā mērā iepriekš minētais attiecas uz makrokvantu sapīšanās kvantitatīvo aprakstu, salīdzinot teorētisko modeļu atbilstību ar fizisko eksperimentu rezultātiem.

Nekoherents orķestris. Ja fizisku sistēmu saistām ar orķestra tēlu, tās denogerence atgādinās melodijas disonansi, kad sistēma ir sapinusies ar savu vidi, kas rodas koncertzāles skaņas vides un ielas trokšņa mijiedarbības procesā. Iedomāsimies, ka šādas mulsinošas disonanses rezultātā orķestra diriģents dusmās salauž zizli un aizskrien no skatuves. Tad izjukušā orķestra mūziķi sāk izpildīt atsevišķas partitūras, un pati sākotnējā sistēma pāriet no sapīta sākuma stāvokļa uz nesapītu jauktu stāvokli.

Kvantu sapīšanās jēdziens ir cieši saistīts ar dekoherences fenomenu — atsevišķu mikroobjektu viļņu svārstību koherences zudumu kā kvantu superpozīciju koherenci sistēmas mijiedarbības ar vidi rezultātā. Dekoherence izskaidro, kā notiek mijiedarbības process ar vidi un kā rodas maisījums, kas ir līdzvērtīgs kvantu objektu sadalījumam dažādos stāvokļos ar savām varbūtībām.

KVANTU TEORIJA "SAPINAS"

Protams, lasītājam jau sen vajadzēja uzdot jautājumu: kā šāda “sapinusies” kvantu teorija saskan ar eksperimentālajiem datiem?

Ja eksperimentus veic ar pilnu sistēmu, tad principā ir iespējams atšķirt superpozīciju no maisījuma: superpozīcija rada dažus traucējumus, kuru maisījuma gadījumā nav. Tas atgādina trauku izbrāķēšanu, kad inspektors ar viegla metāla kociņu sit pret glāzēm un šķīvjiem. Ja stikls ir neskarts (pilnīga superpozīcija), rodas tīrs tonis, bet, ja stiklā ir plaisa, dzirdama graboša skaņa (stāvokļu sajaukums).

Pat ja sistēma atrodas superpozīcijas aprakstītā stāvoklī, bet pēc tam šis stāvoklis sapinas ar vides stāvokli tā, ka vidē paliek informācija, kas ļauj atšķirt superpozīcijas sastāvdaļas, tad sistēmas stāvoklis ir pakļauts dekoherencei. Tas nozīmē, ka tas kļūst par vienu un to pašu komponentu maisījumu (nevis superpozīciju), un nekādi eksperimenti, kas veikti ar sistēmu (bet neietekmējot vidi, kas izraisīja dekoherenci), nevar noteikt, vai maisījums ir iepriekš esošas superpozīcijas sekas, vai arī to rada nepilnīgas zināšanas par to, kurš no komponentiem patiesībā pastāv.

Pirmie eksperimenti, lai pārbaudītu kvantu sapīšanās teoriju, bija saistīti ar Vīnes universitātes profesora Antona Zeilingera vārdu. Saviem eksperimentiem Zeilingers izvēlējās parastos fotonus — elektromagnētiskā starojuma kvantus — un mēģināja “teleportēt” šīs elementārdaļiņas uz citu telpas punktu. Svarīgs Zeilingera eksperimentu elements bija sagatavošanās fāze, jo bija nepieciešams, lai kādā kosmosa punktā būtu fotons, kas teleportācijas laikā maina savas īpašības un ir tieši tāds pats kā sākotnējā daļiņa. Zeilingera eksperimenti tika uzskatīti par veiksmīgiem, un viņam patiešām, pēc citu neatkarīgu pētnieku domām, izdevies parādīt, ka kvantu teleportācijas eksperimentos notiek nevis materiālo objektu kustība, bet gan savdabīga to stāvokļu momentānu transformāciju virkne.

Šeit mēs varam ķerties pie šāda salīdzinājuma: iedomāsimies, ka kvantu “portāla” izejas punktā ir spogulis. Neatkarīgi no tā, kas notiek ar sākotnējo fotonu, spogulis atspoguļo tā attēlu, nedaudz mainot to, samainot "kreiso" un "labo" pusi. Tiesa, analoģija šeit nav pilnīga, jo attēls spoguļos tiek atspoguļots gaismas ātrumā, bet kvantu teleportācijas ātrums joprojām tiek uzskatīts par praktiski neierobežotu. Uzsvērsim, ka tas nav pretrunā ar relativitātes teoriju, jo materiālo objektu kustība nenotiek un arī trešās puses novērotāji informāciju par notikušo var saņemt tikai pa parastajiem “gaismas” sakaru kanāliem.

Profesora Zeilingera teleportācijas eksperimentu galvenais objekts bija īpaši sagatavotu fotonu pāri ar viens otram perpendikulārām svārstību plaknēm. No šī brīža tika pieņemts, ka, ja viens no fotoniem ir polarizēts horizontāli, tad otram vajadzētu svārstīties tikai vertikālā plaknē - un otrādi. Tādā veidā tika iegūti “kvantu sapinumā” sasaistītu mikrodaļiņu pāri. Sapinies pāris pēc tam tika vērsts uz daļēji caurspīdīgu spoguli, lai daļiņas vai nu atspīdētu no spoguļa virsmas, vai arī tiktu tam cauri. Bija četri iespējamie scenāriji: abi iziet cauri, viens viens iziet cauri, un abi tiek pilnībā atstaroti. Jebkurā gadījumā abi fotoni tagad bija saistīti viens ar otru. Tas nozīmē, ka fotonu īpašības tika automātiski pārnestas viena uz otru, un tie kļuva tieši tādi paši kā to prototipi, kas atradās vairāku metru attālumā. Galu galā detektora rādījumi noteica, vai ir notikusi teleportācija.

Protams, salīdzinot ar zinātniskās fantastikas romānu sakaru teleportācijas līnijām, šādi eksperimenti izskatās pavisam bāli. Galu galā elementārdaļiņas netiek no viena telpas punkta uz otru, jo uztverošajai ierīcei jau ir savs fotons un tiek pārraidīta tikai informācija par tā polarizāciju.

Nākamajā sadaļā mēs sīkāk aplūkosim, kas ir kvantu informācija un kā mikrodaļiņas to kopē, acumirklī “telepātiski sajūtot” viena otras stāvokļa izmaiņas. Tagad atzīmēsim, ka pēc vairākiem gadiem izmēģinājumu un kļūdu, Zeilingers un viņa kolēģi iemācījās teleportēt līdz pat simts daļiņām stundā. Tikmēr franču fiziķi jau ir sākuši veikt eksperimentus par teleportāciju atomu līmenī.

Fotoni, atomi... Kas tālāk?

"Es domāju, ka mēs drīz iemācīsimies kvantu veidā savienot vienu ar otru pat lielās olbaltuma molekulas," optimistiski apgalvo profesors Zeilingers.

Un nesen tika parādīts, ka ar mikrodaļiņu sapinušos stāvokļu palīdzību ir iespējams sinhronizēt attālus pulksteņus ar nepieredzētu precizitāti. Zinātniekiem ir izdevies izmantot sapinušos fotonu pārus, lai ar pikosekundes kļūdu (10-12 s) sinhronizētu hronometrus, kas atrodas vairāku kilometru attālumā viens no otra. Viena fotona noteikšana nozīmē, ka ļoti šaurā laika intervālā var atklāt arī citu fotonu, un šāda korelācija starp tiem var kalpot pulksteņu sinhronizēšanai ar ļoti augstu precizitāti. Pulksteņu sinhronizāciju ļoti bieži izmanto visdažādākajos fiziskos eksperimentos, un precizitātes uzlabošana šeit ir diezgan sena problēma. Šādi eksperimenti demonstrē principiāli jaunu pieeju, un tiem var būt daudz pielietojumu fundamentālajā un lietišķajā fizikā.

Tomēr joprojām ir pārāk daudz problēmu saistībā ar kvantu teleportāciju. Galu galā viena no galvenajām “pareizas” sapīšanās prasībām ir “destilētas” īpaši tīras kvantu vides izveide, un jo sarežģītāks ir kvantu objekts, jo grūtāk to izolēt no ārpasaules. Ja objekts veido nekontrolētu kontaktu ar ārpasauli, tā nenoteiktais stāvoklis nekavējoties tiek pārveidots par "klasisko lokalizāciju", un viss kvantu sapīšanās process ar sekojošu teleportāciju zaudē nozīmi.

KVANTU SUTRA

Tagad ir īstais laiks ieturēt īsu pārtraukumu un pārdomāt dīvaino kvantu realitātes ainu kopā ar slaveno zinātnes atziņu popularizētāju Romānu Fišmenu, kurš savā oriģinālajā pētījumā “Kvantu Sutra” apgalvo, ka ir absolūti neiespējami iedomāties, kā izskatītos mūsu civilizācija bez klasiskās fizikas un matemātikas. Jēdzieni absolūtā “objektīvā realitāte, kas pastāv neatkarīgi no mūsu apziņas”, trīsdimensiju eiklīda telpa un vienmērīgi plūstošs laiks ir tik dziļi iesakņojušies mūsu apziņā, ka mēs to pat nepamanām. Un pats galvenais, mēs atsakāmies pamanīt, ka tie ir piemērojami tikai dažās ikdienas situācijās, bet lai izskaidrotu Visuma uzbūvi, tie izrādās vienkārši nepareizi.

Tomēr doktors Fišmens pilnīgi pamatoti uzskata, ka “lai gan kaut ko līdzīgu jau pirms gadsimtiem bija izteikuši austrumu filozofi un mistiķi, Rietumu zinātnē Einšteins par to ierunājās pirmais. Tā bija revolūcija, ko nepieņēma mūsu apziņa. Atkārtojam: “viss ir relatīvs”, “laiks un telpa ir nedalāmi”, vienmēr paturot prātā, ka tas ir pieņēmums, zinātniska abstrakcija, kam ir maz kopīga ar mums ierasto stabilo realitāti. Patiesībā tieši šādi mūsu priekšstati ir vāji saistītas ar realitāti – pārsteidzošu un neticamu.

Pēc atoma vispārējās struktūras atklāšanas un tā “planētu” modeļa ierosināšanas zinātnieki saskārās ar daudziem paradoksiem, kuru izskaidrošanai radās vesela fizikas sadaļa – kvantu mehānika. Tā strauji attīstījās un guvusi lielus panākumus Visuma uzbūves izskaidrošanā. Taču šos skaidrojumus ir tik grūti saprast, ka līdz mūsdienām pat vispārīgi tos spēj aptvert tikai daži cilvēki.

Patiešām, lielāko daļu kvantu mehānikas sasniegumu pavada tik sarežģīts matemātiskais aparāts, ka to vienkārši nevar pārtulkot nevienā normālā cilvēku valodā. Matemātika, tāpat kā mūzika, ir ārkārtīgi abstrakts priekšmets, un zinātnieki joprojām cīnās, lai adekvāti izteiktu, piemēram, funkciju konvolūcijas vai daudzdimensiju Furjē rindu nozīmi. Matemātikas valoda ir stingra, taču tai ir maz sakara ar mūsu tiešo uztveri.

Turklāt Einšteins matemātiski parādīja, ka mūsu laika un telpas jēdzieni ir iluzori. Patiesībā telpa un laiks ir nedalāmi un veido vienotu četrdimensiju kontinuumu. Diez vai to ir iespējams iedomāties, jo esam pieraduši nodarboties tikai ar trim dimensijām.

Līdz 19. gadsimta beigām atomi tika uzskatīti par nedalāmiem "elementiem". Radiācijas atklāšana ļāva Rezerfordam iekļūt zem atoma "čaulas" un formulēt tā struktūras planetāro teoriju: lielākā daļa atoma masas ir koncentrēta kodolā. Kodola pozitīvo lādiņu kompensē negatīvi lādēti elektroni, kuru izmērs ir tik mazs, ka to masu var neņemt vērā.

Elektroni riņķo ap kodolu orbītās, līdzīgi planētu rotācijai ap Sauli. Teorija ļoti skaista, taču rodas vairākas pretrunas. Pirmkārt, kāpēc negatīvi lādētie elektroni "nenokrīt" uz pozitīvo kodolu? "Otrkārt, dabā atomi saduras miljoniem reižu sekundē, kas tiem nekaitē ne mazākā mērā - kā mēs varam izskaidrot visas sistēmas apbrīnojamo stabilitāti?"

Citiem vārdiem sakot, ir pienācis laiks atcerēties viena kvantu mehānikas “tēva” Heizenberga vārdus: “... neviena planētu sistēma, kas pakļaujas Ņūtona mehānikas likumiem, nekad neatgriezīsies sākotnējā stāvoklī pēc sadursmes ar citu līdzīgu sistēmu.” Turklāt kodola izmēri, kurā savākta gandrīz visa masa, ir ārkārtīgi mazs salīdzinājumā ar visu atomu. Mēs varam teikt, ka atoms ir tukšums, kurā baigā ātrumā rotē elektroni.

Šajā gadījumā šāds “tukšs” atoms parādās kā pavisam cieta daļiņa. Šīs parādības skaidrojums pārsniedz klasisko izpratni. Faktiski subatomārā līmenī daļiņas ātrums palielinās, jo vairāk tiek ierobežota telpa, kurā tā pārvietojas. Tātad, jo tuvāk elektrons tiek piesaistīts kodolam, jo ātrāk tas kustas un jo vairāk to atgrūž. Kustības ātrums ir tik liels, ka “no ārpuses” atoms “izskatās ciets”, tāpat kā rotējoša ventilatora lāpstiņas izskatās pēc diska.

Dati, kas slikti iekļaujas klasiskās pieejas ietvaros, parādījās ilgi pirms Einšteina. Pirmais šāds “duelis” notika starp Ņūtonu un Hūgensu, kuri mēģināja izskaidrot gaismas īpašības. Ņūtons apgalvoja, ka tā ir daļiņu plūsma, Hūgenss gaismu uzskatīja par vilni. Klasiskās fizikas ietvaros viņu pozīcijas nav iespējams saskaņot. Galu galā vilnis ir pārraidīta daļiņu ierosme vidē, jēdziens, kas attiecas tikai uz objektu kopumu. Neviena no brīvajām daļiņām nevar pārvietoties pa viļņiem līdzīgu trajektoriju. Bet dziļā vakuumā elektrons kustas, un tā kustības apraksta viļņu kustības likumi.

Un Kvantu Sutras autors vēlreiz uzdod jautājumu:

“Kas te uzbudinās, ja nav vides? Kvantu fizika piedāvā Zālamana risinājumu: gaisma ir gan daļiņa, gan vilnis.

Pamazām kļuva skaidrāks, ka elektronu rotācija orbītās ap atoma kodolu pilnīgi atšķiras no planētu rotācijas ap zvaigzni. Tā kā elektroniem ir viļņveida daba, tos apraksta varbūtības izteiksmē. Par elektronu nevaram teikt, ka tas atrodas tādā un citādā telpas punktā, mēs varam tikai aptuveni aprakstīt, kādos punktos tas varētu atrasties un ar kādu varbūtību. Ap kodolu elektroni veido šādu varbūtību “mākoņus” no visvienkāršākajām sfēriskām līdz ļoti dīvainām formām, kas līdzīgas spoku fotogrāfijām.

Bet ikvienam, kurš vēlas beidzot izprast atoma uzbūvi, ir jāpievēršas tā pamatiem, kodola uzbūvei. Lielajām elementārdaļiņām, kas to veido, — pozitīvi lādētiem protoniem un neitrāliem neitroniem — ir arī kvantu raksturs, kas nozīmē, ka tās pārvietojas ātrāk, jo mazāks ir to tilpums. Tā kā kodola izmērs ir ārkārtīgi mazs pat salīdzinājumā ar atomu, šīs elementārdaļiņas kustas diezgan ievērojamā ātrumā, tuvā gaismas ātrumam. Lai beidzot izskaidrotu to struktūru un uzvedību, mums kvantu teorija būs jāsasaista ar relativitātes teoriju. Diemžēl šāda teorija vēl nav izveidota, un mums nāksies aprobežoties ar vairākiem vispārpieņemtiem modeļiem.

Relativitātes teorija parādīja (un eksperimenti pierādīja), ka masa ir tikai viens no enerģijas veidiem. Enerģija ir dinamisks lielums, kas saistīts ar procesiem vai darbu. Tāpēc elementārdaļiņa ir jāuztver kā varbūtības dinamiska funkcija, kā mijiedarbība, kas saistīta ar nepārtrauktu enerģijas pārveidošanu.

Tas sniedz negaidītu atbildi uz jautājumu, cik elementāras ir elementārdaļiņas, vai tās var sadalīt “vēl elementārākos” blokos. Ja mēs paātrināsim divas daļiņas paātrinātājā un pēc tam tās liksim tām sadurties, iegūsim nevis divas, bet trīs daļiņas, un tās būs absolūti identiskas. Trešā vienkārši radīsies no sadursmes enerģijas – tātad daliņas gan atdalīsies, gan neatdalīsies vienlaicīgi!”

Protams – un šajā ziņā mēs pilnībā piekrītam doktoram Fišmenam – pasaulē, kurā tukšas telpas un izolētas matērijas jēdzieni zaudē savu nozīmi, daļiņa tiek aprakstīta tikai caur tās mijiedarbību. Lai par to kaut ko pateiktu, mums tā būs “jāizrauj” no sākotnējās mijiedarbības un, sagatavojot, jāpakļauj citai mijiedarbībai – mērīšanai. Tātad, ko mēs galu galā mērīsim? Un cik leģitīmi vispār ir šie mērījumi, ja mūsu iejaukšanās maina mijiedarbību, kurā piedalās daļiņa, un līdz ar to maina arī pašu daļiņu?

Mūsdienu daļiņu fizikā pati zinātnieka-vērotāja figūra arvien vairāk izraisa kritiku. Būtu pareizāk viņu saukt par “dalībnieku”.

Novērotājs-dalībnieks ir nepieciešams ne tikai, lai izmērītu subatomārās daļiņas īpašības, bet arī noteiktu šīs īpašības, jo tās var apspriest tikai mijiedarbības ar novērotāju kontekstā. Viņam ir vērts izvēlēties metodi, ar kuru viņš veiks mērījumus, un atkarībā no tā tiek realizētas iespējamās daļiņas īpašības. Tiklīdz tiek mainīta novērošanas sistēma, mainīsies arī novērotā objekta īpašības.

Tā Kvantu Sutras autors atklāj visu lietu un parādību dziļo vienotību:

“Pašām daļiņām, kas nepārtraukti mainās no vienas uz otru un pārvēršas citos enerģijas veidos, nav nemainīgu vai precīzu īpašību — šīs īpašības ir atkarīgas no tā, kā mēs tās izvēlamies pētīt. Ja ir jāizmēra viena daļiņas īpašība, neizbēgami mainīsies otra. Šis ierobežojums nav saistīts ar ierīču nepilnībām vai citām lietām, kuras var labot. Tā ir objektīvās realitātes īpašība. Mēģiniet precīzi izmērīt daļiņas atrašanās vietu, un jūs nevarēsiet neko pateikt par tās kustības virzienu un ātrumu - vienkārši tāpēc, ka tai to nebūs. Precīzi aprakstiet daļiņas kustību - jūs to neatradīsit kosmosā. Tādējādi mūsdienu fizika mums izvirza pilnīgi metafiziskas dabas problēmas.

Mēs jau teicām, ka nevaram runāt par subatomārām daļiņām tādos precīzos terminos, pie kādiem esam pieraduši kvantu pasaulē, mums paliek tikai varbūtība. Tā, protams, nav tāda varbūtība, par kuru cilvēki runā, liekot likmes uz zirgu sacīkstēm, bet gan elementārdaļiņu pamatīpašība. Nav runa par to, ka tāda pastāv, bet drīzāk par to, ka tāda varētu pastāvēt. Nav runa par to, ka tām ir īpašības, bet gan par to, ka tām tādas varētu būt. Zinātniski runājot, daļiņa ir dinamiska varbūtības shēma, un visas tās īpašības atrodas pastāvīgā dinamiskā līdzsvarā, līdzsvarojot, tāpat kā Iņ un Jaņ senajā ķīniešu simbolā Tai Chi. Nav nejaušība, ka Nobela prēmijas laureāts Nilss Vors, kuram tika piešķirts muižnieka tituls, savam ģerbonim izvēlējās tieši šo simbolu un devīzi: “Pretstati viens otru papildina”. Matemātiski varbūtības sadalījums ir nevienmērīga viļņu svārstība. Jo lielāka ir viļņa amplitūda noteiktā vietā, jo lielāka ir daļiņas pastāvēšanas varbūtība tajā. Turklāt tā garums nav nemainīgs - attālumi starp blakus esošajām virsotnēm nav vienādi, un jo lielāka ir viļņa amplitūda, jo lielāka atšķirība starp tiem. Kamēr amplitūda atbilst daļiņas pozīcijai telpā, viļņa garums ir saistīts ar daļiņas impulsu, tas ir, ar tās kustības virzienu un ātrumu. Jo lielāka ir amplitūda (jo precīzāk daļiņu var lokalizēt telpā), jo nenoteiktāks kļūst viļņa garums (jo mazāk var noteikt daļiņas impulsu). Ja mēs varam noteikt daļiņas atrašanās vietu ārkārtīgi precīzi, tai vispār nebūs noteikta impulsa.

Šī pamatīpašība ir matemātiski atvasināta no viļņa īpašībām un tiek saukta par nenoteiktības principu. Princips attiecas arī uz citām elementārdaļiņu īpašībām. Vēl viens šāds savstarpēji saistīts pāris ir kvantu procesu enerģija un laiks. Jo ātrāks process, jo nenoteiktāks ir tajā iesaistītās enerģijas daudzums, un otrādi – enerģiju var precīzi raksturot tikai pietiekami ilgstošam procesam.

Tātad kopā ar Romanu Fišmenu mēs beidzot sapratām: par daļiņu nevar pateikt neko konkrētu. Tā pārvietojas vai nu tur, vai citur, pareizāk sakot, ne šur, ne tur. Tās īpašības ir tādas vai citas, vai precīzāk, ne šādas, ne tādas. Tā ir šeit, bet tā var būt arī tur, vai arī tās var nebūt nekur. Pienācis ir īstais brīdis, lai uzdotu jautājumu: vai tā vispār pastāv? vai tā vispār eksistē?

Protams, mums nav vēlmes apšaubīt materiālās kvantu pasaules objektivitāti, kā to odiozi mēģināja izdarīt savā sensacionālajā grāmatā "Fizikas Dao" metafiziķis Fritjofs Kapra. Turklāt, ja tā padomā, kvantu būtība nemitīgi mainās un “ieplūst” viena otrā mikroobjektos, tikai vēlreiz izcili apliecinot dabas izpētes dialektiski-materiālistiskās metodes pareizību. Un šeit absolūti nekādas nozīmes nav ne Kapras mistiskajām nejēdzībām, ne dažu pašmāju “pētnieku” ideālistiskām blēņām, kuri kvantu pasaules realitāti mēģina sasaistīt ar vērotāja apziņu.

CETURTĀ NODAĻA NĀKOTNES INFORMĀTIKA

Noslēpuma sajūta ir visskaistākā pieredze, kas mums ir pieejama. Tieši šī sajūta stāv pie patiesas mākslas un īstas zinātnes šūpuļa.

Alberts Einšteins

Realitātes koncepcijas izmaiņas, kas skaidri redzamas kvantu teorijā, nav vienkāršs iepriekšējo notikumu turpinājums. Acīmredzot tas, par ko mēs šeit runājam, ir īsts izrāvums dabaszinātņu struktūrā.

Verners Heizenbergs, Nobela prēmijas laureāts, viens no kvantu mehānikas pamatlicējiem

MŪSU PASAULES KVANTU PAMATS

Gandrīz pirms pusgadsimta akadēmiķis Aleksandrs Solomonovičs Kompanejecs jau minētajā grāmatā “Kvantizācija tagadnes un nākotnes zinātnē” mēģināja noskaidrot jautājumu par to, kā kvantu fizikas jēdzieni varētu būt noderīgi matemātikā, psiholoģijā un fizioloģijā. Pēc Aleksandra Samoiloviča domām, noteikts kvantu informācijas apjoms varētu saistīt šīs diezgan “atšķirīgās” zinātnes disciplīnas, paļaujoties uz to, ka “kvantu” biofiziķi beidzot spēs ne tikai izskaidrot cilvēka smadzeņu darbību, bet arī sākt modelēt “mākslīgo kvantu apziņu”:

“Kopš neatminamiem laikiem cilvēkus nodarbinājis jautājums par gribas un domu brīvību: kāpēc noteiktos apstākļos cilvēks domāja vai rīkojās tā, nevis citādi. Vai vienmēr ir iespējams iepriekš paredzēt paša rīcību, ienaidnieka vai drauga uzvedību?

Kvantu kompjūters. Kvantu kompjūters ir fiziska ierīce, kas paredzēta loģisku darbību veikšanai, izmantojot īpaši pārveidotus kvantu stāvokļus. Shematiski kvantu kompjūtera darbību var attēlot kā sekojošu secīgu algoritmu: “IERAKSTS” – sākuma stāvokļa sagatavošana; "APRĒĶINS" - sākotnējā stāvokļa pārveidošana, izmantojot īpašu procedūru; "SECINĀJUMS" - prognozētā gala stāvokļa mērījumu rezultāta noteikšana.

Sengrieķu traģēdijās cilvēkus valdīja neizbēgams liktenis. Ne tikai tas, kas notika ar varoņiem ārēju cēloņu ietekmē, bet bija iepriekš noteikta arī viņu rīcība.

Tomēr cilvēka doma meklēja citus problēmas risinājumus. Teologi ir daudz strīdējušies par gribas brīvību. Ne visi viņu argumenti ir pilnīgi bezjēdzīgi: galu galā jautājums daļēji bija par cilvēku atbildību par savu rīcību.

Nereliģiozi domātāji arī apdomāja nolemtības nozīmi. Galējo viedokli pauda Laplass. Viņš apgalvoja, ka principā visu, kas notiek Visumā, var uzrakstīt kā lielu vienādojumu. Tas, ka pasaules vienādojuma risinājums nav zināms, ir saistīts tikai ar mūsu mērīšanas un matemātisko rīku ierobežojumiem. Bet Laplass gandrīz nešaubījās par visa esošā abjektīvo realitāti. Tāpēc viņš ticēja nemainīgam likumam, kas pārvalda cilvēku. Nezināmais likums palika tikpat neizbēgams kā “liktenis” grieķu domātājiem. Mūsdienu cilvēka apziņa nevar ar to samierināties, lai cik liela būtu Laplasa vai jebkura cita mehāniskā determinisma idejas ekstrēma zinātniskā autoritāte.

Informācijas vienība. Klasisko kompjūteru informācijas vienība ir bits, kuram var būt viens no diviem stāvokļiem: 0 vai 1; Abstrakti, bitu var attēlot kā bultiņu, kas vērsta uz augšu vai uz leju.

Kā praktiski izmantot jaunās kvantu informācijas pārraides kanālu iespējas? Pievērsīsimies oriģinālajam fragmentam no slavenā amerikāņu fiziķa Braiena R. Grīna grāmatas "Kosmosa audums: telpas, laika un realitātes struktūra". Tajā stāstīts, kā seriāla "X-Faili" varoņi Malders un Skallija saņem dīvainas identiskas citplanētiešu izcelsmes pakas, kuras "satur mazas, pret gaismu aizsargātas titāna kastītes, sanumurētas no 1 līdz 1000, un vēstuli... vēstulē teikts, ka katrā titāna kastītē ir citplanētiešu sfēra, kas atvērsies sarkanā vai zilā kastītes pusē."

Pēc tam Malders skaidro Skallijai:

"Vēstule saka, ka pirms jebkuras kastes atvēršanas sfērai ir iespēja mirgot sarkanā vai zilā krāsā, un tā ļauj izvēlēties starp divām krāsām brīdī, kad durvis tiek nejauši atvērtas. Bet šeit ir dīvaina daļa. Vēstulē teikts, ka, lai gan tavas kastes darbojas tieši tāpat kā manējās — lai gan katras kastes iekšpusē esošās sfēras nejauši izvēlas sarkano un zilo dzirksti, mūsu kastes kaut kādā veidā darbojas tandēmā. Vēstulē tiek apgalvots, ka pastāv noslēpumaina saikne, tāpēc, ja, atverot savu 1. kastīti, ir zils zibsnis, tu atradīsi arī zilu zibsni, atverot savu 1. kastīti; ja es redzu sarkanu zibsni, atverot 2. kastīti, tu arī redzēsi sarkanu zibsni savā 2. kastītē un tā tālāk."

Kvantu informācijas mērīšana

Mikropasaulē informāciju var izmērīt, izmantojot īpašas vienības – kvantu bitus – kubitus, kuriem ir liels iespējamo stāvokļu skaits. Šos stāvokļus var attēlot ar bultiņu, kas norāda uz sfēras punktu. Sfēras ziemeļpols ir vienāds ar 1, bet dienvidu pols ir vienāds ar 0. Pārējās pozīcijas atbilst kvantu superpozīcijām 0 un 1. Kopumā tas ir standarta attēlojums informācijas bitam, kura vērtība ir viens vai nulle, bet ņemot vērā mijiedarbojošo kvantu apakšsistēmu varbūtības raksturu.

KVANTU "SLEPENIE FAILI"

Tātad, Skallija un Malders apņēmīgi atver savas noslēpumainās kastes un "...salīdzinot krāsas, kas mirgo katrā kastē, Skallija un Malders patiešām atrod vēstulē paredzēto atbilstību. Dažreiz sfēra kastē mirgo sarkanā, dažreiz zilā krāsā, bet, atverot kastes ar vienādiem cipariem, Skallija un Malders vienmēr redz vienādas krāsas uzplaiksnījumu.

Malders arvien vairāk aizraujas un aizraujas ar citplanētiešu sfērām, bet Skalliju tas nesajūsmina.

"Malder," Skallija drūmi saka klausulē, "tev tiešām ir nepieciešams atvaļinājums." Tas ir stulbi. Acīmredzot sfēras katrā mūsu kastē ir ieprogrammētas tā, lai mirgo sarkanā krāsā, vai arī tās ir ieprogrammētas mirgot zilā krāsā, kad tiek atvērtas kastes durtiņas. Un kāds mums atsūtījis šīs bezjēdzīgās un identiski ieprogrammētās kastes, lai mēs noteiktu vienādas krāsas zibšnus kastēs ar vienādiem numuriem.

Malders mēģina strīdēties ar savu burvīgo aģenti-partneri:

"Nē, Skalij, vēstulē teikts, ka katra citplanētiešu sfēra nejauši izvēlas starp zilu un sarkanu mirgošanu, kad durvis tiek atvērtas, nevis tas, ka sfēra ir iepriekš ieprogrammēta izvēlēties vienu vai otru krāsu.

"Malder," Skallija nopūšas, "mans skaidrojums ir pilnīgi saprātīgs un atbilst visiem datiem. Ko vēl tu gribi? Un paskaties šeit, vēstules beigās. Tas ir lielākais joks. Citplanētieši mūs sīkajā drukā informē, ka sfēras uzplaiksnījumu kastes iekšpusē izraisa ne tikai kastes durvju atvēršana, bet arī jebkuras citas darbības ar kasti, kuras mērķis ir noskaidrot, kā tā darbojas - piemēram, ja mēģināsim noskaidrot krāsas veidošanās procesu vai sfēras ķīmisko sastāvu pirms durvju atvēršanas, arī būs uzzibsnījums. Citiem vārdiem sakot, mēs nevaram analizēt šķietamo nejaušo sarkanās vai zilās krāsas izvēli, jo jebkurš šāds mēģinājums sabojātu pašu eksperimentu, kuru mēs cenšamies veikt.

Par šo mūsu laiku karsto, drosmīgo, daudzu filmu un televīzijas skatītāju iemīļoto, X failos ietverto noslēpumu piemēru B. Grīns sniedz šādus komentārus :

"Divas daļiņas var būt tik ļoti sapītas ar kvantu efektiem, ka to nejaušās izvēles starp vienu vai otru īpašību ir savstarpēji saistītas: tāpat kā katra no citpanētiešu sfērām nejauši izvēlas starp sarkano un zilo, un tad kaut kādā veidā sfēru izvēlētajos krāsas lodziņos ar vienādiem cipariem parādās korelētas (abas mirgo sarkanas vai abas mirgo zilas), ja tās var būt nejaušā secībā izvēlētas divas daļiņas. Aptuveni runājot, lai gan divas daļiņas atdala liels attālums, kvantu mehānika parāda, ka neatkarīgi no tā, ko dara viena daļiņa, otra veiks tādu pašu darbību.

Konkrētam piemēram, ja valkājat saulesbrilles, kvantu mehānika parāda, ka pastāv iespēja, ka kāds fotons, piemēram, no ezera virsmas vai no bruģēta ceļa atstarots fotons, izkļūs caur jūsu spilgtumu samazinošajiem polarizētajiem stikliem: kad fotons sasniedz stiklu, tas  “izvēlas” nejaušību iet cauri vai atstaroties. Apbrīnojami ir tas, ka fotonam var būt partnerfotons, kas lido miljona jūdžu attālumā pretējā virzienā, un tomēr, kad tas sastopas ar tādu pašu 50:50 iespējamību iziet cauri citam polarizētu saulesbriļļu pārim, tas kaut kā atkārtos to, ko darīja sapītais fotons. Pat ja katrs iznākums tiks noteikts nejauši un pat ja fotoni ir atdalīti telpā, ja viens fotons iet cauri, tad to dara arī sapītais. Tā ir kvantu mehānikas paredzētā nelokalitātes forma."

Tādējādi kvantu pasaules likumi ne tikai pēc formas, bet arī savā dziļākajā būtībā būtiski atšķiras no klasiskās mehānikas, ko iemieso tas, ko mēs saucam par saprātīgu ikdienas realitāti. Tūkstošiem gadu astronomi ir novērojuši debess ķermeņu trajektorijas, taču tas, protams, neietekmē planētu orbītu elipsi. Tomēr, novērojot elektronu, mēs noteikti mainīsim tā enerģētisko stāvokli un viļņu funkciju, tā ka jebkurš mērījums pilnībā un nekontrolējami mainīs mikrodaļiņas kopējo stāvokli. Eksperimentētājiem-fiziķiem vienīgā izeja ir veikt mērījumus ļoti lielam elektronu skaitam (ideālā gadījumā šādam identisku mikroobjektu skaitam praktiski būtu jātiecas uz bezgalību), tad un tikai tad ar jebkādu precizitātes pakāpi var uzzināt, kāds būs eksperimenta rezultāts ar citām mikrodaļiņām tādos pašos apstākļos.

Tieši šeit ir saikne starp klasisko un kvantu fiziku, jo atsevišķi identiski kvantu mehānikas eksperimenti noved pie dažādiem rezultātiem vienkārši tāpēc, ka nav iespējams nodrošināt absolūti identiskus nosacījumus to veikšanai, kā tas notiek klasiskajā mehānikā. Bet pietiekami liels identisku eksperimentu kopums ar tikpat nozīmīgu identisku kvantu objektu kopu (piemēram, tiem pašiem elektroniem) noteikti novedīs pie identiskiem rezultātiem.

Kā savā grāmatā “Kvantizācija tagadnes un nākotnes zinātnē” ar pārsteidzošu precizitāti atzīmēja A. S. Kompanejecs:

"Vispārsteidzošākais ir tas, ka likumsakarības forma joprojām attiecas uz atsevišķu objektu: visvienkāršākajā formā Šrēdingeru vienādojums apmierina viena elektrona viļņu funkciju. Attiecīgi katrs elektrons mijiedarbojas ar mērierīci, piemēram, fotoplāksni, neatkarīgi no visiem pārējiem. Fotoplāksne, tāpat kā jebkura mērierīce, ir klasisks objekts, līdz ar to ir iespējams fiksēt punktu, kurā atsevišķs elektrons pret to atsitas, būtiski nemainot pašas fotoplāksnes stāvokli. Bet pats elektrons, trāpot fotoemulsijai, radikāli maina savu stāvokli. Šādos atsevišķos mijiedarbības aktos parādās statistisks modelis.

KVANTU DATORI UN KRIPTOGRĀFIJA

Izanalizējis pašreizējo situāciju kvantu fizikā, slavenais amerikāņu fiziķis Ričards Feinmans izteica domu, ka šādas problēmas jārisina ar speciālu kvantu datoru. Savā slavenajā rakstā “Fizikas modelēšana datoros” viņš pārliecinoši pierādīja, ka ir jāizstrādā principiāli atšķirīgas skaitļošanas ierīces.

Nav šaubu, ka kvantu skaitļošanas sistēmu izstrādātājiem, kuru pamatā ir mikrodaļiņu sapīšanās kvantu mehāniskie efekti, galu galā izdosies panākt iespaidīgu aprēķinu paralēlismu. Un pat tad, ja skeptiķiem ir taisnība, prognozējot, ka jaudīgs kvantu dators nekad netiks uzbūvēts, pētījumi šajā lietišķās kvantu fizikas jomā var novest pie daudziem negaidītiem atklājumiem.

Ir vēl viens pavisam fantastisks pētniecības virziens, kas saistīts ar kvantu neirodatoru konstruēšanu. Kamēr zinātne joprojām sper tikai pirmos soļus šajā virzienā, arvien vairāk biofiziķu un neirofiziologu sāk apspriest "kvantu apziņas" pastāvēšanas iespēju.

Kvantu informācijas tehnoloģijas ir atradušas pavisam negaidītu pielietojumu kriptogrāfijā, dažādu kodu veidošanas un atšifrēšanas mākslā. Galvenās grūtības, ar kurām saskaras mūsdienu kriptogrāfi, ir nodrošināt, lai šifrēšanas atslēgas starp sūtītāju un saņēmēju tiktu pārsūtītas tādā veidā, lai neviens tās nevarētu nokopēt. Kvantu skaitļošanas parādīšanās un jo īpaši tādu kvantu datoru parādīšanās, kas spēj ātri veikt neticami sarežģītu skaitlisko šifrēšanas kodu faktorizāciju, iezīmēs daudzu kriptogrāfijas shēmu sabrukumu. Bet tad kvantu informācijas zinātne sniedza otru pārsteigumu, iezīmējot vēl vienas zinātniskas nozares parādīšanos: kvantu kriptogrāfiju. Kā izrādās, ir pilnīgi iespējams izveidot pilnīgi slepenu sakaru savienojumu, izmantojot informācijas pārraides kvantu metodes. Piemēram, lai “noklausītos” šifrēšanu, ko caur optisko šķiedru pārraida atsevišķi fotoni (kvanti), ir nepieciešams uztvert katru kvantu, izmērīt tā stāvokli un tikai pēc tam nosūtīt atpakaļ adresātam. Visa problēma ir tāda, ka šīs manipulācijas nav iespējams veikt, neizjaucot atsevišķu kvantu stāvokli un kvantu sistēmu kopumā. Šādas sakaru sistēmas ļauj droši pārsūtīt slepenos ziņojumus praktiski neierobežotos attālumos. Tādas jau tiek ražotas un izmantotas speciālo dienestu vajadzībām informācijas sūtīšanai uz Zemes, drīzumā tos plānots palaist kosmosā, lai izveidotu sistēmas īpaši slepenas informācijas pārraidei.

Daži zinātnieki uzskata, ka sapnis par kvantu datoriem piepildīsies tikai pēc zināmiem sasniegumiem fizikā un eksperimentālajās tehnoloģijās, kad kvantu pasaule kļūs cilvēkiem saprotamāka. Tomēr neatkarīgi no tā, vai kvantu dators tiks uzbūvēts vai nē, kvantu skaitļošana jau ir ieņēmusi savu vietu datorzinātnēs un matemātikā, un pieredze darbā ar atsevišķiem atomiem ir ievērojami bagātinājusi eksperimentālās fizikas, ķīmijas un inženierzinātņu iespējas. Nav šaubu, ka datortehnoloģiju nākotne ir cieši saistīta ar kvantu fiziku. Un par perspektīvāko tā attīstības virzienu šobrīd tiek uzskatīta kvantu datoru konstruēšana. Kvantu datori kā savus pamatelementus izmantos atsevišķas molekulas, tāpēc to attīstība acīmredzami nav iespējama bez kvantu mehānikas izmantošanas.

Izmantojot kvantu informācijas zinātnes vēsturi kā piemēru, varam saprast, cik cieši augsto tehnoloģiju attīstība ir saistīta ar fundamentālo zinātņu attīstību un cik lielā mērā pirmā ir atkarīga no pēdējām. Tāpēc, lai gūtu panākumus jauno tehnoloģiju jomā, jāatceras, ka to pamatā, pirmām kārtām ir teorētiskā fizika. Tikai fundamentālās zinātnes panākumi var novest pie jaunu apvāršņu atklāšanas lietišķajā darbā, pie jauniem pārsteidzošiem civilizācijas sasniegumiem.

Lai saprastu paradoksālas kvantu nelokalitātes pastāvēšanas iespējamību, vislabāk ir vēlreiz pievērsties kāda izcila fiziķa viedoklim, kurš ar to īpašā veidā cīnījies visu mūžu. Patiesībā, lai to panāktu, akadēmiķim un Nobela prēmijas laureātam de Broilam bija jāizveido sava paralēlā kvantu teorijas versija, ko viņš nosauca par kvantu viļņu fiziku.

Luijs de BROILS KLASISKĀ MEHĀNIKA UN FIZIKA IR TIKAI TUVINĀJUMI?

(izvilkums no grāmatas "Revolūcija fizikā")

Tagad īsi apspriedīsim jautājumu par to, kādu lomu mūsdienu fizika piešķir klasiskajai mehānikai un fizikai. Protams, tās pilnībā saglabā savu praktisko nozīmi parādību jomā, kuru aprakstīšanai tās tika izstrādātas un kurās to derīgumu apstiprina pieredze. Kvantu atklāšana nekādā veidā nepārkāpj krītošu ķermeņu likumus vai ģeometriskās optikas likumus. Ikreiz, kad likums tiek pārbaudīts līdz noteiktai precizitātes pakāpei (un katru rezultātu var pārbaudīt tikai līdz noteiktai precizitātes pakāpei), var apgalvot, ka šis rezultāts būtībā ir galīgs un neviena turpmākā teorija to nevar atspēkot. Ja tas tā nebūtu, tad nekāda zinātne vispār nevarētu attīstīties. Taču var gadīties, ka jaunu eksperimentālu datu vai jaunu teoriju parādīšanās novedīs pie tā, ka iepriekš atklātie likumi tiks uzskatīti tikai par kaut kā tuvinājumu. Citiem vārdiem sakot, palielinoties mērījumu precizitātei, to derīgums galu galā tiek pārkāpts. Šādi gadījumi zinātnes attīstības vēsturē ir bijuši vairākkārt. No ģeometriskās optikas likumiem, piemēram, ir zināms, ka gaismas taisnās izplatīšanās likums, lai gan tas tika pārbaudīts ar augstu precizitātes pakāpi un sākotnēji tika uzskatīts par pilnīgi precīzu, izrādījās patiess tikai aptuveni. Tas kļuva skaidrs pēc difrakcijas fenomena atklāšanas un gaismas viļņveida rakstura noteikšanas. Tieši caur šādu secīgo tuvinājumu ceļu, novēršot iekšējās pretrunas, var attīstīties zinātne. Turpmākā zinātnes attīstība, izstrādes procesā radušās teorijas pilnībā neatspēkos un neiznīcinās, bet gan kļūs kā sastāvdaļas jaunās, vispārīgākās teorijās. No šī viedokļa mehāniku un klasisko fiziku var uzskatīt par ievadu kvantu fizikā.

Ņemot vērā kvantu teoriju, klasiskā mehānika un fizika vairs nav absolūti precīzas. Taču normālos apstākļos klasisko likumu pārkāpums izrādās nemanāms vienmēr esošo mērījumu kļūdu dēļ. Tādējādi parādībām, kas notiek mūsu parastajos mērogos, klasiskā mehānika un fizika izrādās ļoti labs tuvinājums.

Tātad šeit mēs atkal saskaramies ar ierasto zinātnes attīstības procesu. Stingri iedibināti principi un droši pārbaudīti likumi, lai gan tie tiek saglabāti zinātnes tālākajā attīstībā, vairs netiek uzskatīti par absolūti precīziem, bet gan tikai par zināmu tuvinājumu, kura pielietojamības robežas nosaka jauna, vispārīgāka teorija.

Tā kā mūsu mēroga parādībām tomēr paliek spēkā klasiskā mehānika un fizika, kurās kvantu klātbūtne vispār netiek ņemta vērā, daži varbūt varētu teikt, ka būtībā kvantiem nav tik universālas nozīmes, kāda tiem tiek piedēvēta, jo ārkārtīgi plašā parādību jomā, tostarp, jo īpaši, var pilnībā ignorēt praktiskās kvantitātes pielietojumu jomu. Tomēr šis viedoklis mums šķiet nepareizs. Pirmkārt, tik svarīgā un daudzsološā jomā kā atomu un kodolfizika kvantiem ir tik nozīmīga loma, ka bez kvantu teorijas izmantošanas ir pilnīgi neiespējami izprast ar šo jomu saistītās parādības. Otrkārt, makroskopiskajā fizikā, kur kvantu vērtību mazuma un neizbēgamo eksperimentālo kļūdu dēļ procesu kvantu raksturs skaidri neizpaužas, darbības kvanta klātbūtne rada visas iepriekš norādītās sekas. Un, ja tiem praktiski nav manāmas ietekmes, tas nekādā veidā nemazina to nozīmi ne fizikā, ne filozofijā. Tāpēc šobrīd kvantu teorija ir viens no būtiskiem dabaszinātņu pamatiem.

PIEKTĀ NODAĻA MŪSU PASAULES DZIMŠANA

Lai gan šobrīd zināmo fizisko likumu darbību nav iespējams ekstrapolēt atpakaļ uz pašiem pirmsākumiem vai pat uz reģionu, kurā stājas spēkā gravitācijas kvantu teorija, tomēr ir iespējams izveidot Visuma modeli, sākot ar gandrīz pirmo tā pastāvēšanas mikrosekundi, ar pietiekamu pārliecību, ka tā fiziskā būtība ir saprasta pareizi. Visuma evolūcijas izsekošana šajos sākotnējos, pārsteidzoši īsajos brīžos neapšaubāmi ir viens no lielākajiem, burtiski elpu aizraujošākajiem un drosmīgākajiem zinātnes centieniem, kādu jebkad tā ir veikusi. Patiešām neticami, ka ir iespējams saprotami aprakstīt Visuma stāvokli kad tas sāka pastāvēt nepilnu sekundi.

P. Deiviss, "Telpa un laiks mūsdienu Visuma izpratnē"

VISUNIVERSĀLĀKĀ ZINĀTNE

Viens no mūsdienu dabaszinātņu lielākajiem noslēpumiem ir mūsu pasaules izcelsmes fizika. Ar šo noslēpumaino problēmu nodarbojas īpaša zinātne, kas pēta Visumu kā vienotu veselumu – fiziskā kosmoloģija. Kosmoloģijas secinājumi ir balstīti gan uz fizikas likumiem, gan uz astronomijas novērojumu datiem. Kosmoloģija atšķiras no citām zinātnēm ar savu uzbūvi, jo lielā mērā ir spekulatīva un hipotētiska disciplīna. Mūsdienu kosmoloģijas attīstība balstās uz nostāju, ka visi uz mūsu planētas un tuvākajā kosmiskajā vidē izveidotie dabas likumi noteikti attiecas uz visu pārējo redzamo Visumu – metagalaktiku (sk. 8. krāsu att.). Tas, protams, nenozīmē, ka kaut kur kosmosa dzīlēs zinātniekiem neizdosies atklāt jaunus pārsteidzošus fizikālos likumus, taču viņi nekad neatcels jau atklātos dabas likumus telpā un laikā, bet gan paplašinās un attīstīs tos jaunā līmenī.

Multivisumu pasaules. Vienkāršs astronomisks fakts - mūsu Visuma paplašināšanās - noveda pie visu kosmogonisko koncepciju pilnīgas pārskatīšanas un jaunas fizikas izstrādes - topošo un izzūdošo pasauļu fizikas. G. Rubins, "Pasaule, kas dzimusi no nekā"

Gadsimtiem ilgi cilvēces dižākie prāti – Koperniks, Keplers, Galilejs un Ņūtons – apkārtējo pasauli uzskatīja par viendabīgu un nemainīgu. Einšteins savās konstrukcijās sākotnēji paļāvās uz tām pašām Visuma īpašībām. Relativitātes teorijas radītājs uzskatīja, ka Visums kopumā neattīstās, bet paliek iesaldētā stāvoklī un nekādā veidā nav pakļauts laika ritējumam. Tiesa, atsevišķās metagalaktikas vietās zvaigznes un pat veselas galaktikas var rasties un nodzist, taču pasaules kopaina pamatā paliek nemainīga. Taču īstais Visums izrādījās pavisam citāds, nevis statiski sasalis, bet gan dinamisks un attīstošs. Visuma matērija nevar būt miera stāvoklī. Tai ir vai nu jāpaplašinās, vai jāsamazinās.

Metagalaktika pašlaik paplašinās ar paātrinātu ātrumu, un, ja mēs atgriezīsim šo procesu pagātnē, mēs nonāksim ļoti noslēpumainā universālās saspiešanas punktā, ko sauc par kosmoloģisko singularitāti. Šis lielā mērā iedomātais punkts (galu galā vienkārši nav iespējams norādīt tā koordinātes - nav piemērotas atskaites sistēmas!) būs mūsu Visuma paplašināšanās “sākuma” brīdis. Pats astronomiskais termins “singularitāte” var tikt tulkots kā “savdabīgums”, “neparastums” vai “izņēmums”, jo sākotnējam matērijas stāvoklim bija raksturīgi pilnīgi neizprotami matērijas un enerģijas blīvumi, kas tiecās uz bezgalību.

Kosmoloģiskās singularitātes jēdziens ir cieši saistīts ar mūs aptverošās trīsdimensiju telpas izliekumu, kas var būt gan atvērta, gan slēgta. Tas, kāda tieši tā kļūs, ir atkarīgs no daudziem apstākļiem. Piemēram, ja matērijas blīvums šādā pasaulē ir zem noteiktas kritiskās vērtības, tad tā būs neslēgta un varēs paplašināties līdz bezgalībai. Tad gaismas stars, kas izstarots no jebkura punkta tās iekšienē, nekad neatgriezīsies atpakaļ, ja vien tas neatstarosies, saskaroties ar kādu šķērsli. Ja vielas blīvums pārsniedz noteiktu kritisko vērtību, telpa kļūs slēgta. Tā paplašināsies un saruks, bet tomēr nepārsniegs noteiktas robežas.

Šādas pulsējošas slēgtas pasaules vizuāls attēlojums var būt kā gumijas bumba, kas piepūšas un pēc tam saplok. Pats par sevi saprotams, ka ar visiem mūsu pūliņiem maz ticams, ka mēs spēsim uzpūst bumbu virs kritiskā virsmas tilpuma, jo tā pārplīsīs. Šajā slēgtajā telpā vienā virzienā vērsta gaisma var lidot apkārt visam dobumam un atgriezties no otras puses, nekad no tā neizkļūstot.

Pēc relativitātes teorijas radīšanas, pagājušā gadsimta divdesmitajos gados, ievērojamais Sanktpēterburgas matemātiķis Aleksandrs Aleksandrovičs Frīdmans bija viens no pirmajiem, kurš ieguva oriģinālus risinājumus vispārējās relativitātes teorijas vienādojumiem visam Visumam kopumā. Analizējot iegūtos rezultātus un piemērojot tos Einšteina jaunajai gravitācijas teorijai, profesors Frīdmans izdarīja sensacionālu atklājumu. Viņš atklāja, ka vienādojumos ir risinājumi, kas apraksta pilnīgi slēgtu pasauli. Gravitācijas ietekmē noteiktos Visuma apgabalos matērija var it kā “sabrukt”, veidojot neparastu, sevī noslēgtu telpu. Pēc tam zinātnieks ieguva vēl negaidītāku rezultātu, kas skaidri parādīja, ka Visumam, kas piepildīts ar "gravitācijas vielu", ir jāpaplašina vai jāsaraujas. Frīdmaņa vienādojumi Visumam, kas attīstās un paplašinās, veido visas mūsdienu kosmoloģijas pamatu.

FRIDMANA PASAULE

Kā var iedomāties Frīdmana pasauli? Ņemsim globusu un apdzīvosim to ar "plakaņiem", kas rāpo pa virsmu, nezinot par trešās dimensijas esamību. Sfēras virsma veido īpašu divdimensiju pasauli. Tā ir slēgta un tajā pašā laikā neierobežota, jo var pārvietoties pa bumbas virsmu jebkurā virzienā, nebaidoties uzdurties kādam nepārvaramam šķērslim.

Tagad iedomāsimies, ka Plakaņu Zinātņu akadēmija nolēma eksperimentāli pārbaudīt, vai viņu Visums ir neierobežots vai ierobežots. Uzsākot mērīt savas pasaules sfēras apkārtmēru, plakanās planētas akadēmiķi drīz vien sastaptos ar lielu pārsteigumu, jo apkārtmērs, palielinoties, attālumam no vietas, kur atrodas plakanās planētas eksperimentētāji, sasniegs maksimumu un tad sāks nepārtraukti samazināties līdz nullei.

Tas plakaņiem skaidri parādītu, ka viņu pasaule ir slēgta. Tādā slēgtā pasaulē jānotiek pārsteidzošām lietām. Šādā pasaulē fiziskie likumi darbotos atškirīgi un divu lādiņu mijiedarbības spēks mainītos atšķirīgā proporcijā pret attālumu.

Divdimensiju būtnes, iespējams, nekad neuzzinās, kas atrodas zem, vai virs sfēras izliektās virsmas, kuras centru nevarētu konstatēt ar saviem divdimensiju instrumentiem. Viņi varētu izveidot Visuma modeli kopumā, bezrobežu, bet ierobežotu, kas satur ierobežotu kvadrātkilometru skaitu. Modelis aptvertu visu, kas ir pieejams viņu maņām un fiziskajiem instrumentiem, bet no ārēja vērotāja viedokļa plakaņu pasaule būtu tikai niecīga daļa no kaut kā daudz plašāka.

Acīmredzot divdimensionālos aborigēnus interesētu jautājums, vai sfēras ar centru iekšpusi un sfēru aptverošo ārējo telpu var uzskatīt par reāli eksistējošu, ja līdz šim viņu sfēriskajā pasaulē tie nekādi nav izpaudušies un, iespējams, arī nekad neizpaudīsies?

HABLA KONSTANTE

Kādu laiku pēc tā radīšanas Frīdmana nestacionāra izplešanās Visuma modelis daudziem zinātniekiem šķita nereāls. Taču Frīdmana atbilstošos risinājumus ne tikai atzina relativitātes teorijas autors Einšteins, bet arī guva praktisku apstiprinājumu slavenā amerikāņu astronoma E. Habla novērojumos. Pagājušā gadsimta divdesmitajos gados pēc iespaidīgas astronomisku pētījumu sērijas par tālām galaktikām viņš nonāca pie secinājuma, ka šie galaktiskie objekti attālinās no mums ar ātrumu, kas ir proporcionāls šim attālumam. Tāpēc, jo tālāk no mums atrodas galaktika, jo lielāks ir tās attālināšanās ātrums.

Atbilstošais proporcionalitātes koeficients ir ļoti svarīgs kosmoloģisks lielums, ko sauc par Habla konstanti. Habls izdarīja šādu secinājumu, pamatojoties uz savu pētījumu par fizisko Doplera efektu - viļņu garuma nobīdi avota starojuma spektrā uz diapazona sarkano daļu tālām galaktikām (9. krāsu attēlā redzams Habla atklājums par sarkanās nobīdes efektu, galaktiku paplašināšanos, ir pamatā izplešanās pierādījumam). Saskaņā ar mūsdienu kosmoloģiskajiem jēdzieniem Visums izplešas, bet izplešanās centra nav: no jebkura Visuma punkta izplešanās izrādīsies vienāda, proti, visām galaktikām būs sava sarkanā nobīde, kas ir proporcionāla attālumam līdz tām. Šķiet, ka uzpūšas pati telpa (10. krāsu att).

Atlika saprast, kādas fiziskas pārvērtības notika un notiek dažādos mūsu pasaules izplešanās posmos. Viens no pirmajiem, kas sāka pētīt šo interesantāko matērijas rašanās problēmu mūsu pasaulē, bija slavenais krievu izcelsmes amerikāņu fiziķis Džordžs Gamovs. Tieši viņš pagājušā gadsimta četrdesmitajos gados ielika mūsdienu kosmoloģijas un kosmogonijas pamatus - “karstā Visuma” modeli.

Telpas paplašināšanās pēc Lielā sprādziena.

Ilgu laiku Visums, pēc Lielā sprādziena atdzisa, kļuva tumšs un auksts - nekas to neizgaismoja. Šis periods, ko astronomi sauca par "tumsas laikmetu", beidzās, kad izveidojās pirmās zvaigznes. Šeit zinātnieki saskārās ar vienu no galvenajām mūsdienu dabaszinātņu problēmām - noslēpumainās "tumšās matērijas" un "tumšās enerģijas" noslēpumu. Ļoti jaunais Visums, kas ietver pirmās paaudzes zvaigžņu veidošanās sākumu, ir novedis pie domas, ka neredzamās matērijas noslēpumainais veids gravitācijas ceļā koncentrēja Visuma matēriju drīz pēc tās dzimšanas, ļaujot veidoties pirmajām zvaigznēm un galaktikām.

Saskaņā ar karstā Visuma modeli plazmai un elektromagnētiskajam starojumam Visuma izplešanās sākuma stadijā bija ļoti augsts blīvums un enerģija. Paplašinoties Visumam, šī temperatūra nepārtraukti pazeminājās. Tad tika izjaukts izveidotā ūdeņraža un hēlija līdzsvars ar starojumu - starojuma kvantiem vairs nebija vielas jonizēšanai nepieciešamās enerģijas un tie izgāja cauri it kā caur caurspīdīgu vidi. Starojuma temperatūra turpināja pazemināties, un mūsu laikmetā tā ir tikai daži Kelvina grādi. Šis starojums ir saglabājies līdz mūsdienām kā Visuma sprādzienveidīgās dzimšanas laikmeta atbalss Lielā sprādziena kataklizmā.

Jaundzimušais Visums piedzīvoja ārkārtīgi straujas izplešanās posmu (kosmoloģiskā inflācija), kas pilnībā izmainīja jaunā kosmosa ainavu. Līdz aptuveni 300 000 gadiem Visums bija verdošs elektronu, protonu, neitrīno un starojuma katls, kas mijiedarbojās viens ar otru un veidoja vienotu vidi, kas vienmērīgi piepildīja visu agrīno Visumu. Vispārējā Visuma izplešanās šo vidi pamazām atdzesēja, un, kad temperatūra nokritās līdz vairākiem tūkstošiem grādu, pienāca laiks stabilu atomu veidošanās brīdim.

Lielais Sprādziens, Lielais "kolapss" *(tikai slēgtam modelim)Mūsu Visuma attīstības modeļi

Kas sagaida mūsu pasauli neiedomājami tālā nākotnē? Zinātnieki – fiziķi, kosmologi un astronomi – savas prognozes pamato ar mums apkārt esošās telpas izliekumu. Tādējādi, ja trīsdimensiju telpas izliekums ir negatīvs vai (robežgadījumā) vienāds ar nulli (Ņūtona, Lagranža un Laplasa pasaule), tad Visums ir bezgalīgs un mums ir tā sauktais “atvērtais modelis”. Šādā modelī attālumi starp galaktiku kopām laika gaitā palielināsies bezgalīgi, un dažās ekstrēmās versijās kosmosa audums sāk “izstiepties” tik ātri (eksponenciāli), ka var rasties sava veida Lielais “Plīsums”. Neviens nezina, kas tas ir, vēl jo mazāk, kā tas izskatās, taču pilnīgi iespējams, ka savā mērogā šo universālo kataklizmu var salīdzināt ar Lielā sprādziena sākumu. Slēgtā modelī telpas izliekums ir pozitīvs, Visums ir ierobežots (tai pašā laikā tikpat neierobežots kā atvērtā modelī); Šajā modelī izplešanās galu galā dod vietu saspiešanai līdz lielajam kolapsam, kas ir pilnīgs pretstats Lielajam sprādzienam.

Astronomi norāda, ka nozīmīga loma galaktiku veidošanās sākumposmā varētu būt bijusi arī melnajiem caurumiem, savelkot vielu kopā ar to spēcīgo gravitāciju. Jauni atklājumi par supermasīviem melnajiem caurumiem galaktiku centros tikai vairo šo pārliecību. Šis savienojums, protams, rada jautājumu par to, kas bija pirmais, galaktika vai melnais caurums, lai gan jaunākie dati arvien vairāk liecina, ka galaktikas ap sevi veido tieši melnie caurumi.

IZDZISUŠO ZVAIGŽŅU CAURUMI

Šeit ir nepieciešams apstāties un nedaudz pastāstīt par šiem apbrīnojamajiem debess ķermeņiem - sabrukušo izdzisušu zvaigžņu melnajiem caurumiem. Melnā cauruma kolapsa bedre bez dibena ir telpas apgabals, kurā gravitācijas spēks ir tik spēcīgs, ka ne matērija, ne starojums nevar no tā izkļūt. Tur esošajiem ķermeņiem otrajam kosmiskajam ātrumam (izkļūšanas ātrumam) būtu jāpārsniedz gaismas ātrums, kas nav iespējams, jo ne matērija, ne starojums nevar pārvietoties ātrāk par gaismu. Tāpēc no melnā cauruma nevar izbēgt nekas. Robežu, aiz kuras gaisma vairs neizstarojas, sauc par "notikumu horizontu" vai vienkārši melnā cauruma "horizontu".

Lai gravitācijas lauks varētu pastāvīgi “saistīt” elektromagnētisko starojumu ar sevi, ķermeņa masa ir jāsaspiež līdz īpašam “gravitācijas rādiusam”. Gravitācijas rādiusa vērtība, salīdzinot ar parasto fizisko ķermeņu izmēru ir ārkārtīgi maza. Piemēram, Saules gravitācijas rādiuss ir aptuveni trīs kilometri, bet Zemei tas ir viens centimetrs. Šī iemesla dēļ ir praktiski neiespējami izveidot kolapsāru laboratorijas apstākļos, jo, lai jebkuras saprātīgas masas, pat miljardu tonnu ķermenis kļūtu par melno caurumu, tas ir jāsaspiež līdz elementārdaļiņas izmēram, tāpēc melno caurumu īpašības šobrīd tiek pētītas tikai teorētiski. Tiesa, fiziķi lielas cerības liek uz jauniem superjaudīgiem elementārdaļiņu paātrinātājiem – kolaideriem. Tajos sastapsie pretstariem daļiņas, kas kustēsies milzīgā ātrumā un attiecīgi būs ar gigantisku enerģiju. Teorētiķi prognozē, ka noteiktos apstākļos vairāku daļiņu sadursme var izraisīt mikrokolapsu, radot mikroskopisku melno caurumu. Tomēr lielākā daļa zinātnieku piekrīt, ka šādi brīnumi tik drīz nav sagaidāmi.

Astrofiziķu aprēķini liecina, ka astronomiskā mēroga ķermeņi (piemēram, masīvas zvaigznes) pēc kodoldegvielas izsīkšanas savas gravitācijas ietekmē var sarukt līdz sava gravitācijas rādiusa lielumam. Šādu objektu meklēšana notiek jau daudzus gadu desmitus, un tagad mēs varam droši parādīt simtiem iespējamo melno caurumu kandidātu, kuru masa svārstās no vienas līdz miljardiem saules masu. Tomēr to izpēti sarežģī milzīgie attālumi no Zemes. Un, lai gan pats melno caurumu pastāvēšanas fakts vairs nav nekas apšaubāms, to īpašību praktiska izpēte vēl ir priekšā.

Gravitācijas kolapsāru spekulatīvās atklāšanas vēsture ir cieši saistīta ar angļu ģeofiziķa un astronoma Džona Mišela (1724-1793) vārdu. Mišels ierosināja, ka dabā var būt zvaigznes, kas ir tik masīvas, ka pat gaismas stars nevar atstāt to virsmu. Izmantojot Ņūtona likumus, viņš aprēķināja, ka, ja zvaigznei ar Saules masu ir aptuveni trīs kilometru rādiuss, tad šādu zvaigzni nevarētu atstāt pat gaismas daļiņas. Šāda zvaigzne no tālienes šķitīs pilnīgi tumša, un tā radās “Ņūtona” melnā cauruma jēdziens. Nedaudz vēlāk līdzīgas idejas savā grāmatā “Pasaules sistēma” (1796) izteica izcilais franču matemātiķis un astronoms Pjērs Saimons Laplass. Vienkāršs aprēķins ļāva viņam uzrakstīt: “Spīdoša zvaigzne, kuras blīvums ir vienāds ar Zemes blīvumu un kura diametrs ir 250 reižu lielāks par Saules diametru, neļaus mums saskatīt nevienu tās izstaroto gaismas staru savas gravitācijas dēļ; tāpēc ir iespējams, ka šī iemesla dēļ spožākie debess ķermeņi Visumā ir neredzami. Tomēr šādas zvaigznes masai vajadzētu būt desmitiem miljonu reižu lielākai par Saules masu. Un, tā kā turpmākie astronomiskie mērījumi parādīja, ka īsto zvaigžņu masas īpaši neatšķiras no Saules masas, Mičela un Laplasa idejas par gravitācijas kolapsāriem tika uz laiku aizmirstas.

Otro reizi zinātnieki pievērsās melno caurumu jēdzienam divdesmitā gadsimta sākumā, kad vācu astronoms Kārlis Švarcšilds ieguva pirmo precīzo Alberta Einšteina jaunizveidotās relativistiskās gravitācijas teorijas - vispārējās relativitātes teorijas - vienādojumu risinājumu. Izrādījās, ka tukšajai telpai ap masīvu punktu gravitācijas rādiusa attālumā ir sevišķas īpašības; Tāpēc šo vērtību bieži sauc par Švarcšilda rādiusu, bet atbilstošo virsmu sauc par notikumu horizontu vai Švarcšilda virsmu. Nākamā pusgadsimta laikā teorētiķu centieni atklāja daudzas pārsteidzošas Švarcšilda risinājuma iezīmes, taču kolapsāri vēl netika uzskatīti par īstu izpētes objektu.

30. gadu beigās fiziķis Roberts Openheimers, kurš kļuva slavens ar savu dalību atombumbas projektā, izvirzīja hipotēzi, ka masīvas zvaigznes kodols nepārtraukti sabruks ārkārtīgi mazā objektā, kura telpas īpašības apraksta Švarcšilda virsma. Citiem vārdiem sakot, masīvas zvaigznes kodolam tās evolūcijas beigās vajadzētu strauji sarauties un pazust zem notikumu horizonta, kļūstot par sastingušu, sabrukušu zvaigzni. Bet, tā kā šādam objektam nevajadzētu izstarot elektromagnētiskos viļņus, to noteikt kosmosā būs neticami grūti (12 krāsu att.,).

Tā kā no notikumu horizonta nevar izkļūt nekāds informācijas nesējs, melnā cauruma iekšpuse nav cēloņsakarības ar pārējo Visumu, un fiziskie procesi, kas notiek šādas zvaigznes iekšpusē, nevar ietekmēt tās apkārtni. Tajā pašā laikā matērija un starojums, kas no ārpuses nokrīt uz kolapsaru, caur tā horizontu brīvi iekļūst iekšpusē.

Mēs varam teikt, ka melnais caurums absorbē visu un neko neatstaro. Šī iemesla dēļ jau arī radās termins “melnais caurums”, ko pagājušā gadsimta sešdesmitajos gados ierosināja ievērojamais amerikāņu fiziķis un kosmologs Džons Arčibalds Vīlers (13. krāsu attēls).

MELNO CAURUMU IZTVAIKOŠANA

Šajā sakarā var minēt hipotēzi par melno caurumu kvantu iztvaikošanu, ko ierosinājis slavenais angļu teorētiskais fiziķis Stīvens Hokings. Saskaņā ar šo hipotēzi melnais caurums izstaro kā pilnīgi melns ķermenis. Melnā cauruma starojums ir saistīts ar virtuālo vakuuma daļiņu kvantu svārstībām. Šīs daļiņas ik brīdi atšķiras viena no otras un pēc tam nekavējoties saplūst atpakaļ pāros. Melnā cauruma gravitācijas laukā šīs svārstības var rezonēt, palielinot daļiņu novirzes amplitūdu. Šajā gadījumā viena no daļiņām var nonākt Švarcšilda sfēras iekšpusē un nekontrolējami nokrist uz tās centru, bet otra nonāks ārpus Švarcšilda sfēras un izlidos kosmosā, paņemot līdzi daļu melnā cauruma enerģijas. Tā rezultātā melnais caurums iztvaiko un samazināsies.

Melno caurumu kvantu iztvaikošanas atklāšana izraisīja sensāciju, lai gan galvenokārt teorētiķu vidū. Praksē melnie caurumi joprojām bija tikpat nenovērojami kā iepriekš. Tas izskaidrojams ar to, ka melnie caurumi ir nestabili objekti un, veidojoties, vienkārši pazūd no mūsu Visuma. Vēl viena lieta ir tāda, ka virtuālās ģeometrijas jomā vakuuma daļiņas var rezonēt tāpat kā parastajā Švarcšilda sfērā. Taču šai rezonansei nav nekāda sakara ar zvaigžņu gravitācijas sabrukumu. Ar daudz lielāku pamatojumu to var attiecināt uz parastajiem reālu elementārdaļiņu kvantu lēcieniem no viena telpas punkta uz citu. Bet par melnā cauruma kvantu iztvaikošanu patiešām var tikt uzskatīta matērijas palieku izmešana no sabrūkošas zvaigznes citos Visumos. Lai gan šādai iztvaikošanai nav nekāda sakara ar vakuuma daļiņu rezonansi.

Visums sākuma stadijā.

Kompjūter simulācijas parāda mums pirmszvaigžņu pasauli kā tumšas, pirmatnīgas blīvas matērijas "sēklas", kas iegremdētas karstā elementārdaļiņu plazmā. Iemesls, kāpēc no viendabīgas vides veidojas masīvi ķermeņi (zvaigznes, planētas, galaktikas utt.), ir saistīts ar gravitācijas spēkiem. Vietās, kur blīvums bija nedaudz lielāks par vidējo, arī gravitācija bija spēcīgāka, kas nozīmē, ka blīvie veidojumi kļuva vēl blīvāki. Sākotnēji viendabīgā masa galu galā sadalījās atsevišķos matērijas gabaliņos, no kuriem veidojās galaktikas.

Pēdējo desmitgažu laikā kosmoloģijas un daļiņu fizikas attīstība ir ļāvusi teorētiski apsvērt pašu sākotnējo, superblīvo Visuma izplešanās posmu, ko sauc par inflāciju.

Izrādās, ka Visums ir dzimis divos posmos, izejot cauri “apjoma pieauguma” stadijai, kas piepildīta ar fizikāliem laukiem, bet nesatur ne matēriju, ne starojumu, un matērijas un starojuma parādīšanās stadiju un tai sekojošo zvaigžņu, galaktiku, planētu un visa pārējā veidošanos no tā.

Lielā sprādziena Visums. Tiek uzskatīts, ka mūsu Visums radās pirms aptuveni 13 miljardiem 700 miljoniem gadu noslēpumainā Lielā sprādziena rezultātā. Tā būtība joprojām nav zināma, lai gan daudzi teorētiķi uzskata, ka mūsu pasaules embrijs varēja būt enerģijas traucējumi - vakuuma "ne-tukšā tukšuma" svārstības, kas radīja visu esošo.

Līdz aptuveni miljonam gadu pēc izplešanās sākuma Visums bija gaismas kvantiem necaurredzams. Tāpēc nav iespējams ielūkoties iepriekšējā laikmetā, izmantojot elektromagnētisko starojumu. Mūsdienās to var izdarīt tikai ar iztēles un teorētisko modeļu palīdzību. Jau ļoti ilgu laiku (un debates vēl nav pilnībā apsīkušas) zinātnieki ir apsprieduši jautājumu, kāpēc apkārtējā daba sastāv no matērijas, nevis antimatērijas un vai Visumā pastāv antipasaules?

Visuma izplešanās sākumā tā temperatūra bija tik augsta, ka pietika enerģijas, lai radītu visu zināmo daļiņu un antidaļiņu pārus.

Tad temperatūra pazeminājās tā, ka gandrīz visas daļiņas un antidaļiņas savstarpēji iznīcināja viena otru –anihilēja, pārvēršoties starojumā. Un fotoni, kuru enerģija līdz tam laikam bija kļuvusi mazāka, vairs nevarēja radīt daļiņas un antidaļiņas.

Lemetra pirmatnējā atoma sprādziens. Lemetra teorija sniedza oriģinālu koncepciju par Visuma rašanos no īpaša sākuma stāvokļa ar ļoti augstu matērijas blīvumu. Sava laika fizisko zināšanu garā viņš šo brīdi interpretēja kā kāda pirmatnēja atoma, kas pastāvēja ārpus laika un telpas, sairšanu. Lemetrs aprēķināja turpmāko "eksplodējušā" Visuma evolūciju, pamatojoties uz vispārējās relativitātes vienādojumiem, un teorētiski atvasināja lineāru sakarību starp galaktiku radiālo ātrumu un to attālumu no Saules sistēmas.

Kosmiskā mikroviļņu fona novērojumi ir parādījuši, ka sākotnējais daļiņu pārpalikums pār antidaļiņām bija niecīga miljardā daļa no to kopējā skaita. Tieši ar šiem liekajiem protoniem un neitroniem pietika, lai izveidotos mūsdienu metagalaktiku viela. Tā mūsu pasaule nekļuva par Antipasauli.

Zinātniskajā pasaulē valda uzskats, ka pirmos soļus Lielā sprādziena noslēpuma izpratnē spēris beļģu zinātnieks Žoržs Anrī Lemetrs. Tiesa, vēl agrāk Sanktpēterburgas iedzīvotājs Aleksandrs Frīdmans atrada oriģinālus risinājumus Einšteina relativitātes teorijas vienādojumiem, kas aprakstīja pārsteidzošas pulsējošas pasaules, kas dzimušas no noslēpumaina primārās singularitātes punkta. Tomēr jāatceras, ka Frīdmans gan pēc izglītības, gan pēc zinātniskās domāšanas stila bija pirmām kārtām matemātiķis. Tāpēc viņš savus aprēķinus nenoveda līdz to loģiskajam secinājumam - Visuma dzimšanas fiziskajam attēlojumam. Tātad viņu varētu uzskatīt par sava veida mūsdienu kosmoloģijas izplešanās Visuma priekšteci, taču tēva dibinātāja tituls, bez šaubām, pieder Lemetram.

PRIMĀRĀ ATOMA SPRĀDZIENS

Lemetrs ierosināja, ka Visuma embrijs ir ierobežota izmēra objekts, supermasīvs pirmatnējs atoms. Tā sprādziens savukārt rada supersmagas un tāpēc nestabilas šķembas, kurām arī jāsadalās. Ja ņemam vērā daļiņu skaitu, ko, pēc mūsdienu aplēsēm, satur Visums, izrādās, ka pamatatomam un tā pēcnācējiem daudzās paaudzēs ir jāiziet vairāki simti dalījumu un jāapstājas.

Taču šāda shēma nevarēja radīt pārliecību pat pirms septiņdesmit gadiem. Vairāku dalījumu procesā galu galā vajadzētu parādīties stabilākajiem atomiem. Un tā kā visstabilākie ir dzelzs atomu kodoli, tad kosmiskā mērogā tam vajadzēja būt visizplatītākajam elementam. Tomēr pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados astronomi jau droši zināja, ka Visums gandrīz pilnībā sastāv no ūdeņraža un hēlija. Lemetra modeļa neapšaubāmā priekšrocība bija tā, ka tas paredzēja un izskaidroja Habla likumu. Bet dati par Visuma elementāro sastāvu  ar pirmatnējā atoma teoriju nesaskanēja. Makrokosmosa mērogā beļģu zinātnieka koncepcija darbojās nevainojami, bet mikro līmenī tā noveda strupceļā.

Nākamais Lielā sprādziena izpētes posms ir saistīts ar ievērojamā krievu zinātnieka Georgija Antonoviča Gamova vārdu. Ar nestacionāra Visuma modeli Gamovs iepazinās vēl būdams students, mācoties pie Frīdmana. Pēc Ļeņingradas universitātes absolvēšanas viņš nodevās kodolfizikai un uzrakstīja vairākus klasiskus darbus, jo īpaši izveidoja alfa daliņu sabrukšanas teoriju un ierosināja kodola šķidru pilienu modeli. Pēc tam viņš emigrēja un savus pētījumus pilnībā pārcēla uz astrofiziku. Balstoties uz Lemetra darbu, Gamovs sāka meklēt risinājumu problēmai, kā Lielajā sprādzienā radās mums apkārt esošie ķīmiskie elementi.

Tā kā Visuma izplešanās rezultātā tas pakāpeniski atdziest, sarukšanai vajadzētu radīt pretēju efektu. Tāpēc, izpētot Lemetra modeli atpakaļ laikā gandrīz līdz sākotnējam brīdim, Gamovs secināja, ka uzreiz pēc pasaules dzimšanas visa pieejamā matērija bija ārkārtīgi sakarsusi. Tas bija milzīgs solis uz priekšu, salīdzinot ar Lemetra atomu, kuram temperatūras jēdzienam nebija nekādas nozīmes. Tomēr joprojām bija nepieciešams noteikt primārās vielas sastāvu.

Gamovs ierosināja, ka agrīnais Visums bija piepildīts ar elementārdaļiņām, tostarp protoniem, neitroniem un elektroniem. Viņš šo maisījumu sauca par ailemu, izmantojot viduslaiku angļu valodas terminu, kas nozīmēja kaut ko līdzīgu pirmatnējai vielai, visu lietu pirmsākumam. Un šoreiz intuīcija nepievīla ievērojamo fiziķi, jo saskaņā ar mūsdienu koncepcijām līdz Lielā sprādziena pirmās sekundes beigām visa mums zināmā matērija Visumā pilnībā sastāvēja no ailema.

Pēc kāda laika astrofiziķi, analizējot Gamova konstrukcijas, nonāca pie secinājuma, ka Visumam jābūt piepildītam ar mikroviļņu starojumu, kas radās aptuveni trīssimt tūkstošus gadu pēc tā sākuma. Tas bija principiāli jaunas parādības pareģojums, kas zinātnei līdz tam nebija zināms. Mikroviļņu starojuma konstatācija pagājušā gadsimta sešdesmitajos gados izrādījās spēcīgs arguments par labu Visuma karstās dzimšanas teorijai.

Vēl nesen fiziķiem bija sava veida "tabu" par telpas un laika izpēti pēc Visuma dzimšanas. Tagad ir diezgan daudz teoriju, kas apraksta, kā varēja izskatīties tas ļoti noslēpumainais kaut kas, no kura radās mūsu pasaule. Pirmkārt, tas, protams, nedrīkst būt parasts citas telpas-laika stāvoklis. Galu galā mūsu ikdienas realitātē ap mums nedzimst jauni Visumi! Un pat ja tas notiktu, mēs jautājumus par Visuma dzimšanu vienkārši pārnestu uz mūsu veco Visumu, bet pēc tam uz vēl senāku un tā tālāk.

Matemātikā šāds process, kurā notiek riņķošana ar vienādiem jēdzieniem, tiek saukts par "stulbo bezgalību", un pēc definīcijas tā zināšanām nespēj sniegt neko jaunu. Tāpēc fiziķi vidi, kurā radās mūsu pasaule, uzskata par supertelpu ar daudzām dimensijām.

Šeit rodas ļoti interesanta loģiska mīkla. Galu galā, ja Lielā sprādziena ģeometriskais centrs neeksistē, un tas notika, un saskaņā ar dažām teorijām tas notiek “visur”, tad supertelpa ir paslēpta kaut kur ap mums. Pirmās aizdomas, kā vienmēr šādos gadījumos, izraisa tā sauktie tīri kvantu objekti. Ja mēs iedomājamies mūsu Visumu, kas sastāv no stāviem-telpām, tad šīs apbrīnojamās daļiņas dzīvos uz pagraba grīdas, kaut kur blakus pašiem pasaules pamatiem. Mēs šo stāvu sauksim par Visuma submikroskopisko pamatu. Tur, šķietamajā vakuuma tukšumā, nemitīgi plosās fizikālo lauku vētras, periodiski liekot tai izšļakstīt enerģiju – svārstīties uz augstāka mēroga matērijas līmeņiem. Tajā pašā laikā supertelpā rodas virkne traucējumu, kas nedaudz atgādina burbuļus putojošā šķidrumā. Katrā šādā burbulī ir īpaša pasaule un plūst savs laiks, kura bultiņa lido īsu brīdi no dzimšanas līdz “sabrukumam”. Lielākajai daļai šādu burbuļu pasauļu ir neiedomājami īss pastāvēšanas periods, taču tām tomēr izdodas izpausties kā pilnvērtīgiem slēgtiem minivisumiem.

VAKUUMA SPRĀDZIENS

Kas neļāva mūsu Visuma kvantu burbulim gandrīz acumirklī sabrukt? Teorētiķi uzskata, ka šeit varēja izpausties savdabīga “nestabilas nestabilitātes” ietekme, kuras dēļ tādiem Visumiem kā mūsējais ir skaidri izteiktas anomālijas. Sākotnēji nestabilais vakuuma stāvoklis topoloģisko svārstību rezultātā (jauna Visuma burbuļa veidošanās) var novest pie tā, ka topošās pasaules iekšienē esošais vakuums pēkšņi sāks mainīt savas īpašības, tiecoties pēc jaunas stabilas robežas. Šim vakuuma pārstrukturēšanas procesam, saskaņā ar teorētiskiem aprēķiniem, vajadzētu būt kopā ar milzīgu enerģijas izdalīšanos, kuru rezultāts bija Lielais sprādziens. Šo procesu var iztēloties kā sava veida vakuuma sprādzienu – ne-tukša tukšuma sprādzienu!

Protams, šādu sprādzienveida procesu lielais mērogs, kas slēpjas apkārtējā pasaulē, rada daudz jautājumu par apspriežamo jauno kosmoloģiju. Taču zinātnes vēsturiskā pieredze, īpaši pēdējo desmitgadu laikā, liecina par šādu drosmīgu mēģinājumu auglīgumu paraudzīties pāri zināmā robežām. Principā jautājumi ir izvirzīti, un atbildes uz tiem jāsniedz topošajiem pētniekiem, kuri vēl šodien skolā mācās fiziku!

Notikumu varbūtiskā interpretācija mikropasaulē savulaik veidoja pamatu slavenajam Einšteina un Bora strīdam, sadalot fiziķus vairākās strīdīgās grupās. Daži no viņiem, sekojot Boram, Heizenbergam un Bornam, uzskata, ka atsevišķu kvantu notikumu neparedzamība ir apkārtējās dabas pamatīpašība un tai nav dziļāka pamata. Citi, pamatojoties uz Einšteina un Šrēdingera zinātnisko skolu secinājumiem, pierāda, ka fizikālo procesu norises nenoteiktība mikropasaulē neizbēgami noved pie vairākām loģiskām problēmām (Šrēdingera kaķis) un pat acīmredzamām pretrunām, tā ka kvantu attēlojumi nav pietiekami pilnīgi. Citi, piemēram, Luijs de Broils un akadēmiķi V. A. Foks un D. I. Blohincevs, ieņem savu sākotnējo nostāju, bieži piedāvājot savas versijas par kvantu teorijas izpratni.

Strīds starp kvantu teorijas absolūtās fundamentalitātes piekritējiem un pretiniekiem nebūt nav beidzies un ik pa laikam uzliesmo ar jaunu sparu, ieviešot apspriežamo jautājumu lokā ļoti neparastas un pat fantastiskas tēmas, piemēram, “vērotāja apziņu”. Tas viss vēlreiz uzsver, cik tālu mūsdienu teorētiskās fizikas jēdzieni ir no ikdienas realitātes. Jebkurā gadījumā tie, tā vai citādi, daudzējādā ziņā ir pretrunā ikdienas priekšstatiem par klasisko pasauli mums apkārt. Pamatojoties uz to, daudzi zinātnieki, īpaši tie, kas ir saistīti ar citām fizikas jomām, vienkārši uzskata kvantu teoriju par ļoti veiksmīgu matemātisko modeli, kas ļauj veiksmīgi prognozēt noteiktu mikrofizikas eksperimentu iznākumu.

Ir pienācis laiks pārtraukt mūsu stāstu par kvantu mehānikas brīnumiem un nedaudz pastāstīt par otro “stabu”, uz kura ir celts mūsdienu fizikas templis - relativitātes teoriju. Man šķiet, ka to lieliski paveica viens no mūsdienu slavenākajiem fiziķiem, Lielbritānijas Karaliskās zinātniskās biedrības biedrs Stīvens Viljams Hokings.

Katru rītu angļu studenti no slavenās Kembridžas Trīsvienības koledžas, kur fizikas nodaļu vadīja dižais Ņūtons, ierauga neparastu pašgājēju transportlīdzekli – invalīdu ratiņus, kurā sēž vīrietis ar ļengani uz sāniem nokārtu galvu. Tas ir pašreizējais Ņūtona katedras vadītājs, ievērojamais teorētiskais fiziķis Stīvens Hokings, kurš steidzas lasīt lekciju. Briesmīga slimība skārusi viņa ķermeni, bet nav spējusi salauzt viņa gribasspēku un prātu. Hokings apmeklē visas interesantās fizikas konferences visās pasaules malās, lasa lekcijas citās universitātēs un pat uzstājas ar runu pēc Amerikas prezidenta uzaicinājuma zālienā pie Baltā nama. Profesors Hokings raksta arī brīnišķīgas populārzinātniskas grāmatas.

LAIKA VĒSTURE ĪSĀ IZKLĀSTĪJUMĀ

Nelielā fragmentā no vienas no šādām S. Hokinga grāmatām - "Īsa laika vēsture no lielā sprādziena līdz melnajiem caurumiem" - ir aprakstīta relativitātes teorija, un tas ir izdarīts meistarīgi, ļoti tēlaini un pieejami.

"Maksvela teorija paredzēja, ka radioviļņiem un gaismai vajadzētu pārvietoties ar noteiktu ātrumu. Bet, tā kā Ņūtona teorija ir atcēlusi ideju par absolūtu nekustīgumu, tagad, runājot par fiksētu gaismas ātrumu; bija jānorāda, pret ko šis fiksētais ātrums tika mērīts. Saistībā ar to tika postulēta noteiktas vielas, ko sauc par "ēteri", esamība, kas aizpilda visu, pat "tukšo" vakuumu. Gaismas viļņi izplatās ēterī tāpat kā skaņas viļņi izplatās gaisā, un tāpēc to ātrums ir ātrums attiecībā pret ēteri. Novērotājiem, kas pārvietojas ar dažādu ātrumu attiecībā pret ēteri; jāredz, ka gaisma virzās uz tiem dažādos ātrumos, bet gaismas ātrumam attiecībā pret ēteri jāpaliek nemainīgam. Jo īpaši, tā kā Zeme pārvietojas pa ēteri savā orbītā ap Sauli, gaismas ātrumam, ko mēra Zemes kustības virzienā (virzoties gaismas avota virzienā), ir jāpārsniedz gaismas ātrums, ko mēra taisnā leņķī pret kustības virzienu (tas ir, kad mēs netuvojamies uz avotu). 1887. gadā Alberts Maikelsons (vēlāk pirmais amerikānis, kurš ieguva Nobela prēmiju fizikā) un Edvards Morlijs Klīvlendas Lietišķo zinātņu skolā veica ļoti precīzu eksperimentu. Maikelsons un Morlijs salīdzināja gaismas ātruma vērtības, izmērītas Zemes kustības virzienā, ar tās vērtību, kas izmērīta perpendikulārā virzienā. Par lielu pārsteigumu viņi atklāja, ka abas vērtības ir pilnīgi vienādas!

No 1887. līdz 1905. gadam tika veikti vairāki mēģinājumi (slavenākais no tiem piederēja dāņu fiziķim Hendrikam Lorencam) Maikelsona un Morlija eksperimenta rezultātu izskaidrot ar to, ka visi objekti, kas kustas ēterī, saraujas pēc izmēra; un visi pulksteņi palēninās. Bet 1905. gadā kāds iepriekš nezināms Šveices Patentu biroja darbinieks Alberts Einšteins publicēja to, kas vēlāk kļuva par slavenu rakstu, kas parādīja, ka ēteris nav vajadzīgs, ja tiek atmests absolūtā laika jēdziens. Dažas nedēļas vēlāk tādu pašu viedokli pauda viens no vadošajiem franču matemātiķiem Anrī Puankarē. Einšteina izvirzītie argumenti bija tuvāki fizikai nekā Puankarē, kurš uzskatīja problēmu par matemātisko. Par Einšteinu parasti runā kā par jaunās teorijas radītāju, taču Puankarē vārds tiek saistīts ar svarīgas tās daļas izstrādi.

Šeit Hokings vērš mūsu uzmanību uz to, ka relativitātes teorijas pamatpostulāts ir tāds, ka absolūti visiem mūsdienās zināmajiem fizikālajiem likumiem tā vai citādi ir jābūt absolūti vienādiem visiem novērotājiem, kas stāv, staigā, brauc vai pat lido gandrīz gaismas ātrumā, un pilnīgi neatkarīgiem no viņu kustības ātruma. Šis visas mūsdienu fizikas un zinātnes svarīgākais pamats noved pie pilnīgi paradoksāla un daudziem joprojām nesaprotama secinājuma par gaismas ātrumu: gaismas ātrums ir absolūti nemainīgs neatkarīgi no paša novērotāja kustības!

Tā šo apbrīnojamo paradoksu paskaidroja pats A. Einšteins:

“Divās attālās vietās uz A un B dzelzceļa iespēra zibens. Tam piebilstams, ka abi triecieni notika vienlaikus. Ja es tev, dārgais lasītāj, pajautāšu, vai šim apgalvojumam ir kāda nozīme, tad, protams, tu man atbildēsi ar pārliecinošu “jā”, bet, ja es uzstāšu uz precīzāku šī apgalvojuma jēgas skaidrojumu, tad pēc nelielām pārdomām tu ievērosi, ka atbilde uz šo jautājumu nav tik vienkārša, kā šķiet pirmajā acu uzmetienā.

Pēc neilgām pārdomām tu ierosināsi man noteikt vienlaicību šādā veidā. Gar sliedēm tiks izmērīts posms AB, kas savieno abas vietas, un vidū tiks novietots novērotājs. Pēdējais būs  ar ierīci, kas ļaus viņam vienlaikus redzēt abas vietas - A un B. Ja tagad novērotājs abus zibens spērienus uztver vienlaikus, tad tie ir vienlaicīgi.

Lai pa sliedēm nemainīgā ātrumā brauc ļoti garš vilciens. Tā pasažieri ērti pieņems savu vilcienu kā to sākotnējo punktu (koordinātu sistēmu), ar kuru viņi saistīs visus notikumus. Katrs notikums, kas notiek pa dzelzceļa līniju, notiek arī noteiktā vilciena punktā. Rodas šāds jautājums. Vai divi notikumi (piemēram, divi zibens spērieni - A un B) būs vienlaicīgi arī attiecībā uz vilcienu? Tūlīt mēs konstatēsim, ka atbilde ir negatīva.

Sakot, ka zibens spērieni ir vienlaicīgi attiecībā pret uzbērumu, tas nozīmē sekojošo: gaismas stari, kas nāk no zibens spēriena vietām A un B, satiekas uzbēruma posma A B vidū M, bet notikumi A un B atbilst arī vietām A un B vilcienā; M* ir vilciena A B posma vidusdaļa. Punkts M* zibens spēriena brīdī (spriežot pēc ceļa pamatnes) sakrīt ar punktu M, bet kustas vilciena ātrumā. Ja novērotājs, kas sēž vilcienā punktā M*, nekustētos ar tādu pašu ātrumu, bet visu laiku paliktu punktā M, tad abi gaismas stari no zibens A un B sasniegtu viņu vienlaicīgi, tas ir, tie satiktos tieši pie viņa. Bet patiesībā novērotājs virzās (spriežot pēc ceļa seguma) uz gaismas staru, kas nāk no B, un virzās prom no stara, kas viņu panāk no A. Tāpēc viņš staru no B redzēs agrāk nekā staru no A. Līdz ar to pasažieriem, kuriem vagons kalpo kā sākotnējais punkts, nāksies nonākt pie secinājuma, ka zibens spēriens punktā A notiek ātrāk nekā B.

Notikumi, kas ir vienlaicīgi attiecībā pret dzelzceļa sliežu ceļu, nav vienlaicīgi attiecībā pret vilcienu un otrādi (vienlaicības relativitāte). Katram sākotnējam ķermenim (koordinātu sistēmai) ir savs īpašais laiks. Laika norāde iegūst nozīmi tikai tad, kad tiek norādīts sākotnējais ķermenis, uz kuru tas attiecas."

No šī vienkāršā principa, turpina S. Hokings, izriet vairākas ievērojamas sekas:

"Vispazīstamākais no tiem, iespējams, ir masas un enerģijas līdzvērtība, kas izteikta slavenajā Einšteina vienādojumā E = mc2 (kur E ir enerģija, m ir masa bet c ir gaismas ātrums), un likums, ka nekas nevar pārvietoties ātrāk par gaismu. Masas un enerģijas līdzvērtības dēļ kustīga objekta enerģija tagad ir jāpievieno tā masai. Citiem vārdiem sakot, jo vairāk enerģijas, jo grūtāk ir palielināt ātrumu. Tiesa, šis efekts ir ievērojams tikai ātrumos, kas ir tuvi gaismas ātrumam. Ja, piemēram, kāda objekta ātrums ir 10% no gaismas ātruma; tad tā masa ir tikai par 0,5% lielāka nekā parasti, savukārt pie ātruma, kas vienāds ar 90% no gaismas ātruma, masa jau ir 2 reizes lielāka nekā parasti. Objektam tuvojoties gaismas ātrumam, tā masa aug arvien straujāk, tāpēc, lai ķermeni vēl vairāk paātrinātu, ir nepieciešams arvien vairāk enerģijas. Faktiski objekts nekad nevar sasniegt gaismas ātrumu, jo tā masa tad kļūtu bezgalīgi liela, un, tā kā masa ir līdzvērtīga enerģijai, tad būtu nepieciešams bezgalīgi liels enerģijas daudzums, lai sasniegtu šo ātrumu. Tādējādi jebkurš fizisks objekts, pamatojoties uz relativitātes principu, ir uz visiem laikiem nolemts kustēties ar ātrumu, kas nepārsniedz gaismas ātrumu. Ar gaismas ātrumu var pārvietoties tikai gaisma un citi viļņi, kuriem nav savas masas.

Vēl viens ievērojams relativitātes postulāta secinājums ir revolūcija mūsu priekšstatos par telpu un laiku. Saskaņā ar Ņūtona teoriju, ja gaismas impulss tiek nosūtīts no viena punkta uz otru, tad laiks, kas nepieciešams, lai ceļotu, ko mēra dažādi novērotāji, būs vienāds (jo laiks ir absolūts), bet ceļš, ko tas pārvarēs, dažādiem novērotājiem var būt atšķirīgs (jo telpa nav absolūta). Un tā kā gaismas ātrums ir gaismas veiktais ceļa attālums, dalīts ar laiku, dažādi novērotāji saņems dažādus gaismas ātrumus. Relativitātes teorijā visiem novērotājiem ir jāvienojas par gaismas kustības ātrumu. Un, tā kā viņiem ir domstarpības par gaismas veikto attālumu, viņiem ir jāvienojas arī par to, cik ilgi gaismai jālido. (Ceļošanas laiks ir gaismas veiktais attālums, par kuru novērotāji nepiekrīt, dalīts ar gaismas ātrumu, par kuru visi piekrīt.) Citiem vārdiem sakot, relativitātes teorija atcēla absolūtā laika jēdzienu! Izrādījās, ka katram novērotājam ir jābūt savai laika skalai, ko mēra pēc viņa rīcībā esošajiem pulksteņiem, un ka dažādu novērotāju turētie vienu un to pašu pulksteņu rādījumi ne vienmēr sakritīs.

Šeit, sekojot britu fiziķim, jāatzīmē, ka, atstājot novārtā gravitācijas efektus, mēs nonāksim pie viena no skaistākajām mūsdienu fizikas koncepcijām - speciālās (jeb īpašās) relativitātes teorijas. Katram telpas laika notikumam var izveidot gaismas konusu (kas ir visu iespējamo ceļu kopums, ko veic noteiktā punktā izstarotā gaisma), un, tā kā gaismas ātrums ir vienāds jebkuram notikumam un jebkurā virzienā, visi gaismas konusi būs identiski un orientēti vienā virzienā. Turklāt saskaņā ar šo teoriju nekas nevar pārvietoties ātrāk par gaismu. Tas nozīmē, ka jebkura objekta trajektorija laikā un telpā ir jāattēlo ar līniju, kas atrodas gaismas konusu iekšpusē.

Runājot par speciālo relativitātes teoriju, Hokings uzsver, ka tieši šī teorija ļāva visiem novērotājiem izskaidrot gaismas ātruma noturību (konstatēta Maikelsona un Morleja eksperimentā) un pareizi aprakstīja, kas notiek, pārvietojoties ar ātrumu, kas ir tuvs gaismas ātrumam. Bet viņš arī atzīmēja, ka jaunā teorija ir pretrunā ar Ņūtona gravitācijas teoriju, saskaņā ar kuru objekti tiek piesaistīti viens otram ar spēku, kas ir atkarīgs no attāluma starp tiem. Pēdējais nozīmē, ka, pārvietojot vienu no objektiem, spēks, kas iedarbojas uz otru, uzreiz mainīsies. Citiem vārdiem sakot, gravitācijas efektu izplatīšanās ātrumam jābūt bezgalīgam, nevis vienādam ar gaismas ātrumu (vai mazākam par to), kā to prasa relativitātes teorija.

Pārejot uz gravitācijas jēdzienu, S. Hokings raksta:

“Tas nav parasts spēks, bet gan sekas tam, ka telpa-laiks nav plakans, kā tika uzskatīts iepriekš; tas ir izliekts pēc tajā sadalītās masas un enerģijas. Tādus ķermeņus kā Zeme gravitācijas spēks nespiež pārvietoties pa izliektām orbītām; Tie pārvietojas pa līnijām, kas izliektajā telpā visprecīzāk atbilst taisnām līnijām parastajā telpā un tiek sauktas par ģeodēziskām. Ģeodēziskais ir īsākais (vai garākais) ceļš starp diviem blakus punktiem. Piemēram, Zemes virsma ir izliekta divdimensiju telpa. Ģeodēziju uz Zemes sauc par lielo apli, un tas ir īsākais ceļš starp diviem punktiem. Tā kā īsākais maršruts starp divām lidostām ir pa ģeodēzisko līniju, gaisa satiksmes dispečeri pilotiem vienmēr nosaka tieši šo maršrutu. Saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju ķermeņi vienmēr kustas taisnās līnijās četrdimensiju laiktelpā, bet mēs redzam, ka mūsu trīsdimensiju telpā tie pārvietojas pa izliektām trajektorijām.

ģeodēzijai laiktelpā jāseko arī gaismas stariem. Telpas izliekums nozīmē, ka gaisma vairs nepārvietojas taisnās līnijās. Tādējādi saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju gaismas staram vajadzētu saliekties gravitācijas laukos un, piemēram, to punktu gaismas konusos, kas atrodas tuvuSaulei; Saules masas ietekmē vajadzētu nedaudz deformēties. Tas nozīmē, ka gaismas stars no tālas zvaigznes, kas iet garām Saulei, novirzās nelielā leņķī, un novērotājs uz Zemes redzēs šo zvaigzni citā punktā nekā tā ir patiesībā. Protams, ja konkrētas zvaigznes gaisma vienmēr būs tuvu Saulei, mēs nevarēsim pateikt, vai gaismas stars tiek novirzīts, vai zvaigzne patiešām atrodas tur, kur mēs to redzam. Bet Zemes rotācijas dēļ visas zvaigznes ik pa laikam nostājas aiz Saules diska, un to gaisma tiek novirzīta. Tā rezultātā mainās to šķietamā pozīcija attiecībā pret citām zvaigznēm.

Stīvens Hokings WAC tunelī (CERN, Šveice)

Vēl viena vispārējās relativitātes teorijas prognoze ir tāda, ka tāda masīva ķermeņa kā Zeme tuvumā laikam vajadzētu plūst lēnāk. Tas izriet no tā, ka starp gaismas enerģiju un tās frekvenci (gaismas viļņu skaitu sekundē) ir jāizpilda noteikta sakarība: jo lielāka enerģija, jo augstāka frekvence. Gaismai virzoties uz augšu Zemes gravitācijas laukā, tā zaudē enerģiju un tāpēc tās frekvence samazinās. (Tas nozīmē, ka laika intervāls starp divu secīgu viļņu virsotnēm palielinās.) Novērotājam, kas atrodas lielā augstumā, visam zemāk notiekošajam vajadzētu šķist lēnākam.

Tādējādi vispārējā relativitātes teorija uzrāda telpu un laiku kā pašsaskaņotus lielumus. Patiešām, jebkura matērijas kustība maina telpas-laika izliekumu, un tajā pašā laikā pats telpas-laika “reljefs” ietekmē ķermeņu kustību un spēku darbību. Izrādās, tāpat kā par notikumiem Visumā nav iespējams runāt bez priekšstatiem par telpu un laiku, tā arī vispārējā relativitātes teorijā ir bezjēdzīgi runāt par telpu un laiku ārpus Visuma.

SESTĀ NODAĻA MULTI-PASAULE

Es joprojām atceros šoku, ko izjutu, kad pirmo reizi iepazinos ar daudzu pasauļu teoriju. Ideja, ka ik mirkli no manas darbības iznirst 10 nedaudz atšķirīgi manis dublieri, no kuriem katrs nemitīgi dalās tālāk, līdz tiek izmainīts līdz nepazīšanai, ir pretrunā veselajam saprātam.

Tas patiešām ir bezgalīgi progresējošas šizofrēnijas paveids. Viktors Vits, Maksa Planka balvas laureāts, slavenais angļu astrofiziķis

Evereta teorijas par daudzajiem Visumiem izklāsts ļoti labi izskaidrots M. Golovačeva fantastiskajā romānu ciklā "Nemierīgais laiks"

FANTASTISKĀ FIZIKA

Ideja par daudzām pasaulēm, kas ieskauj mūsu apdzīvoto Visumu - Oikumeni - ir zināma kopš senatnes. Tad līdzīgi uzskati ik pa laikam parādījās dažādu metafizisku filozofu darbos, uz laiku pazūdot zem viduslaiku reliģiskā tumsonības plīvura un atdzimstot pagājušā gadsimta pirmās puses zinātniskās fantastikas rakstnieku darbos. Tajā pašā laikā radās Multiversuma (Multiverse, Мультивселенной) definīcija kā iespējamo visumu kopums, kas pastāv paralēli mūsu pasaulei. Koncepcijas par iedomātā Multiversa struktūru, katra Visuma dabu un to savstarpējām attiecībām dažādos kosmoloģiskajos modeļos ļoti atšķiras.

Ideja par daudzām pasaulēm fizikā pirmo reizi ienāca pavisam citā kontekstā ar mērījumu kvantu teorijas paradoksālo interpretāciju, ko 1957. gadā ierosināja Hjū Everets, izcilā astrofiziķa D. Vīlera aspirants.

Everets pievērsās viena no kvantu teorijas pamatprincipiem analīzei, saskaņā ar kuru jebkura makroskopiskā mērierīce, kad tā tiek novērota, acumirklī “sakļauj” mikrodaļiņas viļņu vektoru. Šo parādību sauc par viļņu funkcijas sabrukumu vai viļņu paketes samazināšanos (14. krāsu att).

Vēl vienas pasaules dzimšana. Nav pārsteidzoši, ja lielā gatavo apģērbu veikalā atrodat uzvalku, kas derīgs jūsu augumam. Līdzīgi lielajā Visumu daudzumā; katrā no kuriem tiek realizēts noteikts kosmoloģisko parametru kopums, var būt vismaz viens, kur pastāv dzīvības rašanās priekšnoteikumi. Tas ir Visums, kurā atrodamies mēs. Martins Rīss, Britānijas Karaliskās biedrības (Zinātņu akadēmijas) prezidents

Evereta darba publicēšana, ko atbalstīja Nilss Bors, radīja pilnīgi jaunu kvantu mehānikas nozari, ko bieži sauc par "daudzu pasauļu interpretāciju". Pēc tam Evereta hipotēzi par "daudzu pasauļu" viļņu funkciju samazināšanas mehānismu izstrādāja tādi prominenti teorētiķi kā J. Vīlers, De Vits, M. Gellmans, S. Hokings, S. Veinbergs, M. Tegmarks, M. Rīss, A. Linde, A. Markovs u.c.

Mūsdienās Multiversuma jēdziens visbiežāk ietver praktiski bezgalīgu skaitu paralēlu fizisko pasauļu ar atšķirīgu ģeometriju, metriku un topoloģiju. Paralēlās pasaules var aprakstīt ar priekšstatu par būtnēm, kas ir absolūti neatkarīgas no mūsu realitātes.

Mijiedarbība starp pasaulēm var sastāvēt no noteiktu “portālu” klātbūtnes, caur kuriem noteiktos apstākļos var iekļūt no vienas pasaules otrā. Šajās hipotētiskajās pasauļu krustošanās un saplūšanas vietās jānotiek dažādiem “brīnumiem”, piemēram, fizisku objektu parādīšanās vai pazušana. Vēl viens iespaidīgs Multiversuma jēdziens ir Multiversuma “atzarojums” kvantu mehānikas dinamiskajos procesos.

B. Grīns savā “Realitātes struktūrā” raksturo Multiversuma tēla ieviešanas principus šādi:

"Vārds "Visums" tradicionāli tiek lietots, lai apzīmētu "visu fizisko realitāti". Šajā ziņā nevar būt vairāk par vienu Visumu. Ar šo definīciju mēs varētu teikt, ka tas, ko mēs mēdzām saukt par "Visumu", proti, visa mums apkārt esošā viela un enerģija, visa telpa ap mums, nav viss Visums, bet tikai niecīga, pat mikroskopiska tā daļa. Tādā gadījumā mums būtu jāizgudro jauns nosaukums šai mazajai reālajai daļai. Lai apzīmētu fizisko realitāti kopumā, tika izveidots neoloģisms: "Multiversums".

EVERETA PASAULES

Pēc Evereta domām, mērot jebkuru efektu mikropasaulē, ir tik daudz pasauļu, cik ir iespējami alternatīvie rezultāti. Katrā no šīm pasaulēm ir mērīšanas sistēma, ierīce un novērotājs. Gan sistēmas stāvoklis, gan ierīces stāvoklis, gan novērotāja apziņa katrā no šīm pasaulēm atbilst tikai vienam mērījumu rezultātam, bet dažādās pasaulēs mērījumu rezultāti būs atšķirīgi. Vienkāršākais veids, kā saprast šo galvu reibinošo domu, ir izmantot tā paša polārā fotona piemēru no profesora Zeilingera eksperimentiem. Ja šāds fotons iziet cauri polarizatoram, kas filtrē daļiņas tikai ar vienu polarizācijas virzienu, tad tas nonāk vienā Evereta-Vīlera pasaulē, bet, ja netiek cauri, tad citā. Tā ir interesanta situācija, vai ne? Cik lieliski būtu apzināties kaitinošu sievasmāti vienā pasaulē, kašķīgu sievu citā, dīkus studentus trešajā, bet ceturtajā (vislabākajā pasaulē) ar kolēģiem teorētiķiem pie alus glāzes pārrunāt Multiversuma sarežģījumus, laiku pa laikam (lai kontrolētu situāciju) apzinoties sevi pārējos trīs Visumos. Brīnišķīgs, bet, diemžēl, šķiet, absolūti nesasniedzams sapnis... Fakts ir tāds, ka Evereta interpretācijā mērījumu rezultāta izvēles problēma joprojām pastāv, tikai tā ir formulēta citādi. Kvantu fizikas galvenā jautājuma vietā: "Kurš no iespējamajiem rezultātiem tiek realizēts mērīšanas procedūras laikā?" — rodas jauna problēma: “Kurā no Evereta pasaulēm atradās novērotāja laboratorija?” Tā ka nav nekādas kontroles pār pasaules izvēli un vēl jo mazāk saiknes par alternatīvajiem Visumiem pat teorētiski... Bet žēl gan...

Multiversums. Evereta modelis bija paredzēts, lai pārvarētu nopietnu iekšējo loģisko pretrunu kvantu mehānikā. Galu galā, lai noteiktu mikrodaļiņu noteiktā telpas punktā, ir jāzina tās viļņu funkcija, un šim nolūkam ir jāatrisina slavenais Šrēdingera vienādojums, kas apraksta viļņu funkcijas uzvedību laikā un telpā. Tomēr visa būtība ir tāda, ka Šrēdingera vienādojumam vienkārši nav atbilstošu “reducējošu” risinājumu. Tātad, kas notiek ar viļņu funkciju mērīšanas procesā un kā to var pareizi aprakstīt kvantu mehānikas valodā?

Multiversuma pastāvēšanas iespēja uzdod dažādus zinātniskus, filozofiskus un teoloģiskus jautājumus.

Vīlera dzelzceļa analogija

Savā laikā Vīlers piedāvāja oriģinālu daudzu pasauļu modeļa attēlu, ko sauca par “Vīlera dzelzceļa analoģiju”. Viņš iedomājās, ka kvantu mērīšanas brīdī novērotāja priekšā parādās dzelzceļa pārmija, un viņa vilciens var doties vienā no vairākiem virzieniem. Atkarībā no tā, kurā virzienā aizbrauc vilciens, novērotājs redzēs vienu vai otru mērījumu rezultātu. Iespējamie vilciena kustības virzieni atbilst alternatīviem mērījumu rezultātiem vai dažādām Evereta pasaulēm.

Šī ideja tiek aktīvi izmantota, piemēram, stīgu teorijā.

Matērijas bezgalīgas ievietošanās teorijā vienu Visumu var saprast kā matērijas līmeņu virkni, kas ir pieejama tiešai novērošanai un eksperimentēšanai (no elementārdaļiņu līmeņa līdz galaktiku un metagalaktiku kopām).

Tad mazākie vai lielākie matērijas līmeņi nonāks citos Visumos, kopā veidojot Multiversumu. Pieņēmums par Multiversuma esamību tiek izmantots arī vienā no kvantu mehānikas interpretācijām.

Mūsdienu daudzpasauļu kvantu mehānikas interpretācija nozīmē, ka jebkurš kvantu objekts var atrasties vairākos stāvokļos vienlaikus. Šis objekta stāvoklis turpinās līdz fiziskajiem mērījumiem, pēc kuriem mēs varam novērot objektu tikai no viena Visuma noteiktā stāvoklī.

Neskatoties uz to, ka Evereta rakstu ar viņa oriģinālo daudzo pasauļu interpretācijas versiju publicēšanai ieteica pats Bors, lielākā daļa fiziķu tik fantastisku ideju nespēja ne pieņemt, ne iedomāties. Situācija mainījās tikai pēc tam, kad par to interesi izrādīja tādi vadošie fiziķi kā Brūss de Vits un Džons Vīlers. Vīlers daudz darīja, lai popularizētu jauno teoriju, un tieši pēc viņa darba jēdziens “Evereta-Vīlera daudzu pasauļu interpretācija” kļuva plaši izplatīts. Patiesībā šis nosaukums ir neprecīzs un jau ir maldinājis daudzus žurnālistus, rakstniekus un filozofus, pareizāk būtu teikt “Evereta-Vīlera multiprojekciju interpretācija”, taču jau bija par vēlu kaut ko mainīt – terminoloģija bija “iedzīvojusies”.

Neskatoties uz Evereta-Vīlera konstrukciju šokējošo eksotiku, pati hipotēze par neskaitāmiem Visumiem izrādījās diezgan produktīva, radot vēl vienu darba plūsmu kvantu kosmoloģijas jomā. Tā ir balstīta uz pārsteidzošu Lielā sprādziena inflācijas modeli. Saskaņā ar inflācijas scenāriju mūsu pasaule dzima pirms 13,7 miljardiem gadu no kaut kā nezināma, ko sauc par kosmoloģisko singularitāti (dažkārt, lai liktu savā vietā tos, kuri ir pārāk ziņkārīgi par šo pilnīgi nesaprotamo matērijas stāvokli, zinātnieki svarīgi piebilst: "Tā bija kvantu kosmoloģiskā singularitāte!"). Pēc 10–43 sekundēm postsingularitātes attīstības Visums “ieguva savu ķermeni”, acumirklī izplešoties līdz novērojamajam izmēram. Šī īstermiņa īpaši ātrā ekspansija deva nosaukumu šai (inflācijas) teorijai (15. krāsu att). Kas tad tur "detonēja" Lielā sprādziena laikā, kas radīja mūsu pasauli?

VISUMA INFLĀCIJA

Izpletošās Visuma inflācijas teorijas piekritēji ar mūsu bijušo tautieti Andreju Dmitrijeviču Lindi priekšgalā uzskata, ka sākotnējā posmā pastāvēja tikai fiziskais vakuums, ko caurstrāvoja noteikts primārais lauks, kura parametri kvantu svārstību dēļ ļoti mainījās, “uzputojot” sākotnējo telpu-laiku. Kvantu fluktuācija ir kāda procesa parametru nenoteiktība, tā “izsmērēšanās”, un, ja kāda no šīm svārstībām sasniedz superkritisko lielumu (parametra “izsmērēšanās” ar tās malu šķērso noteiktu kritisko robežu), tas var novest pie asu lokālu ekstrēmu lauka intensitātes. Šis parametru lauks “lēciens” var radīt apstākļus ieiešanai inflācijas režīmā. Rezultātā veidojas strauji pieaugošs burbulis - mūsu Visuma embrijs, kas neiedomājami īsā “kvantu” laikā aizpilda kā minimums vismaz metagalaktikas tilpumu. Tā vismaz teorētiski dzimst universāla skatuve, uz kuras matērija un enerģija pēc rūpīgi un ne tik rūpīgi rakstītiem teorētisko fiziķu-kosmologu scenārijiem sāk izspēlēt grandiozu priekšnesumu ar nosaukumu “Mūsu fiziskā realitāte”! Te gan jāpiebilst, ka vārdu “scenārijs”, kas sākotnēji izklausās kaitinoši, zinātniekiem, kuri strādā kosmoloģijas – zinātnes par Visumu kopumā – jomā, patīk attiecināt uz jebkuriem “globāliem” procesiem. Ir patīkami vismaz laiku pa laikam justies kā kādam visuvarenam demiurgam — pārdabiskai būtnei, kas rada citas pasaules!

Lai gan kvantu inflācijas kosmoloģijā joprojām ir daudz baltu plankumu un pats inflācijas mehānisms ir slikti izprotams, teorētiķi jau ir izstrādājuši novatorisku mūžīgās inflācijas scenāriju. Šis paradoksālais jēdziens liek domāt, ka kvantu svārstības, tāpat kā tās, kas varēja radīt mūsu Visumu, nepazuda pirmajos Lielā sprādziena brīžos, bet turpina spontāni rasties, radot arvien jaunas un jaunas pasaules. Kaut kā līdzīgi matrjoškām! Iespējams, ka mūsu Visums ir veidojies līdzīgā veidā kādā iepriekšējā pasaulē. Tādā pašā veidā var pieņemt, ka mūsu pasaulē radīsies svārstības, kas attīstīsies par jaunu Visumu, iespējams, pat ar citiem fizikāliem likumiem un telpas-laika struktūru, kas arī pēc tam būs spējīga kosmoloģiski “reduplicēties”. Protams, šādos scenārijos ir daudz noslēpumu. Tādējādi vakuuma enerģijas loma nav pilnībā skaidra (un teorētiķi ir burtiski pārsātinājuši šo noslēpumaino “tukšumu” ar enerģiju!). Ir pieņēmumi, ka tieši vakuuma enerģija nosaka kosmiskās matērijas struktūru.

Ja tā būtu nedaudz tuvāka nullei, Visums paliktu vienmērīgi pa visu telpu sadalīts, nedzīvs un bezveidīgs gāzes un putekļu maisījums. Citā gadījumā, jo lielāks būtu tumšās enerģijas apjoms, jo ātrāk pirmatnējā matērija būtu kondensējusies masīvās galaktikās, kuras jau sen būtu sabrukušas melnos caurumos.

Šeit jāatzīmē, ka, lai gan mūsu pasaules inflācijas piedzimšanas scenārijs gūst ievērojamu atzinību kosmologu vidū, daudzu pasauļu interpretācija kvantu mehānikas mācību grāmatās visbiežāk tiek minēta kā sava veida vēsturisks kazuss. Braiena Grīna grāmatā "Realitātes struktūra" tam var atrast šādu skaidrojumu:

"Tomēr teorija par Multiversuma pastāvēšanu nav īpaši populāra fiziķu vidū. Kāpēc?

Diemžēl atbilde vairumam būs neglaimojoša. … Tie, kas ir apmierināti ar parastajām prognozēm un kuriem nav īpašas vēlēšanās saprast, kā tiek iegūti prognozētie eksperimentālie rezultāti, var vienkārši noliegt visu, ko es saucu par “reāliem” objektiem, Daži zinātnieki piemēram, instrumentālisti un pozitīvisti, pieņem šo līniju kā filozofisku principu. Jau pastāstīju, ko es domāju par šādiem principiem un kāpēc. Citi cilvēki vienkārši nevēlas par to domāt. Galu galā tas ir tik grandiozs secinājums, un tas ir tik satraucoši, kad to dzirdi pirmo reizi. Bet es domāju, ka visi šie cilvēki kļūdās. Es ceru pārliecināt lasītājus, kas mani atbalsta, ka izpratne par Multiversumu ir priekšnoteikums vislabākajai realitātes izpratnei. Es to nesaku stingras apņēmības garā meklēt patiesību, lai cik nepatīkama tā būtu (lai gan es ceru, ka es pieņemšu to nostāju, kura izrādīsies patiesa). Gluži pretēji, es to saku tāpēc, ka iegūtais pasaules uzskats ir daudz holastiskāks un tam ir daudz lielāka nozīme nekā visiem iepriekšējiem pasaules uzskatiem. Tas paceļas pāri ciniskajam pragmatismam, kas mūsdienās bieži vien ir zinātnieku pasaules uzskata surogāts."

MŪSU PASAULES IZSKATS

Kāds ir mūsu pasaules patiesais izskats? Vai tas sastāv no nebeidzamām miriādu miriādēm mums apkārt esošās realitātes spoguļattēlu "multiversālā attēlojumā", vai arī Visums ir viens savā "vienreizējā izpausmē"? Ieklausīsimies mūsdienu daudzpasauļu apoloģēta Deivida Doiča viedoklī:

“Iespējams, teorētisko fiziķu starpā radušos strīdu dēļ tradicionālais sākumpunkts bija pati kvantu teorija. Pirmkārt, mēs formulējam teoriju pēc iespējas precīzāk, un tad cenšamies saprast, ko tā mums stāsta par realitāti. Tā ir vienīgā iespējamā pieeja kvantu parādību mazāko detaļu izpratnei. Tomēr attiecībā uz jautājumu, vai realitāte sastāv no viena Visuma vai daudziem; šī pieeja ir nevajadzīgi sarežģīta.

Bet, ja mēs sākam ar teoriju, Ir divas lietas, ko neviens neapstrīdēs.

Pirmā, - kvantu teorijai nav līdzvērtīgas spējas paredzēt eksperimentu rezultātus pat tad, ja tās vienādojumi tiek izmantoti akli, daudz nedomājot par to nozīmi.

Otrā, - kvantu teorija mums par realitātes būtību stāsta kaut ko jaunu un dīvainu.

Tāpēc, lai izskaidrotu to, ko mēs redzam, ja labākā fiziķiem pieejamā teorija neattiektos uz paralēliem Visumiem, tas tikai nozīmētu, ka mums ir vajadzīga labāka teorija, teorija, kas attiecās uz paralēliem Visumiem.

Te, vēl viens fragments no S. Hokinga “Īsa laika vēsture no lielā sprādziena līdz melnajiem caurumiem” palīdzēs apkopot mūsu Visuma vēstures reibinošo dzīvesstāstu:

"Mēģinājumi izveidot Visuma modeli, kurā daudzas dažādas sākotnējās konfigurācijas varētu kļūt par kaut ko līdzīgu mūsu pašreizējam Visumam, lika Alanam Gutam, Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta zinātniekam, ierosināt domu, ka agrīnais Visums piedzīvoja ļoti straujas izplešanās periodu. Šo izplešanos nosauca par inflāciju, kas nozīmē, ka kādu laiku Visuma izplešanās norisinājās ar arvien lielāku ātrumu, nevis tā, kā tā notiek tagad. Guts aprēķināja, ka Visuma rādiuss tikai niecīgā sekundes daļā palielinājās par miljonu miljonu miljonu miljonu miljonu (viens, kam seko trīsdesmit nulles) reižu.

Guts ierosināja, ka Visums radās Lielā sprādziena rezultātā ļoti karstā, bet pilnīgi haotiskā stāvoklī. Augstas temperatūras apstākļos daļiņām Visumā bija jāpārvietojas ļoti ātri un tām bija liela enerģija. Kā jau minēts, tik augstās temperatūrās stiprajiem un vājajiem kodolspēkiem un elektromagnētiskajam spēkam vajadzēja apvienoties vienā. Paplašinoties Visumam, tas atdzisa un daļiņu enerģijas samazinājās. Galu galā būtu jānotiek tā sauktajai fāzu pārejai, un spēku simetrija tiktu izjaukta: stiprā mijiedarbība sāktu atšķirties no vājās un elektromagnētiskās. Labi zināms fāzu pārejas piemērs ir ūdens sasalšana, kad tas ir atdzisis. Ūdens šķidrais stāvoklis ir simetrisks, tas ir, ūdens ir vienāds visos punktos un visos virzienos. Iegūtajiem ledus kristāliem ir noteiktas pozīcijas un tie ir izlīdzināti noteiktā virzienā. Rezultātā ir izjaukta ūdens simetrija.

Ja atdzesēt ūdeni ļoti lēnām, tas paliks šķidrs arī zem sasalšanas punkta (0 grādi pēc Celsija), neveidojot ledu. Visums varētu izturēties līdzīgi: tā temperatūra varētu nokrist zem kritiskās vērtības, nepārkāpjot spēku simetriju. Ja tā ir noticis, tad Visums nonācis nestabilā stāvoklī, ar enerģiju, kuras vērtības pārsniedz tās, kuras bija laikā kad simetrija izjuka.

Var pierādīt, ka šī īpašā papildu enerģija rada antigravitācijas efektu, kas ir līdzīgs kosmoloģiskajai konstantei, ko Einšteins ieviesa vispārējā relativitātes teorijā, mēģinot izveidot statisku Visuma modeli.

Tā kā, tāpat kā karstā Lielā sprādziena modelī, Visums jau virpuļoja, kosmoloģiskās konstantes radītā atgrūšanās izraisītu Visuma izplešanos ar arvien lielāku ātrumu. Pat reģionos, kur matērijas daļiņu skaits pārsniedz vidējo vērtību, vielas gravitācijas lielums būtu mazāks par efektīvās kosmoloģiskās konstantes radīto atgrūšanos. Līdz ar to arī šādiem reģioniem vajadzēja paplašināties pie paātrinājuma, kas raksturīgs izpletošās Visuma modelim. Visumam izplešoties, matērijas daļiņas arvien vairāk atdalītos viena no otras, un galu galā izplešanās Visums būtu gandrīz bez daļiņām, bet joprojām būtu pārdzesētā stāvoklī. Izplešanās rezultātā visiem Visuma nelīdzenumiem vajadzēja vienkārši izlīdzināties, tāpat kā gumijas balonam izlīdzinās krokas, kad tas tiek piepūsts. Tāpēc pašreizējais Visuma vienmērīgais un viendabīgais stāvoklis varēja attīstīties no daudziem dažādiem nevienmērīgiem sākotnējiem stāvokļiem.

Protams, būtu gluži dabiski pieņemt, ka mūsu strauji augošajā pasaulē gaismai būtu bijis pietiekami daudz laika, lai pārvietotos no viena agrīnā Visuma reģiona uz citu. Tajā pašā laikā Visuma izplešanās varētu izskaidrot, kāpēc tajā ir tik daudz matērijas un no kurienes tā radusies. Šeit mums vienkārši ir jāpieņem ka ap mums matērijas un enerģijas dialektiskajā ciklā nepārtraukti notiek šo divu Visuma fizisko pamatvienību savstarpējās pārejas. Mikropasaulē daļiņas var piedzimt arī pārejās: enerģija – daļiņa – antidaļiņa. Interesanti, kā mūsdienu fizika izskaidro īslaicīgo enerģijas deficītu. Šai ziņā īpaši Hokings spriež šādi:

"Visuma kopējā enerģija ir tieši nulle. Matērija Visumā veidojas no enerģijas. Bet gravitācijas ietekmē visa matērija pievelkas. Diviem cieši blakus novietotiem matērijas ķermeņiem ir mazāka enerģija nekā tiem pašiem diviem ķermeņiem; attālinot tos vienu no otra; jo, lai tos attālinātu, ir jāiztērē enerģija, lai pārvarētu gravitācijas spēkus, kas cenšas tos savienot. Tāpēc gravitācijas lauka enerģija savā ziņā ir it kā negatīva. Var teikt, ka kosmosā aptuveni viendabīga Visuma gadījumā šī negatīvā gravitācijas enerģija precīzi kompensē ar matēriju saistīto pozitīvo enerģiju. Tāpēc Visuma kopējā enerģija ir nulle."

Tā zinātnieks pamazām noved pie domas, ka “tā kā divreiz nulle arī ir nulle, tad matērijas pozitīvās enerģijas daudzums Visumā var dubultoties vienlaikus ar negatīvās gravitācijas enerģijas dubultošanos;  enerģijas nezūdamības likums pārkāpts netiks. Tas nenotiek parastā Visuma izplešanās procesā, kad, palielinoties Visuma izmēram, matērijas enerģijas blīvums samazinās. Bet tieši tas notiek inflācijas laikā, jo šajā gadījumā Visums izplešas, bet pārdzesētā stāvokļa enerģijas blīvums paliek nemainīgs: kad Visuma izmērs dubultojas, dubultosies arī matērijas pozitīvā enerģija un negatīvā gravitācijas enerģija, atstājot kopējo enerģiju vienādu ar nulli. Inflācijas fāzē Visuma izmērs dramatiski palielināsies. Līdz ar to ievērojami palielināsies arī kopējais daļiņu veidošanai pieejamās enerģijas daudzums. Guts par šo jautājumu atzīmēja: “... nav tādas lietas kā pašservējošs galdauts. ...bet vai tad pats Visums nav mūžīgs sevis servētājs?"

Tagad Visums izplešas bez inflācijas ("neuzpūšoties")... Pēc tam Visums atkal sāks paplašināties un atdzist; tāpat kā karstā Lielā sprādziena modelī, bet tagad mēs jau varam izskaidrot, kāpēc tā izplešanās ātrums ir tieši vienāds ar kritisko ātrumu un kāpēc dažādiem Visuma reģioniem ir vienāda temperatūra.

SEPTĪTĀ NODAĻA TEORIJU TEORIJA

Iespējams, pati apbrīnojamākā lieta mūsdienu fizikā ir negaidītā saikne starp kosmosu, kur galaktikas un zvaigžņu kopas ir izkaisītas kā reti putekļu graudi, un saspiesto, izzūdoši mazo elementārdaļiņu mikropasauli.

Divi Visuma poli! Vienā ir milzīgs, izplešošs Visums, otrā ir gandrīz efemēri matērijas “celtniecības ķieģelīši”, kas nav saredzami nevienā mikroskopā. Un te izrādās, ka noteiktos apstākļos Visumam var piemist mikrodaļiņu īpašības un daži mikroobjekti sevī var saturēt veselas kosmiskās pasaules.

V. S. Vorošennoje "Kvarki, protoni, Visums"

JAUNA GRAVITĀCIJA IZPRATNE

Pagājušā gadsimta izcilais teorētiskais fiziķis, Nobela prēmijas laureāts Ričards Feinmans, pēc daudzām viņa laikabiedru liecībām, bija ļoti liels īpatnis. To apstiprina gan viņa slavenais "Feinana fizikas kurss", kas ir pilns ar jaunām pieejām šīs zinātnes šķietami iedibināto sadaļu prezentācijā, gan ļoti bieži citētā grāmata "Fizikālo likumu būtība". Atklājot saikni starp matemātiku un fiziku un analizējot fizikālo un matemātisko jēdzienu universālumu, izcilais fiziķis bieži pievērsās Ņūtona universālajam gravitācijas likumam. Tajā pašā laikā viņam patika izteikt paradoksālus viedokļus, ka kopš Ņūtona laikiem mēs gravitācijas mehānisma izpratnē neesam sasnieguši neko.

Uz gravitācijas viļņiem peldošas galaktikas

"Tātad līdz šim mums nav cita gravitācijas teorijas modeļa, izņemot matemātisko. …Katrs no mūsu jaunajiem likumiem ir tīri matemātisks apgalvojums, turklāt visai sarežģīts un slikti saprotams. Ņūtona gravitācijas likuma formulējums ir salīdzinoši vienkārša matemātika. Taču, virzoties uz priekšu, tas kļūst mazāk skaidrs un sarežģītāks. Kāpēc? Ne mazākās jausmas. Mans mērķis ir vienkārši paziņot par šo faktu. Tāda ir visa lekcijas būtība: nav iespējams godīgi izskaidrot visu dabas likumu skaistumu, lai cilvēki to uztvertu tikai ar savām sajūtām, bez dziļas matemātikas izpratnes. Diemžēl šķiet, ka tas ir bēdīgs fakts."

Ričards Feinmans, slavens teorētiskais fiziķis un Nobela prēmijas laureāts

Te gan jāatzīst, ka, lai cik unikāls būtu Feinmana radošais domāšanas stils, šajā gadījumā viņa domas ir pilnīgā pretrunā ar atzīto fizikas vēsturi. Galu galā pagājušā gadsimta sākumā Alberts Einšteins atklāja savu vispārējo relativitātes teoriju, izveidojot jaunu gravitācijas teoriju un iezīmējot ceļu, kā apvienot visas zināmās mijiedarbības ar universālās gravitācijas spēkiem. Pirmkārt, tas attiecās uz relativitātes teorijas un kvantu mehānikas apvienošanu. Ir parādījusies pat zinātne-kentaurs: "kvantu kosmoloģija". Tajā joprojām ir daudz pretrunu un neprecizitāšu, un ne visi to atzīst. Vienmēr jāņem vērā, ka relativitātes teorija ir nepieciešama, lai aprakstītu telpas-laika vispārējo struktūru, un kvantu mehānikas mērķis ir izskaidrot subatomāro daļiņu uzvedību. Diemžēl šīs teorijas joprojām lielā mērā ir pretrunā viena otrai. Neskatoties uz to, “supernovu kosmoloģija” ir labi zināma un izvirza sev ambiciozu mērķi apvienot divus mūsu realitātes polus – neiedomājami mazu kvantu līmeni un tikpat grūti iztēlojamo metagalaktikas kosmoloģisko mērogu.

Neiedomājami mazo kvantu pasauli un ultralielo universālās gravitācijas pasauli var savienot, pētot melno caurumu bezdibeņus - sastingušās kolapsārās zvaigznes.

Pirmā vispārējā apvienošana ir saistīta ar kvantu spēka lauka teorijas konstruēšanu, kas ietver kvantu mehāniku un relativitātes teoriju. Šī apvienošana izrādījās diezgan sarežģīta, un viens no tās autoriem, Nobela prēmijas laureāts Pols Diraks, atzina: "Šķiet, ka šo teoriju praktiski nav iespējams uzlikt uz stabila matemātiskā pamata." Nākamajam, svarīgākajam un sarežģītākajam solim vajadzētu būt gravitācijas un kvantu mehānikas saiknei, taču vispāratzītu sasniegumu šeit vēl nav. Katrs speciālists iesaka savus attīstības ceļus, un Nobela prēmijas laureāts Stīvens Veinbergs kopumā uzskata, ka šādas teorijas matemātiskā aparāta izveidei būs vajadzīgs vismaz gadsimts.

Lai kā arī būtu, optimistiski teorētiskie fiziķi ir cerību pilni, ka pat tālā nākotnē kvantu kosmoloģija attīstoties kļūs par "visu teoriju teoriju", kura sasaistīs visus spēkus, kas darbojas Visumā ar vienu vienādojumu (16. att. krāsa iekļauta).

Šeit es vēlētos atklāt dažas šīs ārēji konservatīvās teorētisko fiziķu korporācijas "intīmās detaļas un noslēpumus". Izrādās, ka “oficiālajā fizikā”, kas balstās uz vēsturiski iedibinātiem un, galvenais, neskaitāmu eksperimentu apstiprinātiem apkārtējās pasaules modeļiem, virmo nopietnas kaislības. Tur jauno ķeceru grupas vienmēr ir gatavas atspēkot visu un visus neatkarīgi no autoritātēm, un to visu kontrolē nezinātājiem neskaidra iedoma, ko sauc par “moderniem pētniecības virzieniem”.

Pagājušā gadsimta beigas kvantu gravitācijas teorijā iezīmējās divu ļoti modernu un uzreiz konkurējošu virzienu rašanās. Šiem virzieniem, kā jau “kvantu kentauriem” pienākas, tika doti diezgan neparasti nosaukumi: “cilpveida kvantu gravitācija”, kas labāk izsakāka ar saīsinājumu “CKG” (arī veltījums “fiziskajai modei”) un “superstīgu teorija”, pazīstama arī kā “stringu teorija”, zināma arī kā “membrānu teorija”, zināma arī kā “M-teorija” un brānu teorija.

CKG teorijā subelementārajā līmenī telpa izrādās nevis nepārtraukta, bet gan sastāv no diskrētiem elementiem, mazākām telpas vienībām, līdzīgi kā pirms gadsimta atklātajiem enerģijas kvantiem. Šādas minimālas vienības tilpums ir vienāds ar kubu ar Planka garuma šķautni (~10~35 m).

Mēs jau zinām, ka mikroskopiskā līmenī daļiņām nevar vienlaikus piešķirt konkrētas koordinātes un ātrumus, enerģija un tās izmaiņu laiks ir kā eļļas traipi uz kvantu varbūtības viļņiem. Kvantu pasaulē “tukša” telpa parastajā izpratnē neeksistē. To, ko mēs parasti uztveram kā tukšumu(vakuumu), kurā nav atomu un molekulu, piemēram, ļoti attālas kosmosa zonas bez zvaigznēm, gāzes vai putekļiem, zinātnieki sauc par fizisko vakuumu, īpašu “virtuālu” daļiņu verdošu jūru un neizsmeļamas enerģijas okeānu (17. krāsu attēls).

KVANTU LAUKA TEORIJA

Vispārīgi runājot, lai cik “superrevolucionāras” būtu jaunās idejas par laukiem un daļiņām, tās visas balstās uz vispārpieņemto un tradicionālo kvantu lauka teoriju. Šajā teorijā elementārdaļiņu mijiedarbība atgādina slaveno Kembridžas un Oksfordas studentu spēli, ko viņi organizēja pēc ikgadējās, ne mazāk slavenās regates. Abas mūžīgo pretinieku laivas attālinājās viens no otras kaut kādā attālumā, un viens no izlozētajiem airētājiem, saviem sānceņšiem iemeta šampanieša pudeli. Tiem vajadzēja to noķert un uzreiz atkārtot metienu un tā tālāk, līdz kāds pudeli nenoķēŗa vai aizmeta garām. Ja laivas iedomājamies kā parastas daļiņas, tad šampanieša pudele lieliski pildīs spēka lauka lomu, pati būdama “īsto daļiņu” virtuālais analogs. Šajā ziņā kvantu mijiedarbības elementārais akts ir virtuāla daļiņa. Šķiet, ka parastās daļiņas ir ietītas biezā kažokā, sastāvošā no daudzām virtuālām daļiņām. Fiziķi to tā arī nosaukuši - par "virtuālo kažoku".

Savukārt kvantu mehānikas zinātniskajās popularizācijās jau labu laiku ir nostiprinājies oscilējošu daļiņu, kaut kādu lodīšu uz atsperēm tēls. Šīs lodītes, atomi un daļiņas ir nepārtrauktā vibrācijā, un daudzas piedevām rotē ap savu asi. To kustība ir atkarīga no enerģijas, paātrinās temperatūrai pieaugot, taču pat pie viszemākās iespējamās temperatūras Visumā – absolūtās nulles temperatūrā – mūsu pasaules mikroskopiskie iemītnieki neapstājas. Tie turpina kustēties, radot tā sauktās "nulles punkta kvantu svārstības". Tādi lūk super-mazi ķipari!

Šī mikrodaļiņu virpuļošana un svārstības ir tik ātras, ka tās burtiski saplūst neskaidrā griešanās un svārstību zonā. Saskaņā ar nenoteiktības principu "enerģija - laiks":  daļiņai, kas “dzīvo” ārkārtīgi mazu laika intervālu  enerģiju nevar reģistrēt. Tāpat daļiņai ar noteiktām koordinātēm ir atbilstošs impulsa vērtību sadalījums. Izrādās, ka saskaņā ar kvantu likumiem enerģija un impulss svārstās nepārtraukti, tas ir, to vērtības svārstās patvaļīgi, un ārkārtīgi mazos laika periodos enerģijas nezūdamības likums var tikt “praktiski” pārkāpts, un procesus, kas notiek ārkārtīgi mazos apjomos, var pavadīt impulsa nezūdamības likuma “lokāli pārkāpumi”. Tas atgādina situāciju ar negodprātīgu bankas kasieri, kurš bankas kasi izmanto savām vajadzībām. Kasieris vienmēr var paņemt kādu summu no kases, lai segtu savus izdevumus, jo galvenais ir to atgriezt kasē pēc noteikta laika perioda A*: pirms kārtējā bankas audita sākuma. Bet ko darīt, ja kasieris kādreiz nokavē, pārsniedz AЬ laiku naudas “atmaksai” savā bankā un pārbaudes rezultātā nekavējoties tiek pakļauts mājas arestam? Izrādās, ka viņš arī šeit var izmantot sava “uzvedības stila” priekšrocības, teiksim, izskriet no mājas pagalmā Ah attālumā un atgriezties, pirms policists pamanījis viņa prombūtni. Šeit galvenais ir tas, ka no klasiskā viedokļa tiek stingri ievēroti visi saglabāšanas likumi, netiek izjaukts bankas naudas balanss bet arestētais nevainojami pilda savu režīmu!

Kolapsārs - melnais caurums. Lai gan kvantu efekti tagad ir niecīgi mazi, tiem bija būtiska loma Lielā sprādziena sākumposmā. Tie arī nosaka procesus, kas notiek melnajos caurumos. Tā kā gravitācija ir saistīta ar telpas laika izliekumu, gravitācijas kvantu teorija būtu kvantu telpas laika teorija. Tas palīdzēs fiziķiem saprast, no kā sastāv telpas-laika putas.

Tas ļauj no jauna paskatīties uz parādību paradoksālo nenoteiktību mikropasaulē, kur visas prognozes par to vai citu jebkura procesa gaitu tiek reducētas uz sava veida “statistisku zīlēšanu”. Tomēr vislabāk to varētu ilustrēt ar fragmentu no izcilā pagājušā gadsimta fiziķa G. Gamova spožās zinātniskās popularizācijas “Mistera Tompkinsa piedzīvojumi”:

"Vērojot bumbas ripošanu, misters Tompkinss sev par lielu pārsteigumu pamanīja, ka bumba sāk "izplūst". Tas bija vienīgais izteiciens, kas viņam ienāca prātā, ieraugot biljarda bumbas dīvaino uzvedību, kas, ripojot pa zaļo laukumu, šķita arvien neskaidrāka, acu priekšā zaudējot kontūru skaidrību. Likās, ka ripo ne jau viena bumba bet vairākas, atrodoties viena otrā...

Spēlētājam, kurš izdarīja sitienu pa bumbu, noteikti jābūt sava amata ekspertam: ripojošā bumba sadūrās ar otru bumbu frontālā sadursmē, kā arī bija nepieciešams. Atskanēja skaļš būkšķis, un abas bumbas, tā kas miera stāvoklī un tā kas kustējās (misters Tompkinss nevarēja precīzi pateikt, kura bija kura), aizripoja "dažādos virzienos", protams, izskatījās ļoti dīvaini: uz galda bija ne vairāk kā divas bumbas, bet tā vietā bija neskaitāms skaits bumbu, kas izskatījās nedaudz izsmērētas, kas ripoja ļoti precīzi no 0 līdz 180. grādos no sākotnējā trieciena virziena Biljarda bumba drīzāk atgādināja dīvainu vilni, kas izplatās no bumbu sadursmes vietas. Ieskatījies misters tompkinss saprata, ka maksimālais bumbu vilnis vērsts uz pirmā sitiena vietu.

- piektā viļņa izkliede, - pazīstama balss sacīja viņam aiz muguras, un misters Tompkinss, neatskatījies, pazina profesoru.

- Vai tiešām šoreiz arī kaut kas izliecās, - jautāja misters Tompkinss, "kaut arī biljarda galda virsma man šķiet gluda un līdzena?"

- Jums ir pilnīga taisnība, - apstiprināja profesors, - telpa šajā gadījumā ir pilnīgi plakana, bet tas, ko jūs novērojat, patiesībā ir kvantu parādība.

- Ah, šīs matricas! — Misters Tompkinss uzdrošinājās sarkastiski piezīmēt.

- Precīzāk, kustības nenoteiktība, - atzīmēja profesors...

- Jūs pamanījāt, ka bumbas "izplūst -, viņš iesāka, - tas nozīmē, ka to atrašanās vieta uz biljarda galda nav pilnīgi noteikta. Jūs nevarat precīzi noteikt, kur atrodas bumba. Labākajā gadījumā jūs varat tikai pateikt, ka bumba ir "galvenokārt šeit" un "daļēji kaut kur tur".

- Tas viss ir visaugstākajā mērā neparasti, - nomurmināja misters Tompkinss.

- Gluži pretēji, - iebilda profesors, - tas ir pilnīgi normāli tādā ziņā, ka tā vienmēr notiek ar jebkuru materiālu ķermeni. Tikai ārkārtīgi mazās kvantu konstantes vērtības un parasto novērošanas metožu neprecizitātes dēļ cilvēki nepamana šo nenoteiktību un kļūdaini secina, ka ķermeņa stāvoklis un ātrums vienmēr ir pilnīgi noteikti lielumi. Patiesībā gan pozīcija, gan ātrums vienmēr ir zināmā mērā nenoteikti, un, jo precīzāk ir zināms viens no lielumiem, jo otrs ir izkliedētāks. Kvantu konstante nosaka attiecības starp šīm divām nenoteiktībām. Paskatieties, es uzlieku noteiktus ierobežojumus šīs biljarda bumbas novietojumam, iekļaujot to koka trīsstūrī.

Tiklīdz bumba atradās aiz koka žoga, visu trīsstūra iekšpusi piepildīja ziloņkaula spīdums.

- Redziet! — profesors sapriecājās. - Es ierobežoju bumbas stāvokli līdz trīsstūrī ietvertās telpas izmēriem, tas ir, līdz dažām collām. Un rezultātā ir ievērojama ātruma nenoteiktība, bumba vibrē pa trijstūra perimetra iekšieni!”

Tagad atgriezīsimies pie Einšteina gravitācijas teorijas, kas apgalvo, ka jebkura matērijas vai enerģijas sabiezējuma tuvumā telpa-laiks tiek izliekts un līdz ar to izliecas gravitācijas laukā it kā esošo daļiņu trajektorijas. Es šeit nerunāju nepareizi: tieši "it kā", jo Einšteina gravitācijas lauks tādā nozīmē, kā mēs esam pieraduši, neeksistē, to aizstāj laika-telpas izliekums.

Ko tad mums skaidro fizikas stundās skolā? Patiesībā, runājot par Ņūtona gravitāciju, skolu skolotāji (un bieži vien arī augstskolu profesori!) stāsta par to, kā mēs ar gravitācijas lauka jēdziena palīdzību uztveram universālās gravitācijas patieso cēloni, kas slēpjas mūsu pasaules ģeometrijā (matemātiķi saka – topoloģijā).

Zinot koordinātes, ātrumus un masas, var izmantot vispārējās relativitātes teorijas vienādojumus, aprēķināt telpas-laika izliekumu un noteikt gravitācijas ietekmi uz aplūkojamo ķermeņu trajektorijām. Attiecīgi tukšs relatīvistisks telpa-laiks ir absolūti plakans un gluds, veidojot ideālu skatuvi matērijas un enerģijas izpildījumam universālajā izrādē. Vienīgā problēma ir tā, ka visos neskaitāmajos scenārijos, ko teorētiķi pastāvīgi ierosina, dabai vienkārši var nepietikt lomu…

STRINGU TEORIJA

Taču vienmēr ir liels pieprasījums pēc populārākajiem, varētu pat teikt, fiziski visprogresīvākajiem mūsu realitātes attīstības scenārijiem. Šobrīd “fizikas skatuves zvaigznes”, protams, ir tās pašas superstīgas. Protams, teorētiskie fiziķi tikai tikko ir "režisējuši" pirmās sērijas grandiozajā sēriālā ar nosaukumu "Superstringu kvantu gravitācija". Tomēr tālākā sižeta attīstība solās būt ne mazāk aizraujoša kā labākajos ziepju operu paraugos.

Pamatdoma šeit ir tāda, ka elementārdaļiņas nav punktveida, bet gan bezgala plāni viendimensijas objekti – kvantu virknes vai superstīgas. Rūpīgiem lasītājiem mēs atzīmējam, ka sākumā bija vienkārši “stīgu teorija”, bet pēc tam tai pievienoja zināmu “supersimetriju”, un tagad apspriež galvenokārt “superstīgu teoriju”. Daudzveidīgo elementārdaļiņu plašo saimi atspoguļo daudzi iespējamie virkņu vibrācijas veidi. To ir ļoti viegli saprast, iedomājieties, ka katra elementārdaļiņa ir skaņa, un tās visas kopā veido mūsu pasaules dzīvību apliecinošo un dzīvinošo simfoniju. Kā tik vienkārša teorija raksturo sarežģīto daļiņu pasauli un to mijiedarbību? Noslēpums slēpjas tā sauktajā kvantu stīgu maģijā. Tiklīdz kvantu mehānikas noteikumi tiek piemēroti vibrējošai virknei, pa kuru vibrācijas izplatās ar gaismas ātrumu, tā iegūst jaunas īpašības, kas ir cieši saistītas ar daļiņu fiziku un kosmoloģiju.

Superstīgu teorijas pamatu pārstrukturēšanas gaitā fiziķi viendimensiju virknēm ir pievienojuši savus telpiskos analogus ar lielāku dimensiju skaitu. Divdimensiju objektus sāka saukt par membrānām vai 2-brānām, trīsdimensiju - par 3-brānām, konstrukcijām ar izmēru p - p-brānām. Stīgu teorija ir pārtapusi par iedomātu izmēru brānu teoriju no 1 līdz 9. Tomēr viendimensijas stīgas joprojām ir galvenās: tieši to vibrācijas izpaužas kā elementārdaļiņas. Bet brānas ierobežo stīgu kustības brīvību un tikai stīgām ar brīviem galiem.

Stīgu teorija sākotnēji tika uzskatīta par ļoti spēcīgu kandidātu ilgi meklētajai vispārīgajai visu daļiņu un spēku teorijai. Tomēr pēc superelementāro kvarku teorijas parādīšanās pagājušā gadsimta septiņdesmito gadu sākumā, kas ātri pārauga veselā elementārdaļiņu fizikas sadaļā, stīgu modelis nepārprotami sāka zaudēt visaptverošajam kvarku modelim.

CEĻĀ UZ "VISAPTVEROŠO TEORIJU"

Kvarku mikrofiziku sauc par kvantu hromodinamiku, jo tā ir saistīta ar kvarku krāsu (hromo) lādiņu dinamiku. Tas nodrošina zinātniekiem efektīvu veidu, kā aprakstīt spēcīgu intranukleāro mijiedarbību un lieliski saskan ar eksperimentālajiem datiem, un tiek uzskatīts par universālu pamatu fundamentālākam mikropasaules skaidrojumiem. Stīgu teorija uz kvantu hromodinamikas fona izskatās visai eksotiska, ne pārāk loģiski sakarīga un, galvenais, tai nav būtiska eksperimentāla apstiprinājuma. Tāpēc teorētiskie fiziķi ilgu laiku tai nepievērsa pienācīgu uzmanību. Pēc tam atgriezās superstīgu konstrukciju mode, un tās arvien vairāk sāka uzskatīt par matemātisku satvaru gravitācijas kvantu teorijas konstruēšanai, kas ir pirmais solis visu fundamentālo mijiedarbību apvienošanā nākotnes “visaptverošajā teorijā” (18. krāsu attēls).

Ceļā uz to, protams, parādīsies daudzi jauni telpas un laika modeļi (jau tagad to ir vairāk nekā vajadzētu!). Pilnīgi iespējams, ka starp tiem būs veiksmīgi modeļi, kas palīdzēs atrisināt svarīgus kvantu gravitācijas un kosmoloģijas noslēpumus. Tas ir grandiozs mērķis, un tā īstenošanai, visticamāk, būs nepieciešama ne viena vien zinātniskā revolūcija, līdzīga tai, kas notika pagājušā gadsimta sākumā. Jau tagad stīgu darbs ir novedis pie daudziem interesantiem rezultātiem matemātikā, tostarp jaunu matemātisko struktūru radīšanā, kā arī inovatīvas idejas un metodes to risināšanai. Nesenajās konferencēs, veltītās dažādiem stīgu teorijas aspektiem, bieži var sastapt teorētiskos fiziķus un matemātiķus, kuri kopīgi prezentē savus pētījumus daudzās matemātikas jomās, piemēram, algebriskajā ģeometrijā.

Kosmiskās stīgas var fluktuēt(mirgot) un svārstīties, krustoties un mijiedarboties viena ar otru. Tās var novērot vai nu gravitācijas lēcu efekta dēļ, ko tās rada, novirzot gaismas starus, kas nāk no tālām zvaigznēm un galaktikām, vai gravitācijas starojuma uzliesmojumiem, kas rodas to garenvirziena svārstību rezultātā. Dažos gadījumos gravitācijas starojumu no kosmiskām stīgām var noteikt, izmantojot jaunos, īpaši jutīgos gravitācijas viļņu detektorus.

Stīgu teorija sākās ar super sīkiem, “Planka” izmēriem, kas atradās aiz neiedomājamās 10–33 cm robežas, taču pavisam negaidīti parādījās spekulatīvas idejas saistībā ar īpaši lieliem telpiskajiem izmēriem. Tādējādi pēdējos gados ir radušās idejas, ka dažas papildu dimensijas var būt ļoti lielas un pat mēdz būt bezgalīgas. Protams, mēs nevaram tās ne uztvert ne sajust tā vienkāršā iemesla dēļ, ka paši esam iekļauti trīsdimensiju pasaulē, kas kā atsevišķa hipervirsma var būt iekļauta Visumā ar lielāku skaitu dimensiju.

Vienīgais veids, kā mēs varam redzēt vai sajust citas telpiskās dimensijas, ir noteikt gravitācijas svārstības "apakštelpā". Tas, protams, ir tālās nākotnes eksperimentu jautājums. Lai gan joprojām pastāv idejas, ka jauni eksperimenti par elementārdaļiņu izkliedi pie īpaši jaudīgiem paātrinātājiem, piemēram, lielajā hadronu paātrinātājā, varētu novest pie jaunu mūsu pasaules parametru “savītu atsperu” atklāšanas. Un īpaši lielo papildu izmēru idejai vajadzētu radīt ļoti interesantus efektus (19. krāsu att.).

Stīgu teorija piedāvā arī oriģinālus kosmoloģiskos scenārijus mūsu pasaules evolūcijai, saskaņā ar kuriem Visums pašreizējā attīstības stadijā var būt piepildīts ar galaktikas vai pat metagalaktiskā mēroga kosmiskām stīgām. Ideja ir tāda, ka, tā kā mūsu Visuma izplešanās sākās Planka skalā pēc Lielā sprādziena, šajā posmā telpa laiks bija blīvi piepildīts ar "parastajām" mikroskopiskajām superstīgām Planka konstantes izmēros. Lai tās izstieptu līdz makroskopiskiem izmēriem, būtu nepieciešama kolosāla enerģija, un tā radās dabiskajā mūsu pasaules “paplašināšanās” laikā. Protams, tas izlaiž ļoti interesanto jautājumu par to, kas bija pirms superstīgu parādīšanās supermikroskopiskajā burbulī — mūsu Visuma embrijā. Nākamais jautājums ir mikro-, mezo-, makro- un mega-superstīgu tiešās ietekmes raksturs uz Visuma evolūciju, kā arī to fizikālo īpašību izmaiņas.

Hipotēzi par mega-superstīgām var izmantot arī, lai izskaidrotu vienu no mūsu Visuma galvenajiem noslēpumiem – pāreju no vienmērīgas Visuma izplešanās uz paātrinātu izplešanos pirms aptuveni astoņiem miljardiem gadu. Varbūt tajos neiedomājami tālajos laikos kaut kas mainījās superstīgu mijiedarbības būtībā ar noslēpumaino tumšo vielu un ne mazāk noslēpumaino tumšo enerģiju? Galu galā, ja kvantu stringi pastāv, tiem kaut kādā veidā ir jāsaskaras ar metagalaktikas galveno “tumšo” saturu.

M-TEORIJAS BRĪNUMI

Savas pusgadsimta pastāvēšanas laikā superstīgu teorija ir piedzīvojusi daudzus kāpumus un kritumus. Nerobežojamā vēlme noskaidrot, kā Daba ir strukturēta Visuma zemākajos līmeņos, noveda pie tā, ka mūsu gadsimta sākumā no tās atdalījās jauns virziens, kas drīz vien kļuva par galveno – daudzdimensiju kvantu membrānu teorija (M-teorija). Tagad starp “modernajām” spekulatīvajām konstrukcijām ievērojamu vietu ieņem M-teorija, kas būtībā pēta tās pašas stīgas, bet “plakanā” modifikācijā. Viens no "membrānu pieejas" autoriem, profesors Huans Maldacena reiz atzīmēja, ka membrānas no aukliņām atšķiras apmēram tāpat kā plātsmaize no makaroniem.

Tādējādi, apsverot dažādas stīgu teorijas versijas, mēs varam nonākt pie secinājuma, ka visa pamatā ir vienota daudzdimensiju kvantu membrānu teorija. Šī vienotība ir ļoti pievilcīga, un darbs pie pilnīgas kvantu M teorijas izveides intensīvi turpinās. Tomēr, neskatoties uz optimistiskajām prognozēm, kas izskanēja "superstīgu" konferencēs, daudzdimensiju kvantu membrānu visaptveroša izstrāde joprojām ir ļoti tālu no pabeigšanas. Pats kuriozākais supersimetrisko stīgu un membrānu jēdzienā nav pat to realitātes pārbaude (par to vēl nevar būt pat runas), bet gan iedomātu eksperimentu konstruēšana, kuros šie apbrīnojamie “superkvantu” objekti varētu kaut kā izpausties.

Reālajā zinātnē ir stingri aizliegts pārbaudīt hipotēzes, izmantojot vēl citu hipotēzi. Diemžēl kvantu stīgu teorija šeit šķiet acīmredzams un ļoti nepatīkams izņēmums. Patiešām, ko darīt jaunajiem fiziķiem, kuri vēlas mesties kaujā, ja apkārtējā realitātē sevi nekādā veidā neizrāda ne stringi, ne membrānas, nemaz nerunājot par Šrēdingera pussprāgušajiem kvantu kaķiem! Un te atkal palīgā nāk viens no mūsu metagalaktikas noslēpumainākajiem debess ķermeņiem - sastingušo sabrukuma zvaigžņu melnie caurumi (20. krāsu att. ).

Stīgas un brānas. Vibrējošas stīgas vai membrānas tēls kā visu elementārdaļiņu pamats ir diezgan skaidrs, neskatoties uz sarežģīto matemātisko aparātu. Protams, vienmēr ir jāatceras visu M-teorijas superstīgu modeļu attēlu dziļā nosacītība.

Šie ļoti dīvainie objekti burtiski nekad nepamet laikrakstu un žurnālu lapas. Taču uzreiz jānorāda uz vienu lielu absurdu, kas medijos klīst jau ļoti ilgu laiku. Melnie caurumi, tāpat kā kvarki, nemaz nerunājot par kvantu stringiem, ir hipotētiski objekti. Tādējādi termins "kolapsārs" bez priedēkļa "kandidāts" joprojām ir rupjš pieņēmums vai kļūda atkarībā no atšķirīgās attieksmes pret maz pārbaudītajiem faktiem. Protams, visa zinātniskā pasaule būs sajūsmā par uzticamu ziņojumu par šo apbrīnojamo objektu tiešu novērošanu un noteikti piešķirs šo grandiozo atklājumu autoriem dažādus apbalvojumus... bet tikai pēc tam...

Tāpēc, neatraduši neko labāku, pievērsīsimies hipotētiskajām un ļoti paradoksālajām sastingušajām zvaigznēm. Kolapsāri patiešām varētu kļūt par diezgan piemērotām kosmiskām laboratorijām stīgu (un ne tikai!) teoriju pētīšanai, jo kvantu gravitācijas ietekme ir svarīga pat milzīgi lieliem melnajiem caurumiem. Vispārīgi runājot, sabrukušiem objektiem teorētiski vajadzētu būt viegli novērojamiem starpzvaigžņu vidē, izstarojot termisko starojumu no tās iedomātās virsmas, ko sauc par horizontu. Tā kā stīgu teorija, cita starpā, ir cieši saistīta ar kvantu gravitācijas teoriju, tai teorētiski vajadzētu labi aprakstīt melno caurumu stāvokli.

Tātad, atliek tikai atrast (atklāt!) piemērotu melno caurumu, nosūtīt uz to kosmosa izpētes zondu flotili un fiksēt kvantu stīgu un membrānu izpausmi. Vienkārši un skaidri!

SINGULARITĀTES NOSLĒPUMS

Ar superstīgu palīdzību rast atbildes uz jautājumiem, kas viņus moka cer arī kosmologi. Ilgu laiku populāros rakstos, grāmatās un mācību grāmatās, kas runāja par dažādiem mūsu pasaules rašanās scenārijiem, tika uzsvērts, ka Visums radies no kosmoloģiskas singularitātes - stāvokļa ar bezgalīgiem fizikāliem parametriem un līdz ar to bez fiziskas nozīmes. Jautāt par to, kas ir Lielā sprādziena savdabība un kas notika pirms tā, tika uzskatīts par pilnīgi nepiedienīgu, pat kaut ko tādu, kas runā par jautājošā cilvēka vājo izglītību... Kad lasīju ko līdzīgu kā skolnieks, atceros, ka biju diezgan lielā neizpratnē, jo burtiski katrā lappusē bija teikts, ka zinātnei nav neatrisināmu jautājumu... Bet tagad zinātkārajiem ir pienākuši laimīgāki laiki, kad beidzot varam ieskatīties aiz Lielā sprādziena savdabīgā “dzelzs priekškara”.

Laika skala, kas atrodas tieši blakus noteiktam mūsu realitātes pastāvēšanas atpakaļskaitīšanas sākuma punktam “0”, ir pilna ar noslēpumainiem notikumiem. Vielas un enerģijas blīvumu, kas mēdz sasniegt bezgalību, mūsdienu fizika pat nevar aprakstīt. Vēl jo pārsteidzošāk ir tas, ka superstīgu teorija atļaujas neiedomājamu drosmi modelēt ne tikai pašu Lielā sprādziena brīdi, bet arī notikumu attīstību pirms tā. Ir pat divi modeļi, kas apraksta mūsu pasaules stāvokli pirms visa sākuma. Viens no tiem ir balstīts uz labi zināmo laika maiņas simetriju, kurā fiziskie vienādojumi darbojas vienlīdz labi neatkarīgi no laika virziena. Saskaņā ar šo kosmoloģisko scenāriju Visums noteiktā laika intervālā pirms Lielā sprādziena paplašinājās ar tādu pašu ātrumu kā līdzīgā laika intervālā pēc tā. Taču izplešanās ātruma izmaiņas šajos brīžos notika pretējos virzienos: ja pēc Lielā sprādziena paplašināšanās palēninājās, tad pirms tā tā paātrinājās. Tādējādi Lielais sprādziens parādās nevis kā Visuma rašanās brīdis, bet vienkārši kā pēkšņa pāreja no paātrinājuma uz palēninājumu.

Aiz Lielā sprādziena robežas. Pievelkoties, membrānas tiek saspiestas virzienā, kas ir perpendikulārs kustībai. To sadursme izraisa Lielo sprādzienu, pārvēršot kinētisko enerģiju matērijā un starojumā. Pēc trieciena membrānas šķiras un sāk paplašināties, un viela iet cauri visiem veidošanās posmiem no elementārdaļiņām līdz galaktiku kopām. Cikliskajā modelī pievilkšanās spēki palēnina atdalošo membrānu kustību, tad membrānas apstājas un atkal sāk saplūst, radot jaunu Lielo sprādzienu un tā tālāk bezgalīgi...

Citā versijā Lielā sprādziena kosmoloģiskās singularitātes punkts parādās kā sava veida simetrijas centrs, attiecībā pret kuru Visums pirms Lielā sprādziena bija gandrīz ideāls sevis spoguļattēls pēc tā. Ja kosmologiem ir taisnība, uzskatot, ka telpas-laika paplašināšanās turpināsies bezgalīgi, līdz visa matērija pārvērtīsies par retinātu atomgāzi, tad arī Visums bezgalīgi iesniedzas pagātnē. Bezgalīgi ilgu laiku tas bija gandrīz tukšs: tas bija piepildīts tikai ar neticami retu gāzi, kas saturēja starojumu un putekļu vielu. Šīs gāzes daļiņu mijiedarbības spēki praktiski nepastāvēja, taču laika gaitā spēki šie pieauga un sakārtoja matēriju vienā vienumā. Primārās vielas nejaušas neviendabības izraisīja gravitācijas "sniega lavīnas" efektu, kas izraisīja proto-materiālu uzkrāšanos, kam sekoja blīvuma palielināšanās līdz gravitācijas sabrukuma sākuma kritiskajai vērtībai. Tā sāka veidoties pirmatnējie melnie caurumi.

Melnā cauruma iekšpusē telpa un laiks mainās lomām: tā centrs nav telpas punkts, bet gan laika mirklis. Matērija, kas iekrīt melnajā caurumā, tuvojoties centram, kļūst arvien blīvāka. Bet, sasniedzot maksimālās vērtības, ko pieļauj stīgu teorija, telpas laika blīvums, temperatūra un izliekums pēkšņi sāk samazināties. Šāda pavērsiena brīdī rodas Lielā sprādziena kosmiskās kataklizmas savdabība. Izrādās, ja mēs sekojam šim superstīgu kosmoloģiskajam scenārijam, tad mūsu pasaule ir viena baiga melna cauruma bijusī iekšpuse.

Nav pārsteidzoši, ka šāds neparasts scenārijs ir izraisījis daudz strīdu. Tādējādi daži fiziķi pilnīgi pareizi atzīmē, ka, lai šāds modelis atbilstu novērojumiem, Visumam ir jāizceļas no milzīgu izmēru melnā cauruma, kas ir ievērojami lielāks par garuma skalu kvantu membrānu teorijā. Taču viņu pretinieki iebilst, ka, tā kā M teorijas vienādojumi nenosaka ierobežojumus melno caurumu lielumam, Visuma veidošanās pietiekami liela cauruma iekšpusē ir nejaušs notikums. Ja ņemam vērā, ka matērijas un pašas telpas-laika uzvedības raksturs Lielā sprādziena singularitātes tuvumā bija haotisks, tad šādā haosā varēja rasties pietiekami blīva “membrānas protomikrokolapsāru” gāze supermikroskopisku masīvu membrānu veidā, kas atradās uz robežas, lai pārvērstos melnos caurumos. Iespējams, te slēpjas ir atslēga, lai atrisinātu problēmas, kas saistītas ar noslēpumaino singularitāti un tikpat noslēpumainu pirmatnējo telpas-laika paplašināšanos standarta Lielā sprādziena kosmoloģijā.

Vēl viens teorētisko fiziķu zinātniskajās aprindās populārs kosmoloģiskās superstīgu scenārijs tiek saukts par ekpirotisko (no grieķu ekrugois — nākošs no uguns). Tas piedāvā pirmssingulārā Visuma modeli kā vienu no membrānām, kas dreifē daudzdimensiju telpā. Kad šādas membrānas saduras, rodas daudzi mūsu Lielā sprādziena prototipi, radot jaunas pasaules. Ekpirotiskajam scenārijam arī ir ciklisks variants, kad membrānas, saduroties, atlec viena no otras un attālinās, pēc tam atkal tiek pievilktas un saduras, atkal attālinās un tā tālāk praktiski līdz bezgalībai. Kad tās pēc sadursmes attālinās viena no otras, tās nedaudz izstiepjas, bet tuvojoties, atkal saraujas. Kad membrānas kustības virziens mainās uz pretējo, tā izplešas ar paātrinājumu, tāpēc šobrīd novērotā paātrinātā Visuma izplešanās var liecināt par gaidāmo grandiozu membrānu sadursmes kataklizmu.

Tagad var teikt, ka viena no galvenajām kvantu superstīgu kosmoloģiskās teorijas problēmām ir tā, ka tā nevar paredzēt, kāds Visums tiks realizēts patiesībā pēc vienādām vairāku membrānu sadursmēm. Daži teorētiskie fiziķi uzstājīgi norāda, ka kosmisko superstīgu teorija ir tik neskaidra, ka jebkuru mūsu pasaules galīgo stāvokli var iegūt no dažādiem tās variantiem. Kosmologi šo paradoksu komentē ar sava veida "zinātnisku apvārdošanu": "supersimetrisko membrānu ainava ir kvalitatīvi daudzveidīga." Vispārīgi runājot, šī ir ļoti vienkārša frāze, ko tulkot “cilvēku” valodā: stringu teorijā atradīsies vieta jebkuram teorētiskam pieņēmumam. Un “ļoti intelektuālā” nozīmē tas nozīmē, ka teorijai ir kritisks zinātnisku spekulāciju līmenis un to vispār nevar atspēkot: jebkuru eksperimenta rezultātu var izskaidrot ar dažām superstringu modeļa modifikācijām.

Taču būtu pilnīgi nepamatoti domāt, ka teorētiskie fiziķi ir apomierināti ar šo situāciju, viegli absorbējot un uzreiz pārveidojot sev par labu jebkādus pretargumentus. Gluži pretēji, lielākā daļa no viņiem ar nepacietību gaida, ka rūpīga jautājuma izpēte galu galā atklās kādu mehānismu daudzdimensiju brānu ielocīšanai mums pazīstamajā trīsdimensiju telpā (teorētiķiem patīk to saukt par četrdimensiju Minkovska kolektoru, kas nozīmē arī iekļauto laika dimensiju). Protams, šāda mehānisma meklēšana ir ārkārtīgi sarežģīta zinātniska problēma, tāpēc lielākā daļa pētnieku cer vismaz daļēji “pārgriezt” šo “supersimetrisko” M-problēmas Gordija mezglu ar jauniem eksperimentāliem faktiem, ar nepacietību gaidot sensacionālas ziņas no Lielā hadronu paātrinātāja-kolaidera.

NO DAĻIŅĀM LĪDZ STĪGĀM

Protams, neviens nevar izskaidrot superstīgu teoriju labāk kā viens no tās radītājiem Deivids Džonatans Gross, Kalifornijas Universitātes Santabarbaras Teorētiskās fizikas institūta direktors. Savā rakstā “No daļiņām līdz stringiem" viņš diezgan pārliecinoši apgalvo, ka stīgu teorija ir jauna veida teorija, kas atspoguļo pārtraukumu starp fiziku un tās pagātnes vēsturi. Gross raksta:

"Tradicionāli mēs esam panākuši progresu fundamentālajā fizikā, zondējot vielu arvien mazākos attālumos un atklājot tur arvien svarīgākas tās sastāvdaļas. Gadsimtu gaitā mēs esam iemācījušies, ka matērija sastāv no atomiem un ka atomi sastāv no blīviem kodoliem, ko ieskauj elektroni, kas mums pat mūsdienās šķiet kā nedalāmas punktveida daļiņas. Tomēr pašam kodolam ir struktūra. Ieskatoties atoma kodola iekšienē, noskaidrojām, ka tas sastāv no nukleoniem – protoniem un neitroniem. Pagājušajā gadsimtā mēs pētījām protonu un neitronu un atklājām, ka tie sastāv no kvarkiem, šķietami patiesi punktveida daļiņām. Standarta modeļa pamatā ir kvarki un leptoni kā punktveida elementārdaļiņas. Šķiet, ka nākamais apvienošanās posms būs saistīts ar vēl mazāku punktveida daļiņu, kādu subkvarku un subleptonu atklāšanu. Tomēr stīgu teorija skaidri pasaka "nē", ja jums būtu kāds ideāls mikroskops ar izšķirtspēju Planka konstantes līmenī, jūs saskatītu izstieptas stīgas. Saskaņā ar stīgu teoriju, matērija sastāv nevis no daudzām izstieptām, bet gan izvērstas viendimensijas stīgas.

Tādējādi stīgu teorija maina pieeju matērijas struktūras teorijai, aizstājot pamatdaļiņas matērijas primāro komponentu lomu ar dažādiem vienas paplašinātas virknes svārstību veidiem. Tomēr visos citos aspektos stīgu teorija fizikas principos neievieš radikālas izmaiņas. Un tas ir labi. Ir ļoti grūti būtiski mainīt fizikas zinātnes fundamentālo satvaru. Šādas izmaiņas fizikas vēsturē ir ārkārtīgi retas. No Ņūtona laikiem līdz Einšteina un Heizenberga laikmetam fizikā bija ļoti maz radikālu izmaiņu. Lielākā daļa mēģinājumu mainīt jēdzienus un modificēt fizikas pamatlikumus ir pretrunā vai nu ar eksperimentāliem datiem, vai ar veselo saprātu. Jebkādas fizikālo pamatlikumu izmaiņas prasa īpašu piesardzību. Ir jāmaina pēc iespējas mazāk principu. Un stīgu teorija līdz šim ir mainījusi fundamentālās fizikas konceptuālo modeli tikai tādā nozīmē, ka punktveida daļiņu vietā kā primārie elementi mums tagad ir stīgas.

Grosam šajā jautājumā iebilst ne mazāk ievērojamais teorētiskais fiziķis Lī Smolins, kurš savā sensacionālajā grāmatā "Nepatikšanas fizikā: stīgu teorijas pieaugums, zinātnes pagrimums un kas būs tālāk" brīdina par nepamatotu cerību radīšanu stīgu teorijai nākotnē. Profesors Smolins ir pārliecināts, ka superstīgas nespēs pilnībā apvienot visus dabas spēkus. Un tagad fiziķiem ir jāizstrādā jaunas telpas un laika koncepcijas, lai atrisinātu ilgstošos kvantu gravitācijas un kosmoloģijas paradoksus. Smolinam ir dziļas šaubas par tādu zinātnieku zinātniskajām ambīcijām kā Gross un Braiens Grīns, kuri ir slaveni ar savām visvairāk pārdotajiemm bestselleriem "Elegantais Visums (superstīgas, slēptās dimensijas un visaptverošās teorijas meklējumi)" un "Kosmosa audums: telpa, laiks un realitātes audums" Viņš uzskata, ka jaunie fiziķi tērēs pārāk daudz laika, klaiņojot superstīgu teoriju brikšņos, veltīgi cenšoties mainīt mūsu izpratni par telpu un laiku. Tikmēr stīgu teorija turpina arvien vairāk attālināties no apkārtējās pasaules reālās fizikas, un tās vienīgā vērtība slēpjas jaunu matemātisko struktūru, metožu un ideju radīšanā, par kurām matemātiķi līdz šim vienkārši nebija domājuši. Tāpēc matemātiķi un superstīgu teorētiķi veic tik daudz kopīgu pētījumu ļoti abstraktās matemātikas jomās, piemēram, algebriskajā ģeometrijā.

Savukārt D. Gross iebilst pret L. Smolinu, ka stīgu teorija cita starpā motivēja jaunas spekulatīvas idejas, kas rosināja jaunus eksperimentus. Viņš to argumentē šādi:

“Viens no aizraujošākajiem ir saistīts ar ārkārtīgi lielām telpiskām dimensijām. Sākotnēji tika uzskatīts, ka stīgu teorijas papildu telpiskās dimensijas tika sadalītas mazās šķirās, kuru izmēri nav lielāki par Planka izmēriem. Bet pēdējos gados ir nākusi apziņa, ka dažas no šīm papildu dimensijām, gluži pretēji, var būt ļoti liela mēroga un pat bezgalīgas, un mēs tās neuztveram tikai tā vienkāršā iemesla dēļ, ka paši esam pieķēdēti trīsdimensiju bruņām - hipervirsmai pasaulē ar lielu skaitu dimensiju.

Šī iespēja gluži dabiski izriet no stīgu teorijas. Pilnīgi iespējams, ka esam piesieti pie bruņām, kamēr ir arī citas dimensijas, varbūt pat bezgalīgi daudz. Vienīgais veids, kā mēs varam redzēt vai sajust citas telpiskās dimensijas, ir "papildu kosmosa" gravitācijas svārstības, kas nav pretrunā ar mūsdienu eksperimentiem.

Daudzi neizslēdz iespēju, ka jauni eksperimenti, piemēram, LHC [1], varētu novest pie šo makroskopisko papildu dimensiju atklāšanas. Ļoti lielu papildu izmēru esamība radītu ļoti interesantus efektus. Dažos gadījumos Planka skala un stīgu teorijas skala ir ar daudz zemākām enerģijām, un tad var iedomāties, piemēram, melnā cauruma veidošanos protonu sadursmes rezultātā un stīgu ierosināto režīmu novērošanu parastās daļiņās.

Smolins reaģē uz Grīnu un Grosu šādi:

"Daļa no iemesliem, kāpēc stīgu teorija nesniedz jaunas prognozes, ir tas, ka tai ir bezgalīgs skaits versiju. Pat ja mēs aprobežojamies ar teorijām, kas saskan ar dažiem novērojamiem pamata faktiem par mūsu Visumu, piemēram, tā milzīgajiem izmēriem un tumšās enerģijas esamību, mums paliek aptuveni 10 500 dažādu stīgu teoriju — tas ir 1, kam seko 500 nulles, kas ir vairāk nekā visu zināmā Visuma atomu skaits. Ar tik milzīgu skaitu teoriju ir maz cerību, ka mēs spēsim identificēt eksperimentu rezultātus, kuri netika veikti vienā no tām. Tādējādi neatkarīgi no tā, ko eksperiments parāda, stīgu teoriju nevar atspēkot. Bet ir arī pretējais: nekad netiks veikti eksperimenti, kas varētu pierādīt to pareizību.

Tajā pašā laikā lielāko daļu šo stīgu teoriju mēs saprotam ļoti maz. Un tikai nelielu daļu mēs saprotam detalizēti, katra šāda atsevišķa teorija atšķiras no mūsdienu eksperimentālajiem datiem, parasti vismaz divos aspektos.

Tātad mēs saskaramies ar paradoksu. Ir zināms, ka tās stīgu teorijas, kuras mēs zinām, kā pētīt, ir nepareizas. Tiek uzskatīts, ka tās, kurus mēs nevaram pētīt, pastāv tik milzīgos daudzumos, ka neviens iedomājams eksperiments tās visas nevarētu ne atspēkot nepierādīt.

Tā nav vienīgā problēma. Stīgu teorija balstās uz vairākiem galvenajiem pieņēmumiem, kuriem ir zināms pamatojums, bet nav pierādījumu. Vēl ļaunāk, ka pēc visām zinātniskajām pūlēm, kas veltītas tos pētīšanai, mēs joprojām nezinām, vai ir pilnīga un konsekventa teorija, kas varētu atbilst nosaukumam "stīgu teorija". Patiesībā tas, kas mums ir, nav teorija, bet tikai aptuvenu aprēķinu kopums, kas, ja tie ir pareizi, norāda uz teorijas esamību Tā kā nav gan pamatprincipu (apstiprināmība, falsificējamība), gan matemātiska formulējuma, mēs nevaram teikt, ka mēs pat saprotam, ko stīgu teorija sludina.

Klausoties šo ievērojamo mūsdienu teorētisko fiziķu diskusiju, mēs, protams, gribam ticēt, ka stīgu teorija tā vai citādi atklās mums jaunus apkārtējās objektīvās realitātes aspektus, piepildot Visumu ar kosmiskiem starpgalaktisko vai pat universālo dimensiju stringiem. Lai gan, no otras puses, ir skaidrs, ka parasti stīgas ir ārkārtīgi mazas - to garums ir salīdzināms ar Planka konstantes garumu. Lai tās izstieptu līdz makroskopiskiem izmēriem, ir nepieciešama patiesi kosmiska enerģija. Un atkal, ja mēs uzskatām, ka mūsu pasaule radās neliela telpas apgabala uzpūšanās rezultātā, kas atbilst Planka garumam, tad sākotnējie superstīgu “embriji” varētu būt “izauguši” kopā ar pārējo Visumu, piepūšoties un stiepjoties.

D. Gross teoretizē par šo tēmu šādi:

"Visuma izplešanās nodrošināja nepieciešamo enerģiju, lai izstieptu stīgas, un tagad tās var izstiepties visā Visumā. Šādas stīgas svārstīsies un svārstīsies, krustosies un mijiedarbosies viena ar otru. To var novērot vai nu gravitācijas lēcu efekta dēļ, ko tās rada, novirzot gaismas starus, kas nāk no tālām galaktikām, vai gravitācijas starojuma uzliesmojumiem, kas rodas to garenvirziena svārstību rezultātā.

Taisnības labad jāsaka, ka tomēr pēdējo vārdu šajās karstajās debatēs, kas notiek jau gadu desmitiem, dosim sava veida “velna advokātam” — lomai, kas tik ļoti piestāv doktoram L. Smolinam:

"Stīgu teorija, tajā jomā kurā to saprot, postulē, ka pasaule būtiski atšķiras no mums pazīstamās. Ja stīgu teorija ir pareiza, pasaulei ir vairāk dimensiju un daudz vairāk daļiņu un spēku, nekā mēs esam novērojuši līdz šim. Daudzi stīgu teorētiķi runā un raksta tā, it kā šo papildu dimensiju un daļiņu esamība jau būtu pierādīts fakts,  ko neviens sevi cienošs zinātnieks nedrīkst apšaubīt. Ne reizi vien stīgu teorētiķi man teica: "Bet jūs domājat, ka jūs domājat, ka nav papildu dimensiju?" Faktiski ne teorija, ne eksperiments nepiedāvā nekādus pierādījumus par papildu dimensiju esamību. Viens no šīs grāmatas mērķiem ir demistificēt stīgu teorijas apgalvojumus. Taču, lai saprastu, kāpēc tās nav novedušas pie lielāka progresa, mums precīzi jānoskaidro, kas ir to pierādījums.

Tā kā stīgu teorija ir ļoti riskants pasākums — to neapstiprina eksperimenti, lai gan to ļoti dāsni atbalsta akadēmiskās un zinātniskās kopienas, šim stāstam ir tikai divi veidi, kā beigties.

Ja stīgu teorija izrādīsies pareiza, stīgu teorētiķi būs lielākie varoņi zinātnes vēsturē,

Pamatojoties uz nedaudzām spekulācijām, no kurām nevienai nav viennozīmīgas nozīmes, viņi varēja atklāt, ka realitāte ir daudz plašāka, nekā iepriekš tika iedomāties.

Kolumbs atklāja jaunu kontinentu, kas nebija zināms Spānijas karalim un karalienei (tāpat kā Spānijas monarhi nebija zināmi Jaunās pasaules iedzīvotājiem),

Galilejs atklāja jaunas zvaigznes un pavadoņus, un tad astronomi atklāja jaunas planētas. Tas viss nobālēs salīdzinājumā ar jaunu dimensiju atklāšanu,

Turklāt daudzi stīgu teorētiķi uzskata, ka neskaitāmās pasaules, ko apraksta lielais skaits stīgu teoriju, patiešām pastāv — tāpat kā citi Visumi, kurus mēs nevaram tieši redzēt.

Ja viņiem ir taisnība, mēs redzam daudz mazāku realitātes daļu nekā jebkura zemes gabala daļa, ko jebkad ir redzējusi jebkura alu iemītnieku grupa. Neviens cilvēces vēsturē nekad nav spējis precīzi uzminēt tik milzīgu zināmās pasaules paplašināšanos.

ASTOTĀ NODAĻA MATĒRIJAS DZĪLĒS

Matemātikā intuitīva minējuma pareizība tiek pārbaudīta loģiski; Fizikā, kas pēta lietu pasauli, augstākais tiesnesis ir eksperiments.

Lai pārbaudītu teoriju, nav nepieciešams katru reizi  pievērsties eksprerimentam, teorija tiek atspēkota vai apstiprināta, rūpīgi analizējot iepriekš veiktos eksperimentus vai no tiem izrietošās attiecības. Teorētiskās konstrukcijas fizikā prasa pastāvīgu saskaņošanu ar to, ko mēs jau zinām par apkārtējo pasauli. Fizikālā teorija nav pieņemtu aksiomu loģiskas sekas, bet gan ēka, kas uzbūvēta uz ticamiem pieņēmumiem, kas ir jāpārbauda. Šķiet, ka ēka tiek būvēta uz nestabiliem pamatiem, bet vājās vietas nepārtraukti tiek aizstātas ar spēcīgākām, un ēka kļūst arvien stabilāka.

A. V. Migdals, "Patiesības meklējumi"

KATODSTARU NOSLĒPUMI

Visā pagājušā gadsimta otrajā pusē fiziķi aktīvi pētīja katodstaru fenomenu. Vienkāršākais aparāts, kurā tie tika novēroti, bija ar retinātu gāzi piepildīta noslēgta stikla caurule, kurā no abām pusēm bija ieblīvēts pa elektrodam: vienā pusē katods, savienots ar elektriskā akumulatora negatīvo polu; otrā, anods, savienots ar pozitīvo polu. Kad elektrodiem tika pieslēgts augsts spriegums, kolbā esošā retinātā gāze sāka spīdēt. Zinātnieki šo mirdzumu attiecināja uz katoda stariem.

Moriss Ešers. Arvien mazāk un mazāk. Izcila holandiešu grafika ilustrē risinājumu paradoksam, kas radās senatnē: kas notiek, ja parastu ābolu bezgalīgi daudz reižu pārgriež uz pusēm?

Diskusija par katodstaru būtību uzreiz ieguva asu polemisku raksturu. Lielākā daļa ievērojamo zinātnieku uzskatīja, ka katodstari, tāpat kā gaisma, ir neredzamā ētera viļņi. Citi uzskatīja, ka katoda stari sastāv no jonizētām molekulām vai pašas gāzes atomiem.

Lai azstāvētu savu hipotēzi, katrai pusei bija pārliecinoši pierādījumi. Visbeidzot, 1897. gadā jaunais angļu fiziķis DŽ. DŽ. Tomsons pielika punktu šiem strīdiem vienreiz un uz visiem laikiem un vienlaikus kļuva slavens gadsimtiem ilgi kā pirmās elementārdaļiņas - elektrona - atklājējs.

Supersarežģīta elementaritāte. Elementārdaļiņas šī termina tiešā nozīmē ir primārās, tālāk nesadalāmās daļiņas, no kurām, pēc pieņēmuma, sastāv visa matērija. Mūsdienu fizikas elementārdaļiņas neapmierina stingru elementaritātes definīciju, jo lielākā daļa no tām saskaņā ar mūsdienu koncepcijām ir saliktas sistēmas. Šo sistēmu kopīgā īpašība ir tāda, ka tās nav atomi vai kodoli. Daļiņas, kas pretendē uz matērijas primāriem elementiem, tagad tiek attēlotas kā stringi, membrānas un vienkārši kā mirgojoši lauku kondensāti.

Izmantojot jaunu caurules konstrukciju, Tomsons atklāja, ka attiecība starp elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem, kuros to ietekme ir līdzsvarota, ir atkarīga no daļiņu kustības ātruma. Veicot virkni mērījumu, Tomsons varēja noteikt katodstaru kustības ātrumu. Izrādījās, ka tie pārvietojas daudz lēnāk par gaismas ātrumu, kas nozīmēja, ka katodstari varēja būt tikai daļiņas. Tomsons šīs nezināmās daļiņas nosauca par "korpuskulām", bet drīz tās sāka saukt par "elektroniem".

Tūlīt kļuva skaidrs, ka elektroniem ir jāpastāv atomos — pretējā gadījumā, no kurienes lai tie nāktu? 1897. gada 30. aprīlis, datums, kad Tomsons ziņoja par saviem rezultātiem Londonas Karaliskās biedrības sanāksmē, tiek uzskatīts par elektrona dzimšanas dienu. Un šajā dienā ideja par atomu “nedalāmību” kļuva par pagātni.

Dž.Dž Tomsona katodstaru lampa. Savā eksperimentā Tomsons izmantoja uzlabotu katodstaru lampu, kuras konstrukcija tika papildināta ar caurules iekšpusē magnētisko lauku veidojošām elektriskām spolēm, un paralēlu elektrisko kondensatora plākšņu komplektu, kas caurules iekšpusē veidoja elektrisko lauku. Tas ļāva izpētīt katodstaru uzvedību gan magnētiskā, gan elektriskā lauka ietekmē.

Ikdienā ir divi enerģijas pārnešanas veidi kosmosā: ar daļiņām vai ar viļņiem. Lai notriektu, teiksim, no galda domino kauliņu, kurš balansē uz tā malas, tam nepieciešamo enerģiju var dot divos veidos. Pirmkārt, mest vēl vienu domino kauliņu (tas ir, pārraidīt punktveida impulsu, izmantojot daļiņu). Otrkārt,  sakārtot domino kauliņus, kas ķēdē ved uz galda malu, un nomest pirmo uz otra: šajā gadījumā impulss tiks pārraidīts pa ķēdi - otrais domino apgāzīs trešo, trešais ceturto utt. Tas ir enerģijas pārneses viļņu princips.

Ikdienā starp diviem enerģijas pārneses mehānismiem nav redzamas pretrunas. Tādējādi biljardā bumbiņas, saduroties, kā daļiņas nodod enerģiju viena otrai, bet izrunāts vārds nes skaņas viļņa enerģiju.

Tomēr kvantu mehānikā viss nav tik vienkārši. Pat no vienkāršākajiem eksperimentiem ar kvantu objektiem ļoti ātri kļūst skaidrs, ka mikropasaulē mums pierastie makropasaules principi un likumi neder. Gaisma, ko esam pieraduši uzskatīt par vilni, dažkārt uzvedas tā, it kā sastāvētu no fotonu daļiņu plūsmas, bet elementārdaļiņām, piemēram, elektronam vai pat masīvajam protonam, bieži piemīt viļņu īpašības.

Elementārdaļiņu sadursmes kondensācijas kamerā. Jaunais zinātnieks Karls Andersons slavenā eksperimentālā fiziķa Roberta Millikena vadībā nāca klajā ar iekārtu kosmisko staru ierakstīšanai, sastāvoša no spēcīgā magnētiskajā laukā novietota ekrāna. (Līnijas ir burbuļu pēdas, kas veidojas ap atomiem, kurus ierosināja stipri uzlādētu daļiņu lidojums.)

Paņemsim ekrānu ar divām plānām horizontālām spraugām un virzīsim uz to gaismas staru. Ir dabiski pieņemt, ka gaismas daļiņas izies taisni caur abiem caurumiem un aiz ekrāna parādīsies divas skaidras gaismas svītras. Tomēr praksē mēs novērojam pavisam citu efektu. Katra no spraugām darbojas kā neatkarīgs sekundāro gaismas viļņu avots, kā pludiņš uz ūdens, un uz ekrāna veidojas sarežģīts mainīgu gaismas joslu attēls. Turklāt dažas no tiem atradīsies “mirušajā zonā” ārpus gaismas stara taisnes. Tas pilnībā atbilst skaņas viļņu modelim, kas izplūst no diviem stereo skaļruņiem un nodrošina stereo efekta maksimālo skaļumu vienāda attāluma līnijā starp tiem.

Tātad ir pilnīgi skaidrs, ka mikrodaļiņas uzvedas būtiski savādāk nekā objekti, kas atrodas mums apkārt. Kāpēc tā notiek? Tas ir ļoti svarīgs un sarežģīts jautājums, ar kuru pseidozinātniskie filozofi cīnās veselu gadsimtu. Faktiski korpuskulāro viļņu duālisms nozīmē, ka jebkurš materiālais ķermenis satur tā viļņu dabas “dīgļus”. Un jo mazāks kļūst materiālais objekts, jo lielāka ir tā “viļņu būtība”. Gan elektroni, gan fotoni nav ne viļņi, ne daļiņas, bet kaut kas pilnīgi īpašs savā būtībā, un tāpēc tos nevar aprakstīt mūsu ikdienas pieredzē.

STARI NO KOSMOSA

Nākamais negaidītais atklājums nāca no augstkalnu laboratorijām, kur pētīja mūsu planētu bombardējošo kosmisko staru sastāvu. Tur drīz sāka atklāt visdažādākās daļiņas, kurām nebija nekāda sakara ar klasisko atomu triādi – elektronu, protonu un neitronu. Vispārsteidzošākais, tika atklātas antidaļiņas, kas pēc savas būtības ir pilnīgi neiedomājamas.

Antidaļiņu pasaule ir mums zināmās pasaules spoguļattēls. Antidaļiņas masa ir tieši vienāda ar tās daļiņas masu, kurai tā it kā atbilst, bet visas pārējās tās īpašības ir pretējas prototipam. Piemēram, elektronam ir negatīvs elektriskais lādiņš, un tā sapārotajai antidaļiņai, pozitronam (“pozitīvajam elektronam”), ir pozitīvs lādiņš. Protonam ir pozitīvs lādiņš, savukārt antiprotonam ir negatīvs lādiņš. Un tā tālāk. Satiekoties daļiņai un tās antidaļiņai, notiek iznīcinošs mikrosprādziens (fiziķi šo parādību dēvē par savstarpēju anihilāciju), un abas daļiņas pārstāj eksistēt, bet to masa tiek pārvērsta enerģijā, kas fotonu un citu supervieglu daļiņu uzplaiksnījuma veidā izkliedējas telpā.

Pirmo reizi antidaļiņu esamību teorētiski paredzēja un “spalvaskāta galā” atklāja vēlāk slavenais angļu zinātnieks Pols Diraks.

Lai saprastu, kā daļiņas un antidaļiņas darbojas Diraka mijiedarbībā, iedomājieties plakanu lauku. Ja paņem lāpstu un izrok tajā bedri, laukā parādīsies divi priekšmeti - pati bedre un tai blakus augsnes kaudze. Tagad iedomāsimies, ka augsnes kaudze ir parasta daļiņa, bet bedre jeb "augsnes kaudzes neesamība" ir antidaļiņa. Aizpildot bedri ar iepriekš no tās izrakto augsni, tajā nepaliks ne bedres, ne kaudzes (analoģiski anihilācijas procesam). Un priekšā ir atkal līdzens lauks.

Kamēr tika teoretizēts par antidaļiņām, eksperimentētājs K. Andersons izdomāja tām detektoru, ko nosauca par kondensācijas kameru. Andersons reģistrēja kosmisko staru sadursmēs ar mērķi radušās daļiņas, izpētīja kondensāta pilienus, kurus varēja fotografēt un izmantot daļiņu trajektoriju izpētei. Tieši tāpat uzvedas lielā augstumā lidojošs iznīcinātājs, atstājot aiz sevis atmosfērā inversijas ceļu.

Pēc daļiņas atstātā treka intensitātes var spriest par tās masu, bet daļiņas elektriskā lādiņa noteikšanai var izmantot tās trajektorijas novirzes raksturu magnētiskajā laukā. Drīz vien bija iespējams reģistrēt virkni sadursmju, kuru rezultātā izveidojās daļiņas ar masu, kas bija vienāda ar elektrona masu, bet tās magnētiskā lauka ietekmē novirzījās pretējā virzienā, salīdzinot ar elektronu, tāpēc, ka tām bija pozitīvs elektriskais lādiņš. Tādā veidā pirmo reizi eksperimentāli tika atklāta antidaļiņa, pozitrons. Visas antidaļiņas, kas tika atklātas pēc pozitrona, tika eksperimentāli atklātas laboratorijas apstākļos – paātrinātājos. Mūsdienās eksperimentālajiem fiziķiem ir iespēja tās burtiski izveidot pašreizējiem eksperimentiem nepieciešamajos daudzumos, un antidaļiņas jau sen vairs netiek uzskatītas par kaut ko neparastu.

Pašlaik zinātnieki zina četrus spēku veidus, kas nosaka elementārdaļiņu dzimšanu un dzīvi. Stiprā elementārdaļiņu mijiedarbība izraisa procesus, kas notiek ar vislielāko salīdzinošo intensitāti un noved pie stipru saišu rašanās starp elementārdaļiņām. Tieši tās nosaka saikni starp protoniem un neitroniem atomu kodolos. Elektromagnētiskā mijiedarbība nodrošina kodolu un elektronu savienojumu atomos un vielas molekulās un tādējādi nosaka mums apkārt esošo lietu stabilitāti. Vāja elementārdaļiņu mijiedarbība izraisa ar elementārdaļiņām ļoti lēni notiekošus procesus, tostarp radioaktīvo sabrukšanu. Vāja mijiedarbība ir daudz vājāka par ne tikai stipro mijiedarbību, bet arī elektromagnētisko mijiedarbību, bet daudz spēcīgāka par gravitācijas mijiedarbību. Elementārdaļiņu gravitācijas mijiedarbība ir vājākā no visām zināmajām. Gravitācijas mijiedarbība attālumos, kas raksturīgi elementārdaļiņām, rada ārkārtīgi mazus efektus mazo elementārdaļiņu masu dēļ.

Pēdējo divu gadsimtu laikā zinātnieki, kurus interesē Visuma uzbūve, ir meklējuši matērijas pamatelementus — vienkāršākās un nedalāmākās materiālās pasaules sastāvdaļas. Atomu teorija izskaidroja visu ķīmisko elementu daudzveidību, postulējot ierobežota atomu kopuma, tā saukto ķīmisko elementu, esamību un izskaidrojot visu pārējo vielu būtību ar to dažādajām kombinācijām. Tādējādi no sarežģītības un daudzveidības ārējā līmenī zinātniekiem izdevās pāriet uz vienkāršību un kārtību elementārā līmenī.

Taču vienkāršajam matērijas atomu struktūras attēlam drīz radās nopietnas problēmas. Pirmkārt, atklājot arvien jaunus ķīmiskos elementus, sāka iezīmēties dīvaini to uzvedības modeļi, kurus izdevās izskaidrot, pateicoties Mendeļejeva periodiskās tabulas ieviešanai zinātniskā lietošanā. Tomēr idejas par matērijas uzbūvi vienalga kļuvušas daudz sarežģītākas.

Pagājušā gadsimta sākumā kļuva skaidrs, ka atomi nav elementāri matērijas “būvmateriāli”, bet gan ar sarežģītu uzbūvi un sastāv no vēl sīkākām elementārdaļiņām – neitroniem un protoniem, kas veido atomu kodolus, un elektroniem, kas atrodas ap kodoliem. Un atkal šķita, ka sarežģītība vienā līmenī ir aizstāta ar vienkāršību nākamajā matērijas struktūras detalizācijas līmenī. Tomēr šī šķietamā vienkāršība nepastāvēja ilgi, jo zinātnieki sāka atklāt arvien vairāk elementārdaļiņu.

Parastajā Ņūtona fizikā jebkurš spēks ir vai nu pievilkšanās, vai atgrūšanās, mainot ķermeņa kustības raksturu. Bet mūsdienu kvantu teorijās spēks, kas darbojas starp elementārdaļiņām, tiek interpretēts nedaudz atšķirīgi. Tiek uzskatīts, ka spēks rodas, divām daļiņām apmainoties ar trešo.

Sniegsim šādu analoģiju. Iedomājieties daiļslidotāju pāri uz slidotavas, kas slido viens otram pretī. Kad viņi tuvojās, viens no viņiem pēkšņi uzlēja otram spaini ūdens. Tas, kurš uzgāza ūdeni, palēnināsies un mainīs kustības virzienu. Un tas, kurš saņēma porciju ūdens, arī palēninājās un mainīja virzienu. Tā, “apmainījušies” ar ūdeni, abi slidotāji mainīja kustības virzienu. Saskaņā ar mehānikas likumiem tas nozīmē, ka starp slidotājiem notika spēka mijiedarbība. Norādītajā piemērā ir viegli redzēt, ka šis spēks radās ūdens apmaiņas dēļ (vai, kā teiktu fiziķi, tika pārnests “caur” vai “ar palīdzību”).

Kvarki. Kvarku mijiedarbību elementārdaļiņās var grafiski attēlot Feinmena diagrammas veidā, tā nosauktā amerikāņu fiziķa Ričarda Feinmana vārdā. Parādītajā diagrammā sarkanie un zilie kvarki apmainās ar gluonu un maina savu krāsu uz sava mijiedarbības partnera krāsu.

Cits piemērs attiecas uz diviem laiviniekiem, kas airē pretējos virzienos. Viens airētājs met savam partnerim masīvu priekšmetu, kad viņi iet viens otram garām. Impulsa nezūdamības likuma rezultātā, pirmajam airētājam izdarot metienu, viņa laivas kurss novirzījās no taisnes virzienā, kas ir pretējs metiena virzienam, bet, kad otrais airētājs noķēra objektu, tā impulss tika nodots viņa laivai, un arī otrā laiva novirzījās no taisnes, bet metiena virzienā. Tādējādi objektu apmaiņas rezultātā abas laivas mainīja virzienu. Pēc Ņūtona mehānikas, tas nozīmē, ka starp laivām notika spēka mijiedarbība. Bet laivas viena ar otru tiešā saskarē nenonāca? Šeit mēs skaidri redzam un intuitīvi saprotam, ka mijiedarbības spēku starp laivām pārraidīja impulsa nesējs - mijiedarbības nesējs.

Optimistiskie apzīmējumi "universālā teorija", "visaptverošā teorija", "lielā vienotā teorija", "galīgā teorija" tagad tiek pielietoti jebkurai teorijai, kas mēģina apvienot visus četrus spēkus, uzskatot tos par kāda atsevišķa un liela spēka atšķirīgām izpausmēm. Ja tas būtu iespējams, pasaules uzbūves aina tiktu vienkāršota līdz pamatiem. Visa matērija sastāvētu tikai no kvarkiem un leptoniem, un starp visām šīm daļiņām darbotos viendabīgi spēki. Vienādojumi, kas apraksta pamata mijiedarbību starp tiem, būtu tik īsi un skaidri, ka tie ietilptu uz pastkartes, vienlaikus būtībā izskaidrojot katru Visumā novērotā procesa pamatu.

Šeit turpināsim iepazīstināt lasītāju ar ne tik tālās pagātnes zinātnes popularizēšanas šedevriem un piedāvāsim nelielu fragmentu no ķīmijas zinātņu doktora Jurija Georgijeviča Čirkova grāmatas “Kvarku medības”.

Jurijs Georgijevičs ČIRKOVS. KVARKU MEDĪBAS

Vārdu “kvarks” zinātnē ieviesa amerikāņu teorētiskais fiziķis M. Gellmanns. M. Gellanns, tāpat kā citi fiziķi, bija noraizējies par apjukumu un kņadu, kas bija novērojams elementārdaļiņu pasaulē.

Un tā 1963. gadā, vienlaikus un neatkarīgi, pat atrodoties dažādos kontinentos - vienā Amerikā, otrs Eiropā, - amerikāņu teorētiķi M. Gellmans un austrietis G. Cveigs, lai novērstu pretrunas, izvirzīja hipotēzi par trīs fundamentālu subnukleāro daļiņu esamību, kuru dažādas kombinācijas veido lielāko daļu elementārdaļiņu.

Vienīgi jautājumā par to, kā nosaukt šīs mikropasaules “sīkās detaļas”, M. Gellmans un G. Cveigs nepiekrita. Amerikānis, acīmredzot liels D. Džoisa darbu cienītājs, meklējot jaunajām daļiņām piemērotu nosaukumu, iespējams, sācis pārlasīt romānu "Finneganu pieminot" un nonācis vietā, kur Dublinas krodzinieks iedomājies sevi par karali Marku, viduslaiku leģendas tēlu.

Karalis uzskata, ka viņa brāļadēls Tristans ir nozadzis viņa sievu skaisto Izoldi. Marks vajā nolaupītāju uz kuģa. Debesīs virs burām riņķo kaijas (kas tomēr var nebūt kaijas, bet tiesneši).

Viņas draudīgi kliedz un ķērc: "TRĪS KVARKI MISTERAM MARKAM!"

Karali moka murgi, un kaijas nemitīgi atkārto: "TRĪS KVARKI, TRĪS KVARKI, TRĪS KVARKI..."

Vārds “kvarks” viegli un dabiski migrēja no D. Džoisa romāna lappusēm uz elementārdaļiņu pasauli. Visticamāk, M. Gellani šajā fragmentā piesaistīja fakts, ka kvarku skaits bija tieši trīs. Tik, cik prasīja teorija.

Zinātniekam iepatikās arī pats vārds “kvarks” – skanīgs, eksotisks un citos lietojumos absolūti neizmantots.

Tāpēc M. Gellmanns izvēlējās vārdu, un tas bija piemērots. G. Cveigam paveicās mazāk. Viņš nosauca hipotētiskās apakšdaļiņas, kas pretendēja, uz sākotnējās matērijas patieso pamatelementu lomu, par "dūžiem". Šī kāršu terminoloģija izrādījās pavisam nepievilcīga (bez tam dūži ir četri!), un tagad to gandrīz neviens vairs pat neatceras.

Bet kvarki iesakņojās. Pārsteidzoši un patīkami bija tas, ka pietika tikai ar trim kvarkiem, lai no tiem — it kā bērnu klucīšiem — izveidotu milzīgu skaitu elementārdaļiņu, kas līdz tam laikam bija atklātas.

Un atkal no fiziķu nometnes atskanēja uzvaras saucieni.

Šķita, ka ir pienācis ilgi gaidītais laiks, kad būs iespējams “aizvērt” lielāko daļu elementārdaļiņu kā nevajadzīgas: galu galā tās bija saliktas no citām!

1965. gadā akadēmiķis J Zeldovičs publicēja rakstu "Elementāro daļiņu klasifikācija gājējiem paredzētajā ekspozīcijā" Pats nosaukums uzsvēra, ka tagad mikropasaules smalkumus var vienkārši un skaidri izskaidrot ikvienam, pat bērnam.

Akadēmiķis rakstā stāstīja, ka, iespējams, fiziķi ir sasnieguši jaunu atomisma veidu, atklājuši, tā teikt, jaunu matērijas slāni. Ka ir izveidots kaut kas līdzīgs jaunai periodiskai tabulai, tikai subnukleārā līmenī.

Raksta tonis bija optimistisks un priecīgs. "Mūsdienu fiziķim ir visas tiesības atkārtot F. Tjutčeva rindas," rakstīja Zeldovičs un citēja tās:

Laimīgs tas, kurš apmeklējis pasauli

Tās liktenīgos brīžos:

Viņu piesaukuši visi labie,

Kā rīkotāju dzīrēs;

Viņš augsto brīnumu aplūkotājs,

Viņš tika uzņemts padomē

Vēl dzīvs, kā debess būtne,

No kausa dzēra nemirstību.(atdzejojis tulkotājs)

DEVĪTĀ NODAĻA GRAVITĀCIJAS NOSLĒPUMS

Lai saprastu fiziku, ir nepieciešams stingrs domu līdzsvars. Mums jāpatur prātā visi dažādie apgalvojumi un jāatceras visas sakarības, jo likumi bieži sniedzas tālāk par to pierādījumiem. Vajadzība pēc tā izzudīs tikai tad, kad būs zināmi visi likumi.

Ričards Feinmens.

"Fizikālo likumu būtība"

SENSACIONĀLIE "VĒBERA VIĻŅI"

Pagājušā gadsimta sešdesmito gadu pašās beigās Merilendas Universitātes (ASV) fizikas profesors Džozefs Vēbers paziņoja par sensacionāliem viņa veikto gravitācijas eksperimentu rezultātiem. Kāds amerikāņu zinātnieks vienā no zinātniskajiem žurnāliem raksta, un pilnīgi droši apgalvo, ka viņam izdevies atklāt gravitācijas viļņus, kas uz Zemi atnākuši no Piena Ceļa centrālā rajona melnā cauruma. Līdz tam laikam tika veikti daudzi mēģinājumi eksperimentāli apstiprināt vienu no galvenajām Einšteina gravitācijas teorijas sekām, taču neviens no tiem nebija veiksmīgs. Tas pat radīja šaubas par dažu vispārējās relativitātes teorijas secinājumu pamatotību, tāpēc pati gravitācijas viļņu noteikšanas iespēja tika uzskatīta par nebūtisku.

Atcerēsimies Ņūtona universālās gravitācijas teoriju. No tā izriet, ka starp visiem ķermeņiem Visumā pastāv savstarpējas pievilkšanās spēks. Salīdzinoši maziem “cilvēka izmēra” ķermeņiem gravitācijas spēki starp tiem ir niecīgi vai pat nenozīmīgi, taču kosmiskajā mērogā tie nosaka visu Visuma uzbūvi.

Patiesībā dzīvību globālā mērogā nosaka mūsu ap Sauli riņķojošās planētas gravitācijas lauks. Savukārt Saules sistēma riņķo ap Galaktikas Centru, Piena Ceļš riņķo ap lokālās Galaktiku Kopas kopējo Centru, un tas riņķo ap hipotētisku zvaigžņu salu superkopu - Metagalaktiku. Un tas viss notiek gravitācijas spēku darbības rezultātā.

Mēs jau zinām, ka vispārējā relativitātes teorija apraksta ķermeņu universālo rotāciju kā sekas tam, ka matērijas masa izkropļo pašu telpas-laika “audumu”. Publiski pieejamajā literatūrā par relativitātes teoriju parasti tiek dota vienkāršota līdzība, kurā telpa, tāpat kā elastīga plēve, debess ķermeņu masu iedarbībā “ieliecas”, veidojot ieplakas un piltuves. Piemēram, Ņūtona Saules sistēmas modelis atgādina ķēdes karuseli ar planētām, kuras savās orbītās notur gravitācijas ķēdes, savukārt Einšteina modelis ir Saules iespiesta konusa formas bļoda, līdzīgs apļveida veloceliņam, kurā riteņbraucēju planētas riņķo ap centrālās arēnas ieplaku. Tādējādi vispārējā relativitāte ievieš paradoksālu ideju, ka šķietamais gravitācijas spēks patiesībā ir telpas-laika izliekuma izpausme.

Vispārējās relativitātes teorijas pārbaude ir sarežģīta, jo normālos laboratorijas apstākļos tās rezultāti ir gandrīz identiski tiem, ko paredz Ņūtona universālās gravitācijas likums. Tomēr ir veikti vairāki nozīmīgi eksperimenti, un to rezultāti ļauj uzskatīt teoriju par apstiprinātu. Turklāt vispārējā relativitātes teorija palīdz izskaidrot parādības, ko novērojam kosmosā, piemēram, nelielas Merkura novirzes no stacionārās orbītas, kas ir neizskaidrojamas no klasiskās Ņūtona mehānikas viedokļa, vai elektromagnētiskā starojuma nolieces no attālām zvaigznēm, kad tās novērojamas blakus Saulei.

Bieži tiek teikts, ka gravitācijas viļņi ir gravitācijas lauka traucējumi, kas izplatās telpā, jo saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju gravitācija rodas laika telpas izliekuma dēļ. Gravitācijas viļņi izpaužas kā gravitācijas lauka svārstības, tāpēc tos nereti tēlaini sauc par telpas-laika viļņošanos.

Gravitācijas viļņus teorētiski paredzēja Einšteins. Fiziķi gandrīz nešaubās par to esamību, taču joprojām gaida to atklājēju (21. krās att.).

VISUMA GRAVITĀCIJAS ŅIRBAS (ņirbu vilnīši)

Gravitācijas viļņu avots ir jebkura materiālo ķermeņu kustība, kas izraisa nevienmērīgas gravitācijas spēka izmaiņas apkārtējā telpā. Ķermenis, kas pārvietojas ar nemainīgu ātrumu, neko neizstaro, jo tā gravitācijas lauka raksturs nemainās. Lai izstarotu gravitācijas viļņus, ir nepieciešami paātrinājumi, piedevām, ne tikai jebkurš paātrinājums. Cilindrs, kas griežas ap savu simetrijas asi, piedzīvo paātrinājumu, bet tā gravitācijas lauks paliek vienmērīgs un gravitācijas viļņi nerodas. Bet, ja pagriezt šo cilindru ap citu asi, lauks sāks periodiski mainīties, un no cilindra visos virzienos skries gravitācijas viļņi.

Viļņu lielums, ko, iespējams, reģistrēja Vēbers (un kuriem nekavējoties tika dots nosaukums "Vēbera viļņi") bija miljoniem reižu lielāks nekā teorētiskais lielums, kas izrietēja no Einšteina gravitācijas teorijas. Vēbers apgalvoja, ka šie viļņi nāk no mūsu Galaktikas putekļu mākoņa centra, par kuru tajā laikā bija maz zināms. Astronomi jau sen ir paredzējuši, ka Piena Ceļa centrālajā reģionā atrodas supermasīvs ķermenis, kas ir kolapsāra(melnā cauruma) kandidāts (22. krās att.). Šāda hipotētiska milzīga sastingusi zvaigzne vai pat vairāku milzīgu melno caurumu sistēma varētu nepārtraukti aprīt daudzas apkārtējās zvaigznes, vienlaikus izstarojot daļu no absorbētās enerģijas kā gravitācijas starojumu. Lai apstiprinātu melnā cauruma kandidāta klātbūtni un noraidītu apsūdzības par kosmisko kanibālismu pret iespējamo kolapsēšanu, šī gadsimta sākumā astrofiziķi veica visprecīzāko mūsu Galaktikas centra radiācijas spektra izpēti. Līdz šim pat jaunākie astronomiskie novērojumi situāciju nekādi nav noskaidrojuši. Tikmēr jau pusgadsimtu fiziķi no visas pasaules ir mēģinājuši eksperimentāli reģistrēt Vēbera viļņus ar dažādiem detektoriem, tostarp visdīvainākās konstrukcijas iekārtām, bez būtiskiem rezultātiem.

Zinātnieki joprojām nespēj izskaidrot Vēbera eksperimentu pārsteidzošos rezultātus. Tomēr jāatzīst, ka eksperimentētāju pūles nebija veltīgas un, lai arī gravitācijas viļņus tiešā veidā reģistrēt neizdevās, zinātnieku aprindu interese par šo problēmu ļāva uzsākt vairāku iekārtu būvniecību un pat ieplānot kosmosa gravitācijas observatoriju. Optimisti pat uzskata, ka tālā nākotnē gravitācijas starojums tiks ne tikai novērots, bet pat izmantots enerģijas un informācijas pārraidīšanai.

Visspēcīgākais gravitācijas viļņu avots radās mūsu pasaules dzimšanas brīdī Lielajā sprādzienā, Visuma momentānās izplešanās stadijā - kosmoloģiskā inflācijā. Šis process radīja tik ļoti spēcīgus gravitācijas viļņus, ka to paliekām vajadzēja būt reģistrējamām līdz mūsdienām. Viņu atklājums neapšaubāmi kļūs par sensāciju, un to būs grūti pārvērtēt, jo Lielā sprādziena sākuma stadijas reliktie viļņi saturētu kodētu informāciju par “embrionālā” Visuma uzbūvi.

Ir iespējams reāli noteikt gravitācijas viļņus, atrodot piemērotu gravitācijas starojuma kosmisko avotu. Šajā ziņā ļoti daudzsološas ir netālās dubultzvaigžņu kopas. Šādas sistēmas gravitācijas starojuma spēks palielinās, ja zvaigžņu trajektorijas ir ļoti izstieptas, īpaši, ja binārā sistēma sastāv no neitronu zvaigznēm vai melnajiem caurumiem. Šādas sistēmas ir kā gravitācijas bākas kosmosā – to starojums ir periodisks.

NEITRONU ZVAIGZNES

Kosmosā ir arī citi periodiski avoti, kas rada īsus, bet ārkārtīgi spēcīgus gravitācijas uzliesmojumus. Kaut kas līdzīgs notiek masīvu zvaigžņu kolapsa (katastrofālas saspiešanas) laikā, taču zvaigznes deformācijai jābūt asimetriskai, pretējā gadījumā starojums neradīsies. Kolapsa laikā gravitācijas starojuma jauda var sasniegt miljardiem miljardu vatu! Neitronu zvaigznēm saplūstot, atbrīvojas vēl vairāk enerģijas. Tās ir zvaigznes, kas sastāv (izņemot visattālāko slāni, garozu) nevis no atomiem, bet gan no to elementārdaļiņām, neitroniem. Tos veido ļoti spēcīga saspiešana (gravitācijas kolapss) masīvām parastajām (gāzes) zvaigznēm, kuru sākotnējā masa pārsniedz vairākas Saules masas.

Neitronu zvaigžņu raksturīgie izmēri ir desmitiem kilometru, un vidējais blīvums tuvojas atomu kodolu blīvumam (viens kubikcentimetrs sver tūkstošiem tonnu). Visu zināmo neitronu zvaigžņu masas ir tuvas Saules masai. Neitronu zvaigžņu rotācijas ātrums var būt ļoti liels un pārsniegt 100 tūkstošus kilometru sekundē.

Melno caurumu tipi

Spēcīgiem gravitācijas starojuma avotiem vajadzētu būt cieši mijiedarbīgiem ar melnajiem caurumiem. Šādu sistēmu masas var miljardiem reižu pārsniegt pašu neitronu zvaigžņu masu. Īpaši interesanti efekti rodas strauji rotējošu melno caurumu gadījumā.

Neitronu zvaigznes to mazā izmēra dēļ ir ļoti vāji saskatāmas pat lielos teleskopos, taču daudzos gadījumos tās tiek novērotas kā rentgenstaru avoti tuvās dubultzvaigžņu sistēmās vai pulsējošos radioavotos (pulsāros). Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām lielākā daļa neitronu zvaigžņu veidojas supernovu sprādzienu laikā. Līdzās melnajiem caurumiem neitronu zvaigznes ir lielas masas zvaigžņu evolūcijas pēdējais posms.

Kā gravitācijas viļņus konstatēt eksperimentāli? Vēbers kā detektorus izmantoja vienu metru garus alumīnija cilindrus ar pjezoelektriskiem sensoriem (spiediena sensoriem) galos. Tie tika izolēti no ārējām mehāniskām ietekmēm ar vislielāko rūpību vakuuma kamerā.

Vēbera eksperimenta ideja bija vienkārša. Gravitācijas viļņu ietekmē kosmoss tiek saspiests un izstiepts. Tas liek cilindram vibrēt gareniski, darbojoties kā gravitācijas antenai, bet pjezoelektriskie kristāli pārvērš vibrācijas elektriskajos signālos. Jebkura kosmisko gravitācijas viļņu izmaiņa iedarbojas uz detektoriem, kas atrodas tūkstoš kilometru attālumā viens no otra gandrīz vienlaikus, kas ļauj atšķirt gravitācijas impulsus no dažāda veida trokšņiem.

Šajā iekārtā gaismas stars apspīd caurspīdīgu plāksni un tiek sadalīts divos savstarpēji perpendikulāros staros, kas tiek atstaroti no vienādā attālumā no plāksnes esošajiem spoguļiem. Pēc tam stari atkal saplūst un nonāk uz ekrāna, kur parādās interferences raksts (gaišas un tumšas svītras un līnijas). Ja gaismas ātrums ir atkarīgs no tā virziena, tad, pagriežot visu iekārtu, šim attēlam vajadzētu mainīties, ja nē, tam vajadzētu palikt tādam pašam kā iepriekš.

Kopš tā laika gravitācijas viļņu antenas ir ievērojami uzlabotas. Pašlaik vairākās valstīs ir ultrakriogēni gravitācijas viļņu vibrācijas detektori, kas darbojas temperatūrā, kas ir tuva absolūtai nullei.

Gravitācijas viļņu interferences detektors darbojas līdzīgi. Tiek pieņemts, ka garāmejošs gravitācijas vilnis deformēs telpu un mainīs katru interferometra stieni (ceļu, pa kuru gaisma virzās no sadalītāja uz spoguli), izstiepjot vienu stieni un saspiežot otru.

Attiecīgi mainīsies interferences modelis, un to var ierakstīt. Lāzera gaismas avotam jābūt gan jaudīgam, gan stabilam frekvencē, spoguļiem jābūt ideāli plakaniem un perfekti atstarojošiem, vakuumam caurulēs, pa kurām izplatās gaisma, jābūt pēc iespējas tīrākam, un visas sistēmas mehāniskajai stabilizācijai jābūt ļoti augstai.

ANTIGRAVITĀCIJA

No savas pieredzes mēs zinām, ka materiālie ķermeņi var izjust tikai gravitācijas pievilkšanos. Dabā varbūt varētu pastāvēt antigravitācijas fenomens – atgrūšanās? Diemžēl mūsdienu avīzes un žurnāli, nemaz nerunājot par televīziju, ir burtiski piepildīti ar šādām pseidozinātniskām nejēdzībām. Šeit var viegli sastapties ar veselu virkni stulbāko maldu un pašizdomātu fantāziju barona Minhauzena garā, sākot ar antigravitācijas vērpes laukiem un beidzot ar paranormālu levitāciju “ēteriskajās pasaulēs”. Rodas iespaids, ka ārēji inteliģentie žurnālisti, kas raksta par šādām tēmām, patiesībā ir pilnīgi neizglītoti un nemaz nepazīst fizikas zinātnes pamatus, nemaz nerunājot par Einšteina relativitātes teoriju. Tikmēr teorētisko fiziķu novatoriskie pētījumi ir pilni ar tik neparastiem, dziļi paradoksāliem rezultātiem, ka nobāl pat vissarežģītākā fantāzija.

Tādējādi starp pārsteidzošajiem mūsdienu teorētiskajiem atklājumiem var atrast arī antigravitācijas spēka iedarbības modeļus. Kamēr to darbības diapazonu joprojām nosaka tikai mikroskopiski, eksperimentālie fiziķi neatlaidīgi meklē to izpausmes lielos, makroskopiskos attālumos. Cik pamatoti ir teorētiķu secinājumi? Vai tie ir pretrunā ar zināmajiem dabas likumiem? Un kāpēc neviens vēl nav atklājis nekādas antigravitācijas pazīmes?

Mēs jau atzīmējām, ka Ņūtona universālās gravitācijas likumam un Kulona likumam par divu lādētu ķermeņu mijiedarbību ir gandrīz vienāds skaidrojums. Tas atšķiras tikai ar to, ka Kulona likums ietver ķermeņu elektriskos lādiņus, bet Ņūtona likums ietver to masas, un arī konstantes: dielekltrisko caurlaidību un gravitācijas konstanti. Kopumā konstantu vērtība ir atkarīga no mērvienību sistēmas izvēles, un tās var viegli samazināt līdz vienam. Tad likumi nemaz neatšķirsies. Izrādās, ka līdzās elektriski lādētiem ķermeņiem, šķiet, ir unikāli ar gravitācijas lādiņiem lādēti, kas ir tieši vienādi ar to masu.

Tas ir absolūti pārsteidzošs fakts par mūsu apkārtējo pasauli.. Fizikas lekcijās bieži dzirdams jautājums: cik nejaušas ir šīs novērojamās sakritības un vai šeit var būt paslēpts kāds jauns fundamentāls fizikālais likums? Mēs jau zinām, ka mijiedarbības ķermeņu masu klātbūtnes faktu universālās gravitācijas likumā vispirms noteica Huks un Ņūtons. Ņūtons pat veica īpašus eksperimentus, lai noskaidrotu, cik tā ir patiesība. Citi fiziķi, kuri izmantoja ievērojami precīzākus instrumentus, neatrada nekādas novirzes no šī noteikuma. Ar universālās gravitācijas likuma palīdzību katru dienu desmitiem gadu uz priekšu ir iespējams paredzēt (un to plaši izmanto astronomi) komētu parādīšanos, planētu un daudzo mākslīgo pavadoņu trajektorijas. Tāpēc, veidojot savu gravitācijas relatīvistisko teoriju, Einšteins pieņēma, ka gravitācijas lādiņa un masas vienlīdzība ir izpildīta absolūti precīzi un visiem matērijas veidiem.

Postulējot gravitācijas lādiņa un masas vienādību, Einšteina vispārējā relativitātes teorija jau no paša sākuma pieņem, ka atšķirībā no elektriskajiem lādiņiem visu ķermeņu gravitācijas lādiņi ir ar vienādu zīmi. Tāpēc spēki, kas darbojas starp tiem, vienmēr ir vērsti uz ķermeņu tuvināšanu. Tur jau no paša sākuma pretējā virziena spēki -  antigravitācija ir izslēgti, tā šī teorija ir strukturēta!

SUPERGRAVITĀCIJA

Kopš relativitātes teorijas izstrādes fiziķi ir atklājuši daudzus jaunus matērijas veidus, tostarp antivielu, dīvainas un jaukas daļiņas un dažāda veida gluonus un kvarkus. Tomēr nekas līdzīgs Velsa keivorītam, fantastiskam materiālam, kas ekranizētu gravitāciju, dažādos eksperimentos netika konstatēts. Kādus mērījumus nav veikuši gravitācijas teorijas atmaskotāji! Viņi pētīja novirzes Zemes gravitācijas laukā neitronu staros no kodolreaktora un lēnajiem elektroniem, mērīja supravadītāju disku svaru un ģeniālus giroskopus. Rezultāts bija viens, pareizāk sakot, tā pilnīga neesamība. Šeit jāatzīmē, ka zinātnē tikpat svarīgs rezultāts ir arī rezultāta neesamība. Katrā ziņā tas viss vēl vairāk stiprinājis fiziķu pārliecību, ka antigravitācija pieder tikai zinātniskās fantastikas lappusēm.

Tomēr dabā nav absolūtu aizliegumu, kas būtu piemērojami vienmēr un visur, un salīdzinoši nesen fiziķi, izstrādājot Einšteina vispārējās relativitātes teorijas tālākās attīstības iespējas, diezgan negaidīti atklājuši, ka dabā, šķiet, patiešām ir jābūt "antigravitācijas" laukam, kuram gravitācijas lādiņa un masas vienlīdzības postulāts iegūst specifisku formu.

Visi šie pētījumi ir saistīti ar elementārdaļiņu pasauli, kurā fiziķi ir uzkrājuši milzīgu daudzumu eksperimentālo materiālu. To analizējot, zinātnieki pamazām saprata apbrīnojamo faktu, ka vājais spēks, kas ir atbildīgs par radioaktīvo sabrukšanu, spēcīgais spēks, kas satur daļiņas atoma kodolā, un elektromagnētiskie spēki ir viena un tā paša fiziskā lauka izpausmes. Fiziķi saista lielas cerības uz izredzēm pārveidot šo spēku trio par kvartetu, teorijai pievienojot ceturto mijiedarbību – gravitāciju. Sākotnējie rezultāti jau liecina, ka dabā var darboties vairāku veidu gravitācijas lauki. Ļoti mazos attālumos tie ir cieši saistīti viens ar otru, un izmaiņas vienā nekavējoties izraisa izmaiņas citā. Šajā vienotajā laukā ir supergravitācijas multiplets - vairāku savstarpēji konvertējošu spēku komponentu saime. Viņi sadalās un kļūst praktiski neatkarīgi tikai lielos attālumos. Jauni supergravitācijas komponenti, kas papildina mums zināmo gravitācijas lauku, joprojām ir tikai hipotēze, taču tie jau ir viens no interesantākajiem jautājumiem mūsdienu fizikā. Un pats interesantākais ir tas, ka šeit ir iespējama antigravitācija. Izrādās, ka šādi spēki var izpausties gan kā pievilkšanās, gan atgrūšanās. Tas ir atkarīgs no tā, no kā veidoti mijiedarbojošies ķermeņi – no matērijas vai antimatērijas. Matērija un antimatērija pievelk viena otru tāpat kā parasto gravitācijas spēku laukā. Bet matērijas gabaliņiem, kā liecina aprēķini, vajadzētu vienam otru atgrūst!

Rezultāts ir pārsteidzošs. Šķiet, ka starp matēriju un antimateriālu būtu sagaidāmi neparasti spēki, taču izrādās otrādi – matērijā rodas antigravitācija. Gravitācijas spēku iedarbībā smilšu kaudze un miltu maiss lido it kā sprādzienā. Neko līdzīgu mēs nenovērojam, tāpēc varētu pieņemt, ka dabā tādi liela attāluma gravitācijas spēki nemaz nepastāv.

Atcerēsimies, pirms cik gadsimtiem Galileo Galilejs pētīja dažādu objektu krišanu no Pizas torņa, atspēkojot tolaik valdošo viedokli, ka vieglie ķermeņi krīt ātrāk nekā smagie. Un tagad izrādās, ka Galileo secinājums būs jāprecizē!

Lielā hadronu kolaidera atkļūdošana (CERN, Ženēva)

Lai pārbaudītu jaunās gravitācijas teorijas un modelētu antigravitācijas efektus, ir nepieciešami jauni, sarežģītāki eksperimenti izmantojot īpaši jaudīgos daļiņu paātrinātājus. Šādu eksperimentu sēriju veic starptautiska fiziķu komanda Eiropas Kodolpētījumu centrā (Ženēva). Zinātnieki vēlas pārbaudīt tur Lielajā hadronu kolaiderī radīto antivielu, lai noteiktu to svaru, kas izriet no jaunām gravitācijas teorijas versijām.

Runājot par spēka atkarību no attāluma, Ņūtona likumu ar lielu precizitāti apstiprina astronomiskie novērojumi. Gravitācijas kvantitatīvo mēru, tas ir, gravitācijas konstanti, mēra laboratorijā, bet ar daudz mazāku precizitāti. Bet tagad daži eksperimentāli pētījumi rada šaubas par spēka nevainojamo atkarību no attāluma! Spekulatīvos neklasiskos gravitācijas modeļus teorētiķi ir apsprieduši jau ilgu laiku. Mēģinot uztvert gravitāciju, novirzoties no Ņūtona likuma, daudzās valstīs tika veikti rūpīgi mērījumi par spēka atkarību no attāluma. Izrādījās, ka diapazonā no centimetra līdz desmit metriem gravitācijas konstantes vērtība paliek nemainīga līdz procenta desmitdaļai. Tomēr citos attālumos, mazākos un lielākos, joprojām pastāv būtiska iespēja, ka pastāv novirzes no Ņūtona likuma.

Etveša vērpes svari. Ierīces galvenā daļa ir viegls horizontāls stienis, kas piekārts uz plānas platīna-irīdija stieples. Uz šūpuļsviras ir piestiprināti divi atsvari, no kuriem viens atrodas zem otra. Vērojot mērījumu skalu caur binokli, var noteikt niecīgāko sviras nosvēršanos.

Šeit zinātniekus piesaistīja daudzu gadu ilgo mērījumu rezultāti par ķermeņu brīvā kritiena paātrinājumu šahtās dažādos dziļumos. Šādi mērījumi, ja ir labas zināšanas par ģeoloģiskām struktūrām šahtas tuvumā, ļauj patstāvīgi noteikt gravitācijas konstanti, kas izrādījās aptuveni par vienu procentu lielāka nekā laboratorijā, izmantojot Kavendiša svarus. Pamatojoties uz to, tika izvirzīta hipotēze par atgrūdoša spēka esamību, kura darbības rādiuss ir aptuveni divi simti metru, un ir proporcionāls vielas bariona lādiņam. Šī hipotēze tika pārbaudīta, izmantojot klasisko eksperimentālo pētījumu datus. Efemērā vienošanās starp hipotēzes prognozēm un atklāto pieredzi radīja sensāciju zinātniskajā pasaulē un radīja priekšlikumu plūdus jauniem atklātā efekta pārbaudes veidiem.

Mūsdienu teorētiskajā fizikā visizplatītākie ir modeļi, kuros visi dabā zināmie spēki rodas, mainoties starp mijiedarbojošiem ķermeņiem noteiktu daļiņu — darbības lauka kvantu — rezultātā. Tādējādi elektromagnētiskos un gravitācijas spēkus pārraida daļiņas ar nulles miera masu - fotoni un gravitoni ar bezgala lielu darbības rādiusu, bet intranukleāro spēcīgo un vājo mijiedarbību izraisa masīvo daļiņu - hadronu un vektoriālo bozonu apmaiņa, kas padara šādus spēkus iedarbīgus ārkārtīgi mazā diapazonā: tikai atoma kodola ietvaros. “Piektais spēks”, ko pēc tās pašas shēmas ieviesa apspriestā hipotēze, pieņem, ka pastāv daļiņas ar ārkārtīgi mazu, bet tomēr ne nulles miera masu. Lai mijiedarbības rādiusu varētu mērīt simtos metru, daļiņas masai jābūt par 15 kārtām mazākai par elektrona masu! Fizika šādas daļiņas nepazīst, bet “piektā spēka” atklāšana nozīmētu to atklāšanu. Tādējādi gravitācijas likums ir cieši saistīts ar elementārdaļiņu fiziku.

Lai pārbaudītu barionu hipotēzi, ar precīzāko eksperimentu datiem jānovērtē paredzamā dažāda sastāva ķermeņu pievilkšanās atšķirība un jāsalīdzina. Praksē daudz ērtāk ir salīdzināt nevis divu ķermeņu savstarpējo pievilkšanos atkarībā no to sastāva, bet gan testa ķermeņu piesaisti ļoti lielam trešajam ķermenim. Pirmo šādu eksperimentu veica Galileo, kurš mērīja dažāda sastāva un svara ķermeņu brīvā kritiena paātrinājumu attiecībā pret Zemi. Ja ir spēkā Ņūtona likums, tas ir, ja ķermeņa svars ir stingri proporcionāls tā masai, tad gravitācijas paātrinājumam ir jābūt nemainīgai vērtībai. To noteica Galileo ar precizitāti līdz procenta daļai.

ETVEŠA EKSPERIMENTI

Jaunu gravitācijas mijiedarbības modeļu meklēšana starp materiāliem ķermeņiem vienmēr ir bijis viens no interesantākajiem jautājumiem fizikā. Īpaši daudz eksperimentu tika veikts, lai noteiktu gravitācijas spēkus starp dažādām vielām. Šeit palma neapšaubāmi pieder ungāru fiziķim Rolandam fon Etvešam. Gandrīz pirms gadsimta Etvešs veica daudzus unikāli precīzus eksperimentus, lai pārbaudītu gravitācijas pievilkšanās spēka atkarību no mijiedarbojošo ķermeņu materiāla. Viņš pētīja uz ārkārtīgi tieviem pavedieniem piekārtu atsvaru pievilkšanos. Tie tika piestiprināti pie diegiem asimetriski līdz to centriem, un pat ļoti, ļoti vāja pievilkšanās savērpja pavedienus, un to varēja noteikt, piemēram, ar gaismas plankuma kustību, ko uz ekrāna uzspīdināja mazs pie pavediena piestiprināts spogulis.

Etveša ierīce ir tik vienkārša un tomēr tik precīza, ka daudzas universitātes to joprojām izmanto, lai mācītu topošajiem fiziķiem eksperimentālās tehnikas sarežģītību. Daudzus gadus šis eksperiments tika uzskatīts par vienu no galvenajiem attaisnojumiem postulātam par gravitācijas lādiņa un ķermeņu masas vienādību.

Fiziķu grupa atkārtoti analizēja Etveša tabulas un sev par pārsteigumu atklāja... nepārprotamu pētāmā efekta atkarību no uz pavedieniem piekārto atsvaru materiāla! Acīmredzot pašam Etvešam tas nepalika noslēpums, taču viņš to uzskatīja par kaut kādu nenozīmīgu eksperimentālu kļūdu. Tieši šīs brīvā kritiena paātrinājumu atšķirību pēdas piesaistīja bariona hipotēzes autoru uzmanību. Viņuprāt, hipotēze par mijiedarbību caur bariona lādiņu sniedz atslēgu, ar kuras palīdzību var mēģināt izprast Etveša rezultātu haosu. Barionu teorijas kritiskā analīze parādīja, ka paredzamā atšķirība dažādu sastāvu ķermeņu pievilkšanā var būt procenta tūkstošdaļas, ja attālums starp ķermeņiem ir daudz mazāks par “piektā spēka” darbības rādiusu. Bet Etveša darbā testa ķermeņi tiek piesaistīti Zemei, kuras rādiuss ir 30 tūkstošus reižu lielāks par pieņemto darbības rādiusa vērtību. Tas nozīmē, ka atgrūšanu veicina tikai tie Zemes slāņi, kas ir vistuvāk testa ķermeņiem, savukārt pievilkšanos izraisa visa Zemes masa. Šis apstāklis vēl vairāk samazina sagaidāmo paātrinājuma atšķirību aptuveni tāpat 30 tūkstošus reižu. Precīzs efekta aprēķins ir praktiski neiespējams, jo rezultāts ļoti lielā mērā ir atkarīgs no masu sadalījuma kartes uz Zemes virsmas un iekšienē testa ķermeņu tuvumā. Zemes kā viendabīgas sfēras modelim paredzamais efekts ir 16 reizes mazāks nekā tas, kas iegūstams Etveša eksperimentos.

Tādējādi diskusija parādīja, ka Etveša tipa eksperimentos (to sākotnējā formulējumā) barionu atgrūšanas hipotēzes pārbaudei par raksturīgām pazīmēm nevar kalpot ne efekta zīme, ne tā lielums. Vienīgais, kas runā par labu hipotēzei, ir pati efekta klātbūtne un tā dabiskā saikne ar testa ķermeņu ķīmisko sastāvu. Jaunā hipotēze tieši neiekļaujas esošajās nākotnes vienotās teorijas aprisēs. Tāpēc “piektā” spēka eksperimentālā atklāšana novestu pie būtiskas vienotas teorijas meklējumu virzienu pārskatīšanas un, iespējams, dotu šiem meklējumiem jaunu izšķirošu impulsu. Teorētiskie fiziķi, kas apkopo eksperimentālu faktu mozaīku vienā Visuma attēlā, ar cerību gaida trūkstošos fragmentus, kas var izrādīties galvenie. Taču šīs cerības ir apvienotas ar dabisku neuzticību, jo lieli atklājumi notiek reti. Tuvākā nākotne parādīs, kas piesaistījis pētnieku uzmanību - nejauša ēna uz fizikas monolīta pamata vai slepenas ieejas pēdas tās dziļumos.

Kad runa ir par tādas fundamentālas parādības kā antigravitācijas atklāšanu, pirms noticēt ir jāpārbauda septiņas reizes. Ir nepieciešami jauni sarežģīti eksperimenti un novērojumi, lai palīdzētu noteikt citus fenomena aspektus. Piemēram, kustīgiem ķermeņiem antigravitācijai jābūt spēcīgākai. Strauji rotējošam gredzenam uz Zemes virsmas jābūt pakļautam celšanas spēkam. Jo lielāks tā rādiuss, jo lielāks tā ātrums; kā uz karuseļa - jo tālāk no centra, jo ātrāka kustība. Lieliem rotācijas ātrumiem un lieliem rādiusiem antigravitācija būs diezgan nozīmīga.

Varbūt kāds no jaunajiem lasītājiem kļūs par fiziķi un izdomās kādu asprātīgāku un pārliecinošāku eksperimentu? Mūsdienās daudzas fizikas laboratorijas visā pasaulē apdomā šo nākotnes problēmu.

Tā amerikāņu rakstniekam R. F. Džounsam ir interesants zinātniskās fantastikas darbs "Trokšņa līmenis". Vēloties iegūt jaunu ieroci, vienas karojošās valsts militārie vadītāji nolēma “pamudināt” savu zinātnieku domāšanu. Zinātnieku grupa - visdažādāko zinātņu jomu speciālisti - ir ticami informēta, ka kādā laboratorijā jau veikts sensacionāls antigravitācijas atklājums, taču diemžēl izgudrotājs izmēģinājuma demonstrācijas laikā gājis bojā un paņēmis līdzi sava gara bērna noslēpumu. Patiesībā tas viss bija pilnīgi izfantazēts, rūpīgi pārdomāts psihologu radīts scenārijs. Militāristi apzināti maldināja pētniekus, ziņojot, ka, pēc neapgāžamiem izlūkošanas datiem, pretējā puse ir apguvusi antigravitācijas spēku noslēpumu, kas nozīmēja, ka problēmai, kas tika uzskatīta par neatrisināmu, patiesībā ir risinājums, un tagad atliek tikai to atrast. Skaidrs, ka tam ir jābūt kaut kam pilnīgi neparastam, paradoksālam, kas pārsniedz zināmās teorijas, jo visi apgalvo, ka tas ir principiāli neiespējami. Lai pārliecinātu zinātniekus, viņiem tiek pasniegta lietisku pierādījumu masa: grūti salasāmu fragmentāru piezīmju klāsts saplēstos un apdedzinātos laboratorijas žurnālos, pati izpostītā laboratorija ar milzīgu daudzumu pilnībā izjukušu un nesaprotamu iekārtu un pretrunīgi aculiecinieku stāsti. Tādējādi visa mākslinieciski konstruētā situācija balstās uz plašu nesistematizētas informācijas slāņu ieviešanu. Šīs informācijas paketes ir haotiski piepildītas ar šķietami nejaušu informāciju no dažādām zinātnes un tehnoloģiju sadaļām. Vispārīgi runājot, “pārsātināta informācijas risinājuma” situācija ir mākslīgi modelēta, balstoties uz zinātniskās jaunrades “kvantu” nejaušās psiholoģijas attīstību.

Un tāpēc, būdami pārliecināti, ka hipotētiskais izgudrojums patiešām ir noticis, zinātnieki pārliecinoši uzņemas nebijušu tehnisko risinājumu meklēšanu un atjaunošanu. Un risinājums tiek atrasts! Tiesa, tā nebija antigravitācija, bet jauns atgrūdošs lauks, bet tam vairs nebija nozīmes.

Tādējādi mēģinājums pārskatīt bijušos Etveša eksperimentus nedeva konkrētus rezultātus, un sabiedrības zinātniskais viedoklis nepārprotami sliecas uz negatīvu vērtējumu par iespēju šeit meklēt jaunus atgrūdošus spēkus. Tātad, vai noslēpumainā antigravitācijas viela, ar kuru mēs sastopamies H. G. Velsa romānā "Pirmie cilvēki Mēness", varētu pastāvēt dabā? Šeit izcilais angļu zinātniskās fantastikas rakstnieks apraksta pētnieka Kevora un rakstnieka Bedforda lidojumu uz Mēnesi, kura vārdā stāsts tiek atstāstīts. Kevors ar entuziasma pilna zinātnieka enerģiju un interesi cenšas atklāt vielu, kas ir “necaurlaidīga jebkura veida starojumam”. Pateicoties šai fantastiskajai īpašībai "bloķēt gravitācijas ietekmi", šī viela var aizsargāt lidmašīnu no pārējo debess ķermeņu gravitācijas spēka.

Tātad Kevors iegūst šādu vielu (nejauša temperatūras režīma pārkāpuma un tam sekojošā spēcīga sprādziena rezultātā!), Velss pat norādīja šī fantastiskā atklājuma datumu - 1899. gada 14. oktobri. Brīnišķīgais materiāls tiek nosaukts tā radītāja vārdā - "keivorīts". Ar tā palīdzību kļūst iespējami kosmosa ceļojumi uz Mēnesi. Rezultātā abi Zemes iedzīvotāji startē un lido “tik ātri kā lādiņš, kas palaists bezgalīgajā telpā”. Viņu priekšā paveras jaunas pasaules, viņi pārvalda bezsvara stāvokli “bezgaisa, zvaigžņotajās debesīs”. Pēc tam, manevrējot ar iebūvētiem ekrāniem, viņi nolaižas uz Mēness virsmas…

Ja šāda viela pastāvētu, tad ar tās palīdzību būtu iespējams ne tikai viegli ceļot starp zvaigžņu pasaulēm, paātrinoties līdz zemgaismas ātrumam, bet arī radīt neizsmeļamus enerģijas avotus, realizējot cilvēces sapni par mūžīgo dzinēju. Bet vai šāds dabas elements var pastāvēt pat principā?

NEGATĪVĀ MASA

Mēģiniet padomāt par to, kāda varētu būt antigravitācijas būtība, un pēc pārdomām jūs noteikti nonāksit pie pārsteidzošā koncepcijas par ķermeņiem ar negatīvu masu. Mēs jau esam atzīmējuši pārsteidzošo līdzību starp Ņūtona universālās gravitācijas likumu un Kulona mijiedarbības likumu elektriskajiem lādiņiem. Vienā ir masas, otrā ir lādiņi, viss pārējais ir pa vecam. Pārsteidzošā likumu līdzība uzreiz liek domāt, ka masa ir gravitācijas lādiņš. Bet kāpēc tas vienmēr ir ar vienu zīmi, jo elektriskie lādiņi var būt gan pozitīvi, gan negatīvi, tikai gravitācijas lādiņi ir tikai pozitīvi. Varbūt tas ir vienkārši lokāls mums apkārt esošās telpas izņēmums un kaut kur kosmosa dzīlēs ir antigravitācijas rajoni? Bet tad, pēc kādām pazīmēm astronomiem un fiziķiem būtu jāmeklē antigravitācijas matērija?

Kodoldaļiņu paātrinātājs - fazotrons. Daži eksperimenti tika veikti tikai, lai izpētītu lēno neitronu novirzi Zemes gravitācijas laukā. Tie neatnesa neko negaidītu, un tas vēl vairāk nostiprināja fiziķu pārliecību, ka antigravitācija pieder tikai zinātniskās fantastikas lappusēm.

No pirmā acu uzmetiena var šķist, ka plus un mīnus vielas īpašību atšķirības nav lielākas par pozitīvo un negatīvo elektrisko lādiņu atšķirībām. Tomēr fiziskā analīze liecina, ka Visumiem no plus un mīnus gravitācijas vielas, būtu ievērojami atšķirīgas īpašības. Lai to pārbaudītu, atcerēsimies otro Ņūtona likumu: ķermeņa paātrinājums ir vienāds ar spēku, kas uz to iedarbojas, dalīts ar masu. Parastām un antigravitācijas vielām tas tiks novirzīts dažādos virzienos, un, ja jūs atgrūdīsiet objektu ar negatīvu masu, tas, gluži pretēji, sāks tuvoties. Būtu interesanti pavērot, kā tādā pasaulē lidotu lidmašīnas un raķetes! Visa to kustība notiktu ar sprauslām uz priekšu, un dzenskrūves un turbīnas uztvertu gaisu aizmugurējā daļā un izmestu to pilota kabīnes priekšā. Un kādus dīvainus ieročus lietotu antigravitācijas pasauļu kareivīgie aborigēni! Loki ar uz priekšu izvilktu loka auklu, katapultas, kas met lielgabala lodes atpakaļ, un ļoti neparasti šaujamieroči, kas būvēti pēc bezatsitiena lielgabalu principa un metot lādiņus kopā ar šaujampulvera gāzēm cauri aizslēgam.

Kopumā dzīvot uz planētas ar antigravitācijas materiālu nemaz nebūtu tik viegli. Ir labi zināms, cik grūti astronautiem bija iemācīties rīkoties ar objektiem nulles gravitācijas apstākļos, bet pierast pie negatīvām masām būtu nesalīdzināmi grūtāk! Izrādās, ka mehānikas likumiem antigravitācijas pasaulē, šķiet, būs pretējs efekts, nodrošinot brīnišķīgu sižetu zinātniskās fantastikas romānu klāstam! Tomēr šāda pārsteidzoša realitāte ir pilnīgi iespējama un nav pretrunā ne ar fiziku, ne loģiku.

Lai saprastu visus antigravitācijas pasaules paradoksus, mums jāatceras divi fiziskās masas veidi: gravitācijas, kas ir daļa no universālās gravitācijas likuma, un inerciālā, kas ir daļa no formulas, kas saista paātrinājumu ar spēku. Veidojot savu vispārējo relativitātes teoriju, Einšteins atvasināja ļoti svarīgu abu masu ekvivalences principu. Šis princips ir daudzkārt pārbaudīts ar arvien lielāku precizitāti, un zinātnieki joprojām nav atraduši atšķirību starp gravitācijas spēkiem un mehāniskajiem inerces spēkiem.

Apskatīsim divu ķermeņu mijiedarbību, kur pirmais rada gravitācijas lauku un piesaista otru, kā saka, eksperimentālo ķermeni. Eksperimenta ķermeņa paātrinājums ir vienāds ar spēku, kas dalīts ar inerciālo masu, bet pievilkšanas spēks ir proporcionāls abu ķermeņu gravitācijas masu reizinājumam. Tā kā eksperimenta ķermeņa gravitācijas un inerciālās masas ir vienādas, tās izzūd, un rezultātā tā paātrinājumu pilnībā nosaka pirmā ķermeņa masa. Izrādās, ka parastā matērija piesaista visus ķermeņus neatkarīgi no to masas, pozitīvās vai negatīvās, bet antigravitācijas matērija visus pārējos ķermeņus neatkarīgi no masas veida atgrūž. Pats kuriozākais notiek, kad satiekas parasts un antigravitējošais ķermenis. Parastais ķermenis velk antigravitāciju uz sevi, bet otrs visos iespējamos veidos to atgrūž! Ja šāda tandēma pūles ir vērstas vienā virzienā, tad pāris sāk kustēties it kā pats no sevis un pat ar paātrinājumu!

Tā varētu uzbūvēt modernu lidojoša paklāja prototipu vai septiņjūdžu zābakus. No kurienes nāks enerģija šādiem pasakainiem brīnumiem? Enerģijas nezūdamības likums ir mūsdienu fizikas pamats, un jebkura tā neievērošana acumirklī iznīcina ne tikai joprojām daudzo pseido-mūžīgo dzinēju projektus, bet arī skaistas fiziskālas idejas.

Tomēr dīvainā kārtā, kustoties pozitīvo un negatīvo gravitācijas lādiņu sistēmai, enerģijas saglabāšanas likumi netiek pārkāpti. Apskatīsim mūsu neparastās ķermeņu sistēmas kopējo enerģiju. Vienādām normāla un antigravitējoša ķermeņa masām kopējā enerģija vienmēr ir vienāda ar nulli neatkarīgi no tā, vai pāris kustas vai atrodas miera stāvoklī. Antigravitācijas paklāja negatīvā kinētiskā enerģija kompensēs tā braucēja pozitīvo kinētisko enerģiju, un kopumā enerģijas nezūdamības likums netiks pārkāpts. Pasaulē ar negatīvām masām “pašpiedziņas” enerģijas rašanās vienkārši nozīmē tās pārdali. Tiesa, antigravitācijas pasaulē būtu novērojami daudzi neparasti fizikāli efekti. Piemēram, ja parastā viela tiek apstarota ar elementārdaļiņu plūsmu, viela palēnina daļiņu darbību vai pat saglabā tās sevī. Bet antigravitācijas daļiņas tikai paātrināsies, ejot cauri parastajai vielai, un to pašu negatīvās enerģijas absolūtā vērtība palielināsies. Parasts ķermenis var kļūt par sava veida elementārdaļiņu – antigravitantu – paātrinātāju!

Tātad antigravitācijas pasaulē ir spēkā visi tie paši enerģijas saglabāšanas likumi, bet dabā eksistē arī citi principiāli aizliegumi. Aizdomīgākais no šī viedokļa ir cēloņsakarības princips, kas aizliedz apvienot notikumus slēgtos lokos, kad, virzoties laikā uz priekšu, tomēr izdodas nokļūt pagātnē. Piemēram, divu pretējos virzienos viens no otra lidojošu ķermeņu smaguma centra ātrums var kļūt lielāks par gaismas ātrumu. Ja tie ir izgatavoti no parastas vielas, to smaguma centrs vienmēr atrodas starp tiem, un to ātrums nekad nav lielāks par gaismas ātrumu. Taču, ja vienam no ķermeņiem ir negatīva masa, tad smaguma centrs atradīsies ārpus pāra un tā ātrums būs lielāks, jo tuvāk absolūtajā vērtībā būs atsevišķi lidojošo ķermeņu masas. Vienādām masām tāds ātrums parasti ir līdz bezgalībai. Šī paradoksa risinājums ir saistīts ar “virsgaismas zaķa” jeb iedomāto “virsgaismas šķēru” principu. Fakts ir tāds, ka pat neliela antigravitējošās masas kustība izraisa ļoti strauju smaguma centra nobīdi, tāpat kā neliela spoguļa šūpošanās saules starā tiek izteikta zaķa atspīduma lēcienos virsgaismas ātrumā, vai neliela iedomātu šķēru rokturu kustība noved pie superātrās kustības to supergarajos galos, kas var viegli pārsniegt gaismas ātrumu.

Metagalaktikas kosmiskās šūnas

Daudzi zinātnieki saista “universālo šūnu” veidošanos ar tā saukto kosmisko stīgu ietekmi – neparasti smagām un ļoti plānām membrānām, kas palikušas no superblīvā Visuma primārā stāvokļa un pilda centru lomu, ap kuriem universālo gravitācijas spēku ietekmē notiek sākotnēji viendabīgās vielas koncentrācija. Tomēr daži teorētiķi uzskata, ka nozīme varētu būt arī antigravitācijai, jo kosmisko stīgu esamība nav apstiprināta ar eksperimentiem un astronomiskiem novērojumiem.

Tomēr visi šie spekulatīvie paradoksi nekādā veidā nepārkāpj cēloņsakarības pamatprincipus. Galu galā relativitātes teorija aizliedz vielas, enerģijas un informācijas virsgaismas kustību, jo tikai šādi procesi ietekmē ķermeņus un ar tiem notiekošos notikumus. Nu, tā kā ne saules stars, ne supergaro šķēru iedomātā svira nenes sev līdzi nekādu matēriju, enerģiju vai informāciju, ar to kustības palīdzību nav iespējams pārkāpt “fizisko notikumu loģiku”. Pozitīvā un negatīvā smaguma lādiņu pāra smaguma centrs pārvietojas vienādi, atgādinot iedomāta matemātiskā punkta kustību.

Tādējādi nepārvarami ierobežojumi antigravitācijas vielai vēl nav teorētiski identificēti, un ir pamats turpināt attīstīt šo apbrīnojamo koncepciju. Pastāv zinātnisks princips par apkārtējās dabas izzināšanu, kas nosaka: visam, kas nav pretrunā ar mums zināmajiem likumiem, ir tiesības pastāvēt. No šī viedokļa vielas ar negatīvu masu meklēšana ir pilnībā pamatota. Bet kur to meklēt?

Ideja par antigravitācijas matēriju pirmo reizi parādījās pirms daudziem gadiem izcilā angļu fiziķa Pola Diraka darbos, kurš mēģināja apvienot kvantu mehāniku ar relativitātes teoriju. Viņš uzskatīja, ka atrastie risinājumi ir kļūdaini, jo tajos bija negatīvas enerģijas un masas vērtības. Saistībā ar to ideja par negatīvajiem gravitācijas lādiņiem ilgu laiku netika attīstījusies tālāk, parādoties un pazūdot kā spoks dažādās fizikālās teorijās.

Pagājušā gadsimta vidū pētījumus par antigravitācijas teorijas izveides iespējām veica slavenais angļu teorētiķis G. Bondi un padomju fiziķis P. Terleckis. Savulaik Bondi kļuva slavens ar saviem pētījumiem par zvaigžņu akreciju (matērijas krišanu uz zvaigžņu virsmas) un stacionāra Visuma teorijas izstrādi, kas atstāja pēdas viņa antigravitācijas matērijas koncepcijā. Taču šie zinātnieki nespēja noformulēt skaidru un pārliecinošu atbildi uz jautājumu, vai šāda viela varētu pastāvēt dabā.

Pavisam nesen zinātniskajos žurnālos ir parādījušās jaunas publikācijas, kas mūs atgriež pie negatīvo masu intriģējošā noslēpuma. Pēc britu fiziķu grupas domām, iespējams, ka pirms miljardiem gadu jaundzimušajā Visumā pozitīvie un negatīvie gravitācijas lādiņi bija haotiski sajaukti. Pēc tam gravitācijas spēku ietekmē pozitīvā matērija sapulcējās planētu, zvaigžņu un galaktiku pinkuļos, bet negatīvā matērija, kas atgrūžās no visa pasaulē, tika izklīdināta vairāk vai mazāk vienmērīgi, veidojot kosmiskus tuksnešus uz Netagalaktikas robežas. Ja tas tā ir, tad matērijas izplatībai pasaulē vajadzētu līdzināties milzu šūnām, kas piepildītas ar retinātu antigravitācijas vielu, un kondensētas uz parastās vielas robežsienām. Interesanti, ka astronomi patiešām novēro kaut ko līdzīgu un vēl nav atraduši skaidrojumu šādai Metagalaktikas apakšstruktūrai.

Tomēr ir pilnīgi iespējams, ka mūsu Visumā līdz šim vienkārši nav palicis antigravitācijas matērija tā paša iemesla dēļ, kāpēc nav no antimatērijas veidotu debess ķermeņu. Šo mīklu savulaik atrisināja akadēmiķis Andrejs Dmitrijevičs Saharovs, kurš vērsa uzmanību uz to, ka antidaļiņas ļoti augstā temperatūrā reakcijās iesaistās biežāk nekā daļiņas, un tāpēc, veidojoties vielai pēc Lielā sprādziena, tās vienkārši izdegušas bez pēdām. Līdzīgi īpaši augstas temperatūras apstākļos var darboties pretējie gravitācijas lādiņi, mijiedarbojoties ar dažādiem reakcijas ātrumiem. Tāpēc ir pilnīgi iespējams, ka līdz mūsdienām nav saglabājusies gandrīz ne grama antigravitācijas vielas.

Nav arī pilnīgi skaidrs, kāpēc parasto ātro elementārdaļiņu sadursmēs nekad nerodas antigravitācijas daļiņas. Bombardējot mērķus ar fazotronos paātrinātiem protoniem, veidojas spēcīgas sekundāro daļiņu plūsmas. To vidū bieži sastopamas antidaļiņas, bet antigravitācijas daļiņas nekad nav reģistrētas. Varbūt tas ir saistīts ar faktu, ka dzimušās daļiņas saskaņā ar impulsa nezūdamības likumu vienmēr pārvietojas vienā virzienā un uzreiz iznīcinās? Taču ļoti precīzas un smalkas novērošanas metodes mūsdienu atomu un kodolfizikā ļauj fiksēt daudz ātrākus virtuālo daļiņu anihilācijas procesus... Protams, var pieņemt, ka pozitīvie un negatīvie gravitācijas lādiņi savā starpā mijiedarbojas ārkārtīgi vāji – un tāpēc parastās elementārdaļiņu sadursmēs antigravitonos gandrīz nekad nerodas. Diemžēl tas viss ir vāji pamatots ar teoriju un vairāk atgādina zīlēšanu pa kafijas biezumiem... (24. krāsu att.).

LIELĀ SPRĀDZIENA VĒRPETĒS

Pēdējos gados ir parādījušies diezgan daudz jaunu kosmoloģisku scenāriju Lielajam sprādzienam un pat periodam pirms singularitātes. Protams, tie visi ir tīri spekulatīvi un zinātniski spekulatīvi, taču starp tiem ir oriģināli relativitātes teorijas vispārinājumi, kuru pamatā ir matematiskā simetriju teorija. Šādi jēdzieni paredz, ka īsi pēc mūsu pasaules dzimšanas pirmatnējo svārstību kataklizmā tā varēja sadalīties divās daļās. Šo pasaules pušu materiālajām sastāvdaļām visos aspektos jābūt līdzīgām, lai tās varētu mijiedarboties viena ar otru tikai ar gravitācijas lauka palīdzību. Visiem pārējiem lādiņiem, kas atbilst kodolenerģijai, vājajai un elektromagnētiskajai mijiedarbībai, ir atšķirīgs raksturs un tie nesaderas principā. Pilnīgi iespējams, ka šādām sadalītā Visuma daļām varētu būt dažādi gravitācijas lādiņi, kas attaisno hipotēzi par parasto un antigravitācijas daļiņu mijiedarbību.

Diemžēl vienmēr ir bijis daudz pseidozinātnisku baumu un izdomājumu, kas saistīti ar antigravitācijas problēmu. Ne tikai lielais vairums "ufologu" uzskata par goda lietu apgādāt savus lidojošo šķīvīšu rēgus ar visādiem "antigraviem" un "gravicapiem", bet pat visai cienījami tehnikas žurnāli ik pa laikam dod savu ieguldījumu, publicējot piezīmes par neadekvātu izgudrotāju "trakajiem izgudrojumiem". Piemēram, pirms kāda laika vācu žurnāls “Telpa un Laiks” publicēja vairākas piezīmes par kāda angļu inženiera D. Sērla pilnīgi fantastiskiem eksperimentiem ar strauji rotējošiem diskiem, kas sastāv no daudziem īpaši izgatavotiem un izvietotiem magnētiem. (Diemžēl šie murgi turpina plaši eksistēt arī interneta plašumos) Sagriezti līdz noteiktam ātrumam šādi diski it kā sāka griezties paši, bez redzamiem enerģijas avotiem, ieguva celšanas spēku, strauji pacēlās debesīs (viens no tiem pat izlauzās cauri laboratorijas jumtam) un, kā noslēpumaini NLO, klusi pārvietojās milzīgos attālumos. No žurnālā sniegtajiem aculiecinieku stāstiem izriet, ka pašgriežošos disku malas uzkarsa un izdalīja kaut kādu mirdzumu, un vietā, kur tie startēja, tika izrauti zemes gabali. Šķiet, ka angļu inženierim paveicies atklāt kādu nezināmu enerģijas uzkrāšanas veidu vai pat atklāt kādu jauna veida lauka struktūru. Ja ticam žurnāla ziņotajam, tad te sastopamies ar tādu kā enerģijas sūknēšanu no vakuuma, kā rezultātā mainās apkārtējās telpas temperatūra, un izgudrotāja vadītie ķermeņi iegūst spēju kustēties jebkurā virzienā!

Nav skaidrs, kā vispār cienījamā žurnālā var publicēt tik slikti pārbaudītu informāciju, kurai nav nekāda sakara ar zinātni. Kad žurnālisti no konkurējošā izdevuma sāka pārbaudīt faktus, krāpniecība ap pārsteidzošajiem "Serla diskiem" acumirklī atklājās. Izrādījās, ka “diemžēl” “nepatīkamu dzīves sadursmju virknes” dēļ diski tikuši iznīcināti, dokumentācija sadedzināta, bet izgudrotājs, kaut arī laikam dzīvs, bija pēdējā demences stadijā, tāpēc neko nevarēja palīdzēt topošajiem entuziastiem, kuri vēlējās uzbūvēt “Serla diskveida lidmašīnu” un aizlidot tajā līdz Marsam. Tomēr šādas muļķības rada daudzas baumas un nepareizas interpretācijas.

Ziņojumus par mēģinājumiem praktiski izmantot “antigravitācijas vakuuma enerģiju” var atrast arī citās zinātniskās publikācijās. Piemēram, daži Indijas tehniskie žurnāli ziņoja par to, ka inženieris vienā no Indijas kodolspēkstacijām, izveidojis iekārtu elektrības iegūšanai tieši no kosmosa. Tāpat kā fantastiskajos "Serla Diskos", te arī izmantoti magnēti, vadoši diski un rotējošas daļas. Dažos rakstos ir pat sniegti daži mašīnas “rasējumi”. Bet, spriežot pēc Indijas iedzīvotāju badā mirstošajām masām (ANO dati), negodīgajiem inženieriem neizdevās panākt brīvas enerģijas plūsmu no “sašķeltā vakuuma” un izveidot “vakuuma-antigravitācijas pastāvīgās kustības mašīnu”.

Protams, mēs labi zinām, ka vakuuma stāvoklis nav triviāls tukšums, bet gan viens no matērijas veidiem ar bagātīgu iekšējo saturu, tomēr visi amatieru entuziastu mēģinājumi izmantot improvizētus līdzekļus un jau tagad a priori apgūt tā enerģiju izskatās pēc kārtējā un acīmredzami kļūdainā bēdīgi slavenā “mūžīgā dzinēja” izgudrojuma. Lai šeit pētītu un atrastu inženiertehniskos risinājumus, ir nepieciešams principiāli atšķirīgs tehniskais līmenis visai tālā nākotnē, un tā pagaidām joprojām ir visoptimistiskākā prognoze...

KAZIMIRA EFEKTI

Šodienas uzdevums šeit ir nepārkāpt reālās zinātnes robežas un tūkstošreiz pārbaudīt jebkuru apšaubāmu sasniegumu. Turklāt pārsteidzošā kārtā mēs sastopamies ar negatīvo vakuuma enerģiju, to nezinot, burtiski ik uz soļa, kustinot objektus vai pārvietojoties starp tiem. Runa ir par fenomenu, ko pagājušā gadsimta četrdesmito gadu beigās atklāja holandiešu fiziķis Hendriks Kazimirs. Kazimira efekts ir saistīts ar vakuuma ietekmi uz tajā ievietotiem ķermeņiem, pārdalot kvantu svārstību enerģiju telpā starp diviem ļoti tuviem objektiem. Savos pētījumos Kazimirs salīdzināja bezgalīgi paplašināta vakuuma enerģiju, ko neierobežo nekādas robežas, un tā enerģiju spraugā starp divām cieši tuvu stāvošām plāksnēm. Tāpat kā viļņi jūras ostā un aiz mola, vakuuma lauki starp plāksnēm svārstās ar mazāku amplitūdu nekā "bezgalīgās telpas" atklātā jūrā. Plāksnes traucē brīvai garo viļņu starojuma ģenerēšanai (tās vienkārši neietilpst spraugā), tāpēc svārstību skaits - un līdz ar to arī kopējā vakuuma enerģija tur ir nedaudz mazāka. Teorētiskie aprēķini apstiprināja holandiešu fiziķa pieņēmumu. Izrādījās, ka vakuuma ietekmē plāksnēm vajadzētu pievilkties vienai pie otras, un nelielos attālumos šī pievilkšanās izrādītos daudz spēcīgāka par gravitācijas pievilkšanos, ļoti ātri pieaugot, plāksnēm tuvojoties. Protams, pēc ikdienas mērogiem Kazimira pievilkšanas spēki ir niecīgi, jo uz katru pulēta metāla plākšņu kvadrātmetru, kas atrodas viena no otras cilvēka mata attālumā, iedarbojas tāds pats spēks, kādu piedzīvo svaru kauss, uz kura atrodas neliels smilšu graudiņš. Taču šeit svarīgi ir tas, ka Kazimira efektu atkārtot mūsdienu laboratorijās nav īpaši grūti. Turklāt, ja būtu iespējams kaut kādā veidā pietuvināt plāksnes līdz atomu attālumiem, pievilkšanas spēks uzreiz palielinātos par simtiem tūkstošu tonnu uz kvadrātmetru!

Izrādās, ka vakuumā ap mums ir enerģijas okeāni! Un, ja “atvērtā” vakuuma enerģiju ņem par nulles līmeni, tad tā masa un enerģija spraugā starp plāksnēm kļūs negatīva. Citiem vārdiem sakot, mēs atkal esam nonākuši pie antigravitācijas matērijas veida. To veido jebkurš vakuuma ierobežojums starp jebkuriem fiziskiem ķermeņiem, kā arī telpas gravitācijas lauku izliekums. Tādējādi izrādās, ka mūsu pasaule ir burtiski iegremdēta antigravitācijas matērijas bezdibenī! Protams, mūsu ikdienā vakuuma antigravitācijas viela ir pilnīgi nepamanāma, taču elementārdaļiņu un metagalaktikas mērogā tās ietekme var būt ārkārtīgi nozīmīga.

Viens šāds eksperiments tiek gatavots Ženēvā, Eiropas Kodolpētījumu organizācijā. Ir ierosināts nosvērt... antivielu. Galu galā, ja teorija ir pareiza, tad, kad matērija mijiedarbojas ar antimatēriju, palielinās pievilkšanās un kompensācijas vietā notiek to pastiprināšanās. Antimatērijai Zemes gravitācijas laukā vajadzētu svērt vairāk nekā matērijai. Antiprotoni, kas veidojas, kad mērķis tiek bombardēts ar augstas enerģijas protonu stariem, tiks atdalīti no citām daļiņām ar elektromagnētisko lauku un uzkrāti īpašā slazdā, ko no saskares ar vielu izolēs magnētiskais lauks.

Kad tādu ir sakrājies pietiekami daudz, antiprotonu kūlis tiks izšauts uz  virs mērķa novietotu detektoru. Ja laiks, kas nepieciešams, lai antiprotoni nokļūtu līdz mērķim, ir ilgāks nekā protoniem, tas būs tiešs pierādījums papildu gravitācijas spēkam. Tad ir jāpastāv arī antigravitācijai.

Iespējams, iegūt enerģiju, pazeminot vakuuma līmeni, nemaz nav tik muļķīga doma, taču mūsdienās daudz aktuālāk un ne mazāk perspektīvi ir pētīt mums zināmo gravitācijas lauku, ko apraksta Einšteina vispārējā relativitātes teorija un kas pakļaujas Ņūtona universālās gravitācijas likumam. Šī lauka kvanti, ko sauc par gravitoniem, vienmēr pārvietojas ar gaismas ātrumu - maksimālo ātrumu, kāds var būt materiāliem objektiem. Tos nevar ne palēnināt, ne paātrināt. Visa to masa ir saistīta ar kustības enerģiju, tāpat kā gaismas daļiņas - fotoni. Tiem nav savas masas, “miera masas”. Šajā ziņā gravitonus var saukt par bezmasas daļiņām – tāpat kā gaismas fotonus.

Protams, runājot par tādas fundamentālas parādības kā antigravitācijas atklāšanu, vispirms ir jāatceras jauno zināšanu zinātniskā rakstura kritēriji. Vissvarīgākais šeit, protams, ir visaptverošas eksperimentālās bāzes izveide. Ir nepieciešami simtiem un tūkstošiem jaunu eksperimentu un novērojumu, lai palīdzētu identificēt visus šīs daudzpusīgās parādības aspektus. Piemēram, vēl viena hipotētiska gravitācijas spēku iezīme ir tā, ka tie ir atkarīgi no ķermeņu ātruma. Kustīgam ķermenim antigravitācija ir spēcīgāka, un šis efekts var būtiski ietekmēt kosmisko objektu īpašības, piemēram, pulsārus - īpašu ātri rotējošu smagu un ļoti kompaktu zvaigžņu klasi. Vielas ātrums uz to virsmas var būt ievērojama daļa no gaismas ātruma, un gravitācijas spēku īpašības tur var pilnībā atšķirties no tām, kas ir Zemes apstākļos.

Atcerēsimies, ka Ņūtona universālās gravitācijas likumam un Kulona likumam divu lādētu ķermeņu mijiedarbībai ir gandrīz vienāda forma. Tie atšķiras tikai ar to, ka Kulona likumā ir iekļauti ķermeņu elektriskie lādiņi, savukārt Ņūtona likumā ir iekļautas to masas, un arī ar to, ka Ņūtona formulā ir konstants koeficients – tā sauktā gravitācijas konstante. Tās vērtība ir atkarīga no mērvienību sistēmas izvēles, ja tā kļūtu vienota, tad likumi matemātiski neatšķirtos. Šis fakts uzreiz piesaista uzmanību, un fizikas stundās zinātkārie skolēni nereti uzdod jautājumus: ko te slēpj daba - parastu sakritību vai pagaidām neizprastu fizisko likumu universālumu? Visaptverošas atbildes uz šiem jautājumiem ir tālās nākotnes jautājums, jo līdz šim visi mēģinājumi apvienot elektromagnētiskos un gravitācijas spēkus vienā likumā nav noveduši ne pie kā.

Vispārīgi runājot, vienu no galvenajiem Einšteina vispārējās relativitātes teorijas postulātiem, kas attiecas uz gravitācijas un inerciālo masu vienādību, var pārformulēt kā noteiktu gravitācijas lādiņu un atbilstošo masu vienādību. Tiesa, šeit nekavējoties jāņem vērā, ka atšķirībā no elektriskajiem lādiņiem to gravitācijas analogi ir ar vienu un to pašu zīmi un vienmēr ir vērsti tikai uz ķermeņu tuvināšanos. Izrādās, ka saskaņā ar mūsdienu koncepcijām gravitācijas spēku būtību apraksta Einšteina vispārējā relativitātes teorija, un tie pakļaujas Ņūtona universālās gravitācijas likumam. Mēs jau zinām, ka gravitācijas lauka kvantus sauc par gravitoniem, un teorija paredz, ka tiem vienmēr jāpārvietojas ar gaismas ātrumu. Visa to masa ir saistīta ar kustības enerģiju, tāpat kā elektromagnētiskā lauka daļiņas, fiziķi sauc šādas daļiņas par daliņām bez masas.

Kvantu mehānikas rašanās (par to tika runāts iepriekšējā nodaļā) pagājušā gadsimta sākumā bija saistīta ar pierādījumu, ka matērija sastāv no atomiem. Kvantu fizika pieprasa, lai daži lielumi, piemēram, atoma enerģija, varētu iegūt tikai noteiktas diskrētas vērtības. Kvantu mehānika precīzi apraksta atomu, elementārdaļiņu īpašības un uzvedību, kā arī spēkus, kas tos saista. Mūsu izpratnes par apkārtējo pasauli pamatā ir veiksmīgākā teorija zinātnes vēsturē - kvantu teorija.

TELPAS JAUNĀS DIMENSIJAS

Fiziķi un matemātiķi ir daudz darījuši, lai klasisko relativitātes teoriju pārvērstu kvantu teorijā. Piemēram, šobrīd fiziķu vidū ir populāra stīgu teorija, saskaņā ar kuru bez trim labi zināmajām telpiskajām dimensijām ir vēl sešas vai septiņas, kuras neviens vēl nav spējis konstatēt. Šīs dimensijas ir ļoti kompakti savītas kā atsperes un “paslēptas” parastās telpas dziļumos. Tās var atklāt tikai ļoti lielas enerģijas daļiņu sadursmēs. Šādus eksperimentus plānots veikt ar jauniem superjaudīgiem daļiņu paātrinātājiem – kolaideriem. Stīgu teorija paredz arī daudzu jaunu elementārdaļiņu un spēku esamību, kuru klātbūtne nekad nav apstiprināta ar novērojumiem.

Pagājušā gadsimta sākumā radītā vispārējā relativitātes teorija ilgu laiku palika majestātiskākā un sarežģītākā teorētiskās fizikas konstrukcija. Likās, ka cilvēka doma ir sasniegusi galējos augstumus, no kuriem var aplūkot pasauli no pirmajiem tās dzīves mirkļiem līdz neiedomājami tāliem laikiem, kad tā pārvērtīsies par izkliedētu elementārdaļiņu jūkli. Izplešas uz visām pusēm, “uzbriest” telpa ar “melno caurumu” spraugām... mikrodaļiņās paslēptas kosmiskās pasaules... apgabali, kuros laiks sastingst un sekunde pārvēršas miljardos miljardu gadu... biezas grāmatas, kas pildītas ar sarežģītu matemātisko formulu ligatūru... Likās, ka vairs nav kur iet tālāk!

Taču jaunā kvantu gravitācijas teorija ļauj paskatīties uz Visuma izcelsmi pavisam citādāk un iztēloties, kas notika ne tikai uzreiz pēc Lielā sprādziena, bet arī vēl pirms tā. Tāpēc iespējams, ka mums tomēr paveiksies uzzināt atbildi uz visuma aktuālāko noslēpumu – kas īsti notika pirms Lielā Sprādziena milzīgās kosmiskās kataklizmas.

Tādējādi ar interesi varam vērot, kā pēdējos gados fiziķi spītīgi būvē grandiozo vispārinātās relativitātes teorijas celtni, kurā Einšteina vecā teorija aizņems tikai vienu no daudzajiem stūrakmeņiem. Savulaik Einšteina un viņa priekšgājēja Lobačevska fiziskās un ģeometriskās idejas šokēja zinātnisko pasauli ar jaunām fundamentālām idejām par apkārtējo Visumu. Cik pārsteidzošiem gan jābūt superjaunajiem, dziļākas un vispārīgākas teorijas secinājumiem!

Amerikāņu teorētiskais fiziķis Judžins Pauls Vigners savā ievērojamajā grāmatā "Etīdes par simetriju" sadalīja visas mūsu zināšanas par fiziku trīs līmeņos. Pirmais ir informācija par dažādām parādībām, otrs - likumi, kas tos vieno, un visbeidzot, trešais, augstākais līmenis ir simetrijas, kas nodibina sakarības starp pašiem likumiem.

Fiziķi simetriju saprot kā materiāla sistēmas “pretestību” pret ārējām ietekmēm uz tās individuālajiem parametriem. Var runāt, piemēram, par simetriju attiecībā pret telpiskām nobīdēm, par visu dabas parādību simetriju, aizvietojot daļiņas ar antidaļiņām, par daļiņu īpašību simetriju attiecībā pret kāda veida mijiedarbību utt.

Tā lūk Vīgners uzskata, ka simetrija ir vissvarīgākā lieta fizikā. Un viņam ir grūti nepiekrist. Galu galā simetrija ir saistītas ar saglabāšanas likumiem, uz kuriem balstās visa fizikas zinātne. Saglabāšanas likumi nosaka ierobežojumus iespējamām sistēmas kustībām un tajā notiekošajiem procesiem. Lai izprastu šo procesu īpašības, to zināšana ir ārkārtīgi svarīga. Tēlaini izsakoties, simetrijas un saglabāšanas likumi darbojas kā dzelzs ietvars, uz kura balstās fizikālās teorijas veidošana.

Kolapsāra kandidāta emisija. Kā zināms pārbaudījums kvantu gravitācijas teorijai var kalpot Melnā cauruma starojuma noslēpums. Fiziķi ir izstrādājuši melnā cauruma modeli, kas izstaro enerģiju un elementārdaļiņas proporcionāli tā virsmas laukumam. Drīz vien slavenais angļu teorētiskais fiziķis Stīvens Hokings nonāca pie secinājuma, ka melnajiem caurumiem, īpaši maziem, jāizdala daļiņas un enerģija, lai gan vēlāk viņš nedaudz mainīja savus uzskatus.

Mūsdienu daļiņu fizikas pamatā ir simetrijas teorija, kas iemūžināja franču matemātiķa Evarista Galuā vārdu.

Tāpat kā D. I. Mendeļejeva periodiskā elementu tabula ļauj prognozēt elementu esamību ar specifiskām īpašībām, Galuā teorija ļauj prognozēt vēl nezināmu mikroobjektu īpašību esamību ar doto simetriju. Šādas teorijas priekšrocības ir grūti pārvērtēt! Tas ir tā, it kā mēs klaiņotu pa greizo spoguļu valstību un pēkšņi atradām burvju brilles un dīvaini izliektā, deformētā pasaule ieguva mums skaidras formas. Jaunu elementārdaļiņu multipletu atklāšana ir ļoti nozīmīgs notikums fizikā, kas rada eksperimentālu un teorētisku pētījumu lavīnu. Tie ir pagrieziena punkti fiziskās zinātnes attīstībā, kad tā savā rīcībā saņem jaunas Nezināmās pasaules karti. Bet, lai izmantotu šo karti, vispirms uz tās ir jānosaka attālumu un reljefa augstumu skala, tas ir, tā īpašā veidā jākalibrē.

Mēs jau zinām, ka pirms vairāk nekā četrsimt gadiem lielais Galileo Galilejs atklāja divu koordinātu sistēmu ievērojamo simetriju - stacionāro un tādu, kas vienmērīgi pārvietojas pa taisnu līniju. Fiziskie procesi te notiek pilnīgi vienādi. Atrodoties slēgtā vagonā, ar eksperimentiem nevar noteikt, vai tas stāv uz vietas vai pārvietojas vienmērīgi. Galileo izveidoja šo simetriju maziem ātrumiem un tikai mehāniskiem procesiem. Viņam nebija citu iespēju. Pagājušā gadsimta sākumā tika pierādīts, ka šī simetrija saglabājas jebkurā ātrumā, līdz pat lielākajam, tuvajam gaismas ātrumam un ne tikai mehāniskiem, bet vispār jebkuriem fizikāliem procesiem.

Vai ir iespējams atrast vēl vispārīgāku simetriju? Teorija it kā ierosina tās attīstības ceļu – atliek tikai atklāt vēl vienu simetriju, bet vienu tik vispārīgu, lai aptvertu visus mums zināmos matērijas veidus.

Mēs jau zinām, ka kvantu likumi, kas regulē mikroprocesus, ļauj pārraidīt tikai atsevišķas enerģijas porcijas. No otras puses, fiziķi jau sen ir atklājuši unikālu iekšējo “rotācijas” kustību elementārdaļiņās un nosaukuši to par spinu.

Tagad atgriezīsimies pie gravitācijas kvantu teorijas, kas balstās uz hipotēzi par gravitona - gravitācijas lauka kvanta - esamību. Gravitons ir līdzīgs fotonam – tā ir bezmasas daļiņa, kas pārvietojas ar gaismas ātrumu. Gravitonam vajadzētu izpaust savas unikālas īpašības ļoti mazos attālumos, mazāk nekā tūkstošdaļā no protona diametra. Gravitācijas lauks šādā mērogā iegūst pilnīgi jaunas iezīmes un kļūst par supergravitāciju. Einšteina teorija te vairs nav piemērojama. Šeit ir vajadzīga jauna teorija, kas apvienotu kvantu mehāniku, supersimetrijas ideju un vispārējo relativitātes teoriju. Tāda tiek veidota ar varonīgiem pūliņiem, ko veic starptautiska fiziķu komanda no daudzām valstīm. Tomēr galvenais šķērslis šīs ievērojamās teorijas attīstībai joprojām ir ticamu eksperimentālo datu trūkums.

SUPERGRAVITĀCIJAS TEORIJA

Reiz Einšteins jokojot izteicās, ka kopš matemātiķi sākuši uzbrukt viņa teorijai, viņš pats to vairs nesaprot. Bet, salīdzinot ar supergravitācijas teoriju, vispārējā relativitāte ir bērnu spēlīte! Varētu domāt, ka šodien un pārskatāmā nākotnē supergravitācijas teorijai būs tikai tīri spekulatīva vērtība, jo kad gan vēl mēs tiksim pie īpaši maziem mikroattālumiem, kur manāmu ieguldījumu dod gravitoni! Tomēr šai teorijai ir īpašība, kas, atklājot to, kļuva par īstu sensāciju un burtiski piesaistīja fiziķu uzmanību.

Lai saprastu, kas šeit notiek, atcerēsimies iepriekšējās nodaļās lasīto un pārcelsimies daudzus gadus atpakaļ, uz pagājušā gadsimta divdesmito gadu beigām, kad jaunradītā kvantu mehānika atrada arvien jaunus eksperimentālus apstiprinājumus un fiziķi bija iedvesmas un optimisma pilni.

Tajos tālajos laikos divi teorētiķi, vācietis Verners Heizenbergs un šveicietis Volfgangs Pauli, pielietoja jaunās kvantu teorijas idejas elektromagnētiskajam laukam. Teorija izrādījās pārsteidzoši eleganta un ļāva aprēķināt daudz jaunu efektu. Kvantu fizika svinēja kārtējo uzvaru. Šķita, ka ir iespējams izveidot vienotu matērijas un lauka teoriju, kas ar augstu precizitāti aprakstītu visas mikropasaules parādības.

Un tad pēkšņi izrādījās, ka elektrona masai, tā elektriskajam lādiņam un vairākiem citiem ar to saistītiem lielumiem jaunā teorija dod fiziski bezjēdzīgas, bezgalīgas vērtības!

Kvantu zinātne šajā nedabiskajā stāvoklī pastāvēja vairāk nekā pusgadsimtu. Tā spēja ar augstu precizitāti aprēķināt atomu un molekulu struktūru, precīzi paredzēt dažādu procesu iespējamību ar elementārdaļiņām un tajā pašā laikā burtiski piepildīta ar bezgalībām.

Palīgā nāca Supersimetrija. Izrādās, ka ar kvantu gravitāciju saistītās bezgalības viena otru atceļ. Tas jau bija izcils panākums. Pirmā kvantu fizikas joma, kurā tika uzvarēts un padzīts bezgalības ļaunais gars! Tagad radusies reāla cerība izveidot konsekventu elementārdaļiņu teoriju.

Tomēr rūpīgāki pētījumi parādīja, ka dažas bezgalības joprojām ir palikušas. Un te tika sperts vēl viens būtisks solis – tika izvirzīta hipotēze, ka pasaule mums apkārt neaprobežojas tikai ar mums zināmajām trīs dimensijām – garumu, platumu un augstumu – un tajā ir apslēptas citas telpiskas dimensijas, kuras mums nav redzamas.

Ja agrāk fizikas zinātne atgādināja arhipelāgu, tad tagad salas jau saplūdušas vienā kontinentā, ko stingri nostiprina simetrijas likumi. Tēlaini izsakoties, pasaules uzbūves formula ir atrasta. Fizikas rakstu virsrakstos atkal ir parādījies pat termins "visaptverošā teorija", kas kopš Einšteina laikiem ir daļēji aizmirsta,. Protams, fiziķi, kuri lieto šo terminu, saprot tā konvencionalitāti: pasaule ir pārāk daudzveidīga, lai to pilnībā aprakstītu ar vienu vai vairākām formulām. Mēs varam runāt tikai par ierobežotu tās apgabalu, kas jau ir izpētīts (25.krās att.).

Tātad ir vajadzīga ļoti dziļa teorētiska pieeja. Tieši šeit zinātnieki atcerējās dīvaino rezultātu, ko divdesmito gadu sākumā ieguva Kēnigsbergas Universitātē strādājošais poļu fiziķis Teodors Kaluca.

Tāpat kā citus zinātniekus, Kalucu ļoti iespaidoja Einšteina secinājums, ka, lai gan gravitācija ir fizisks spēks, tam tomēr ir tīri ģeometrisks raksturs, jo tas ir četrdimensiju telpas-laika izliekums. Bez gravitācijas tajā laikā bija zināms tikai vēl viens spēka veids - elektromagnētiskais, un Kaluca norādīja, ka arī tam ir kaut kāda ģeometriska izcelsme.

Rezultāts - pārsteidzošs un... nesaprotams! Viens no tādiem, par kuriem cilvēki saka, - vai nu tikai nejaušība, matemātisks joks vai ieskats kaut kur ļoti tālā procesā, kas vēl ir jāatklāj un jāsaprot. Einšteins, pirms apmierināja pieprasījumu, kuram Kaluca lūdza ieteikt viņa darbu fizikas žurnālam, divus gadus vilcinājās.

Šeit tad no noderēja vienotā superlauka teorija, kura visas sastāvdaļas ir brāļi un māsas. Balstoties uz Kaluca ideju, tos visus var uzskatīt par gravitāciju daudzdimensionālajā laiktelpā. Fizikā tā notiek bieži: šķietami nesaistīti virzieni attīstās, piedzīvo grūtības un nonāk strupceļā. Un pēkšņi kāds sapratīs, ka tās ir viena un tā paša procesa dažādas izpausmes, un katrā ir tieši tas, kas pietrūkst otram.

Bet kāpēc tad mēs papildu dimensijas nejūtam? Vai tik nenonākam pretrunā ar realitāti?

SLĒPTO DIMENSIJU MEKLĒJUMOS

Ir iespējams izdomāt pilnīgi neatkarīgu paralēlo pasauļu Visumu, no kurās katra kā gluda zīda lente atkārto visas sava kaimiņa līknes. Daudzi zinātniskās fantastikas rakstnieki jau ilgu laiku ir produktīvi izmantojuši šādas idejas.

Mūsu pasaulē nekas tāds nav novērojams (lai gan ik pa laikam var sastapt avīžu pīles par acumirklīgas telepātijas vai telekinēzes gadījumiem, ko it kā kāds kaut kur novērojis!). Visrūpīgākie eksperimenti ar elementārdaļiņām, kas veikti ar lielu precizitāti (un šajā gadījumā var sasniegt vislielāko precizitāti), neatklāja nekādus, pat vismazākos cēloņsakarību pārkāpumus.

Ir vēl kāds apsvērums, kas it kā pārliecinoši norāda, ka mūsu pasaulē nav ne ceturtās, ne augstākas telpiskās dimensijas. Angļu astrofiziķis Artūrs Edingtons pierādīja, ka tādā gadījumā atomu matērijas vispār nebūtu, jo pasaulēs, kuru dimensiju skaits ir lielāks par trim, elektriskie lādiņi mijiedarbotos pārāk spēcīgi. Tur esošie elektroni nevarētu palikt orbītā, un atomi "eksplodētu uz iekšu", sabruktu. Varbūt šādas savdabīgas pasaules eksistē kaut kur ārpus mūsu realitātes, taču mūsu Visumā atomi ir stabili un tāpēc, Edingtons secināja, tajā papildu telpisko dimensiju vienkārši nav. Tomēr tas vēl nenozīmē, ka mūsu pasaulē nav ceturtās dimensijas. Tā var atvērties tikai dziļi mikropasaulē, kur mēs vēl nevaram ieskatīties ar saviem instrumentiem.

Grūtības ar papildu telpiskajiem izmēriem bija galvenais iemesls, kāpēc fiziķiem bija aizdomas par Kalucas ideju. Pirmo nopietno mēģinājumu ar to tikt galā veica zviedru teorētiķis Oskars Kleins. Viņaprāt, ceturtā Kaluca postulētā telpiskā dimensija eksistē realitātē un mums nav jūtama tikai tāpēc, ka pasaulei šajā virzienā ir mikroskopiski mazs rādiuss, tas ir niecīgs noslēgts aplis. Ja mēs varētu virzīties tās virzienā, mēs nekavējoties atgrieztos sākuma punktā.

Lai gan ideja par augstākām telpiskām dimensijām ir hipotēze, kas nav apstiprināta ar eksperimentiem, fiziķu acīs tā izskatās pavisam pārliecinoša. Tā sola nocirst bezgalības pūķim galvas un kā Ariadnes pavediens ved fiziķus pie konsekventas un pašsaskaņotas matērijas un lauka teorijas. Grūti pat iedomāt, ka tik auglīga ideja varētu izrādīties tikai īslaicīga teorētiska himēra.

Pasaules hromosomas. Pagājušā gadsimta septiņdesmito gadu vidū fiziķi nonāca pie domas, ka, ja dabā var būt vēl mazāki objekti nekā gluoni un kvarki, tad arī tie ir jāsaista ar stīgām, kas neļauj tiem pārvietoties lielos attālumos un padara tos, tāpat kā kvarkus un gluonus, par mūžīgiem gūstekņiem kvarkos un pašos gluonos. Tos sāka saukt par stringiem (angļu valodā “string” nozīmē “stīga”). Drīz kļuva skaidrs, ka šādi intensīvu lauku kūļi var pastāvēt atsevišķi kā neatkarīgas "pasaules hromosomas".

Atcerēsimies, kas ir uzlādēts kondensators: tās ir divas metāla plāksnes un starp tām elektrisko spēka līniju slānis. Ja plāksnes tiek pārvietotas uz attālumu, kas ir daudz lielāks par to izmēru, slānis pārvērtīsies par spēka līniju saišķi.

Tam ir noteikta elastība, un to var saukt par elektriskā lauka stringu. Līdzīga magnētiskā stīga veidojas starp divām magnetizētām lodītēm. Ar nelielu dzelzs skaidiņu palīdzību to var padarīt redzamu un pārliecināties, ka, noliecot to uz vienu pusi, tā elastīgi atgūst formu.

Elementāro daļiņu izmēri ir tūkstošiem reižu lielāki nekā to kvarku izmēri, kas tos veido, tāpēc stringi tiek izstiepti arī starp kvarkiem - gluonu lauka stīgām. Tos var novērot daļiņu sadursmēs. Lauku stīgu veidošanās elementārdaļiņu pasaulē ir ļoti izplatīta parādība.

Tumšās matērijas un enerģijas pēdas. Tumšā enerģija ir tumša vismaz divās nozīmēs. Pirmkārt, tā ir neredzama - neizstaro gaismu, neuzsūc to un neatstaro. Otrkārt, tās fiziskā būtība un mikroskopiskā struktūra ir pilnīgi nezināma.A. D. Čerņins, "Tumšā enerģija mums apkārt"

Stringi var pārtrūkt un salipt kopā, radot sekundāros un parasekundāros stringus. Šajā gadījumā tiek veidoti slēgti stīgu gredzeni un sarežģītākas savijušās figūras. Stringi ir objekti ar ļoti sarežģītu ģeometriju. Taču pats galvenais ir tas, ka, tāpat kā tas notiek ar ģitāras stīgu, tajos var ierosināt vibrācijas - dažādus lauka obertoņus. Un tāpat kā skaņas viļņi, šie virstoņi atdalās no vibrējošā stringa un izplatās apkārtējā vakuumā kā viļņi.

"Tumšie gravitācijas koncentrāti" un pirmās galaktikas. Visuma "tumšais laikmets" beidzās ar gaismas un tumšās matērijas gravitācijas graudu veidošanos, no kuras vēlāk parādījās pirmās galaktikas.

Interesanti, ka sākumā lielākā daļa fiziķu jauno teoriju uztvēra ar neuzticību. Atbrīvojusi no bezgalības, tā atnesa sev līdzi vēl vienu grūti saprotamu trūkumu: parādījās tahioni un gari. Tahioni - daļiņas, kas pārvietojas ar ātrumu, kas lielāks par gaismas ātrumu. Šādas daļiņas nekad nav novērotas ne tieši, ne netieši. Un, ja tās pastāvētu un, kā paredzēja jaunā teorija, varētu izstaroties lielos attālumos, tas radītu virkni pārsteidzošu parādību, kas nekad dabā nav novērotas. Vēl nesaprotamāki veselajam saprātam ir tā sauktie gari. Vienkārši nav iespējams izskaidrot, kas tas ir ar ikdienas terminiem un jēdzieniem, un paši teorētiķi sliecas uzskatīt, ka šis jēdziens mūsu fizikā skaidri ienācis no “cita”, paralēla Visuma.

Fizika lielā mērā attīstījās kā eksperimentāla zinātne, un tikai pagājušais gadsimts deva impulsu tās teorētiskās daļas attīstībai. Laikam ejot, fizikas eksperimenti kļuva sarežģītāki un dārgāki, tāpēc fiziķiem arvien biežāk nācās aptvert  dabas parādību slēpto nozīmi, izmantojot matemātiskās abstrakcijas. Tomēr diezgan drīz, pagājušā gadsimta otrajā pusē, teorētiķu fizikas un matemātiskais avangards tik tālu atdalījās no pētnieku lielākās daļas, ka praktiski zaudēja kontaktus ar viņiem. Taču šī zinātnieku grupa tikās ar saviem kolēģiem – matemātiķiem, kuri ar matemātisko modeļu palīdzību risina dažādas reālas problēmas, un kopā ar viņiem metās iekarot jaunas zinātnes virsotnes.

Lai gan mēs bieži runājam par zinātniskās domas drosmi un bezgalīgiem fantāzijas lidojumiem, mūsu idejas, pat visfantastiskākās, būtībā nesniedzas pārāk tālu ārpus mums pierastās pasaules robežām. Tas ir acīmredzams arī teorētiskajā fizikā, neskatoties uz visām tās mūsdienu koncepciju neparastajām īpašībām. Piemēram, daudzdimensionālās pasaules dažos aspektos tiek uzskatītas par kaut ko ļoti līdzīgu mūsu četrdimensiju Visumam, tikai ar lielāku koordinātu skaitu. Slavenais amerikāņu fiziķis un Nobela prēmijas laureāts Stīvens Veinbergs vienā no saviem rakstiem ironiski atzīmēja, ka šādas idejas ir līdzīgas pārliecībai, ka, saskaroties ar kosmisko saprātu, mēs sastapsim ja ne mazus zaļus cilvēciņus, tad kaut ko līdzīgu vabolēm, astoņkājiem vai kādām citām Zemes būtnēm.

TUMŠĀ MATĒRIJA

Viens no pārsteidzošākajiem mūsdienu dabaszinātņu paradoksiem ir tas, ka mums nav ne mazākās nojausmas, no kā sastāv lielākā daļa apkārtējās matērijas. Pagājušā gadsimta vidū astronomi sāka arvien vairāk pārliecināties, ka kosmosa dzīlēs notiek kaut kas nesaprotams, kas saistīts ar kādas slēptas masas klātbūtni Megagalaktikā, ko vēlāk nosauca par tumšo matēriju. Kopš tā laika astronomu, kosmologu un teorētisko fiziķu (dažkārt tiem pievienojas filozofi) diskusijas par tumšās matērijas izcelsmi un dabu nav norimušas. Strīdi par tumšās matērijas sastāvu un lomu universālajos procesos īpaši spēcīgi uzliesmoja pagājušā gadsimta pēdējā ceturksnī, kad vairāki astronomi detalizēti pētīja milzu spirālveida galaktiku rotācijas dinamiku. Šeit atklājās vēl viens kosmisks paradokss, kas no pirmā acu uzmetiena pārkāpj debess mehānikas likumus. Fakts ir tāds, ka salīdzinoši lielam rotācijas ātrumam (pēc kosmiskajiem standartiem) metagalaktikai "zvaigžņu salas" vajadzēja pārvērst par sava veida galaktiskām centrifūgām, kuras izmet uz perifēriju vieglā starpzvaigžņu ūdeņraža masas. Tad lūk šādu mikroskopisku izmešu spektrālais starojums, kas aptver galaktiku nomales kā tīklā, parāda, ka tie griežas daudz ātrāk, nekā vajadzētu. Izrādās, ka galaktikas daļas rotē nevis kā Saules sistēmas planētas – pēc Keplera likumiem, bet gan kā noteiktas telpiskas galaktikas “cietā ķermeņa” daļas, kuras “sacementējusi” tumšās vielas gravitācija (26. krās att).

Vispārīgi runājot, Metagalaktikas matērijas tumšajā daļā var būt arī parastie debess ķermeņi, kas neizstaro savu starojumu, piemēram, milzu gāzes planētas, līdzīgas Jupiteram, Saturnam, Neptūnam un Urānam.

To esamību ticami apstiprina unikālie Habla kosmiskā teleskopa attēli [2],  uzņemti, pamatojoties uz tuvējo zvaigžņu spožuma novērojumiem no Zemes. Veicot šādus novērojumus, astronomi dažkārt pamana daļējus zvaigžņu aptumsumus, kad no tām pie mums nākošos gaismas starus šķērso lielas planētas. Par apstiprinātu var uzskatīt arī tādu starpzvaigžņu aptumsumu ķermeņu esamību, kuriem nav savas radiācijas enerģijas novērojamajā diapazonā.

Pēdējā laikā lielākā daļa zinātnieku nonākuši pie secinājuma, ka gandrīz uzreiz pēc Lielā sprādziena radās tieši slēptā masa kopā ar vēl noslēpumaināko tumšo enerģiju, kad mums pazīstamās elementārdaļiņas un lauki vēl nepastāvēja. Degvielu debašu ugunim par tumšās matērijas dabu papildināja pagājušā gadsimta beigās veiktais atklājums, kas skaidri parādīja, ka galaktikas - Lielā sprādziena fragmenti - ne tikai nepalēnina savu paātrinājumu, pārvietojoties "uz augšu", bet, gluži pretēji, turpina palielināt ātrumu. Zinātnieki to visu saista ar neatklāto "tumšo" daļiņu ietekmi, kas piepilda Visumu.

Pateikt kaut ko precīzāk  par mūsu Visuma materiālo pamatu joprojām ir ļoti grūti. Galu galā tā ļoti vāji mijiedarbojas ar dažāda veida starojumu, piemēram, radioviļņiem, infrasarkano starojumu, ultravioleto un īpaši redzamo gaismu, kas arī izskaidro tās nosaukumu. Tomēr, tāpat kā “parastajai” matērijai, arī Visuma tumšajai sastāvdaļai ir ļoti specifiska masa, kas gravitācijas ceļā mijiedarbojas ar “parasto” zvaigžņu, planētu, un citu debess ķermeņu, kā arī gāzes un putekļu miglāju vielu.

Spirālveida galaktikas spektrs. Ja visa spirālveida galaktikas matērija būtu koncentrēta tās zaros, kur mēs novērojam redzamās zvaigznes, tad, attālinoties no galaktikas masas centra, ūdeņraža atomi, paklausot Keplera trešajam likumam, virzītos arvien lēnāk. Astrofiziķiem tomēr izdevās eksperimentāli noteikt, ka jebkurā attālumā no galaktikas centra ūdeņradis pārvietojas ar nemainīgu ātrumu. Varētu šķist, ka tas  "pielīmēts" pie milzīgas rotējošas sfēras, kas sastāv no kādas neredzamas "tumšas" matērijas.

Arvien biežāk tiek piedāvāti mūsu pasaules agrīnās evolūcijas scenāriji, kuros galvenā loma kā primārajiem "gravitācijas graudiem" ir tumšajai matērijai. Tieši šādi “tumšie gravitācijas koncentrāti” var izraisīt lokālu telpiskās enerģijas blīvuma pieaugumu. Pārmērīgais gravitācijas blīvums šādos jaundzimušās pasaules apgabalos piesaistītu visu apkārtējo vielu, kļūstot par nākotnes galaktiku sēklām.

Mūsdienās lielākā daļa astrofiziķu ir vienisprātis, ka Visuma neredzamās matērijas masa ne tuvu neaprobežojas ar parasto debess ķermeņu un izkliedēto miglāju slēpto masu. Tā pat saņēma īpašu nosaukumu: "vāji mijiedarbojošas masīvas daļiņas". Teorētiski tām nevajadzētu izpausties mijiedarbībā ar gaismu un citu elektromagnētisko starojumu, piedevām, mūsu Galaktiku no visām pusēm varētu ieskaut sfērisks šādu daļiņu apvalks. Zemei savas kustības dēļ pastāvīgi jāatrodas “slēpto daļiņu vēja” ietekmē, un ir pilnīgi iespējams, ka laika gaitā kāda no šāda “tumšā vēja” daļiņām mijiedarbosies ar kādu no Zemes atomiem un ierosinās tās reģistrācijai nepieciešamās vibrācijas. Laboratorijas, kas veic šādus eksperimentus, jau ziņo, ka ir saņēmušas pirmos mājienus, kas apstiprina sešu mēnešu pusperioda reālo pastāvēšanu signālu reģistrēšanas biežumā par anomāliem šīs sērijas notikumiem. Tas ir tieši tas, ko vajadzētu sagaidīt, jo sešus mēnešus Zeme virzās pa Saulei tuvu orbītu pretī slēpto, tumšo daļiņu vējam, un turpmākajos sešos mēnešos vējš pūš “no muguras” un daļiņas uz Zemi lido retāk (27. krās att.).

Aukstā tumšā matērija pie tālām galaktikām. Masīvas vājās mijiedarbības daļiņas ir piemērs tam, ko parasti sauc par aukstu tumšo matēriju, jo tās ir smagas un lēnas. Tiek uzskatīts, ka tām galaktiku veidošanā agrīnajā Visumā ir bijusi nozīmīga loma. Daži zinātnieki arī uzskata, ka vismaz daļa tumšās matērijas pastāv kā ātras vājas mijiedarbības daļiņas, piemēram, neitrīno, kas ir karstās tumšās matērijas piemērs.

Galvenā problēma šeit ir tā, ka pat pirms atomu veidošanās, aptuveni pirmos trīs simtus tūkstošus gadu pēc Lielā sprādziena, Visums atradās protoplazmas stāvoklī. Jebkurš mums pazīstams matērijas kodols sadalījās, pirms paspēja izveidoties, visspēcīgākajā bombardēšanā no karstas, īpaši blīvas, necaurspīdīgas plazmas pārkarsētām daļiņām. Pēc Visuma izplešanās vielu atdalošās telpas caurspīdīgums līdz zināmai pakāpei palielinājās, un beidzot sāka veidoties vieglie atomu kodoli. Taču līdz tam Visums bija izpleties tik daudz, ka gravitācijas pievilkšanās spēki vairs nespēja neitralizēt Lielā sprādziena fragmentu izkliedes kinētisko enerģiju, un teorētiski visai matērijai vajadzēja izkliedēties, neļaujot veidot stabilas galaktikas, kuras mēs novērojam.

Tāds ir īpatnējais “galaktiskais paradokss”, kas ilgu laiku apšaubīja pašu Lielā sprādziena teoriju.

Jautājums par tumšās matērijas esamību vēl nesen tika zinātnieku vidū izraisījis karstas debates. Daži teica, ka tas ir rēgains mīts, savukārt citi, gluži pretēji, uzskatīja, ka tā pastāvēšana ir pilnīgi dabiska. Bija nepieciešami pārliecinoši pierādījumi šīs neredzamās matērijas novērošanai, un viens no pirmajiem mēģinājumiem galaktiku kopu gravitācijas mijiedarbības pētījumos tika veikts, izmantojot rentgena kosmisko observatoriju "Čandra".

Šīs grandiozās kosmiskās struktūras veidojās pirms simtiem miljonu gadu, kad savstarpējas iespiešanās rezultātā atsevišķas galaktikas sāka iekļūt viena otrā ar ātrumu aptuveni pieci tūkstoši kilometru sekundē, lai galu galā parādītos pašreizējā formā. Kad tik lielas masas iekļūst viena otrā, gravitācijas svārstības kļūst neizbēgamas, mainot atsevišķu kopas dalībnieku un gāzes mākoņu kustības virzienu un ātrumu.

Bet tas, kādas daļiņas tumšo matēriju veido, joprojām nav zināms. Var tikai apgalvot, ka tās nav parastas daļiņas, no kā sastāv mums apkārt esošie objekti, kā arī planētas, zvaigznes (un mēs paši); tas ir, tie nav protoni, neitroni un nav elektroni.

Fundamentālā fizika kā tumšās matērijas daļiņu kandidātus var piedāvāt tikai hipotētiskas daļiņas, kuras nekad nav novērotas laboratorijā. Visticamāk, tām jābūt ārkārtīgi masīvām, tūkstošiem reižu pārsniedzot protona masu. Tām nevajadzētu būt elektriskam lādiņam, un tām vispār nevajadzētu piedalīties elektromagnētiskajā mijiedarbībā. Tām arī nevajadzētu piedalīties stiprajā kodolenerģijas mijiedarbībā; tām ir atļauta tikai vāja kodolenerģijas mijiedarbība, kas ir atbildīga par atomu kodolu radioaktīvo sabrukšanu, un, protams, gravitācijas mijiedarbība.

TUMŠĀ ENERĢIJA

Vēl dīvaināka viela par tumšo matēriju ir tumšā enerģija. Atšķirībā no masīvu vājas mijiedarbības daļiņu kopumiem, tumšā enerģija vienmērīgi “izkliedējas” visā mūsu Visumā, vienmērīgi aizpildot gan galaktiku kopas, gan tukšās starpgalaktiskās spraugas telpā. Pats neparastākais ir tas, ka tumšā enerģija savā ziņā ir saistīta ar antigravitācijas efektiem. Mūsdienu astronomiskās metodes var ne tikai izmērīt pašreizējo Visuma izplešanās ātrumu, bet arī noteikt, kā tas laika gaitā ir mainījies. Tātad astronomiskie novērojumi liecina, ka, sākot ar neseno pagātni, Visums sāka paplašināties ar pieaugošu paātrinājumu, it kā būtu ieslēgts kāds hipotētisks antigravitācijas ģenerators. Parastajai gravitācijai laika gaitā vajadzētu radīt pretēju efektu - galaktiku bēgšanas palēnināšanos.

Ievērojams tumšās enerģijas pētnieks, kuram ir savi oriģinālie uzskati par tās izcelsmi un evolūciju, profesors Arturs Davidovičs Čerņins uzskata, ka šāda aina būtībā nav pretrunā ar vispārējo relativitātes teoriju, taču šai tumšajai enerģijai ir jāpiemīt īpašībai – negatīvam spiedienam. Sis spiediens to krasi atšķir no zināmajām matērijas formām un padara tās dabas izpēti par vienu no galvenajiem mūsdienu fundamentālās fizikas uzdevumiem.

Tiesa, mūsu pasaules paātrinātajai paplašināšanai ir arī citi skaidrojumi, kas balstīti uz pieņēmumu, ka kosmoloģiskos attālumos un kosmoloģiskajos laikos mainās paši gravitācijas likumi.

No šādām hipotēzēm izriet tālejoši secinājumi par acīmredzamu pašas vispārējās relativitātes teorijas ierobežojumu. Acīmredzot, ja tāda vispārināšana vispār ir iespējama, tā tiks saistīta ar ideju par telpas papildu dimensiju esamību papildus trim dimensijām, kuras mēs uztveram ikdienā.

Diemžēl pašlaik nav zināmu veidu, kā tieši eksperimentāli pētīt tumšo enerģiju Zemes apstākļos. Tas, protams, nenozīmē, ka nākotnē nevarētu parādīties jaunas spožas idejas šajā virzienā, taču šodien cerības noskaidrot tumšās enerģijas būtību (vai, plašākā nozīmē, Visuma paātrinātās izplešanās cēloni) ir saistītas tikai un vienīgi ar astronomiskiem novērojumiem un jaunu, precīzāku kosmoloģisko datu iegūšanu.

Iepriekš tika uzskatīts, ka galaktiku izkliedēšanās var palēnināt tikai to gravitācijas ietekme. Bet paātrinājums nozīmē, ka dabā pastāv ne tikai universālā gravitācija, bet arī universālā antigravitācija, kas novērojamajā Visumā dominē pār gravitāciju. Antigravitāciju rada nevis galaktikas (ar tām ierasto gaismas barionu vielu un tumšo vielu), bet gan kāda īpaša kosmiskā enerģija, kurā ir iegremdētas visas pasaules galaktikas. Šī tumšā enerģija, kā to tagad visbiežāk sauc, ir tā, kas rada antigravitāciju.

Vienā no saviem jaunākajiem darbiem profesors A.D. Čerņins uzsver, ka ir pilnīgi iespējams strādāt ar tumšo enerģiju un pētīt tās lomu reālajā pasaulē. Tomēr, lai to izdarītu, ir jāpieņem daži sākotnējie pieņēmumi, vismaz minimāli, par tās īpašībām. Vienkāršākā (un, šķiet, ticamākā) no pašlaik apspriestajām iespējām saista tumšo enerģiju ar kosmoloģisko konstanti.

Šo universālo konstanti kosmoloģijā ieviesa Einšteins, kad viņš izmantoja savu jaunizveidoto vispārējo relativitātes teoriju, lai pētītu pasauli, kas tiek uzskatīta par vienotu veselumu. Einšteins atrisināja šo problēmu un uzrādīja rezultātu Visuma fiziskā un matemātiskā modeļa veidā. Modelis aprakstīja Visumu kā statisku, mūžīgu un nemainīgu kā veselu fizisku sistēmu.

Einšteina Visumā visu dabisko ķermeņu pievilkšanās vienam pie otra... nebija. Ņūtona universālā gravitācija tomēr netika atcelta; Bet papildus tam Einšteina modelī darbojās vēl viens spēka faktors – universālā antigravitācija, kas pilnībā kompensēja kosmisko ķermeņu savstarpējo gravitāciju visa Visuma mērogā.

Ļoti tālas supernovas sprādziens

Tumšā enerģija tika atklāta, novērojot tālu supernovu. Supernovas sprādzieni ir novērojami ļoti lielos kosmiskos attālumos, un to spilgtuma izmaiņas ļauj noteikt attālumu līdz tiem. Izrādījās, ka spilgtuma samazināšanās notiek nedaudz ātrāk, nekā varētu sagaidīt no standarta kosmoloģiskās teorijas. Bet tas ir iespējams, ja Visuma izplešanās notiek ar paātrinājumu, tas ir, kad gaismas avota ātrums, kas attālinās no mums, nevis samazinās, bet laika gaitā palielinās. Iemesls šim noslēpumainajam mūsu pasaules paātrinātās paplašināšanās efektam ir saistīts ar noslēpumaino tumšo enerģiju.

Iepriekšējā pirmseinšteina fizika neko tādu nezināja. Bet antigravitācija faktiski neizriet no vispārējās relativitātes teorijas. Tā bija pilnīgi jauna ideja. Tomēr tā organiski un ārkārtīgi ekonomiskā veidā tika ieviesta vispārējās relativitātes teorijas struktūrā, tās matemātiskajos vienādojumos. Antigravitācija šajos vienādojumos tika attēlota tikai ar vienu un nemainīgu fizisko lielumu, kas vēlāk saņēma kosmoloģiskās konstantes nosaukumu. Tā nodrošināja kompensāciju par universālo gravitāciju Einšteina modelī, bez tā teorija nepieļautu pasaules statisko dabu.

Lielākā daļa mūsdienu kosmologu, kā arī profesors Čerņins viennozīmīgi saista kosmoloģiskās konstantes fizisko nozīmi ar vakuuma parametriem, uzskatot, ka astronomu atklātā tumšā enerģija ir vakuuma enerģija.

Ir bijuši ieteikumi, ka tajā ir paslēpts negatīvs spiediens, izraisošs spēka rašanos un papildu galaktiku atgrūšanos. Bet pati vakuuma struktūra no fiziskā viedokļa ir tīri hipotētiska.

Protams, vakuuma negatīvais spiediens ir pilnīgi neparasta parādība no visiem viedokļiem, jo spiediens šķidrumā vai gāzē parasti ir pozitīvs. Tiesa, apkārtējā dabā ir arī piemēri negatīvam spiedienam viesuļvētru iekšienē vai liela apjoma munīcijas sprādziena laikā, taču tas prasa īpašus apstākļus, lai gan nav arī nekas ārkārtējs. Tomēr vakuuma negatīvais spiediens ir tā galvenā un ekskluzīvā īpašība.

Tumšās matērijas un enerģijas ietekme uz Visuma evolūciju

Pēdējos gados ir parādījušies dati, ka tumšās un parastās matērijas summa veido tikai trešo daļu no Visuma kopējās masas. Trūkstošie septiņdesmit procenti no Metagalaktikas tika saistīti ar tā saukto lambda terminu no Einšteina vienādojumiem, kas ilgu laiku tika uzskatīts par izcilā zinātnieka galveno kosmoloģisko kļūdu. Tas ir matemātisks apraksts visvienkāršākajam konkrētajam tumšās enerģijas gadījumam. Tajā pašā laikā tika atklāta vēl pārsteidzošāka īpašība: tumšā enerģija darbojas kā antigravitācija, liekot Visumam izplesties arvien ātrāk.

Pati vakuuma antigravitācijas izpausmes iespēja izriet no Einšteina gravitācijas teorijas, jo saskaņā ar to, gravitāciju rada ne tikai vides blīvums, bet arī tās spiediens. Tātad efektīvais blīvums, kas rada gravitāciju, sastāv no divām sastāvdaļām. No šejienes rodas vakuuma antigravitācija: negatīvais efektīvais blīvums rada antigravitācijas efektu. Izrādās, ka, ievietojot vakuumā divas daļiņas, tās sāks lidot tā, it kā universālā vakuuma antigravitācija mēģinātu tās attālināt vienu no otras.

Tagad mēs zinām, ka novērojama Visuma paplašināšanās paātrinās un tā turpināsies bezgalīgi – nekas to nevarēs apturēt. Šajā gadījumā ne-vakuuma komponenta - matērijas un starojuma - vidējais blīvums izplešanās laikā tikai samazināsies. Bet tas nozīmē, ka tā radītā gravitācija nekad vairs nedominēs Visumā. Vakuuma pārsvars tikai palielināsies, un galaktiku izplešanās notiks arvien ātrāk (28. krās att.).

VISUMA PAPLAŠINĀŠANĀS

No Visuma nākotnes pievērsīsimies tā pagātnei. Ja atskatīsimies pagātnē, redzēsim, ka matērijas blīvums pagātnē bija lielāks nekā tagad. Agrīnā izplešanās laikmetā tas pārsniedza vakuuma blīvumu. Visuma vēsturē bija arī brīdis, kad matērijas blīvums bija vienāds ar vakuuma efektīvo blīvumu. Šajā brīdī matērijas gravitāciju precīzi kompensēja vakuuma antigravitācija: tas bija nulles paātrinājuma brīdis pasaules dinamiskajā vēsturē.

Var teikt, jo vairāk paātrinās kosmoloģiskā izplešanās vakuuma antigravitācijas ietekmē, jo mūsu pasaule kopumā nokļūst tuvāk absolūtam nemainīgumam un pilnīgam mieram. Šādā pasaulē visi notikumi nav atšķirami, kas nozīmē, ka tajā nekur nekas nenotiek, un tāpēc šāda pasaule kopumā ir mūžīga un nemainīga. Šāda pasaule atgādina Einšteina modeļa statisko pasauli. Bet Einšteina modelī miers tika panākts ar matērijas gravitācijas un vakuuma antigravitācijas līdzsvaru. Vakuuma pasaulē tāda līdzsvara nav, jo vakuuma antigravitāciju nekas nelīdzsvaro, un tomēr arī šī pasaule atrodas miera stāvoklī. Izrādās, ka miers ne vienmēr nozīmē spēku līdzsvaru - ja mēs runājam par vakuumu, tas nav nepieciešams. Būdams pats nemainīgs, viņš padara pasauli nemainīgu – ja nav citu spēku.

No visiem šiem datiem un apsvērumiem paveras vienkāršs priekšstats par Visuma tuvo tilpumu. Tā galvenās iezīmes ir šādas: no tā bēg lokālās galaktiku grupas centrālā masa un tuvējās galaktikas, un tas viss iegremdēts kosmiskā vakuuma viendabīgajā tumšajā enerģijā. Pietiekami lielos attālumos no Vietējās grupas tā gravitāciju, salīdzinot ar vakuuma tumšās enerģijas antigravitāciju, var pilnībā neievērot. Šādos attālumos galaktikas pārvietojas uz pilnīgi regulāra vakuuma fona, kas tās paātrina. Tādējādi visa Visuma globālā izplešanās un galaktiku lokālā izplešanās tuvējā tilpumā izrādās dinamiski līdzīga un saistīta – pateicoties vakuuma tumšajai enerģijai.

Jaunu eksperimentālu pierādījumu meklēšana par tumšās enerģijas klātbūtni un mēģinājumi teorētiski izprast to rezultātus šodien ir kļuvuši par veselu kosmoloģisko nozari, kas ietver plašu pētījumu klāstu visā laika spektrā no agrīnā līdz mūsdienu Visumam. Ir daudzas pazīmes, ka tumšās enerģijas stāvokļa vienādojums laika gaitā ir mainījies, tāpēc, lai rekonstruētu pietiekami pilnīgu priekšstatu, ir jāuzkrāj informācija, kas attiecas uz visiem Visuma evolūcijas laikmetiem. Tādā veidā kosmologi iegūs informāciju par Visuma izplešanās palēnināšanos matērijas pievilkšanās dēļ un par tās paātrināšanos tumšās vakuuma enerģijas ietekmē dažādos vēstures periodos, tāpat kā informāciju par klimata pārmaiņām uz Zemes iegūst no gredzenu platuma novērojumiem uz koku celmiem.

Šeit noteicošā loma ir supernovām, kuru redzamais spilgtums ļauj diezgan precīzi spriest par to attālumu no mums un līdz ar to sprādziena brīdi, bet sarkanā nobīde spektros nav nekas cits kā Visuma izmēru attiecība šobrīd un tajā laikā. Kopā tie sniegs pilnīgu priekšstatu par Visuma evolūcijas būtību. Vēl viena daudzsološu pētījumu joma ietver datu uzkrāšanu par pieaugošo liela mēroga struktūru veidošanās ātrumu Visumā, piemēram, galaktiku kopām. Visas šīs grandiozās programmas īstenošana ir tuvāko gadu kosmoloģijas pamatuzdevums. Turpmākiem pētījumiem būtu jāierobežo arī patvaļa dažādu teorētisko modeļu parametru izvēlē un precīzāk jāparedz mūsu Visuma liktenis, tostarp, iespējams, aplēse par laiku, kas atlicis līdz "Pēdējam kosmiskajam spriedumam".

Tumšās enerģijas paradoksālās un pat nedaudz pretrunīgās īpašības deva fiziķiem pamatu jauno lauka vielu nosaukt ar seno dabas filozofu arhaisko terminu - kvintesence. Tas nozīmē, ka šis ir kaut kāds jauns fundamentāla rakstura universāls lauks, bet patiesībā tie pagaidām ir tikai tīri spekulatīvi apsvērumi. Ir arī citas, diezgan eksotiskas hipotēzes, ka gravitācija lielos attālumos nepakļaujas relativitātes teorijai. Taču līdz šim nav bijis iespējams izveidot iekšēji konsekventu teorētisko modeli šādu novatorisku ideju robežās. Teorētiķi arī nevar piedāvāt eksperimentētājiem nekādus saprātīgus eksperimentālus testēšanas projektus. Kopumā šāda situācija, kad nav pilnīgi nekādu redzamu veidu, kā vismaz atsevišķas teorijas daļas pārbaudīt laboratorijā, fizikai ir visai neparasta, varētu pat teikt, dīvaina.

Tomēr kosmoloģijā pastāv hipotēze, ka, lai gan tā sīkāk neizskaidro tumšās enerģijas būtību, pirms vairākiem gadu desmitiem paredzēja līdzīgas enerģētiskās matērijas esamību. Tasir Visuma paplašināšanās inflācijas scenārijs, par kuru mēs jau runājām. Ņemot vērā pēdējo gadu atklājumus, inflācijas hipotēze ir guvusi ievērojamu apstiprinājumu, un daži astrofiziķi uzskata, ka tā ir diezgan spējīga radīt kosmoloģijā sava veida revolūciju. Inflācijas scenārija būtība ir šāda. Papildus elektromagnētisko lauku intensitātes svārstībām ir arī gravitācijas lauka enerģijas svārstības. Arī šīm svārstībām vajadzēja palielināties, Visumam izplešoties un pārvēršoties gravitācijas viļņos. Teorētiski tos varētu konstatēt, analizējot relikto starojumu. Un tad tas būtu inflācijas hipotēzes pēdējais triumfs. Pati hipotēze saka, ka Visums pirms Lielā sprādziena bija daļa no kaut kā daudz lielāka.

Gravitācijas viļņu izcelsme. Šobrīd novēroto paātrināto Visuma izplešanos var attēlot kā milzīgus laiktelpas viļņus, kuru mērogs pārsniedz Visuma redzamās daļas izmērus. Šeit pietiek atcerēties, ka Einšteina gravitācijas teorija pilnībā pieļauj sava veida gravitācijas viļņu “mirušās viļņošanās” pastāvēšanu Visuma evolūcijas sākumposmā. Kosmoloģiskais scenārijs tad varētu būt tāds, kurā kosmosa-laika viļņošanās, kas veidojās mūsu pasaules agrākajā dzimšanas posmā, galu galā pārvēršas milzu gravitācijas viļņos, kas paātrina tālo galaktiku bēgšanu.

Šis “kaut kas” vienmēr ir pastāvējis un eksistē, un matērija tajā atrodas bezstruktūras stāvoklī – nav ne atomu, ne daļiņu. Tad mūsu šī “kaut kā” gabals sāka strauji uzbriest un sekundes daļā no mikroskopiskā kļuva gigantisks: Visums izstiepās un kļuva lielāks, nekā mēs redzam. Tas joprojām ir lielāks, jo mēs redzam mazāk nekā vienu simtdaļu no tā.

Ja uzskatām, ka galvenais iemesls telpas-laika paplašināšanās paātrinājumam ir tumšā enerģija, tad mūsu pasaules nākotne ir tieši atkarīga no tās stabilitātes. Ja noslēpumainā antigravitācijas kvintesence ir stabila, tad pēc ļoti konkrēta perioda visa redzamā telpa paplašināsies tik tālu, ka citas galaktikas pazudīs aiz Metagalaktikas apvāršņa un nākotnes astronomi tās vairs nekad neredzēs. Šajā gadījumā mūsu Galaktika iegūs milzu melnā cauruma formu, kurā sava dzīves ceļa beigās saplūdīs lielās centrālās daļas zvaigznes, kopā ar izdzisušajām perifērijas zaru zvaigznēm. Bet, ja tumšā enerģija ir nestabila, tad rodas optimistiskākas nākotnes prognozes.

Protams, mūsdienu futurologi vēlētos pafantazēt par tumšās kvintesences noslēpuma atminējumu, bet šeit izteikt zinātniskas prognozes vēl ir pāragri. Tomēr nav šaubu, ka, ja tumšā enerģija tiks atklāta laboratorijas apstākļos, fiziķi un inženieri noteikti atradīs tai praktisku pielietojumu. Piemēram, no antigravitējošas vielas būtu pilnīgi iespējams uzbūvēt kaut kādas subtelpas tārpejas, izmantot tās T-agregātos un tuneļos, kas ļautu acumirklī nokļūt citās pasaulēs... Tiesa, mūsdienu sapņotājus nedaudz nomāc astronomu aplēses par tumšās enerģijas blīvumu Visumā, kas nodrošina tās paātrināto izplešanos, ja tumšā enerģija izplatīta vienmērīgi, tad izplešanās rezultāts ir vienāds: 10-29 g/cm3. šāds blīvums atbilst tikai desmit parastas vielas atomiem vienā kubikmetrā. Pat ļoti retinātā starpzvaigžņu gāze ir vairākas reizes blīvāka. Tātad, ja šis ceļš uz laika mašīnas izveidi var kļūt reāls, tas būs ļoti, ļoti ilgs.

Astronomiem antigravitācijas kvintesences atklāšana sagādāja ne tikai zinātniskā atklājuma prieku, bet arī daudzas grūti atrisināmas problēmas. Tādējādi tika apdraudēts laika pārbaudītais Lielā sprādziena modeļa izstrādes standarta scenārijs. Tajā pašā laikā ir diezgan daudz skeptiski noskaņotu zinātnieku, kuri atsakās ticēt tumšās enerģijas eksistencei un tās izraisītajai kosmosa paātrinātajai paplašināšanai. Tagad var teikt, ka apbrīnojamās kvintesences atklāšana pārsteidza ne tikai astronomus, bet arī teorētiskos fiziķus, kas pieraduši pie visdažādākajiem dabas pārsteigumiem, šķiet, ka sākotnēji viņiem vienkārši nebija ko piedāvāt. Pagaidām skaidrs ir viens: nenozīmīgu mūsu pasaules daļu veido parasta matērija, tostarp mums zināmas un nezināmas daļiņas, un lielākā daļa no tām ir vakuumam līdzīga enerģija, kas vienmērīgi sadalīta visā Visumā.

DESMITĀ NODAĻA SUBTELPAS SUPERĪPAŠĪBAS

Kāpēc šobrīd novērotā pasaules trīsdimensiju (vienlaicīgā) telpa ir gandrīz plakana? Tā ir viena no klasiskajām kosmoloģijas problēmām, kas tika izvirzīta jau pirms trīsdesmit - četrdesmit gadiem. Kā izrādās, aiz redzamās gandrīz eiklīda Visuma telpas patiesībā slēpjas līdzsvars starp matērijas gravitāciju un tumšās enerģijas antigravitāciju. Šo līdzsvaru kontrolē enerģiju iekšējā simetrija, kas pilnībā izslēdz jebkādas būtiskas novirzes no eiklīda rakstura telpas pašreizējā laikmetā, kā arī jebkurā pagātnes vai nākotnes mirklī.

A. D. Čerņins, "Visuma iekšējā simetrija"

Objektīvajā pasaulē nekas nenotiek, viss vienkārši pastāv. Tikai manas apziņas skatienam slīdot pa mana ķermeņa dzīvības līniju (pasaules līniju), šī pasaules daļa man atdzīvojas kā acumirklīgs attēls telpā, kas nemitīgi mainās laikā.

Hermanis Veils, "Etīdes par simetriju"

KARLA SAGANA FANTASTIKA

Fantastiska "subtelpas pāreja". "Zinātniskās fantastikas rakstniekiem jau sen ir par šauru Eiklīda telpas robežās, jo, pat paātrinoties tajā, ir iespējams sasniegt tikai gaismas ātrumu. Šeit iztēlei palīdz visdažādākās “subtelpas pārejas”, “subkvantu lēcieni”, “telpas caurdures”, “virsgaismas lēcieni” un citi amizanti izgudrojumi. Lai gan, kā izrādās, par tādām lietām domā arī pavisam nopietni zinātnieki...

Kādu dienu slavenais astronoms un zinātniskās fantastikas rakstnieks Karls Sagans nolēma uzrakstīt romantisku un varonīgu darbu par drosmīgiem astronomiem, kuri, neskatoties uz grūtībām un zobgalībām, meklē saprātīgu dzīvi Visumā. Padziļinātas sižeta izpētes gaitā Sagans stingri nolēma vismaz grāmatas lappusēs atalgot neatlaidīgos saprāta brāļu meklētājus ar kādas no augstākajām civilizācijām kontakta atklāšanu. Tajā pašā laikā Sagans nebūtu zinātnieks, ja viņš nereducētu kontaktinformāciju līdz kādas ļoti noslēpumainas ierīces uzbūves shēmas pārraidei. Tomēr šeit rakstnieks nemaz nebija oriģināls, atkārtojot cita, ne mazāk slavenā astrofiziķa Freda Hoila romāna “Andromēda” ideju. Tā Hoils sadarbībā ar Dž.Eliotu piespieda savus varoņus, starpgalaktisku signālu vadībā, uzbūvēt ne tikai unikālu skaitļošanas kompleksu, bet arī ar tā palīdzību izveidot sigomu – mākslīgu, sveša saprāta iezīmes nesošu indivīdu. Un, lai gan Hoilu, “Melnā mākoņa” autoru, tas ne pie kā laba nenoveda, viņš pavisam nopietni bija iecerējis savu literāro darbu pietuvināt reālam zinātniskā kontakta modelim ar ārpuszemes intelektu, “izveidojot” transporta ierīci, kas pilnībā atbilstu vispārpieņemtajiem fizikālajiem principiem.

Tā kā pirmklasīgu teorētisko fiziķu kopiena nav pārāk liela, Saganam nebija problēmu tajā atrast citu potenciālo “fantastu”, kas zinātnē ir plaši pazīstams ar savu izcilo oriģinālo darbu gravitācijas teorijas un kosmoloģijas jomā: Kipu Tornu.

Tornu ļoti ieinteresēja Sagana idejas, un viņš nekavējoties izveidoja savu aspirantu un studentu radošo komandu, lai izstrādātu matemātiskos ceļošanas modeļus Visumā un to turpmākos aprēķinus. Līdz tam laikam jau sen bija zināms, ka relativitātes teorijas vienādojumiem ir risinājumi, no kuriem izriet fundamentāla iespēja praktiski mirklīgiem lēcieniem telpā un laikā pa īpašām trajektorijām, kas atrodas it kā ārpus mūsu telpas. Šo apbrīnojamo faktu atklāja pats Einšteins kopā ar savu kolēģi Neitanu Rozenu. Šādu subtelpas pāreju matemātisko shēmu sauc par “Einšteina-Rozena tiltiem”. Tomēr pat daži to gadu teorētiskie fiziķi uzskatīja, ka Einšteina-Rozena tilti diez vai eksistē patiesībā un tos noteikti nevar izmantot kosmosa ceļojumiem. Tomēr Torns un viņa līdzstrādnieki ir pārliecinoši matemātiski pierādījuši, ka telpas-laika kanālu var ne tikai mākslīgi radīt, bet arī uzturēt atvērtā “darba” stāvoklī. Lai to izdarītu, ir nepieciešams tikai aizpildīt subtelpas tuneļa iekšējo tilpumu ar kādu eksotisku antigravitācijas vielu, piemēram, Velsa keivorītu no romāna "Pirmie cilvēki uz Mēness" vai "iebiezinātu pienu" no universālās tumšās enerģijas, kas izdarītu "paplašinošu" spiedienu uz apkārtējiem materiālajiem ķermeņiem. Šādai vielai jābūt ar negatīvu masu un tai jābūt antigravitatīvai, atgrūžot parasto vielu no sevis. Ar tās palīdzību izveidotais kanāls atgādinās tārpa caurumu pasaules ābolā, kurā mēs dzīvojam uz virsmas. Šāds “tārpu caurums” laiktelpā varētu “īssavienot” jebkurus visattālākos mūsu Galaktikas reģionus un pat telpu starp galaktikām. Protams, tā kā telpa un laiks relativitātes teorijā ir cieši saistīti, tad uzreiz rodas fundamentāla iespēja šādu mūsu realitātes “tārpu caurumu” izmantot kā laika mašīnu.

Sagana un Torna sadarbības rezultātā tapa zinātniskās fantastikas bestselleris "Kontakts", kas drīz vien tika pārvērsts ļoti aizraujošā filmā ar tādu pašu nosaukumu.  Torna vadītās teorētisko fiziķu komandas attiecīgie pētījumi radīja daudzas publikācijas, kas izraisīja lielu zinātnisku rezonansi.

Pētot telpas-laika ceļošanas variantu iespējas, izrādījās, ka tiem ir piemērotas šauras "tārpejas", ko par godu vienam no relativitātes teorijas veidotājiem, slavenajam holandiešu fiziķim Hendrikam Antonam Lorencam, nosauca par Lorenca tārpejām.

Torna darbs lika zinātniekiem atcerēties ne tikai Einšteina-Rozena tiltus, bet arī izcilā fiziķa D. Vīlera telpas-laika tuneļus. Vīlers ieviesa arī terminu “melnais caurums” kopā ar izteicieniem “tārpeja”, “kurmja eja” un “tārpa caurums”.

TELPAS-LAIKA TĀRPEJAS

Sagana romāna un īpaši uz tā balstītās filmas panākumi, kā arī Torna turpmākās publikācijas izraisīja vislielāko interesi par starpdimensiju pāreju problēmu. Drīz vien parādījās divi galvenie pētniecības virzieni: kvantu un pusklasiskais. Kvantu tārpejas pakļaujas gan relativitātes vienādojumiem, gan kvantu mehānikas principiem, un sākumā šķita, ka  ir diezgan nestabilas. Sākotnējie aprēķini liecināja, ka astronauti, kas lidotu cauri tārpejas subtelpas tunelim, jebkurā brīdī var "ietīties" slēgtas telpas kokonā, kas vienā mirklī atvērtu kanālu, uz neiedomājami tālu telpas laika punktu. Turpretim daļēji klasiskās tārpejas atrodas ļoti izliektā, bet joprojām nekustīgā telpas-laika vakuumā, un no pirmā acu uzmetiena tām vajadzētu būt stabilākām nekā to kvantu analogiem. Tā kā to uzvedība būtu paredzamāka, ilgu laiku tika uzskatīts, ka tās ir labāk piemērotas ceļošanai laikā nekā kosmosa ceļojumiem.

Ceļš uz citām pasaulēm

Zinātniskās fantastikas literatūra bieži stāsta par eksotiskākajiem veidiem, kā pārvarēt telpu un laiku. Tur var atrast trīsdimensiju eiklīda telpas un nulles transportēšanas punktus, nemaz nerunājot par lēcieniem subtelpā un ārpuslaika liftiem. Fantastisko kauju aprakstos pat radās unikāla taktika turpmākajām kosmosa kaujām, kad Zemes zvaigžņu kuģi nonāk subkosmosā un pēkšņi iznirst no turienes tieši blakus citplanētiešu bāzēm, acumirklī nolidojuši miljoniem kilometru. Tāpat kā mūsdienu zemūdenes, tie ienirst subtelpā, kļūst neredzami un parādās ienaidnieka kuģu tuvumā.

Taču jau nākamajā pētījuma izstrādes posmā situācija radikāli mainījās un padziļinātie aprēķini pierādīja, ka tieši pusklasiskās tārpejas, visticamāk, ir nestabilākās. Šķiet, ka pārejām pa šādiem kanāliem nav nekādas zinātniskas nozīmes, jo visi materiālie ķermeņi, tostarp astronauti vai pētnieciskās zondes, nekavējoties nonāktu citā realitātē ar citiem fiziskiem likumiem un atšķirīgu dimensiju skaitu. Grūti pateikt, kas šajā gadījumā notiktu ar dzīvību un, jo īpaši, domājošu matēriju. Piemēram, ievērojamais matemātiķis un zinātnes popularizētājs Martins Gārdners savā stāstā “Nulles puses profesors” pauž domu, ka ar cilvēku citās dimensijās nekas briesmīgs nenotiks, galvenais ir pareizi izveidot algoritmu pie atgriešanās mūsu pasaulē, ko matemātiķi mēdz dēvēt par četrdimensionālu telpas-laika kontinuumu. Vizualizēt ceļojumu caur citas dimensijas subtelpas kanālu ir diezgan grūti, ja ne neiespējami, taču te mums talkā nāk ievērojamā holandiešu grafiķa Morisa Ešera mākslinieciskā iztēle, kas radījusi veselu “neiespējamo” telpisko projekciju galeriju.

Taču secinājums par iespēju ceļot subtelpā neattiecas uz kvantu tārpejām, kas spēj darboties pietiekami ilgi, lai ļautu kosmosa kuģim ar visiem pasažieriem iziet cauri to atvērumam. Taču ir pāragri izdarīt galīgos secinājumus. Arī kvantu tārpeja bieži darbosies ar pilnīgi neparedzamiem rezultātiem. Ja ir nepieciešams lidojums uz Vegu, var nokļūt uz Siriusu vai pat pie dinozauriem. Kopumā zinātnieki vēl nav izdomājuši pietiekami uzticamu tārpejas kosmisku laika mašīnu.

Teorētiķu pētījumi arī liecina, ka negatīvā spiediena antigravitācijas materiāls, kas nepieciešams, lai izklātu subtelpas tuneļu sienas, līdzinās noslēpumainai tumšajai enerģijai, kas liek telpai izplesties arvien pieaugošā ātrumā. Šīs enerģijas fiziskā būtība joprojām nav skaidra. Galu galā mūsu pasaules liktenis ir atkarīgs no tās īpašībām. Tādējādi ir iespējams, ka tālā nākotnē tumšā enerģija var vienkārši saraustīt visu parasto vielu no galaktikām līdz atomiem. Tomēr ir optimistiskāki nākotnes scenāriji, kuros tumšā enerģija zaudēs stabilitāti un pašiznīcināsies.

Einšteina-Rozena tilti nedaudz atgādina pazemes ielu krustojumus. Vienīgā atšķirība ir tā, ka apakštelpas kanāli savieno ne tikai dažādas mūsu metagalaktikas daļas, bet arī dažādus laikus. Pārvietojoties pa tārpeju, var nonākt tālā Visuma daļā vai citā laikmetā. Kosmiskā tārpeju sistēma, līdzīga Sagana romānā aprakstītajai, varētu kalpot kā sava veida transporta tīkls, kas ātri pārvietotu mūs no pagātnes uz tālu nākotni un atkal atpakaļ – uz mūsu tagadni vai pat pagātni.

Ārpusdimensionāls lēciens. Zinātniskajā fantastikā starpdimensiju pārejas izskatās šādi: “Kuģa stūres māja piepildījās ar ceriņkrāsas miglu, salocja un izkropļoja navigācijas instrumentu kontūras. Visi monitori spoži uzmirgoja un pēc tam nodzisa, bet tālās apskates ekrāni piepildījās ar klejojošām daudzkrāsainām dzirkstelēm... Uz mirkli kosmonauti juta, ka viņi zaudē samaņu un iekrīt zvanīgā melnumā, acu priekšā peldēja spilgti varavīksnes apļi... Pēkšņi apkārtējā telpa uzsprāga ar varavīkšņainiem zibšņiem un iedegās gaisma, ieslēdzās borta kompjūteri un sāka darboties visas sistēmas... Ārpusdimensionāls lēciens bija noticis!"

Tomēr cik ticami ir šādi teorētisko fiziķu secinājumi? Vai tārpejas laiktelpā patiešām pastāv, vai arī tās ir tikai nerealizējamas matemātiskas fantāzijas? Bet kāpēc tad tās netiek realizētas, ja pieredze mūs pārliecina, ka Visumā tiek realizēts viss, kas nav pretrunā ar dabas likumiem? Un vissvarīgākais jautājums ir: vai pat tālā nākotnē, kad mūsu civilizācija kļūs pietiekami attīstīta un spēcīga, ir iespējams ierosināt kādus reālus eksperimentus, līdz pat mākslīgu subtelpas tārpeju izveidošanai?

VAKUUMA PUTAS

Šeit der atcerēties ļoti kuriozu faktu, ka fiziskā vakuuma telpa, kas mums šķiet tukša, tā tikai šķiet. Ļoti lielā palielinājumā tā atgādina lokāmu mīkstu sūkli vai verdošu ziepju putas, kur uzliesmo un acumirklī izdziest lauku uzplūdi, un apkārtējais laiks-telpa to gravitācijas ietekmē tiek izliekts un savīts mikroskopiskos burbuļos un gliemežnīcām līdzīgās struktūrās, kurās ir neskaitāmas piltuves un supermikroskopiski atvērumi. Tiesa, to izmēri ir neiedomājami mazi – smilšu graudiņš tiem ir tikpat liels, cik mums - visa Metagalaktika. Protams, šādu objektu pēdas neviena mūsdienu ierīce ierakstīt nevar. Matemātiķi un teorētiskie fiziķi tos var pētīt tikai spekulatīvi, veidojot kompjūtermodeļus. Bet tieši ar šādu pārsteidzošu objektu esamību zinātnieki saista vēl viena veida subtelpas pāreju iespējamību, tomēr par to sīkāk tiks runāts nākamajā sadaļā.

Tālas nākotnes kolapsāru inkubators. Varbūt kādreiz mūsu civilizācija iemācīsies vakuuma mikrocaurumos piegādāt jaudīgas enerģijas plūsmas, palielinot to izmērus. Tad no tiem varēs konstruēt dažādas transporta sistēmas teleportācijai (momentānai kustībai) laikā un telpā.

Šie jautājumi ir uz zinātniskās fantastikas robežas, taču šodien tos nopietni apspriež daudzi zinātnieki, jo tas palīdz labāk izprast mūsdienu teorijas iezīmes un iztēloties kosmosa civilizāciju hipotētiskās iespējas.

Nopietna subtelpas pāreju iespēju analīze šobrīd ir pieejama tikai matemātikai, jo tās formulas ir vienīgais veids, kā iezīmēt iedomātu pasauļu un sarežģītu telpas-laika struktūru kontūras. Šiem jautājumiem veltītie zinātniskie darbi atgādina formulu mežu, taču, ja nepretendē uz pārāk stingrību un izmanto vizuālus attēlus, tad vispārīgais jautājumu formulējums un pētījuma rezultāti var būt pieejami lasītājiem, kas tāli no teorētiskās fizikas.

Protams, gan rakstnieki, gan žurnālisti, kas runā par ceļošanu subtelpā, bieži vien vienkārši rada priekšstatu par kaut ko noslēpumainu un nesaprotamu. Un tomēr zinātniskās fantastikas rakstnieki bieži vien nav pārāk tālu no patiesības. Iedomāsimies divdimensionālu pasauli – kaut ko līdzīgu bezgala plānai papīra loksnei, kuras divas puses ir saplūdušas vienā. Šādā pasaulē, tāpat kā pie mums, jebkurus divus punktus, kas atdalīti viens no otra, savieno daudzi ceļi, taču starp tiem vienmēr ir īsākais, un, ja mēs vēlamies pēc iespējas ātrāk nokļūt citā punktā, mums vajadzētu izmantot šo ceļu.

Tomēr, ja iedomāto lapu salocīsim tā, lai ceļa sākums atrastos tuvu beigām t. i. saburzīsim telpu, veidojot piltuves un savienojot tās ar cauruli-kanālu, tad iegūsim tūlītēju pāreju starp diviem attāliem divdimensiju pasaules punktiem. Tas ir kanāls, ko mēs pamatoti varam nosaukt par telpas caurduri, nulles transportēšanu un citiem zinātniskās fantastikas rakstnieku izgudrotiem terminiem. Tajā pašā laikā šādas subtelpas pārejas nekad nepārsniegs sava divdimensiju Visuma robežas, jo visi punkti - gan locījumos, gan kanālos, gan piltuvju nogāzēs - pieder vienai un tai pašai divdimensiju virsmai. Ja šādu loksni sarullē cilindrā, pārejas kanāls atgādinās krūzes rokturi. Trīsdimensiju telpā tas pastāv pats par sevi, neatkarīgi no tā, vai ir trīsdimensiju telpa, kas to aptver, vai arī tā dabā vispār nepastāv.

Sastingusi zvaigzne - kolapsārs. Kolapsāru īpašības ir vienkārši pārsteidzošas, piemēram, cilpu, kas uzmesta virsū melnajam caurumam, nevar savilkt līdz punktam. Fakts ir tāds, ka sastingušas zvaigznes gravitācijas lauks ir tik spēcīgs, ka laiks tās tuvumā ne tikai palēninās, kā jebkura masīva ķermeņa tuvumā, bet arī praktiski apstājas. Dabiski, ka visi procesi, arī cilpas savilkšana, sastingst, kļūstot bezgalīgi ilgi. Un šī ir pirmā pazīme, kas liecina par ieiešanu subtelpas tunelī.

Mēs tikko runājām par tādām kurmju ejām vai, kā tās sauc arī par tārpejām, mūsu trīsdimensiju telpā. Un šeit atklājas, kas īpaši svarīgs: plakanai divdimensiju pasaulei var būt viena telpiskā un otrā laika koordināte. Tad caurdures no telpiskas pārvērtīsies telpiski-laikā, savienojot punktus ar dažādiem laikiem un kalpojot par tuneļiem ceļošanai uz citu vēsturisku realitāti. Neskatoties uz šķietamo mistiku, daudzi fiziķi ir pārliecināti par šādu projektu iespējamību, jo tie ir balstīti uz kvantu teorijas principiem. Grūti runāt par konkrētām nākotnes “subtelpas metro” struktūras detaļām, taču tā īstenošanas realitāte vienā vai otrā veidā praktiski nav apšaubāma.

Ieskicētais, protams, ir fantastisks, taču tajā ir kāds negaidīts aspekts. Daži telpiskie burbuļi kā īpaši mazi objekti parādās tikai no ārpuses, ārējam novērotājam, bet no iekšpuses, mērot pēc saviem garuma un laika standartiem, tie ir milzīgas kosmiskās pasaules – Visumi. Principā, lai arī no pirmā acu uzmetiena tas šķiet pilnīgi neticami, var izrādīties, ka mūsu pasaule ir tikai viens no šādiem burbuļiem. Jebkurā gadījumā mūsdienu fizika pilnībā pieļauj šādu iespēju.

Kad runa ir par subtelpas tārpeju meklēšanu, pirmā lieta, kas piesaista  uzmanību, ir kolapsāru "izdzisušo zvaigžņu" bedres. Mēs jau esam daudz runājuši par šiem pārsteidzošajiem kosmosa objektiem, un tagad sīkāk nekavēsimies pie to īpašībām.

Astrofiziķi uzskata, ka daudzas kolapsāru īpašības norāda, ka sastingušo zvaigžņu piltuves var būt tārpeju ieejas vārti telpā-laikā. Ja tas tā ir, tad iespējams (pagaidām tīri spekulatīvi) tos var mēģināt pielāgot ceļošanai telpā un laikā, jo laiks to tuvumā apstājas tikai ārējam novērotājam, bet astronautiem, kas ielido melnā cauruma rīklē, viss turpināsies kā parasti, un viņi nepamanīs nekādu procesu palēnināšanos.

Šī hipotēze ir īpaši interesanta tāpēc, ka astronomiskās teorijas paredz pārsteidzošu objektu esamību ar īpašībām, kas ir tieši pretējas kolapsāru īpašībām. Šādi "baltie caurumi" ir vēl noslēpumaināki nekā to melnie līdzinieki, un tiem vajadzētu nekontrolējami izšļakstīt vielu. Iegremdējies melnā cauruma rīklē, zvaigžņu kuģis varēja izkļūt kādā mūsu pasaules telpas-laika reģionā vai pavisam citā Visumā, ko ar mūsējo savienoja tikai tievais tārpadobes kakls caur baltā līdzinieka disku.

Diemžēl par šādu lidojumu realitāti māc lielas šaubas. Fakts ir tāds, ka gravitācijas lauki pie melno un balto caurumu gravitācijas rādiusiem ir neticami lieli un strauji pieaug, kad zvaigžņu kuģis tiek ievilkts subtelpas kanālā. Tie vispirms savīs un izstieps kuģi garos pavedienos un pēc tam saplēsīs to sīkos gabaliņos. Pat Zemes apstākļos, kur gravitācija ir salīdzinoši vāja, gravitācijas spēki uz planētas virsmas un pavadoņa orbītā ievērojami atšķiras. Uz Zemes virsmas tie izraisa daudzus metrus augstus paisumus, bet sasalušu zvaigžņu – kolapsāru – dziļumā gravitācijas spēku izmaiņas ir vienkārši baismīgas. Tām nevar pretoties ne tikai atomu kodoli, bet arī elementārdaļiņas, sadaloties daļās. Un aizbēgt nevar, nav arī atpakaļceļa, jo melnais caurums pat neizstaro gaismas starus.

Daži astrofiziķi uzskata, ka ir zināma cerība uz rotējošiem kolapsāriem. Šajā gadījumā centrbēdzes efekti, kas saistīti ar rotāciju, daļēji kompensē gravitāciju, un tas var padarīt ieejas portālu caurlaidīgu. Taču citu teorētisko fiziķu aprēķini liecina, ka šajā gadījumā subtelpas tārpeja kļūst ārkārtīgi nestabila un sarūkošo gravitācijas spēku ietekmē var acumirklī “sabrukt”. Caur to nevar izlidot pat gaismas ātrumā! Turklāt iekšienē notiekošie vakuuma pārstrukturēšanas procesi rada spēcīgas nāvējoša starojuma plūsmas.

Kā redzat, dabiskie kolapsāri nav īpaši piemēroti elementi laika mašīnu radīšanai. Bet, ja mēs nevaram izmantot sastingušo zvaigžņu īpašības kosmosā, varbūt mākslīgu subtelpas portālu varam uzbūvēt?

KANĀLS STARP PASAULĒM

Atcerēsimies brīnišķīgo Karla Sagana romānu. Ilgi pirms Kipa Torna teorētisko fiziķu komandas pētījumiem, uzreiz pēc tam, kad Einšteins radīja vispārējo relativitātes teoriju, austriešu fiziķis L. Flamms atrada matemātiskos risinājumus, kas apraksta divas pasaules, kas savienotas ar subtelpas kanālu. Vēlāk šādus risinājumus pētīja pats Einšteins un īpaši detalizēti amerikāņu fiziķis J. Vīlers saistībā ar elementārdaļiņu un putojošās mikrotelpas teoriju. Visi šie darbi beidzās ar neapmierinošu secinājumu: dabiski vai mākslīgi izveidojies kanāls, kas savienos pasaules, vispirms paplašināsies līdz noteiktam maksimālajam izmēram un pēc tam saruks tievā pavedienā.

Tad, kā mēs jau zinām, Torns sāka veikt aprēķinus. Aprēķinu rezultāts bija tieši tāds, kādu paredzēja romāna varoņi: no antigravitācijas vielas veidotais pārejas kanāls bija stabils, un tajā iedarbojošies spēki tikai nedaudz atšķīrās no zemes gravitācijas. Tiesa, lai tas notiktu, kanāla konstrukcijai jāatbilst noteiktiem nosacījumiem, taču tas jau ir tehnoloģisks jautājums. Svarīgi, lai fizikas likumi neaizliedz šādas struktūras izbūvi, pārējais ir nākotnes kosmosa inženieru uzdevums, ja protams, fiziķi varēs viņiem savlaicīgi nodrošināt eksotisku antigravitācijas materiālu ar negatīvu enerģiju.

Vai ir iespējams izveidot vielu, kurai būs antigravitācijas un negatīvās enerģijas īpašības? Vielas enerģiju veido enerģija, kas saistīta ar to veidojošo daļiņu masu, un spiediena un spriedzes enerģija, kas saistīta ar iekšējo mijiedarbību. Dažos gadījumos - teiksim, saspiestas gāzes balonā - tas ir pozitīvs, citos, piemēram, dzelzs atoma kodolā, tas ir negatīvs; Kā zināms, lai kodolu sadalītu daļās, ir jāpaveic zināms darbs. Taču visās parastajās vielās – cietās, šķidrās, gāzveida – ar masu saistītā enerģija ir lielāka par mijiedarbības enerģiju un vielas kopējā enerģija vienmēr ir pozitīva. Eksotiskajā vielā, kas nepieciešama tārpeju izveidošanai, pirmo vietu ieņem iekšējās spriedzes negatīvā enerģija.

Vēl nesen fiziķi bija pārliecināti, ka šādas vielas vienkārši nepastāv. Un tā acīmredzot ir taisnība, ja mēs paliekam klasiskās, pirmskvantu fizikas ietvaros. Tomēr kvantu parādību jomā situācija ir atšķirīga. Sakarā ar nejaušu (spontānu) lauku uzliesmojumiem, daļiņu un antidaļiņu pāru radīšanu, enerģija uz ļoti īsu brīdi var kļūt nedaudz lielāka vai mazāka par tās vidējo, klasisko vērtību. To dažreiz sauc par fiziskā vakuuma "vārīšanos", kur tuvu nulles enerģijas līmenim vienmēr ir pozitīvās un negatīvās enerģijas reģioni.

Torna un viņa kolēģu aprēķini parādīja, ka, ja subtelpas kanāla ieeju un izeju ierobežo sfērisks metāla ekrāns, attiecīgais vakuuma enerģijas samazinājums kanāla iekšienē būtu pietiekams, lai tas nesabruktu un padarītu to caurlaidīgu ceļotājiem. Protams, problēma ar to nebeidzas. Mums joprojām ir jāizdomā veids, kā izveidot pašu tārpeju. Iespējams, šim nolūkam būs jāizmanto masīva ķermeņa gravitācijas sabrukšana, kā tas notiek kolapsāra veidošanās laikā, kosmosā izveidojušās piltuves pārklājot ar metāla aizbāžņiem, kas novērsīs pilnīgu sabrukšanu.

LAIKA MAŠĪNAS

Tiklīdz karstās diskusijas par laika mašīnām,  no sastigušām sabrukušām zvaigznēm - kolapsāriem (dažkārt sauktas par Sagana-Torna T-agregātiem), bija apsīkušas, parādījās lielu hronofizikas entuziastu – teorētiķa Deivida Doiča un filozofa Maikla Lokvuda teorētiskie darbi. Autori ne tikai apsvēra dažādas iespējas ceļošanai laikā, bet arī piedāvāja oriģinālus risinājumus radušos paradoksiem.

Ieskats pagātnē. Vienīgais veids, kā atgriezties pagātnē, neizraisot loģiskus paradoksus, ir “astronomiskā laika mašīna”. Jaudīgi teleskopi var sniegt mums galaktiku, zvaigžņu un planētu attēlus pirms miljardiem gadu.

Lūk, viens no tiem, plaši izmantots zinātniskajā fantastikā, piemēram, tas parādās Aizeka Azimova romānā "Mūžības beigas". Tātad literatūrkritiķis, modernu rakstnieka darbu aizrauts, atgriežas pagātnē un apmeklē autoru, pirms viņš uzrakstījis savus slavenos darbus. Viņš parāda viņam savus nākotnes darbus, un viņš, neticot kritiķim, piesavinās savas grāmatas, tādējādi iegūstot slavu un atzīšanu. Paradoksālais loģiskais loks noslēdzas, jo grūti saprast, kas sarakstījis minētās grāmatas, ja tās bezgalīgi cirkulē laika cilpā no nākotnes uz pagātni un atpakaļ. Nākamais laika paradoksu loks Azimovam ir saistīts ar pašu laika mašīnas izgudrotāju, kas ir organizācijas “Mūžība” pamatā un plāniem, kurus šī “Mūžība” pati viņam piegādā no nākotnes.

Visi šie paradoksi, kas pēc H. G. Velsa romāna “Laika mašīna” izdošanas piesaistīja zinātnieku, filozofu un rakstnieku uzmanību, radīja neatlaidīgu viedokli, ka šāda ceļošana nav iespējama pamatā. Tomēr relativitātes teorija nenoliedz iespēju ceļot nākotnē. Lai to izdarītu, ir nepieciešams aizlidot kosmosā gandrīz gaismas ātrumā. Tad ceļotāji var atgriezties daudzus gadus vēlāk jaunāki nekā viņu vienaudži, kas palikuši uz Zemes. Bet relativitātes teorija neļauj ceļot pagātnē, tas pārkāpj cēloņsakarības principus.

Kā fizika izskaidro šādu pārkāpumu neiespējamību? Relativitātes teorijā jebkura objekta atrašanās vietu raksturo četras koordinātes - trīs telpiskās un viena laika. Šīs četras koordinātes norāda uz tā saukto pasaules punktu Minkovska telpā (atgādinām, ka Hermanis Minkovskis bija Einšteina skolotājs un vēlāk līdzautors). Kad objekts pārvietojas, tas izveido līkumotu ceļu, ko sauc par pasaules līniju. Interesanti, ka no tīri telpiskā un laika viedokļa visa cilvēka biogrāfija tiek attēlota kā līkumots tārps (un nevis līnija, jo cilvēka ķermenis aizņem noteiktu tilpumu), kura aste sakrīt ar viņa dzimšanas vietu un laiku, un priekšējais gals nepārtraukti rāpo uz priekšu un uz priekšu.

Kvantu fizika apraksta elementārdaļiņu uzvedību statistiski. Šī mikroobjektu iedzimtā “statistiskā daba” ir viens no lielākajiem dabas noslēpumiem. Mikrolīmenī jebkurā laika brīdī var norādīt tikai kāda konkrēta fiziska procesa iespējamību. Šo secinājumu ir ļoti grūti aptvert, un pat lielais Einšteins mēģināja to apstrīdēt līdz pat savas dzīves beigām un atrast skaidru skaidrojumu šim noslēpumainajam statistikas raksturam.

Vienu no neparastākajiem mēģinājumiem izskaidrot kvantu mehānikas varbūtības raksturu pagājušā gadsimta vidū veica amerikāņu fiziķis Hjū Everets, kurš ierosināja "daudzu Visumu" teoriju. Saskaņā ar šo teoriju ir nevis viens, bet daudzi Visumi, kas pēc materiālo ķermeņu fiziskā sastāva ir ļoti līdzīgi mūsējam. Ja mēs novērojam kāda radioaktīvā elementa sabrukšanu un redzam, ka šī sabrukšana notika, teiksim, pēc 5 minūtēm, tad tas attiecas tikai uz šo Visumu. Citā, “paralēlajā” Visumā tā kopija sabruka 10 minūtēs, bet trešajā – 15. Citiem vārdiem sakot, sabrukšanas iespējamība atbilst visumu kopai, kurā kopija sabrūk noteiktā laikā; pats radioaktīvais elements uzvedas diezgan nepārprotami un tam nepiemīt nekādas statistiskas īpašības.

Evereta teorija ir bijusi karstu diskusiju objekts kopš tās pirmsākumiem. Galu galā tiem kvantu aprēķiniem, ko fiziķi izmanto, lai aprakstītu savus eksperimentus ar elementārdaļiņām un izveidotu dažādas kvantu ierīces, nav nekādas starpības, vai Evereta teorija ir pareiza vai nē. Taču kvantu gravitācijai, ko Hokings un Torns pēta, šāda teorija varētu nozīmēt ļoti daudz.

Tādējādi tā varētu viegli atrisināt laika ceļošanas paradoksus. Piemēram, Azimova romāna gadījumā kritiķa un rakstnieka tikšanās punkts ir īpašs Multiversuma mezgls, kur saplūst daudzi kopiju visumi. Atkarībā no tā, kādu darbību varonis veic pagātnē, viņš un visi apkārtējie izrādās viens vai otrs no šiem eksemplāriem. Bet pagātne un nākotne katrai no šīm kopijām būs atšķirīga (29. krās att.).

APBRĪNOJAMIE FRĪDMONI

Ievērojamais padomju teorētiskais fiziķis akadēmiķis Moisejs Aleksandrovičs Markovs radīja šādas pasaules matemātisko tēlu un nosauca šādus veidojumus par fridmoniem, godinot slaveno matemātiķi A. A. Frīdmanu, kurš pirmais norādīja uz to pastāvēšanas iespējamību.

Pilnīgi slēgta pasaule teorētiski nekādi neizpaužas uz āru: no tās neizkļūst pat gaismas stari. Tas nozīmē, ka no ārpuses ārējam novērotājam tas ir kaut kas, kam nav ne izmēru, ne masas, ne elektriskā lādiņa. Tādējādi mūsu iztēlē parādās pilnīgi fantastiska aina. Varbūt mūsu Visums ar visām tā saulēm, piena ceļiem, miglājiem, kvazāriem ir tikai viens no Frīdmoniem. Tomēr Frīdmonam nav obligāti jābūt tikai milzīgiem Visumiem. To saturs var būt pieticīgāks: piemēram, tajos var būt tikai viena galaktika, zvaigzne...

Ja mēs izejam no Frīdmona teorijas, izrādās, ka jebkura elementārdaļiņa principā var būt ieeja citās pasaulēs. Iekļūstot tās virsmā, mēs varam nonākt citā Visumā ar neiedomājamu saturu, savādām galaktikām, kuras apdzīvo dīvainas civilizācijas. Atskatoties atpakaļ, mēs redzētu, ka mūsu vietējais Visums ir sarucis līdz mikroskopiskiem izmēriem. Ja mēs vēlētos atgriezties, mums tas būtu jādara vēlreiz veicot savu ceļu pa koridoru starp pasaulēm. Ceļojot pa dažādiem Frīdmoniem, mēs katru reizi sastaptos ar jaunu realitāti, un mūsu ceļojums pa citām pasaulēm varētu turpināties bezgalīgi. Interesanti, ka šāds ceļojums varētu izraisīt ne tikai kustību telpā, bet arī kustību laikā.

Pirms divarpus tūkstošiem gadu filozofi sāka uzdot jautājumu: kas notiks, ja mēs sadalīsim matēriju mazākās un mazākās daliņās? Vai drupināšanai ir ierobežojumi un kādi ir vismazākie matērijas izmēri? Šī, iespējams, bija viena no grūtākajām, patiesi galvu reibinošajām problēmām.

Fiziķi šobrīd intensīvi pēta mazākās elementārās būtības (tās grūti nosaukt par daļiņām) – kvarkus. Tiesa, neviens vēl nav piedāvājis reālas metodes to novērošanai, kas skaidri atbildētu uz jautājumu: vai kvarki vispār pastāv? Protams, zinātnieki patiešām vēlas, lai tie pastāvētu. Kvarki tagad gandrīz vienbalsīgi tiek atzīti par matērijas pamatelementiem, no kuriem sastāv Visums. Tomēr jau ir dzirdamas teorētisko fiziķu balsis, kas modelē mūsu pasaules subkvarku komponentus...

Šis bezgalīgais dalījums atgādina krievu lelles - matrjoškas daļiņu. Un šeit galvenais jautājums ir: vai ir kāda pēdējā lelle, kuru vairs nevar izjaukt... Patiešām, ja nav pēdējās matrjoškas, ja dalīšanās process ir bezgalīgs, tad mēs nekad neuzzināsim, kā pasaule darbojas... Nav viegli piekrist šādam secinājumam. Bet vēl grūtāk ir pierast pie tā, ka matērijas dalāmībai kādā brīdī būs jābeidzas. Tātad, sasnieguši pēdējo matrjošku, mēs būsim izsmēluši visas pasaules īpašības?

Veselais saprāts mums saka, ka, pārgriežot ābolu uz pusēm, katra puse būs uz pusi mazāka un vieglāka par visu augli. Saliksim abas pusītes kopā un atkal dabūsim ābolu. Un nevar būt tā, ka katra puse sver vairāk par visu ābolu. Makro pasaulē tas tiešām nevar notikt, bet elementārdaļiņu pasaulē... Izjaucot matrjoškas arvien mazākās daļiņās, fiziķi pēkšņi atklāja masas nezūdamības likuma pārkāpumu. Izrādījās, ka veselas daļiņas masa vienmēr ir... mazāka par to daļiņu masu summu, kas to veido. Tomēr tas fiziķus nemaz nepārsteidz. Einšteins arī parādīja, ka masa un enerģija ir līdzvērtīgas. Tas nozīmē, ka masas defekts, kas ir to pašu kodoltermisko transformāciju pamatā, tiek kompensēts, atbrīvojot atbilstošu enerģijas daudzumu, un fizikas pamatā esošo saglabāšanas likumu pārkāpumi nenotiek. Vienkārši aprēķini, kas balstīti uz Einšteina sakarību, parāda, ka grams kvarku var atbrīvot milzīgu enerģiju, kas līdzvērtīga divarpus tūkstošu tonnu naftas sadedzināšanai!

Atgriezīsimies vēlreiz tālajā seno metafizisko domātāju laikmetā un atcerēsimies grieķu filozofa Anaksagora apbrīnojamo spriedumu, kurš piektajā gadsimtā pirms mūsu ēras apgalvoja, ka katrā daļiņā, lai cik maza tā būtu, ir cilvēku apdzīvotas pilsētas, apstrādāti lauki un spīd saule, mēness un citas zvaigznes. Ir grūti piekrist šādiem apgalvojumiem un iekļaut mūsu makrokosmosa mērogu nenozīmīgi mazajā atomu vai pat elementārdaļiņu tilpumā. Pat ar neapbruņotu aci visā debess sfērā var atšķirt vairākus tūkstošus zvaigžņu. Bet šis skaitlis sāk strauji augt, ja mūsu redzi uzlabo astronomiskās lampas - optiskie teleskopi un radioteleskopi. Mūsu Piena Ceļa galaktikā vien astronomi saskaita aptuveni divsimt miljardu zvaigžņu. Bet, pēc astrofiziķu domām, novērojamajā kosmosa daļā ir desmitiem miljardu galaktiku, kas ir līdzīgas mūsējai! Nav pārsteidzoši, ka pat teorētiski ir ļoti grūti salīdzināt superlielo un supermazo.

Ievērojamais pagājušā gadsimta sākuma krievu dzejnieks Valērijs Brjusovs savā dzejolī “Elektronu pasaule” rakstīja:

Varbūt šie elektroni ir -

Pasaules, kur  pieci kontinenti,

Māksla, zināšanas, kari, troņi

un četrdesmit gadsimtu atmiņa!

Varbūt arī katrs atoms ir

Visums kur simts planētu;

Tur viss, kas šeit pie mums

Tik veidā saspiestā,

Kā arī tas, kā šeitan nav...

Līdzīgai iztēles spēlei nodevās arī fiziķi. Kad Nilss Bors šā gadsimta sākumā skaidroja atoma uzbūves planetāro modeli, viņa domu gājiens bija šāds: elektronus — atomu sistēmas planētas — apdzīvo ārkārtīgi mazas dzīvas būtnes, kas ceļ savas mājas, apstrādā augsni un pēta savu atomfiziku. Un kādā brīdī atklāj, ka arī viņu atomi ir mazas planētu sistēmas...

Einšteins parādīja, ka telpas ģeometriskās īpašības reālajā pasaulē būtībā ir atkarīgas no tā, kā tajā tiek sadalīta matērija. Citiem vārdiem sakot, tika konstatēts, ka pasaulei ap mums, tāpat kā izliektai papīra loksnei, ir izliekums un šis izliekums ir saistīts ar gravitācijas lauku, visu nosaka matērijas blīvums. Ja tas ir pietiekami liels, tad visas Eiklīda ģeometrijas metriskās attiecības pie kurām esam pieraduši, mainīties neatpazīstamā veidā! Un visa pasaule var sarukt līdz punktam... Tas viss kalpoja par izejas materiālu akadēmiķa M. A. Markova hipotēzei, ka, iespējams, viss mūsu Visums ar galaktiku un zvaigžņu neskaitāmiem miljardiem ir mikroskopiska sistēma ar elementārdaļiņas izmēriem!

Atšķirībā no dzejnieka Brjusova elektroniem, Frīdmoni ir matemātiski pilnīgi reāli objekti, un bez papildu hipotēzēm tos var iegūt kā relativistiskās gravitācijas vienādojumu sistēmu risinājumus... Bet kā gan Visums var sarauties līdz atoma izmēram? Akadēmiķis Markovs matemātiski stingri demonstrēja šo procesu būtību, kas “sagrūž” makro- un mikropasaules mērogus vienotā veselumā, skaidri parādot unikālas kosmoloģiskās pieejas iespēju elementārdaļiņu teorijai.

Pārsteidzoši, akadēmiķa Markova hipotēze pat ļauj veikt eksperimentālu pārbaudi. Lai mūsu Visums izskatītos pēc fridmona - daļiņas ar mikroskopiskiem izmēriem un masu, ir nepieciešams, lai tam būtu kāds stingri noteikts vielas blīvums, kaut kur robežās no 10-29 gramiem uz kubikcentimetru. Šobrīd dati par fiksēto vidējo blīvumu ir nedaudz mazāki - aptuveni 10-30 grami uz kubikcentimetru, taču šis rādītājs ir pieļaujamās neprecizitātes robežās. Protams, pagaidām apbrīnojamie fridmoni ir tikai teorētisks fiziķa pareģojums. Zinātne pašlaik nevar atbildēt, vai fridmoni ir identiski dažām jau zināmām daļiņām, piemēram, protoniem, vai arī tie ir kaut kas pilnīgi jauns, kas vēl ir jāatklāj eksperimentāli. Bet lai kā arī būtu, frīdmonu jēdziens ir ļoti bagātinājis mūsdienu zinātni.

ZINĀTNISKĀ DEMONOLOĢIJA

Lai vismaz kaut kā iztēlotos neparasto Frīdmona pasauli, dosimies domu ceļojumā. Kādreiz izcilais astoņpadsmitā gadsimta angļu fiziķis Džeimss Klarks Maksvels spekulatīvo fizikāli teorētisko konstrukciju apritē ieviesa iedomātu radījumu, vēlāk nosauktu par "Maksvela dēmonu". Tam ir pieejams viss: vērot atsevišķus atomus, šķirot tos, lidot ar virsgaismas ātrumu... Iedomāsimies, ka šis dēmons, devies ceļā no mūsu Visuma centra – frīdmona, sāk savu ceļojumu.

Savā garajā ceļojumā dēmons sastapsies ar zvaigznēm, galaktikām, metagalaktikām un metagalaktiku kopām... Bet tad viņš tuvosies milzīgai piltuvei, kas savienos frīdmona Visumu ar ārpasauli. Izlidojis caur to ārā, Maksvela dēmons būtu pārsteigts, atklājot, ka viņa dzimtais Visums tagad ir... tikai mikroskopisks objekts. Tātad, iespējams, tiecoties pēc kosmiskiem attālumiem, mēs kāpjam augšup pa lejupejošām kāpnēm? Ko darīt, ja pasaules bezgalība ir vairāk kā aplis, kur patvaļīgi mazi daudzumi vienlaikus ir bezgalīgi lieli?

Ja mūsu Visums ir slēgta pasaule, tad visu tajā esošo ķermeņu – zvaigžņu, starpzvaigžņu gāzes un putekļu, galaktiku un to kopu savstarpējā pievilkšanās būs tieši vienāda ar to kopējās masas enerģiju. Citiem vārdiem sakot, būs pilnīga inerces un gravitācijas enerģijas vienlīdzība. Tādējādi milzīgais Visums, pēc Frīdmona domām, var izrādīties gandrīz slēgta pasaule, un tās ārējie izmēri var būt mikroskopiski un pat tiekties uz nulli. Protams, ārējam novērotājam tas izskatās šādi: mikroskopiski maza rādiusa sfērā ir lokalizēta mikroskopiska masa. No iekšpuses novērotājiem viss izskatās pavisam savādāk: šīs šķietami mazās sfēras iekšienē principā varētu ietilpt vesels Visums ar visām tā galaktikām, zvaigznēm un galaktiku kopām. Šādu objektu pastāvēšanas iespēja izriet no vispārējās relativitātes teorijas. Teorija pieļauj neierobežota skaita frīdmonu eksistenci, un, ņemot vērā to, ka jaunākie astronomiskie dati liecina, ka Visumā var būt elektriski neitrāla slēptā masa, ir pilnīgi iespējams, ka pasaule, kurā mēs dzīvojam, nav nekas vairāk kā tikai fridmons.

Frīdmons var izpausties arī kā mikroskopisks melnais caurums. Tiesa, no šādas frīdmonu interpretācijas izriet, ka nav jēgas runāt par kaut kāda iekšēja tilpuma klātbūtni tajos, jo visa to matērija gravitācijas kolapsa procesā pārvēršas gravitācijas viļņos. Patiesībā tā nav gluži taisnība. Pirmkārt, ne visa matērija kolapsējošā zvaigznē tiek pārvērsta gravitācijas viļņos; daļa no šīs vielas un galvenokārt elementārdaļiņas var saglabāt savu miera masu. Gravitācijas kolapsa procesa laikā šī zvaigznes matērijas daļa gravitācijas viļņu ietekmē tiek nogādāta virtuālās ģeometrijas reģionā un no turienes tiek izmesta citā Visumā (vai citā mūsu Visuma punktā). Šo iespēju var uzskatīt par matērijas izmešanu no zvaigznes šo Visumu fridmonos. Akadēmiķa Markova apgalvojumu par konkrēta iekšējā tilpuma esamību fridmonos nevar uzskatīt par kļūdainu arī tāpēc, ka par fridmoniem var uzskatīt visus daudzdimensionālā laika Visumus. Faktiski mēs to jau minējām iepriekš, bet tad mēs to pieminējām saistībā ar absolūto fridmonu iekšpusē esošās vielas masas defektu. Šis viedoklis automātiski izslēdz fridmonu stabilitāti. Bet fridmonu struktūra var būt arī stabila, ja par tādu uzskatām daudzdimensionālā laika Visumu uzbūvi. Precīzāk, šo struktūru nevar saukt par stabilu vai nestabilu, jo daudzdimensiju laika Visumus vienu no otra atdala virtuālās ģeometrijas apgabals. Stabilitātes un nestabilitātes jēdzieni ir balstīti uz mūsu parastajiem laika jēdzieniem, kas nav piemērojami virtuālās ģeometrijas jomā.

Pirmā lieta, kas izriet no šādas Markova fridmonu interpretācijas, ir, ka virtuālās ģeometrijas jomā daudzdimensionāla laika Visumi nav atšķirami no elementārdaļiņām. Kaut vai tāpēc, ka šajā jomā to telpiskās un laika dimensijas ir relatīvas. Un pats galvenais, tāpēc ka Visumu un elementārdaļiņu īpašības tajā ir relatīvas. Fakts ir tāds, ka daudzdimensionālā laika visumu izolācija šajā jomā var būt ne tikai pilnīga, bet arī daļēja, kas ļauj tos novērot kāda viena Visuma iekšējā telpā. Tur, kur šie Visumi ir savienoti viens ar otru, virtuālā ģeometrija daļēji zaudē savas nenoteiktās metriskās īpašības un tāpēc ļauj veikt zināmu parasto novērojumu pakāpi. Tieši šīs fiziskās realitātes zonas ar daļēji izjauktu virtuālo ģeometriju var identificēt ar Markova rīklēm, kas savieno dažādus fridmonus.

Tomēr frīdmoniem nav obligāti jābūt tikai milzīgiem Visumiem. To saturs var būt daudz pieticīgāks: piemēram, tajos var būt tikai viena galaktika, zvaigzne... Vai vairāki grami vai pat vairākas simtdaļas grama vielas. Pats pārsteidzošākais ir tas, ka, neskatoties uz to visu, visi fridmoni var izskatīties absolūti vienādi. Šādā gadījumā varētu šķist, ka dabā, vismaz no ārpuses vērojot, būtu jāatrod dažāda lieluma daļēji noslēgtas pasaules. Nu, tā kā ir grūti iedomāties, ka milzīgajam Visumam ir mikroskopisks elektriskais lādiņš, tad fridmonam, kas ietver milzīgas pasaules, vajadzētu šķist ļoti mazam sadalījumam. Šeit daba izrāda līdzjūtību pret šo apbrīnojamo parādību. Pēc akadēmiķa Markova aprēķiniem, gandrīz slēgtai sistēmai ar lielu elektrisko lādiņu vajadzētu būt nestabilai. Lai iegūtu tieši šo stabilitāti, tā par katru cenu cenšas izmest no sevis lieko elektrību. Turklāt lādiņam, pie kura sistēma iegūs vismaz trauslu līdzsvaru, jābūt mikroskopiskam, tuvam lādiņam, kas piemīt daudzām elementārdaļiņām.

Tādējādi izrādās, ka, ja telpai kādā brīdī bija liels lādiņš, tad pēc kāda laika šis lādiņš neizbēgami samazināsies. Tas nozīmē, ka telpas izmēri un masa, kā tie šķiet ārējam novērotājam, tiks attiecīgi samazināti. Tas ir, vienkārši sakot, pēc matemātiskiem aprēķiniem, izrādās, ka ir pilnīgi iespējama milzu pasauļu saraušanās punktā. Balstoties uz Frīdmona teoriju, izrādās, ka jāpierod pie domas, ka jebkura elementārdaļiņa principā var izrādīties portāls uz citām pasaulēm. Izejot cauri šai ieejai, mēs varam nonākt pavisam citā Visumā. Mūsu skatienam varētu atklāties citas galaktikas, kuras, iespējams, apdzīvo saprātīgas civilizācijas. Ja mēs gribētu atgriezties, mums atkal būtu jāiet cauri gaitenim starp pasaulēm. Bet, ja zinātkāre izrādītos stiprāka par bailēm, tad pilnīgi iespējams, ka mēs varētu atklāt atkal jaunu fridmonu, un tad mūsu ceļojums pa citām pasaulēm varētu turpināties bezgalīgi.

Šeit jāatceras, ka viens no galvenajiem uzdevumiem, ar ko saskaras mūsdienu fiziķi, ir apvienot visas zināmās mijiedarbības vienā teorijā. Bet diemžēl lielākā daļa mūsdienu Lielās apvienošanās mēģinājumu nebūt nav vienkārši un harmoniski. Kamēr Eiklida pieeja sistematizēja un galu galā vienkāršoja ģeometriju, mūsdienu telpas-laika teorijas bieži tikai sajauc un sarežģī lietas.

Kā labprāt uzsvēra pagājušā gadsimta izcilais fiziķis R. Feinmans, galvenais iemesls ir tas, ka mēs vēl nezinām visus dabas likumus, kurus varētu reducēt uz vienu teoriju.

Šeit rodas pamatots jautājums: vai vispār ir kāda iespēja pat ļoti tālā nākotnē, kad kļūs zināmi jauni dabas likumi, izveidot matemātiski saskaņotu “visaptverošu teoriju”, no kuras izrietētu visas zināmās fizikālās teorijas? Atbilde uz to nepavisam nav acīmredzama, un to nevar atstāt filozofu ziņā, kas varētu visu pilnībā sajaukt. Lielākā daļa fiziķu pieticīgi uzskata savas iecienītākās teorijas tikai par realitātes modeļiem, kas nepretendē aprakstīt to pilnībā.

VIENPADSMITĀ NODAĻA LAIKA NOSLĒPUMS

Es lieliski zinu, kas ir laiks, kamēr par to nedomāju.

Bet, tiklīdz padomāju, es vairs nezinu, kas ir laiks.

Svētais Augustīns, viduslaiku metafizikas filozofs

…Katrs laika segments uzreiz rodas kā viens vesels kā gaismas kvants, ko izstaro atoms. Šādiem “laika kvantu” jēdzieniem “agrāk” un “vēlāk” nav nozīmes. No sākotnējās kosmoloģiskās singularitātes laiks izplūda nevis nepārtrauktā plūsmā, bet it kā atsevišķos impulsos. Kosmiskais laiks ir mūsu Visuma laiks, tas radās un pastāv kopā ar to...

A. D. Čerņins, "Laika fizika"

ZENONA APORIJAS

Iepriekšējās nodaļās mēs esam mēģinājuši ieskicēt, kā procesu plūsma un pati telpa ārpus realitātes supermazajiem mērogiem tiek pārveidota visneticamākajā veidā. Tagad ir pienācis laiks uzdot jautājumus par citu mūsu pasaules pamatjēdzienu – laiku. Kvantu mehānika ir pilnībā mainījusi izpratni par objektu uzvedību mikropasaulē, kā arī pašas telpas īpašībām mikro līmeņos. Tikai Minkovska kontinuuma ceturtā dimensija, laiks, paliek nedaudz malā. Tikmēr tieši laiks mikropasaulē var būt atbildīgs par seno loģisko mīklu atrisināšanu - Grieķijas filozofa aporijām, par kurām mēs jau runājām pirmajā nodaļā.

Vieni no pirmajiem, kas piedāvāja risinājumu Zenona aporijām, bija slavenie sengrieķu domātāji Leikips un Demokrits, kuri radīja un attīstīja seno atomisma skolu.

Divsejainais Januss. Senās Romas dievišķajā panteonā bija divi varoņi, kas atbildīgi par laika ritējumu: Saturns (grieķu Hronoss), kas aprij savus bērnus nepielūdzamajā laika ritējumā, un divsejainais Januss, sākuma un beigu, pagātnes un nākotnes, jaunības un vecuma dievs. Pēdējais tēls ir piemērots arī mūsdienu fiziskā laika problēmas simbola lomai ar kvantu fizikas jauno seju un klasiskās zinātnes veco seju.

Viņi un viņu sekotāji uzskatīja, ka Zenona paradoksi vienkārši neņem vērā matērijas un laika diskrēto dabu, kas noteiktā posmā vienkārši neļāva tālāk to sadalīt. Tādējādi senā atomistika pirms divarpus tūkstošiem gadu paredzēja ne tikai mūsdienu atomfiziku, bet arī jaunākās teorijas par diskrēto telpu-laiku. Nu, tagad ir pienācis laiks izpildīt mūsu grāmatas sākumā doto solījumu un pastāstīt par apbrīnojamo veidu, kādā senā filozofa Zenona no Elejas idejas tiek iemiesotas mūsdienu kvantu pasaulē.

Apskatīsim radioaktīvo atomu sistēmu, kas pakļaujas kvantu mehānikas likumiem, un mēģināsim atbildēt uz jautājumu: vai nestabila izotopa sabrukšanas varbūtība mainīsies atkarībā no mūsu veikto mērījumu biežuma?

Bet vispirms atgādināsim saviem lasītājiem, kas ir radioaktivitāte (no latīņu radio -  izstarot un activus - aktīva). Šī fizikālā parādība sastāv no nestabilu ķīmisko elementu izotopu spontānas transformācijas radioaktīvās sabrukšanas rezultātā. Radioaktivitāti 1896. gadā atklāja slavenais franču eksperimentētājs Anrī Bekerels, kurš atklāja urāna sāļu caurspiedīgo starojumu, kas iedarbojās uz fotoemulsiju. Bekerels konstatēja, ka starojuma intensitāti nosaka tikai urāna daudzums preparātā un tā ir pilnīgi neatkarīga no savienojumiem, kuros tas ir iekļauts. Divus gadus vēlāk Marija un Pjērs Kirī atklāja torija radioaktivitāti, un vēlāk atklāja jaunus radioaktīvos elementus poloniju un rādiju.

Trīs līmeņu kodolenerģijas sistēma

Īsos brīžos pēc sabrukšanas sākuma, kad amplitūda joprojām ir maza, jo daļiņa galvenokārt lokalizējas sabrukšanas sistēmā, arī amplitūdas maiņas ātrums, kas nosaka sabrukšanas ātrumu, būs mazs. Šo pārsteidzošo rezultātu, kam ir tīri kvantu raksturs, var formulēt šādi: lai nodrošinātu ievērojamu radioaktīvās sabrukšanas ātrumu, ir nepieciešams, lai daļiņas viļņu funkcija ārpus sabrukšanas sistēmas būtu pietiekami liela. Sākotnējos laika momentos, kad daļiņas viļņu funkcija ir lokalizēta galvenokārt sabrukšanas sistēmā, sabrukšanas ātrums ir tuvs nullei. Daļiņas novērojumi ārējā reģionā, kas dod negatīvu rezultātu, lokalizē daļiņu sabrukšanas sistēmā, kas samazina sabrukšanas ātrumu, veidojot Zenona kvantu efektu (ZKE) būtību.

Radioaktīvās sabrukšanas rezultātā izveidojies jaunais kodols dažkārt arī izrādās radioaktīvs un pēc kāda laika arī sadalās. Radioaktīvās sabrukšanas process turpināsies, līdz parādīsies stabils, tas ir, neradioaktīvs kodols, bet nuklīdu secību, kas rodas šajā procesā, sauc par radioaktīvo sēriju.

ZENONA KVANTU EFEKTS-(ZKE)

Mēs zinām, ka kvantu realitātē mikroobjekta parametru mērīšanas rezultātu nosaka pati mērierīce un mērīšanas procedūra. Tādējādi teorija apgalvo, ka mikrodaļiņas stāvoklis patiešām ir atkarīgs no tās stāvokļa mērīšanas kārtības un biežuma - dabiski, no klasiskās fizikas viedokļa tas šķiet neiespējami un paradoksāli. Šādus efektus, kas maina radioaktīvās sabrukšanas iespējamību atkarībā no kontroles mērījumu biežuma, sauc par zenona kvantu efektiem (ZKE).

Tas liek atcerēties paradoksālo situāciju ar Šrēdingera kaķi, jo kvantu robežās, nepārtraukti veicot radioaktīvā izotopa stāvokļa mērījumus, sākotnējais (nestabilais) stāvoklis it kā "sasalst" un ilgi cietušais kaķis beidzot iegūst mūžīgo mieru. Tiesa, jāatzīst, ka līdz šim KES nestabilo atomu, kodolu un elementārdaļiņu stāvokļu sabrukumos nav eksperimentāli atklāts.

Tomēr KES pāreju iespējamībai starp atomu līmeņiem tika eksperimentāli novērots pagājušā gadsimta beigās atomu sistēmai ar trīs enerģijas līmeņiem. Eksperimentu būtība bija tāda, ka B līmeņa kalpošanas laiks tika izvēlēts ļoti īss, lai atoms, kas ierosināts no A līmeņa pamata stāvokļa uz B līmeni, gandrīz nekavējoties atgrieztos atpakaļ, izstarojot noteiktas enerģijas fotonus. Pētnieki izmērīja fotonu skaitu ar apgrieztās pārejas enerģiju, tādējādi iegūstot atomu skaitu pamatstāvoklī. Pēc tam, izmantojot lāzera apstarošanu, atomi, kas atradās sākuma stāvoklī A, tika pārnesti uz stāvokli C. Tajā pašā laikā tika izmērīts fotonu skaits ar reversās pārejas enerģiju un fiksēts atomu skaits pamatstāvoklī noteiktos laika momentos. Šajā gadījumā tika novērota pārsteidzoša atkarība starp atomu skaita novērošanas intervālu lielumu sākotnējā stāvoklī un pāreju uz ierosināto stāvokli C varbūtību.

Šeit nav pilnīgi skaidrs, kā mērījums, kurā, šķiet, nav mijiedarbības starp daļiņu un detektoru, var ietekmēt sabrukšanas procesu. Lai atbildētu uz šo sarežģīto jautājumu, mums jāatceras, kā un kāpēc mērījumi ietekmē kvantu procesus.

Pievērsīsimies labi zināmajam iedomātajam eksperimentam ar divām spraugām, caur kurām iziet daļiņu kūlis. Ir zināms, ka, ja eksperiments ir izveidots tā, ka principā nav iespējams noteikt, caur kuru no spraugām daļiņa ir izgājusi, ekrānā, kas atrodas aiz spraugām, parādās interferences raksts. Un otrādi, ja to ir iespējams noskaidrot, pat principā, interferences nav. Bieži vien, lai izskaidrotu interferences izzušanas iemeslu, aprobežojas ar atsauci uz Heizenberga nenoteiktības principu, saskaņā ar kuru daļiņas telpiskā lokalizācija neizbēgami izraisa papildu nenoteiktības parādīšanos tās impulsā.

Rezumējot, var postulēt, ka mikrodaļiņas dažādu kvantu stāvokļu koherences pārkāpuma galvenais cēlonis ir nevis pašas tās makroskopiskās novērošanas (mērīšanas) darbība, bet gan pirms tam notiekošie mikroprocesi, kuru laikā attiecīgā daļiņa neelastīgi mijiedarbojas ar apkārtējām daļiņām, mainot pēdējo stāvokļus. Šādas izmaiņas faktiski nozīmē, ka mikrodaļiņa atstāj pēdas vidē un saskaņā ar zināmajiem kvantu principiem vairs nevar piedalīties interferences veidošanā. Ja iegūtās vides mikroskopiskā stāvokļa izmaiņas tajā notiekošo procesu rezultātā izraisa novērojamu makroskopisku efektu, tad mēs nodarbosimies ar reālu mērījumu, ja nē, tad makroskopiskais mērījums nenotiks. Tomēr abos gadījumos primārā mikroskopiskā neelastīgā mijiedarbība starp pētāmo mikrodaļiņu un apkārtējo vidi ietekmē daļiņu līdzīgā veidā, izjaucot tās dažādo stāvokļu saskaņotību, jo abos gadījumos, daļiņai izkliedējoties vidē, paliek mikroskopiskas pēdas, kas iezīmē atomu, uz kura notikusi izkliede.

Atšķirība starp gadījumiem, kad tiek veikts mērījums un kad tas netiek veikts, bet notiek vides mikroskopiskā stāvokļa izmaiņas, ir šāda. Pirmajā gadījumā mēs iegūstam precīzu informāciju par to, kādas izmaiņas notika vidē un uz kādu precīzu stāvokli tika samazināta izkliedes neitrona viļņu funkcija. Otrajā gadījumā mēs nesaņemam šādu informāciju, bet saprotam, ka neitrona koherento stāvokļu superpozīcija, kas radās, izkliedējot dažādus vides atomus, neitrona neelastīgās mijiedarbības dēļ ar šiem atomiem, pārvērtās nesakarīgu stāvokļu maisījumā, kas acīmredzami nespēj traucēt viens otru.

Sacītais izskaidro daudzus jautājumus, apspriežot problēmu par novērojumu ietekmi uz kvantu procesiem. Faktiski šos procesus ietekmē nevis pats novērošanas akts, bet gan reālas mikroskopiskas neelastīgas mijiedarbības starp pētāmo daļiņu un daļiņām vidē, kas izjauc šādu mijiedarbību piedzīvojušās daļiņas stāvokļu saskaņotību. Pēdējais apstāklis nosaka vienu no galvenajām atšķirībām starp kvantu fiziku un klasisko fiziku: klasiskajā fizikā tiek pieņemts, ka ir iespējama neierobežota fizikālo sistēmu mijiedarbības spēka samazināšanās, kas vismaz principā ļauj iegūt informāciju par pētāmo sistēmu, to netraucējot. Kvantu fizikā jebkurš mērījums, ja tas sākas ar mikroskopisku ierosmi mērierīces aktīvajā vidē, neizbēgami ietekmē pētāmo kvantu procesu, izjaucot pētāmās mikrosistēmas dažādo stāvokļu saskaņotību.

Vilsona kamera. Reālus eksperimentus, lai pārbaudītu ZKE (zenona kvantu efekta) paradoksu, tāpat kā EPR(Einšteina-Podoļska-Rozena) paradoksa gadījumā, ir diezgan grūti veikt. Kā vienkāršotu modeli varam pieņemt, ka pētāmā radioaktīvā sistēma atrodas elementārdaļiņu detektora iekšpusē (pārdzesētā tvaikā Vilsona kamerā vai pārkarsētā šķidrumā burbuļkamerā). Pēc tam radioaktīvās sabrukšanas produkti tiks reģistrēti pēc to pēdām pēc raksturīgā to pastāvēšanas laika detektora vidē. Lai nodrošinātu ideālu nepārtrauktu mērījumu, ir nepieciešams, lai daļiņu vidējais brīvais ceļš tiektos uz nulli. Ierobežotā gadījumā, veicot bezgalīgi biežus ultraīsus “nulles” mērījumus, radioaktīvai sabrukšanai vajadzētu beigties.

Tomēr iepriekš minētie apsvērumi joprojām ir nepietiekami, lai izprastu ZKE būtību, jo ZKE rašanās apstākļos nav reālas neelastīgas mijiedarbības starp emitēto daļiņu un vidi. Saskaņā ar kvantu teoriju mikroskopiski ierosinājumi, kas rodas vidē, kad daļiņa ar to mijiedarbojas, var būt reāla vai virtuāla. Pirmajā gadījumā vides stāvoklis mainās neatgriezeniski, otrajā vide tiek traucēta uz īsu brīdi, un tad traucējums pilnībā izzūd un vide atjauno sākotnējo stāvokli. Virtuālā mijiedarbība starp mikrodaļiņu un vidi noved pie daļiņas elastīgas izkliedes vidē. Šī izkliede neiznīcina interferenci, bet noved pie daļiņas viļņu funkcijas samazināšanās. Tādējādi var pieņemt, ka kvantu daļiņas virtuālā mijiedarbība ar vidi var ietekmēt efektus, saistītus ar dažādu daļiņas kvantu stāvokļu interferenci. Šis secinājums ļauj pilnībā izprast ZKE būtību.

Rezultātā mēs atkal nonākam pie apgalvojuma, ka radioaktīvā sabrukšana nav iespējama, ja tiek veikta tāda nepārtraukta emitētās daļiņas kontrole, kuras laikā daļiņa tiek reģistrēta uzreiz pēc tās iziešanas no sabrūkošās sistēmas. Taču tagad mēs saprotam, ka šāda paradoksāla efekta parādīšanās iemesls ir reālā mijiedarbība starp attiecīgo daļiņu un detektora aktīvo vidi, kurai, ja mēs vēlamies nodrošināt ideālu mērīšanas režīmu, jābūt ļoti spēcīgai, kurā emitētajai daļiņai vidējais brīvais ceļš detektora aktīvajā vidē ir nulle. Skatoties šādā veidā, ZKE zaudē savu noslēpumainību.

Atliek tikai saprast, sākot ar kādiem izstarotās daļiņas brīvā ceļa garumiem detektora aktīvajā vidē var novērot radioaktīvās sabrukšanas ātruma samazināšanos. Aprēķini liecina, ka šiem garumiem jābūt ļoti maziem, sakrītot ar sabrūkošās sistēmas ātrumu. šādus vidējos brīvos ceļus reālām sistēmām, kurās notiek radioaktīvā sabrukšana nodrošināt ir praktiski neiespējami.

Tādējādi radioaktīvās sabrukšanas fizikā ZKE ir efekts, kurš būtībā ir iespējams, bet gandrīz nerealizējams. ZKE atklāšanas un izpētes vēsture liecina, ka mūsdienu zinātnē ir iespējamas negaidītas parādības, kur pazīstamu problēmu izpratnei nepieciešamas jaunas pieejas. Tomēr ZKE var uzskatīt par vienu no oriģinālākajiem efektiem pēdējā laika kvantu fizikā.

Laika attēls.

Laiks pats par sevi nepastāv, bet objekti

paši noved pie tādas sajūtas,

kas notikuši gadsimtu gaitā. Kas notiek tagad un kas

sekos vēlāk. Un neizbēgami jāatzīst, ka neviens na sajutis

Pašu laiku ārpus ķermeņu kustības

un miera.

Lukrēcijs Karuss, "Par lietu būtību"

Acīmredzot kvantu teoriju varbūtības raksturs neatbilst statiskajiem laika modeļiem, kas iepriekš tika pielietoti teorētiskajā fizikā. Kas attiecas uz laika fenomena zinātnisko empīrisko līmeni, tad līdz ar kvantu fizikas un relativitātes teorijas rašanos rodas izpratne, ka ir nepieciešams apsvērt sintētiskos temporālos procesus. Tas tika atklāts un uzsvērts instrumenta un atskaites sistēmas lomas zinātnes atziņās analīzes rezultātā. Piemēram, kvantu fizikā nenoteiktības princips laika mērīšanas procedūrai uzliek papildu ierobežojumus, ar kādiem klasiskā fizika nesaskaras. Pamatojoties uz kvantu fizikas varbūtības raksturu, var konstruēt satriecošus supersimetriskas M teorijas modeļus, taču priekšstati par laiku izrādījās stabili pat “transsingulārajām brānām”. Un standarta kvantu teorija parasti izmanto laiku kā patiesu klasisku mainīgo, nepiešķirot tam nekādas jaunas vienības. Tomēr laika plūsmai mikropasaulē ir savas īpatnības. Pirmkārt,  protams,  nenoteiktības attiecības “laiks – enerģija” klātbūtne:, kas norāda, ka mēs varam noteikt vai nu enerģijas izmaiņas, vai laiku, kas nepieciešams, lai tās notiktu. Otrkārt, visa kvantu pasaule ir caurstrāvota ar svārstībām, ko nosaka frekvences, kuras atkal ir laika raksturlielumi. Nu, un, visbeidzot, paša Planka darbības kvanta izteiksme dimensijas apsvērumu dēļ sadalās “enerģijas” un “laika” daļās.

Vai laika plūsmas virziens ir saistīts ar vairuma procesu virzienu Visumā?

LAIKU BULTA

Izcilais angļu astrofiziķis Arturs Edingtons, kurš pazīstams ar saviem pierādījumiem par mums apkārt esošās realitātes relatīvistisko raksturu, reiz izteica ievērojamu ierosinājumu, ka laika plūsmas virziens ir saistīts ar Visuma paplašināšanos, nosaucot šo parādību par “laika bultu”. Viņš ierosināja, ka, ja mūsu Visums attīstās cikliski un noteiktā brīdī tā izplešanās tiek aizstāta ar kompresiju, tad laika bulta nekavējoties mainīs savu lidojuma virzienu.

Un, lai gan visbiežāk kvantu fizikas paradoksi ir saistīti ar ikdienas makroskopisko telpas un laika jēdzienu paplašināšanu uz kvantu objektiem, kaut kādam "laika bultas" analogam ir jāpastāv arī mikropasaulē. Taču mikrodaļiņām nepavisam nav pienākuma piederēt tikai pazīstamajam īpašajam telpas-laika gadījumam (matemātiķi to dēvē par gludu topoloģisko Minkovska kolektoru) parastās trīsdimensiju eiklīda telpas veidā no skolu mācību grāmatām, ko papildina koordinātu laika ass. Pilnīgi iespējams, ka tās “dzīvo” savā konkrētajā mikrotelpā, kurā Minkovska kolektors nonāk “Planka attālumos”, kas izteikts milimetros kā daļskaitļi ar trīsdesmit nullēm. Šajā noslēpumainajā dziļumā var notikt pilnīgi neticamas lietas, ko paredz formāli matemātiskie modeļi, un tāli, pat astronomiski attālumi “šeit” var atbilst neatšķiramam tuvumam “tur”. Šeit, starp citu, ir vēl viena EPR paradoksa risinājuma versija, un tā ir nesalīdzināmi “fiziskāka” par novērotāju brīnumaino kvantu apziņu un mikrodaļiņu “saprātīgo potenciālu”, ar ko sastopas daži mūsdienu pētnieki.

Pasaules līnija Minkovska kontinuumā. No šī brīža jēdzieni par telpu un laiku paši par sevi ir lemti atmirt un kļūt par bālām ēnām, un tikai sava veida šo divu jēdzienu apvienošana saglabās objektīvo realitāti

Fantastika? Tomēr atcerēsimies dažus faktus no mūsdienu kvantu lauka teorijas, kas apraksta elementārdaļiņas. Ir vispārpieņemts (cik šodien var izteikt šādu apgalvojumu), ka visas fiziskās parādības balstās uz kvantu laukiem, kuru diskrētās sastāvdaļas ir elementārdaļiņas. Šīs daļiņas pastāvīgi ir iesaistītas sarežģītos savstarpējās konversijas, rašanās un izzušanas procesos. Tiem, kam ir interese, es ļoti ieteiktu dažas labākās grāmatas par šo tēmu: mana skolotāja Aleksandra Iļjiča Akhiezera “Atomfizika” un pasaulē vadošā autoritātes šajā jomā Ļeva Borisoviča Okuna “Elementāro daļiņu fizika”. Pārsteidzoši, ka kvantu lauka teorijā izmantotie telpas un laika attēlojumi būtībā ir Minkovska makroskopiskā pasaule!

MINKOVSKA KONTINUUMS

Savulaik klasiskās mehānikas radīšana veicināja tāda zinātnisko zināšanu ideāla veidošanos, saskaņā ar kuru teorijai būtu jāskaidro parādības kā skaidri cēloņsakarīgi noteiktas, kas notiek telpā un laikā, pamatojoties uz viennozīmīgiem Galileja-Ņūtona mehānikas likumiem. Klasiskās parādību iepriekšējas noteikšanas princips jeb determinisms savu augstāko attīstību guva slavenā franču fiziķa un filozofa Pjēra Saimona Laplasa darbos. Viņš rakstīja: “Visas parādības, pat tās, kuras savā nenozīmīgumā, šķiet, nav atkarīgas no lielajiem dabas likumiem, ir šo likumu sekas, kas ir tikpat neizbēgamas kā Saules gaisma. Nezinot saiknes, kas tās saista ar pasaules sistēmu kopumā, tās tiek piedēvētas galīgiem cēloņiem vai nejaušībai, kā tās radās un sekoja viena otrai ar zināmu regularitāti, vai bez jebkādas redzamas kārtības, bet šie iedomātie cēloņi tika atmesti proporcionāli mūsu zināšanu robežām un pilnībā izzuda saprātīgas filozofijas analīzē, kas tajos saskata tikai nezināšanas izpausmes. Katra parādība, kas notiek, ir saistīta ar iepriekšējām, pamatojoties uz principu, ka neviena parādība nevar rasties bez cēloņa, kas to izraisīja. Laplasa determinisms pieņēma nākotnes nepārprotamību un priekšnoteikumu, tas izriet no stingras cēloņu un seku attiecību atzīšanas starp notikumiem un parādībām, kā arī objektīvās nejaušības noliegšanu.

Laplasa laika modelis bija organiski saistīts ar ideju par fizikālo parādību nepārprotamu iepriekšēju noteikšanu. Izrādījās, ka teorētiķiem ir ļoti ērti operēt ar četrdimensiju telpas jēdzieniem ar trim ģeometriskām koordinātēm un vienu laika koordināti.

Vienkāršākajā gadījumā ķermeņa kustību var attēlot plaknes diagrammā, uz vienas koordinātes attēlojot laika vērtības, bet uz otras -  attālumu. Ja ķermenis pārvietojas ar noteiktu ātrumu, tad pēc noteiktiem laika intervāliem pēc kustības sākuma tas nobīdīsies no sava ceļa sākuma par atbilstošu attālumu. Diagrammā šie notikumi tiks parādīti kā punkti, caur kuriem var novilkt līniju. Šo līniju, kas veidota no daudziem notikumu punktiem, ķermeņa vēsturē sauc par pasaules līniju.

Koordinātu plaknes pirmajā kvadrantā, kur gan laika, gan ceļa vērtības ir pozitīvas, pasaules līnija darbojas diezgan loģiski. Zināmā mērā fiziski var iedomāties kustību pa pasaules līniju otrajā kvadrantā, kur laiks ir pozitīvs bet ceļš - negatīvs. Mūsu ikdienas pasaulē tas varētu nozīmēt atgriešanos sākuma punktā. Šajā ziņā ceļš var šķist negatīvs lielums: virzoties pa to, mēs attālināmies no vajadzīgā punkta, nevis tuvojamies tam.

Bet gadījumi ar negatīvu laiku (mūsu diagrammas apakšējā pusplakne) no ikdienas pasaules viedokļa ir pilnīgi neizskaidrojami. Ko ta tas nozīmē? Principiālu iespēju atgriezties pagātnē? Bet laiks, cik mēs visi zinām, nevar plūst atpakaļ...

Pasaules līnija var mainīt savu pozīciju telpā atkarībā no kustības ātruma. Ja mēs varētu kustēties momentāli, tā varētu vienkārši stāvēt vertikāli. Bet fiziski tas nav iespējams, lielākais ātrums, kas mūsdienās ir fiziski sasniedzams, ir gaismas ātrums. Tas nozīmē, ka pasaules līnija mūsu zīmējumā ir jāierobežo ar taisnām līnijām, kas parāda gaismas izplatīšanos, tie būs tā sauktie "gaismas konusi".

Visu šo laiku mēs esam apsvēruši divdimensiju gadījumu, bet mūsu pasaulei, kā jau minēts, ir četras dimensijas. Tas nozīmē, ka pasaules līniju var ievietot noteiktā gaismas konusā, ko iezīmē pasaules gaismas līnijas. Īpaši interesanta ir pagātnes konusa virsma, kas atrodas reģionā, kurā laiks ir negatīvs. Galu galā uz šīs virsmas ir tas, ko mēs varam novērot. Patiesi redzēt, citiem vārdiem sakot, - uztvert gaismas starus. Bet, kamēr informācija no avota līdz mūsu acīm nonāks, paies kāds laiks, kas nozīmē, ka mēs varam redzēt tikai to, kas jau ir noticis, redzēt tikai pagātni.

šādus interesantus fiziskā laika paradoksus mikropasaulē var novērot, ņemot vērā antidaļiņas un laika apvērsumu. Antidaļiņa ir kādas citas elementārdaļiņas dvīņdaļiņa, kurai ir vienāda masa un tāds pats spins, bet kas atšķiras no tās ar citām mijiedarbības (lādiņu, piemēram, elektriskā un krāsu lādiņa, bariona un leptona kvantu skaitļa) pazīmēm. Elementārā daļiņa ir kolektīvs termins, kas attiecas uz mikroskopiskiem objektiem subnukleārā mērogā, kurus nevar sadalīt to sastāvdaļās. To uzbūvi un uzvedību pēta elementārdaļiņu fizika. Elementārdaļiņu jēdziens ir balstīts uz matērijas diskrētās struktūras faktu. Daudzām elementārdaļiņām ir sarežģīta iekšējā struktūra, taču tās nav iespējams sadalīt daļās. Citas elementārdaļiņas ir bezstruktūras, un tās var uzskatīt par primārajām pamatdaļiņām. Kopš pagājušā gadsimta trīsdesmitajiem gadiem jau ir atklāti vairāki simti elementārdaļiņu.

Pati definīcija tam, ko nozīmē “daļiņa” daļiņu un antidaļiņu pārī, lielākoties ir patvaļīga. Taču daba mums apkārt sastāv tieši no “daļiņām”, un atbilstošās antidaļiņas tiek noteiktas pilnīgi viennozīmīgi. Slaveni divdesmitā gadsimta teorētiskie fiziķi Ričards Feinmans un Džons Vīlers izveidoja oriģinālu antidaļiņu modeli kā parastās daļiņas, kas dzīvo "atpakaļ laikā". Paradoksāli, bet tas izrādījās pilnīgi pietiekami, lai noteiktu to īpašības. Sekojot Feinmana un Vīlera idejām, var iedomāties, ka, ja antidaļiņa piedalās kādā procesā - teiksim, elektromagnētiskā lauka kvanta emisijā, tad tās varbūtība būs tieši vienāda ar iespējamību, ka parasta daļiņa absorbēs tieši tādu pašu fotonu.

Tas, protams, joprojām ir tālu no apgrieztas laika plūsmas, taču, ja pastāv antipasaules, tad arī makroskopiskie procesi tajās notiks "apgrieztā veidā". Vispārīgi runājot, šādu laika apgriešanas operāciju sauc par temporālo inversiju (T-inversiju vai laika apgriešanu).

Tādējādi T-inversijas darbība stāvoklī ar noteiktu impulsu un enerģiju iegūst sākotnējo stāvokli ar sākotnējiem parametriem un koordinātēm. Tas izskaidrojams ar to, ka pēc laika atpakalplūšanas seko telpiskā inversija (P-inversija jeb telpiskais apvērsums), kas maina telpisko mainīgo pazīmes un atgriež mikrosistēmu tās sākotnējā stāvoklī.

Un lūk, kā pats R. Feinmans pielietoja laika inversiju jēdzienu gluži parastajam elektronu izkliedes procesam matērijā:

“...Parastā veidā šādu procesu var raksturot šādi... Kādā brīdī ir tikai sākotnējais elektrons. Brīdī C1) ārējais potenciāls rada elektronu-pozitronu pāri. Laikā (2) C1) pozitrons anihilējas ar sākotnējo elektronu, tā ka pie t C2) paliek tikai izkliedētais elektrons…

Pēc tam Feinmans turpina analizēt elektronu izkliedi un izvirza jaunu izkliedes versiju:

"...Šādas spriešanas vietā mēs vēlamies vispārināt izkliedes ideju un uzskatīt, ka elektrons ir izkliedēts atpakaļ laikā no C2) uz C1). Tāpēc parasts pozitrons parādās kā elektrons, kas pārvietojas atpakaļ laikā…

Noslēgumā Feinmans secina: "...Šie divi gadījumi atbilst daļiņām un antidaļiņām..."

Iepriekš minētais izvilkums no Feinmana darba 1950. gadu beigās skaidri parāda, ka slavenais fiziķis uzskatīja, ka antidaļiņas ir daļiņas, kas pārvietojas no nākotnes uz mūsu tagadni un tālāk pagātnē. Vīlers, attīstot Feinmana idejas, uzskatīja, ka šāda antidaļiņu “antitemporālā” būtība ļauj veiksmīgi izskaidrot kosmoloģisko paradoksu, kas liecina par antimatērijas neesamību novērojamajās metagalaktikas daļās.

Einšteina vispārējā relativitātes teorijā masīvu ķermeņu tuvumā telpa un laiks ir izliekti. Šī parādība mums ir pazīstama kā universālā gravitācija. Taču līdz ar telpas-laika izliekumu var kļūt arī izliektas visas pasaules līnijas, kļūstot noslēgtas. Pārvietojoties pa šādām slēgtām līnijām, objekts no nākotnes neizbēgami atgriezīsies pagātnē un spēs ietekmēt pagātnes notikumus.

LAIKA CILPAS

Slēgto pasaules līniju esamību dabā savulaik pētīja vācu matemātiķis Kurts Hēdels. Slēgtas pasaules līnijas, kas populārzinātniskajā un fantastiskajā literatūrā pazīstamas kā "laika cilpas", parādās masīvu melno caurumu tuvumā. Tātad no iepriekšējās rindkopas mēs zinām, ka Kips Torns parādīja iespēju, ka tunelī, kas savieno sastingušu zvaigžņu sistēmu, veidosies laika cilpas. Cits angļu kosmologs Ričards Gots, izstrādājot superstīgu teoriju (par kuru mēs jau esam daudz runājuši), pierādīja, ka šādām stīgām šķērsojoties vienai caur otru ir jāģenerē laika cilpas. Pārliecinājušies, ka laika cilpas nav pretrunā ar relativitātes teoriju, fiziķi mēģināja atbrīvoties no loģiskajiem paradoksiem, ieviešot nezināmu dabas likumu, kas aizliedz iejaukties mūsu pašu pagātnē.

Radikālāku skaidrojumu paradoksu neiespējamībai piedāvāja Stīvens Hokings. Izmantojot gravitācijas teorijas un kvantu mehānikas kombināciju, kas apraksta elementārdaļiņu kustību, viņš parādīja, ka kvantu efektiem vajadzētu izraisīt Einšteina vienādojumos paredzēto laika cilpu iznīcināšanos. Tāpēc slēgto pasaules līniju teorijā noteikti jāņem vērā kvantu efekti.

Mēs jau runājām par fiziskā vakuuma vārīšanos, tieši šajā elementārākajā telpas laika līmenī kvantu fizika norāda uz laika cilpu rašanās iespēju. Saskaņā ar kvantu teoriju, telpas laikam šeit ir "putojoša" struktūra, kas ietver daudzas mikroskopiskas slēgtas pasaules līnijas. Tomēr tas nav vienīgais kosmoloģiskais paradokss, uz kuru atbildes sniedz laika fizika.

Lielākā daļa zvaigžņu un galaktiku atrodas tādā attālumā no mums, no kurienes gaisma atnāk tikai pēc vairākiem miljardiem gadu. Pēdējo desmit vai vairāk miljardu gadu laikā kopš pirmās zvaigznes dzima mūsu Visumā to gaisma vēl nav sasniegusi mūsu planētu. Šīs zvaigznes atrodas it kā aiz "mūsu laika upes krasta". Tās zvaigznes, kuru gaismai izdevās sasniegt Saules sistēmu, pēc astronomu aprēķiniem, veido tikai niecīgu daļu no visiem esošajiem zvaigžņu objektiem. Tāpēc to gaismas spilgtums ir niecīgs, un naktī mūsu Galaktikas nomalē - Piena Ceļā - ir tumšs. Tādējādi laika fizika no sava viedokļa ir atrisinājusi vēl vienu slaveno astronomisko “Olbersa paradoksu”, kas nosaukts pagājušā gadsimta vācu astronoma vārdā, kurš to formulēja.

Viena no intriģējošākajām problēmām fizikā ir “laika bultas” virziena maiņas veidu meklējumi jeb plašākā nozīmē laika ritējuma vektora pielietojums mums apkārt esošajos fiziskajos procesos. Pagājušā gadsimta divdesmito gadu sākumā, iedvesmojoties no jaunām relativitātes un kvantu teorijām, izcilais krievu ģeologs, ģeoķīmiķis un mineralogs Aleksandrs Jevgeņevičs Fersmans rakstīja: “Lai padarītu laiku atkarīgu no ātruma, no telpas, no ķermeņa kustības, lai izveidotu pulksteni, lai to mērītu tālā pagātnē, lai iemācītos to skaitīt ārpus tagadnes, vai tad tas viss nav bērnu fantāzijas, kas nav pieņemamas nākotnes zinātniekam, dabaszinātniekam un fiziķim?

Filma "Atpakaļ nākotnē"

Šajā amerikāņu fantāzijā var novērot dažādus laika paradoksus. Tās visas ir veidotas pēc “laika cilpas” shēmas, kad laika ceļotājs tiek pārcelts pagātnē un maina to sinhroni ar atbilstošo tagadnes maiņu, pēc tam atgriežas sākotnējā vēsturiskajā punktā. Tāpat, virzoties nākotnē, viņš kontrolē ietekmi uz tagadni, veidojot nākotni. Atbilde uz akadēmiķa Fersmana retoriskajiem jautājumiem var būt visa mūsdienu teorētiskās un kvantu fizikas attīstības vēsture, skaidri parādot, ka zināmie likumi, šķiet, nav pretrunā ar fundamentālo iespēju izveidot laika mašīnu (T-aparātu). Ir pat vairāki šādas mašīnas varianti. Parasti šeit ir nepieciešams iepriekš izveidot vispārēji fantastiskas struktūras, kas saspiež un sagriež telpu ap mums. Šādus grūti iztēlojamus “efektus” ar pazīstamo fizikas un matemātikas vidi sauc par “Eiklīda kolektora komplekso topoloģiju” vai “trīsdimensiju kontinuuma topoloģijas izmaiņām”. Intuitīvi šo noslēpumaino frāžu nozīme ir skaidra: topoloģija ir zinātne par dažādu izmēru telpu vispārīgākajām ģeometriskajām īpašībām, un daudzveidību bet kontinuums ir vienkārši tā telpa, kas ir ap mums.

Protams, jebkura teorija par ceļošanu laikā joprojām ir tikai “tukša teorija” vai tīra “zinātniska fantastika”. Visbiežāk, runājot par redzamo laika tēlu, skolu skolotāji un augstskolu profesori, vadoties pēc klasiskās teorijas, uz tāfeles uzzīmē bultiņu un saka, ka ir tikai viena laika dimensija, kas veido vienotu viendimensionālu laiktelpu.

Baltais caurums - hipotētiska izeja no subtelpas tārpejas. Izcilais krievu astrofiziķis un kosmologs, melno caurumu pētnieks un uz tiem balstīto T-agregātu “konstruktors” akadēmiķis Igors Dmitrijevičs Novikovs uzskata, ka viena no ārpustelpiskās pārejas sastāvdaļām varētu būt “anti-melnais” - baltais caurums, kas ģenerē matēriju.

Saskaņā ar šo skatījumu pagātnes notikumu izmaiņas automātiski maina tagadnes tēlu. Tas rada dīvainus “laika cilpu” paradoksus. Piemēram, kas notiktu, ja jūs aizceļotu pagātnē un neļautu saviem vecākiem satikties? Populārā zinātniskās fantastikas filma "atpakaļ nākotnē" apgalvo, ka jūs vienkārši pārstāsiet eksistēt, uz visiem laikiem pazūdot no jebkuras realitātes.

Mūsdienās tiek uzskatīts, ka laika plūsma ir atkarīga no ķermeņu kustības ātruma, to kustības rakstura un apkārtējās telpas struktūras. Nākamais solis ir no mūsdienu fizikas viedokļa reālistisku laika ceļojumu shēmu konstruēšana. Kāda loma šeit varētu būt kvantu fizikai?

Ar kvantu teorijas palīdzību var atrisināt daudzus sarežģītus jautājumus par T-agregātu struktūru. Ir iespējams konstruēt laika mašīnas “ieeju” un “izeju”, kā arī kanālu starptemporālajai pārejai, un ir iespējams radikāli “atsaistīt” visas laika cilpas, izmantojot kvantu mehānikas daudzu pasauļu interpretāciju. "Hrononauts", kas ceļos laikā, nekad nespēs veikt nekādas izmaiņas sākotnējā realitātē, jo viņš vienmēr nonāks paralēlās pasaulēs. Šajā gadījumā kopumā var iedomāties interesantu situāciju, kur neatkarīgas pasaules ir sakārtotas laika secībā, kur katra no tām savā attīstībā absolūti kopē savus kaimiņus, kuri devušies nākotnē. Šādā Multiversā varētu ceļot gan pagātnē, gan nākotnē, nebaidoties no laika cilpām un vērojot savas pasaules vēstures nesagrozītu realitāti.

Mēs jau runājām par fiziskā vakuuma vārīšanos, tieši šajā elementārākajā telpas laika līmenī kvantu fizika norāda uz laika cilpu rašanās iespēju. Saskaņā ar kvantu teoriju, telpai-laikam šeit ir "putojoša" struktūra, kas ietver daudzas mikroskopiskas slēgtas pasaules līnijas.

MULTILAIKS

Galvenais jautājums paliek: ja laika paradoksus var veiksmīgi atrisināt, vai pati ceļošana laikā ir iespējama vai nav? Tas pats Stīvens Hokings par to saka šādi: "Labākais pierādījums tam, ka šāda ceļošana nav iespējama, ir fakts, ka starp mums vēl neklaiņo šādu apmeklētāju pūļi no nākotnes." Taču Multiversa teorijas piekritēji uz to atbild: “Ceļošana laikā, iespējams, ir visizplatītākā lieta Visumā. Bet tas nenozīmē, ka mūs vajadzētu pārpludināt ar “apmeklētāju pūļiem”. Laika cilpas kosmosā diez vai būs ierasta parādība, un ārpuszemes civilizācijām var būt savas, daudz svarīgākas prioritātes nekā mūsu nomaļā Piena ceļa provinces nostūra apmeklējums. Un turklāt viņi jau sen varēja apmeklēt kādu no neskaitāmajām paralēlajām Zemēm un tur satikt zemiešus - tikai ne mūs, bet mūsu kopijas.

Multilaiks. Daudzus laikus vienā pasaulē var viegli iedomāties, izmantojot fantastisku lidmašīnu grupas lidojuma piemēru. Vienā reizē nosaka lidojuma augstumu, otrā ātrumu, trešā savstarpējo attālumu un ceturtajā degvielas daudzumu.

Kāpēc mūsu pasaulē ir tikai viens laiks, nevis divi, nevis trīs?

Kāpēc tas ir viendimensionāls?

Telpai ir trīs dimensijas – garums, platums, augstums, bet laikam ir tikai viena – ilgums?

Varbūt tā ir tikai mūsu bezgalīgi daudzveidīgā Visuma daļā, bet citās viss ir kaut kā savādāk?

Interesanti, kā izskatās daudzdimensionālās pasaules?

Vai varbūt arī mūsu pasaule ir multilaiku, bet mēs to nepamanām - dzimusi lielā sprādziena lielajā kataklizmā, tā kopā ar visām apslēptajām dimensijām virzās pa vienu laika trajektoriju, pēc kuras mēs skaitam laiku?

Bet, ja tas tā ir, vai ir iespējams “aktivizēt” laika slēptās iespējas un aizsūtīt apkārtējo realitāti pa jauniem laika ceļiem, un kas ar to notiks?

Varbūt tas izraisīs tik milzīgu enerģijas daudzumu absorbciju un izstarošanu, ka būs pielīdzināms kosmoloģiskam kolapsam – Lielajam Sprādzienam vai Lielajam Plīsumam, kas saskaņā ar dažiem scenārijiem sagaida mūsu Visumu?

Jo vairāk mēs uzzinām par apbrīnojamo ceturto dimensiju mūsu realitātē, jo vairāk jautājumu rodas un jo sarežģītāki tie kļūst. Tiesa, laiks ir tik dziļa, fundamentāla apkārtējās pasaules īpašība, ka jebkurš mēģinājums kaut nedaudz iziet ārpus tā jau zināmo īpašību robežām neizbēgami ieved mūs jaunā, pilnīgi fantastisku un grūti iztēlojamu parādību realitātē.

Ir ļoti grūti precīzi pateikt, kas ir laiks. No filozofiskā viedokļa tas ir visvispārīgākais raksturojums visām izmaiņām, kas notiek mums apkārt. Tā ir tā būtība un nozīme; Absolūti nemainīgā pasaulē laika nav. No matemātiķa viedokļa laiks ir tikai parametrs, kas numurē notikumu secību, kas seko viens otram. Tomēr abos gadījumos rodas jautājums: kāpēc visas dažādu notikumu secības nosaka tikai viena vērtība, kas iederas rindā? Kāpēc nevarētu būt, piemēram, plakne ar diviem laika periodiem vai tilpums ar trim?

Varētu sākt būvēt pasakainu realitāti ar vairākiem laikiem no visvienkāršākajām konstrukcijām - bija četras pasaules asis - trīs telpiskās, viena laika, tagad ir vairāk. No matemātiskā viedokļa šeit nav problēmu, bet kā mainīsies pasaules fiziskās īpašības?

Pirmkārt, cik papildu laika asīm vajadzētu būt?

Uz šo jautājumu ir ļoti grūti sniegt skaidru atbildi, jo telpisko un laika “kardinālo virzienu” skaitam nav formālu ierobežojumu. Ievērojamais zinātnieks, akadēmiķis Andrejs Dmitrijevičs Saharovs, izstrādājot teoriju ar bezgalīgu laika mainīgo skaitu, kas atšķiras pēc to izpausmes veida materiālajā pasaulē, vienā no saviem rakstiem rakstīja, ka daba ir tik daudzveidīga, ka principā ļauj pastāvēt, piemēram, pasaulēm ar vienu vai diviem telpiskiem un vairākiem laika mainīgajiem lielumiem. Protams, visas šīs pasaules pēc savām īpašībām stipri atšķirsies - dažās var pastāvēt stabili atomi un veidoties sarežģītas molekulas - dzīvības pamats, citās veidosies savdabīgs elementārdaļiņu vai kādu citu mums vēl nezināmu matērijas formu un tās organizācijas formu jūklis...

Ir arī dziļāki apsvērumi, kas balstīti uz fenomenu izpēti ultramazos apgabalos, kur daļiņas acīmredzot var pārvietoties ātrāk par gaismu un telpas un laika pretnostatījums zaudē savu nozīmi – atkarībā no skatpunkta telpa var kļūt par laiku, bet laiks var iegūt telpas īpašības.

Vienīgā saprāta zonde, kas var iekļūt tik fantastiskā realitātē, ir vissarežģītākās matemātiskās formulas. Tikai ar to palīdzību mēs varam uzzīmēt jaunā Visuma attēlus. Kamēr zinātniskās fantastikas rakstnieki un mākslinieki ceļo pa iedomātām pasaulēm, izmantojot savu iztēli, matemātiķi un teorētiskie fiziķi izmanto intelektuālus paņēmienus, kuru pamatā ir matemātikas likumi un fizikālie principi. Protams, mēs tagad nebridīsim cauri matemātisko simbolu palisādei bet izmantosim gatavus rezultātus, mēģinot tos izprast ar nestingru, bet vismaz vizuālu analoģiju palīdzību.

Gadsimtiem ilgi zinātnieki ir pētījuši dažādās apkārtējās materiālās realitātes īpašības, aizvirzot Metagalaktikas robežas arvien tālāk. Vispārīgi runājot, visā zinātniskās izpētes laikā no visiem mums apkārt esošajiem objektiem, tostarp simtiem jaunu elementārdaļiņu, fiziķi nav saskārušies ar tādu, kurā būtu redzamas papildu laika dimensijas pazīmes. Var pieņemt, ka laika vektors, ar kuru Lielā Sprādziena milzīgajos procesos piedzima ierobežota Visuma daļa, kas pēc tam izpletās apkārtējā pasaulē, ir vienāds ar augstu precizitātes pakāpi visiem materiālajiem ķermeņiem, kas to aizpilda. Objekti ar atšķirīgu laika plūsmu pie mums var atlidot tikai no tālām Metagalaktikas nomalēm.

Tikko kvantu neviendabībā piedzimušā Visuma izmēri bija neiedomājami mazi – elementārdaļiņas lielumā vai pat mazāki. Protams, tā atsevišķās sadaļas sākotnēji intensīvi mijiedarbojās viena ar otru, un to matērija vētraini sajaucās. Līdz ar to laiks, kas pašā sākumā veidojies kā process visā mūsu Visumā, pēc tam visur plūst vienādi. Ja tas tā ir, tad objekti ar dažādiem laika vektoriem var rasties tikai procesos, kas notiek mūsu pasaulē.

Tātad, kādu iespaidu uz mums atstātu daudzdimensionāla pasaule, ja tāda pastāvētu patiesībā? Sākumā tai vajadzētu šķist līdzīgai kā mūsu četrdimensionālajai. Tomēr, ja mēs ieskatītos, tad pamanītu, ka daži ķermeņi pārvietojas neparasti ātri, pārvietojoties pa kosmosu gandrīz acumirklī. Zinot attālumu starp punktiem un nosakot kustības laiku, izmantojot Zemes hronometru, mēs atklātu, ka dažu ķermeņu ātrums daudzkārt pārsniedz gaismas ātrumu. Tas ir satraucoši, jo fiziķi jau sen ir noskaidrojuši, ka virsgaismas ķermeņi, ja tie patiešām pastāv dabā, var pārvietoties atpakaļ laikā - no tagadnes uz pagātni. To kustības virziens ir atkarīgs no novērotāja viedokļa. Stacionārs novērotājs redzēs, ka sprāgstoša lādiņa virsgaismas fragmenti, kā parasts, izlido un, palēninājušies, nokrīt zemē. Bet tas, kurš kustas, visu redzēs apgrieztā secībā: zemē guļošās šķembas paceļas gaisā, lido viens otrai pretī un saliekas veselā šāviņā, kuru ātri ielido ieroča stobrā! Šeit tiek pārkāpta viena no galvenajām materiālās pasaules īpašībām, jeb, vienkārši sakot, ir mainījušies cēlonis un sekas.

Ar līdzīgu efektu mēs jau esam sastapušies relativitātes teorijā, kur laika ritējums ir atkarīgs no tā, ar kādu pulksteni to mēra. Ikdienā mēs dažreiz sastopamies ar virsgaismas ilūzijām. Piemēram, ātrums, ar kādu spoguļa atstarots gaismas plankums slīd gar sienu, var iegūt jebkuru vērtību, kas tiecas uz bezgalību, bet ne enerģija, ne matērija nekustas un cēloņsakarības pārkāpumi nenotiek. Vēl viens piemērs ir neona reklāma, kurā burti mirgo neatkarīgi viens no otra un mums šķiet, ka katrs no tiem izgaismo nākamo. Neona signāls arī var darboties jebkurā ātrumā, ko ierobežo tikai elektriskās ķēdes tehniskās iespējas.

Tātad, lai noskaidrotu, vai mūsu Visums ir multilaiku, mums kaut kur kosmosā vai mikropasaulē starp elementārdaļiņām jāsameklē objekti, kuru ātrums šķiet virsgaismas. Un izrādās, ka šādi objekti astronomiem ir zināmi jau sen! Daži spoži ķermeņi zvaigžņotajās debesīs patiesībā pārvietojas ātrāk par gaismu. Šodien nav šaubu, ka tas tā ir – tā nav novērojumu kļūda, bet gan stingri konstatēts fakts. Tomēr eksperimentālā informācija par šo ķermeņu īpašībām joprojām ir ierobežota, un to var izskaidrot ar optiskām ilūzijām, kas nav saistītas ar laika daudzdimensionalitāti.

Protams, šim nolūkam var veiksmīgi izmantot hipotēzi par multilaiku pasauli, tomēr, kamēr zinātnē darbojas zināmie likumi, nevajadzētu ieviest jaunas hipotēzes - pretējā gadījumā zinātne pārvērtīsies par zinātnisko fantastiku.

Vispārīgi runājot, ķermenis ar laika trajektoriju, kas atšķiras no mūsējās, var atrasties mūsu laikā tikai uz mirkli - savas trajektorijas un mūsu trajektorijas krustošanās brīdī. Nedaudz agrāk tas vēl bija mūsu pagātnē, mirkli vēlāk tas būs mūsu nākotnē. Ja ķermenim ir vajadzīgā ierīce, tad, būdams pagātnē, tas par savu ierašanos var nosūtīt mums radiogrammu vai gaismas signālu - un, jo īpaši, paziņot mums laiku un trajektoriju krustošanās punkta koordinātes, lai neizlidotu no pagātnes kāda cita materiāla ķermeņa iekšienē, jo tad var notikt reāla kosmiska katastrofa.

"Smilšu pulkstenis". "Smilšu graudi uz pulksteņa nedaudz atgādina laika kvantus, tie arī skaita tā segmentus nedalāmi, un arī laika brīdis, kamēr smilšu grauds ir "lidojumā", ir nenoteikts.

Tiesa, tas tā būs, ja mūsu laika trajektorija ir paralēla vai ļoti neatšķiras no laika gaitas, kas noteikta pēc Visuma rašanās Lielajā Sprādzienā. Pēdējais kļūst nedaudz skaidrāks, ja mēs uzskatām, ka attālums laikā un attālums telpā ir pilnīgi atšķirīgas lietas. Objekts var atrasties blakus istabā, pat uz blakus galda, bet palikt mums neredzams, kaut kur akmens laikmetā. Tā sūtītais signāls šķērsoja mūsu laika trajektoriju brīdī, kas mums ir tāla pagātne. Signālus no tālā laika saņemsim tikai tad, ja tos raidošais objekts atradīsies pietiekami tālu no mums kosmosā, kosmosa dzīlēs...

Mūsu pasaulē mēs esam pieraduši redzēt astronomiskus gaismas avotus – Sauli un zvaigznes – tik ilgi, kamēr tie spīd. Saule uzliesmoja ilgi pirms mūsu planētas dzimšanas un iespējams, spīdēs vēl miljardiem gadu, tāpēc esam pārliecināti, ka mūsu dzīves kosmiskajā mirklī tā nekur nepazudīs.

multi laiku pasaulē tas izskatās pavisam savādāk. Gaismas objekts pēkšņi parādās mūsu redzes laukā, iznirst "no nekurienes", kad tas ir pietiekami tuvu īslaicīgajam krustojumam, un tad, attālinoties no tā, kļūst neredzams un pazūd pavisam.

Ja Saules laika vektors atšķirtos no mūsējā par dažām procenta simtdaļām, tas Zemi apgaismotu tikai dažus simtus tūkstošus gadu. No tā izriet, ka Saules un Zemes laika plūsmas ir praktiski paralēlas, jo mūsu planēta Saules siltumu un gaismu izmanto jau vismaz piecus miljardus gadu.

Visas šīs šķietamās objektu pazušanas un parādīšanās, pirmkārt, pievērš uzmanību enerģijas līdzsvara jautājumiem multitemporālajā pasaulē.

Lieta tāda, ka teorijā ar vairākiem laikiem enerģijai ir izplatīšanās virziens telpā, kas ir vektors. Un, ja tas tā ir, tad var gadīties, ka tā sastāvdaļas kompensēs viena otru - dzims arvien vairāk vielas, bet enerģija paliks nemainīga.

Piemēram, absolūti tukšā telpā no vakuuma var piedzimt divas daļiņas ar enerģijas vektoriem, kas ir vērsti pretēji viens otram, un kopējais atlikums būs vienāds ar nulli. Tas var notikt jebkurā bezgalīgās telpas punktā – fiziķi šādas parādības sauc par vakuuma sabrukšanu. No malas vērotājam šādi procesi izskatītos pēc nekontrolējama momentāla tukšuma sprādziena ar bezgala liela vielas daudzuma izdalīšanos.

Zinātnieki jau sen ir pamanījuši apbrīnojamo faktu, ka fizikālo teoriju vienādojumi ir konstruēti tā, ka pagātne un nākotne tajos ir absolūti vienādi. Tātad, izmantojot vienus un tos pašus vienādojumus, var aprēķināt gan sprādzienu ar fragmentu izkliedi, gan to saplūšanas procesu. Tomēr katrs no savas pieredzes labi zina, ka reālajā dzīvē laiks plūst tikai vienā virzienā.

Tā kā enerģijas vektors ir vērsts uz laiku, ķermeņa laika trajektorijas izmaiņām vajadzētu ietekmēt tā enerģiju - un otrādi. Palielinot vai samazinot laika trajektoriju slīpumu, mēs varam iegūt enerģiju, izmantojot unikālus T-pārveidotājus, un, izmantojot speciālās vienības no cita laika kā superjaudīgus akumulatorus, to uzkrāt.

Šodien mēs dabiski uztveram visdziļāko apkārtējās fiziskās realitātes parādību un objektu atomismu. No iepriekšējām nodaļām ir skaidrs, ka mikroobjektu parametri, vispārīgi runājot, ir ieviesti vairāk aprēķinu ērtībai. Faktiski gan daļiņas impulss, gan atrašanās vieta ir diezgan neskaidra un nosacīta. Turklāt, jo precīzāks ir viens lielums, jo nenoteiktāks būs otrs.

Teorētiskajiem fiziķiem pat ir izdevies kvantitatīvi izteikt attiecības starp noteiktību un nenoteiktību un faktiski izmantot to, aprakstot dažādus notikumus mikropasaulē. Tā tas ir elektronu, fotonu un citu daļiņu aprakstos, par kurām mūsdienās fiziķi zina diezgan daudz. Nu, bet kā ar laiku?

PLANKA VĒRTĪBAS

Atcerēsimies, kāda enerģija var būt elektronam, kas riņko ap atoma kodolu. Klasiskās fizikas ietvaros - jebkura, bet kvantu mehānika pieļauj tikai  stingri noteiktas, diskrētas enerģijas vērtības. Atšķirība ir tāda pati kā starp šķidruma tilpuma mērīšanu, kas veido nepārtrauktu plūsmu, un ūdens daudzuma noteikšanu, kura atomus var saskaitīt.

Citiem vārdiem sakot, telpa nav nepārtraukta, bet sastāv no noteiktām laukuma un tilpuma kvantu vienībām. Iespējamās tilpuma un laukuma vērtības mēra vienībās, kas iegūtas no Planka garuma, kas ir saistīts ar gravitācijas spēku, kvantu lielumu un gaismas ātrumu. Planka garums ir neiedomājami mazs(h=6,6260687652x10-34 J.s); un tas nosaka mērogu, kurā telpas ģeometriju vairs nevar uzskatīt par nepārtrauktu.

Mazākais iespējamais laukums, kas atšķiras no nulles, ir aptuveni vienāds ar Planka garuma kvadrātu, un mazākais tilpums, kas nav nulle, ir aptuveni vienāds ar Planka garuma kubu. Tilpuma kvants ir tik mazs, ka kubikcentimetrā šādu kvantu ir vairāk nekā kubikcentimetru redzamajā Visumā.

Interesanti, ka daļiņu un lauku kustība telpā tik dziļā matērijas līmenī atspoguļos lēcienus pa spēka cilpām. Tas ir mazliet līdzīgs ķengura, kurš lec uz batuta un šaha zirdziņa vienlaicīgai kustībai. šādā paradoksālā pasaulē vienīgie kustīgie objekti nav tikai daļiņas un lauki. Saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju, matērijas un enerģijas kustība noteikti mainīs telpu, un tai pār skries viļņi, piemēram, ņirbas uz ūdens virsmas.

Kvantu gravitācijas teorijā šādi procesi tiek attēloti kā pakāpienveida nobīdes uz noteiktas nosacītas virsmas, kurās pakāpienos mainās pats telpas reljefs. Tas viss ļoti atgādina dabas katastrofu attēlus no zinātniskās fantastikas filmām, kad pa Zemes virsmu virzās plaisas, kamēr tā uzbriest un iebrūk. Atcerēsimies, ka relativitātes teorijā telpa un laiks nav atdalāmi viens no otra un pārstāv vienotu telpu-laiku. Cilpas kvantu gravitācijas teorijā šāda telpa-laiks nedaudz atgādina ziepjūdens virsmu, kas pārklāta ar speciālām spinu putām.

Kvantu gravitācijas teorijas izstrādes procesā amerikāņu pētnieku grupa paredzēja pārsteidzošu parādību, proti: dažādu enerģiju fotoniem jāpārvietojas ar dažādu ātrumu un jānonāk pie novērotāja dažādos laikos. Pagaidām moderno ierīču precizitāte ir simtiem reižu zemāka nekā nepieciešams, taču tuvākajā laika posmā plānots palaist satelītobservatoriju, kuras iekārtas ļaus veikt ilgi gaidīto eksperimentu.

Laiks uzvedas ļoti interesanti šūnveida telpas līmenī, arī būdams diskrēts lielums. Laiks neplūst kā upe, bet tikšķ kā pulkstenis. Intervāls starp “ķeksīšiem” ir aptuveni vienāds ar īpašu “Planka laiku”, savā lielumā pilnīgi neiedomājami sīku vērtību, ko raksturo daļa ar vairākiem desmitiem nullēm. Precīzāk sakot, laiku mūsu Visumā submikroskopiskā kvantu lieluma līmenī mēra ar neskaitāmām pulksteņu miriādēm: tur, kur spinu putās notiek kvantu solis, pulkstenis izdara vienu “tikšķi”.

Šeit vēlreiz jāatgādina Heizenberga nenoteiktības attiecība enerģijai un laikam: . Tas parāda, ka ārkārtīgi mazos laika intervālos t ir iespējamas spontānas mikrodaļiņas enerģijas izmaiņas Δ. Šādas kvantu enerģijas svārstības var radīt virtuālas (iespējamas) daļiņas. Kvantu lauka teorijā tiek uzskatīts, ka virtuālās daļiņas būtībā nav tieši novērojamas. Tā ir ļoti dīvaina, bet principā sagaidāma daļiņu īpašība, jo loģiski izriet no sākotnējā nenoteiktības principa – kvantu objektus nevar novērot tieši, ir vajadzīgs kāds aģents – starpnieks, kas maina to stāvokli. Tomēr kvantu elektrodinamikā visi mijiedarbības procesi ir saistīti ar virtuālo daļiņu klātbūtni.

Kāda ir virtuālo daļiņu iespējamā būtība? Šeit ir vairākas iespējamās atbildes. Var pieņemt, ka tā ir jauna veida fiziskā realitāte, kas atklāta kvantu lauka teorijā, vai arī uzskatīt to par dažiem abstraktiem objektiem, kuriem nav reālu analogu un tikai aptuveni modelē elementārdaļiņu mijiedarbības mehānismus.

Vai arī mēs varam pāriet pie vispārinātām telpas un laika kategorijām, salīdzinot virtuālās daļiņas un zināmu “telpiskās lokalizācijas potenciālo realitāti”, kas pastāv tikai iespējai iziet ārpus pastāvēšanas laika robežām. Šis virtuālās daļiņas mūžs, tāpat kā enerģija un telpa, vairs netiks kvantificēts, bet gan hronokvantēts, iekļaujot veselu skaitu elementāru “laika atomu” – hronokvantus. Tad virtuālo daļiņu transformāciju reālos eksperimentos var uzskatīt par netiešu apstiprinājumu virtuālā objekta “kustībai” pa laika skalu. Izrādās, ka aiz supermazā ir paslēpts cits eksistences veids - reāllaika “tur” un telpiskais potenciāls “šeit”. Kaut ko līdzīgu iedomātā ceļojumā sastingušas zvaigznes – kolapsāra – bezdibenī aprakstīja ievērojamais krievu astrofiziķis un izcilais zinātnes popularizētājs, akadēmiķis Igors Dmitrijevičs Novikovs.

Mēs vēl parunāsim par Minkovska pasaules kvantu kosmoloģiju, kas satur hronokvantu realitātes “sēklu”, bet pagaidām atzīmēsim, ka Bors savā komplementaritātes principā ir pieņēmis, ka jebkuru procesu un parādību raksturo komplementāri pretstati – “iespēja” un “realitāte”, kas pāriet viens otrā. Apskatīsim piemēru, kad pretendents iestājas universitātē. Patiešām, iespēju stāties augstskolā nosaka vēlme, neatlaidība un smags darbs, kā arī atestātu konkurss un darba stāžs izvēlētajā specialitātē, tāpēc tas ir iestrādāts pašā situācijas attīstības realitātē.

TELPAS-LAIKA ATOMI

Vispārīgi runājot, dažās standarta teoriju jomās un vairumā nenoteiktu inovāciju bieži sastopami ne tikai “fundamentāli nenovērojami” objekti virtuālo daļiņu un pašu kvarku veidā, bet arī visa veida singularitātes, bezgalības un diverģences. Nesen šeit ir parādījusies vesela "fundamentāli nelokālu kvantu sistēmu un objektu" klase, un šī materiālo ķermeņu kvantu nelokalitāte attiecas pat ne tikai uz Metagalaktiku, bet uz visu esošo pasauli, aptverot arī individuālās apziņas iracionālo apgabalu. Šeit jāatzīmē nopietna kvantu lauka teorijas problēma, kas saistīta ar “spoku” rašanos teorētisko aprēķinu laikā – mikroobjektu stāvokļi ar negatīvu varbūtību. Vispārīgi runājot, notikumu varbūtība var būt jebkurš skaitlis no nulles līdz vienam. Neiespējamam notikumam varbūtība ir nulle, bet pilnīgi noteiktam notikumam tā ir viens (“simtprocentu varbūtība”). Kāda varētu būt negatīvās varbūtības fizikālā nozīme? Šis jautājums teorētiķu vidū ir piesaistījis lielu uzmanību.

Einšteins reiz rakstīja:

“Tomēr jāatceras, ka idealizācija, kas sastāv no apgalvojuma, ka dabā pastāv patiešām nemainīgi mērogi, vēlāk var izrādīties vai nu pilnīgi nepiemērota, vai attaisnojama tikai attiecībā uz noteiktām konkrētām dabas parādībām. Vispārējā relativitātes teorija jau ir pierādījusi šī jēdziena nepiemērojamību visās jomās, kuru izmērus no astronomijas viedokļa nevar uzskatīt par maziem. Iespējams, kvantu teorija spēs parādīt šīs koncepcijas nepiemērojamību attālumos, kas atbilst atomu izmēru secībai. Rīmans uzskatīja par iespējamiem gan vienu gan otru."

Einšteina domas papildina Krievijas kosmoloģijas patriarha Ābrama Leonidoviča Zelmanova prātojumu, ka superlielais un supermazais savā būtībā var saplūst. Un tā kā subtelpa, kurā, strikti sakot, arī notiek mūsu Visuma paplašināšanās, var būt nemetriska, tad Planka skalu infra-mikropasaulē metriskās attiecības var mainīties līdz nepazīšanai vai pat pilnībā izzust. Profesors Zelmanovs norādīja, ka garuma un laika etalonu pastāvēšana ir saistīta ar atomu un molekulu pasauli, kur garums ir samērīgs ar kristāliskā režģa periodu, bet ilgums ar molekulu un atomu vibrācijām. Bet pāreja uz Planka skalām ir analoga Metagalaktikas salīdzināšanai ar atomu! Protams, šajā gadījumā visi metriskie standarti var zaudēt savu nozīmi kopā ar garuma un laika jēdzieniem. Stingri sakot, metriskajām attiecībām noteiktā realitātes līmenī var būt vienkārši atšķirīgs kvalitatīvs raksturs, piemēram, tās var saturēt unikālus telpas atomus - plankionus vai maksimonus, bet laika - hrononus vai hronokvantus. Vai tie tiešām pastāv? Kamēr mēs joprojām esam ļoti tālu no šādu matērijas dziļumu izpētes, šeit pastāv principiāla iespēja, un tā ir saistīta ar jaunām daļiņu paātrinātāju paaudzēm. Tomēr arī šeit būs nepieciešamas citas eksperimentālās metodes, pretējā gadījumā, lai šādus eksperimentus piesātinātu ar enerģiju nepietiks planētas resursu!

Pagājušā gadsimta vidū jaunās kvantu fizikas radītājs Boms rakstīja: "Kvanti, kas savieno objektu un tā vidi, veido neizzūdošu saiti, kas jebkurā brīdī ir vienlīdz atkarīga no abām daļām." Savā ziņā tas sasaucas ar Heizenberga vēl senākajiem uzskatiem, ka fiziskajai telpai un laikam ir tīri makroskopisks raksturs un tie nav matērijas "pamatā".

Nu, bet tagad atcerēsimies, ka, apspriežot iespējamās telpas-laika šūnu struktūras izpausmes, mēs aizmirsām par vissvarīgāko notikumu Visuma vēsturē - tā dzimšanu Lielā Sprādziena dzīlēs. Elementārā loģika liek domāt, ka, ja eksistē telpas un laika atomi, tiem vajadzēja izpausties pašā Visuma evolūcijas sākumā. Tieši tad vajadzēja parādīties laika kosmoloģiskajai bultai, kas kontrolē visu mūsu pasaules procesu un parādību plūsmu.

PĀRDABISKĀ MULTIPASAULE

Lai iztēlotos kvantu laika plūsmu mūsu pasaulē, pievērsīsimies senajai fizikas tradīcijai radīt ar pārdabiskām spējām apveltītus pasaku radījumus, tādus kā Maksvela dēmonu no skolas termodinamikas. Tomēr mūsu situācija ir sarežģītāka, un mums būs jāizveido vesela virkne ārpuspasaules novērotāju, kuru vadīs galvenais dēmons Baals, aplūkojošs mūsu multipasaules struktūru no universālā “nekā” bezgalīgajiem dziļumiem. Multiversa struktūra parādīsies visu redzošā demona skatiena priekšā kā “pasauļu sīpols”, kur katrs no daudzajiem Visumiem attēlo izolētas pasaules slēgtu apvalku. Multipasaules sīpola centrā demiurgs pārsteigts fiksēs multiversa galvenā  noslēpuma spokainos uzplaiksnījumus - Lielā Sprādziena kosmoloģisko singularitāti, par kuru mēs jau esam daudz runājuši.

Tomēr viņš uzreiz atcerēsies iepriekš no augšas saņemto pavēli uzskatīt kosmoloģisko singularitāti par parastu katastrofālu procesu Visumā, nu... izņemot to, ka to pavada ne gluži saprotama telpas dimensiju maiņa. Apmierināti ar asti pakasījis aiz auss un pārlapojis tonnu smagu formulu foliantu ar mirdzošām literām “Superstīgu M-teorija”, demons nolems, ka augstākās sfēras beidzot ir pieņēmušas saprātīgu lēmumu, jo tikt galā ar singulāriem bezgalīgiem matērijas un enerģijas jēdzieniem ļaunajam garam nav nemaz tik viegli... Nu bet tad, par cik galvenās singularitātes jēdziens anulēts, var tuvāk aplūkot fejerisko jaunu pasauļu rašanās procesu ar neiedomājamu hronokvantu frekvenci, kas rodas inflācijas svārstīgās dūmakas kvantu svārstību kataklizmā.

Taču pēc vairākiem miljardiem gadu, noguris no nemitīgās ņirboņas, ko rada topošo, augošo un plīstošo Visumu vakuuma putu burbuļi, mūsu galvenais dēmons ieslīgst saldā snaudā. Protams, miegā viņš ieraudzīja Multiversa attēlu, kas tik ļoti atgādināja lielu putu vāku virs aizsvīdušas alus krūzes (slavenā angļu teorētiskā fiziķa Ričarda Gota tēls), ka pēc pamošanās nekavējoties nolēma nodot novērošanas stafeti saviem pakļautajiem jaunākajiem dēmoniem, kas sēž atsevišķās mazākajās pasaulēs, un doties vienā no mazākajām pasaulēm, kur garšīgs alus, Kliforda Saimaka romāni un goblinu rezervāti.

Pa to laiku katrs no iekšējiem dēmoniskajiem novērotājiem jau bija paspējis iztēloties sevi kā Visuma, kas strauji lido pa laika bultu-monosliedi nezināmajā, konduktoru-diriģentu. Savā pasaulē dēmons jūtas ļoti ērti, laiks plūst, galaktikas dzimst un mirst, un kopumā notiek vietējā Visuma normāla evolūcija. Taču drīz vien dēmonu sāk kaitināt pussprāgušā Šrēdingera kaķa periodiskā aizsmakusī ņaudēšana, kura kaste kopā ar pārnēsājamo kaķu slepkavošanas sistēmu ir iekļauta obligātajā dēmonisko zinātnisko instrumentu komplektā. Nošņācies uz dižā teorētiķa kaitīgo radījumu un vēlreiz pārdomājis, kurš tur no kaķu cilts Šrēdingeru savā laikā tik ļoti nokaitinājis, dēmons iebiksta kaķa būrī ar dakšām, kā rezultātā ņaudēšana pārtop aizsmakušā, pulsējošā kaukšanā.

Nevarēdams izturēt apdullinošo kaķu koncertu, jaunākais dēmons apsēžas, lai rakstītu garu sūdzību demiurgam, sūdzoties par neiespējamajiem darba apstākļiem kvantu mehānikas pamatlicēja murgainā radījuma klātbūtnē, kurš ļoti kaitina ar savu trokšņaino koncertu cauri katram laika plūduma hronokvantam. "Neesamībā" sagarlaikotais demiurgs, tikko atgriezies no trešās planētas, kas riņķo ap zvaigzni – dzelteno punduri Piena Ceļa nomalē, nekavējoties ar ekstradimensionālu pastu nosūta atbildi, no kura dēmona vilna saceļas stāvus un aste saritinās Mebiusa lentē. Aizmirsis par kaitinošo kaķi, dēmons ātri ielido sava mazā vilcien-Visuma tamburā un atver tā durvis... Un viņa izbrīnītā skatiena priekšā parādās viss Multiversa sastāvs ar samezglojušos kvantu stāvokļu klikšķu buferiem un praktiski bezgalīgu laika bultu skaitu katrā laika bultas monosliedes hronokvantu krustojumā. Ar grūtībām atjēdzies un atvilcis elpu, dēmons sāk saprast, ka ne tikai kvantu kaķa mirgojošā dzīve, bet arī viņa personīgais liktenis šīs pasaules realitātē tiek izšķirts katrā laika hronokvantā, pilnībā saskaņā ar kvantu teoriju lokalizējoties jaunā vēsturiskā hronokvantu Visumu secībā.

Pamazām dēmons nomierinās un pat izjūt zināmu līdzjūtību pret kaķi, kurš kārtējo reizi apklusis, pārdomājot likteņa neizbēgamību, un tad pie viņa nagiem nokrīt kārtējā biezā ekstradimensionāla pasta aploksne ar paša demiurga zīmogiem.

Tik neparastas priekšnieku uzmanības pārsteigts, dēmons ar trīcošām nagiem atrauj aploksni un atklāj veselu kaudzi ar Evereta, Vīlera, Novikova, Lindes, Starobinska, Kiržņita, utt., utt., utt. Izlasījis pagātnes teorētiķu apbrīnojamās fiziskālās fantāzijas, dēmons nepamana, kā universālais svārsts ieskaita mūžības mirkli kārtējo miljardu gadu... Beidzot pārdabiskā būtne pārtrauc viņa lasīto kādu nezināma ukraiņu fiziķa rakstu "Multiversa pasaules" un, domīgi pakasījis savu pamatīgi paaugušos pašķidro bārdeli, sāk pārdomāt Evereta-Vīlera, paralēlo pasauļu būtību, par Vilenkina universumiem, objektīvās realitātes rašanos Lielā sprādziena inflācijas paroksismā un daudzām citām ļoti dīvainām lietām, kas tādas izrādās pat no pārdabiskā prāta skatpunkta...

Šeit jāatkāpjas no zinātniskās demonoloģijas un jāatzīmē, ka pat no diezgan nestabila filozofiskā viedokļa materiālā pasaule mums apkārt, lai cik sarežģīta tā būtu, ir organiski vienota un laika jēdziens ir nesaraujami saistīts ar tajā notiekošajām parādībām. Tādējādi nav nekas neparasts, ka vispārējam atomisma principam būtu jāattiecas arī uz notikumu ilgumu mūsu Visumā. Tātad šajā ziņā ļoti labi var runāt par noteiktu laika šūnu, laika daļiņu un pat laika lauka – hronolauka – pastāvēšanas iespējamību.

Taču, ja vēlamies patiešām runāt par ceļošanas laikā iespējamību un vēl jo vairāk par T-ierīcēm, kas pārveido laiku, tad, protams, ir nepieciešami eksperimenti, kas ļautu atrast laika kvantu esamības pazīmes. Daži aprēķini liecina, ka laika diskrētumam vajadzētu izpausties eksperimentos ar mikrodaļiņām, kas paātrinātas līdz desmitiem miljardu džoulu enerģijām. Tā ir ļoti liela enerģija, kas salīdzināma ar visas mūsdienu industrijas enerģijas piesātinājumu, un pat visjaudīgākie paātrinātāji, kurus ieplānots uzbūvēt tuvākajā nākotnē, visticamāk, nespēs nodrošināt pat niecīgu daļu no nepieciešamās enerģijas. Visticamāk, šādu eksperimentu veikšanai būs nepieciešami principiāli jauni enerģijas avoti, pretējā gadījumā šāds paātrinātājs ļoti ātri iztērēs visus mūsu civilizācijas planētas resursus.

Tomēr apstāsimies šeit, pirms mūs pilnībā aizrauj “laika fantāzijas” neatkārtojamā amerikāņu izgudrotāja Valtera Breidena Finneja (Džeka Finneja) garā, un pievērsīsimies izcilā fizisko un matemātisko paradoksu popularizētāja, matemātiķa un rakstnieka Martina Gārdnera darbiem, kas labi pazīstams ar savām grāmatām “Matemātiskie brīnumi un noslēpumi”, “Matemātiskās noveles”, “Matemātiskā atpūta” Matemātiskie romāni”, “Ceļojumi laikā”, “Krustiņi-nullītes”, “Ir ideja!”, “Uzmini nu!” un kurš mēģināja atbildēt uz ļoti pārsteidzošu jautājumu.

Martins GARDNERS. VAI LAIKS VAR RITĒT ATPAKAĻ?

(fragments)

Laiks ir aprakstīts ar daudzām metaforām, taču neviena nav senāka vai noturīgāka par laika kā upes tēlu. Grieķu filozofs Heraklits teica: "Nevar divreiz iekāpt vienā upē, jo ap jums vienmēr plūst jauni ūdeņi." "Jūs nevarat tajā ieiet pat vienu reizi," piebilda viņa skolnieks Kratils, "jo brīdī, kad ieejat tajā, gan jūs, gan upe jau esat kaut kādā veidā mainījušies."

Džeimsa Džoisa filmā "Atceroties Finneganu" lielais laika simbols ir Lifas upe, kas tek caur Dublinu. Tās “bezmērķīgi klejojošie ūdeņi”, kas romāna pēdējās rindās sasniedz okeānu, pēc tam atgriežas savā “kanālā”, lai atkal sāktu nebeidzamo pārmaiņu ciklu. Tomēr upe ir ne tikai pārsteidzošs, bet arī mulsinošs simbols. Galu galā plūst nevis laiks, bet pasaule. “Kādās vienībās jāmēra laika plūsmas ātrums? — jautā austrāliešu filozofs Dž.Smārts. — sekundēs...? Teikt "laiks kustas" ir tas pats, kas teikt "garums stiepjas".

Bet atgriezīsimies pie salīdzinājuma. Ja zivs upē var peldēt pret straumi, tad mēs esam bezspēcīgi nokļūt pagātnē. Mainīgā pasaule, šķiet, vairāk atgādina maģisku zaļu paklāju, kas izvēršas tieši zem kājām un saritinās uzreiz aiz mums (arī šis attēls ir ņemts no literatūras, no amerikāņu zinātniskās fantastikas rakstnieka Frenka Bauma darbiem, no kuriem vienā Ozas karaliene šķērso Nāves tuksnesi, vienmēr virzoties vienā virzienā pa šauru paklāja taku “tagad”). Bet kāpēc burvju paklājs nekad neatritinās atpakaļ? Kāds ir šīs dīvainās, neatvairāmās laika asimetrijas fizikālais pamatojums? Starp fiziķiem šajā jautājumā ir tikpat maz vienprātības kā starp filozofiem. Un tagad neseno eksperimentu rezultātā apjukums ir vēl vairāk palielinājies.

Līdz 1964. gadam visi fizikas pamatlikumi, tostarp relativitātes teorija un kvantu mehānika, bija "laikā atgriezeniski". Citiem vārdiem sakot, jebkurā pamatlikumā laiku t varētu aizstāt ar -t, un tas paliktu tikpat piemērojams pasaulei kā iepriekš: neatkarīgi no zīmes t priekšā, likums aprakstīja kaut ko, kas var notikt dabā.

Bet fiziķi joprojām mēģināja atrast atšķirību starp “laika bultas” galu un spalvām. Viņi pievērsa uzmanību tādiem notikumiem, daudzi no kuriem, kaut arī teorētiski ir iespējami, patiesībā nekad vai gandrīz nekad nenotiek. Piemēram, zvaigznes stari izplatās visos virzienos. Nekad netiek novērots pretējais - tie nenāk no dažādiem virzieniem un nesaplūst par zvaigzni, nav reversas kodolreakcijas, kas padarītu zvaigzni par starojuma absorbētāju, nevis tā avotu. Taču pamatlikumos nav nekā tāda, kas šādu situāciju principā padarītu neiespējamu! Visa kosmosa nepārtrauktā paplašināšanās ir vēl viens šādu notikumu piemērs. Šeit atkal nav iemesla, kāpēc šis process principā nevarētu virzīties pretējā virzienā. Ja galaktikas tuvotos viena otrai, nevis attālinātos viena no otras, sarkanā nobīde pārvērstos zilā nobīdē, bet kopējais attēls nepārkāptu zināmos fiziskas likumus.

Un, lai gan, kā liecina mūsu pieredze, šie izplešanās un izkliedes procesi vienmēr ir vienvirziena, tie nepalīdz mums atšķirt abus laika bultas galus.

Daudzi filozofi un pat daži fiziķi uzskatīja, ka izskaidrojumu laika bultai var atrast tikai cilvēka apziņā, mūsu prāta vienvirziena darbībā. Tomēr viņu argumenti nebija pārliecinoši. Piemēram, Zeme piedzīvoja ilgu evolūciju, pirms uz tās radās dzīvība, un visi pierādījumi liecina, ka notikumi uz Zemes toreiz bija tikpat vienvirziena kā tagad. Galu galā lielākā daļa fiziķu nonāca pie secinājuma, ka visi dabas notikumi principā laika ziņā ir atgriezeniski. Visi, izņemot tos, kas saistīti ar liela skaita mijiedarbīgu objektu statistisko uzvedību.

Lai kija sitiens izjauc astoņpadsmit bumbiņu trīsstūri uz biljarda galda. Bumbiņas izkliedēsies uz visām pusēm, un, teiksim, astoņas no tām iekritīs lozās. Pieņemsim, ka uzreiz pēc tam visu notikumā iesaistīto objektu kustība sāks notikt pretējā virzienā ar vienādiem ātrumiem. Molekulas lozās, kur iekrita bumbas, koncentrēs savu siltumenerģiju, ko tās bija saņēmušas, bumbai krītot, tā, ka rezultātā bumbas tiktu uzmesta atpakaļ uz biljarda galda. Pa ceļam molekulām, kas nodod berzes siltumu, ir jāatdod enerģija bumbai un jānovirza atpakaļ uz sākotnējo ceļu. Pārējām bumbām jāpārvietojas līdzīgi. Astoņas bumbas, izstumtas no lozām, un bumbas, kas ripoja pa galda virsmu, pārvietosies pa galdu, līdz galu galā izveidos trīsstūri. Šajā gadījumā nenotiks dzirdamas trieciena skaņas, jo to molekulu skaņas enerģijai, kuras piedalījās gaisa vibrāciju rašanās trijstūra sākotnējās izjaukšanas laikā, ir jāatgriežas bumbās un kopā ar to kustības enerģiju jānodrošina, lai bumbas sakārtotos trijstūrī, kā arī nobīdītu signālu atpakaļ sākotnējā stāvoklī. Jebkuras šajā notikumā iesaistītās atsevišķas molekulas kustības modelis neradītu absolūti neko neparastu. Acīmredzot netiktu pārkāpts neviens mehānikas pamatlikums. Bet, ja mēs uzskatām, ka kopējā procesā piedalās miljardiem "bezmērķīgi klejojošu" molekulu, tad varbūtība, ka tās visas pārvietosies pa ceļu, kas nepieciešams sākotnējā trīsstūra atjaunošanai, ir pārāk maza.

Bet kā būs ar objektu sadursmi, piemēram, krītošiem meteorītiem? Protams, šāds notikums nav laika gaitā atgriezenisks. Bet arī tas tā nav! Lielam meteorītam saduroties ar Zemi, notiek sprādziens. visos virzienos tiek izkaisītas miljardiem molekulu. Apgrieziet visu šo molekulu kustības virzienus, un to sadursme vienā punktā radīs tieši tik daudz enerģijas, lai meteorīts aizlidotu atpakaļ orbītā. Un šajā gadījumā netiktu pārkāpts neviens pamatlikums - izņemot statistikas likumus!

Tieši ar šiem, varbūtības likumiem, lielākā daļa deviņpadsmitā gadsimta fiziķu centās attaisnot laika bultas vienvirziena kustību. Varbūtība izskaidro tādus neatgriezeniskus procesus kā kafijas izšķīšana, saldējuma izkušana, granātas sprādziens un visi citi pazīstami vienvirziena notikumi, kas saistīti ar lielu skaitu molekulu. Tā izskaidro otro termodinamikas likumu, kas nosaka, ka siltums vienmēr plūst no karstāka ķermeņa uz aukstāku, palielinot entropiju, kas ir sistēmas izjukšanas mērs. Šis likums izskaidro, kāpēc jaukšana padara kāršu komplektu nesakārtotu.

“Bez mistiskas piesaistīšanas apziņai,” norādīja Arturs Edingtons (lekcijā, kurā viņš pirmo reizi iepazīstināja ar “laika bultas” tēlu), “ir iespējams atrast laika virzienu... Virzīt bultu pēc vēlēšanās. Ja, sekojot bultai, mēs pasaules stāvoklī atrodam arvien vairāk nekārtību, tad bulta norāda uz nākotni; ja, gluži pretēji, nekārtība samazinās, tad bulta norāda uz pagātni. Tā ir vienīgā atšķirība starp pagātni un nākotni, ko zina fizika."

Taču šobrīd ir kļuvis skaidrs, ka “laika bultai” ir daudz fundamentālāks pamatojums, nekā statistikas likumi. 1964. gadā Prinstonas universitātes fiziķu grupa atklāja dažu daļiņu vājas mijiedarbības šķietamo laika neatgriezeniskumu. "Acīmredzot", jo dati ir netieši un pretrunīgi. No tiem tikai izriet, ka, ja daži pieņēmumi ir patiesi, tad tiek pārkāpta laika simetrija.

Vissvarīgākais pieņēmums ir pazīstams kā CPT teorēma. C atbilst elektriskajam lādiņam (plus vai mīnus), P paritātei (kreisais vai labais spoguļattēls) un T laikam (tiešs vai apgriezts). Tikai pirms desmit gadiem fiziķi uzskatīja, ka katra no šīm trim fundamentālajām simetrijām ir patiesa visā dabā. Ja mainīt akmens daļiņu lādiņus tā, lai pozitīvie lādiņi kļūtu negatīvi un negatīvie lādiņi kļūtu pozitīvi, iezis joprojām paliks klints. Precīzāk, iezis pārvērstos par antiiezi, taču nav nekāda iemesla, kāpēc antimatērija nevarētu pastāvēt. Antiakmens uz Zemes uzreiz eksplodētu (saskaroties matērija un antimatērija iznīcina viena otru), taču fiziķi var iedomāties antimatērijas galaktiku tieši tādu kā mūsu galaktika, izņemot elektrisko lādiņu C.

Tika uzskatīts, ka tā pati universālā simetrija attiecas uz P (paritāti). Ja jūs izmainīt klints vai galaktikas paritāti vai, līdzvērtīgi, atspoguļot visu tās struktūru līdz pēdējam vilnim un daļiņai, rezultāts būs tieši tāds pats iezis vai galaktika. Bet 1957. gadā Č. Jangs un T. Li saņēma Nobela prēmiju fizikā par savu teorētisko darbu, kas ļāva atklāt paritātes nesaglabāšanu. Elementārdaļiņu pasaulē ir notikumi, tostarp dažas vājas mijiedarbības, kas nevar notikt, ja tās atspoguļojas spogulī!

Pirms fiziķi paspēja pierast pie šīs jaunatklātās simetrijas, Prinstonas eksperimentētāji atklāja vairākas vājas mijiedarbības, kurās, šķiet, tika pārkāpta arī CP simetrija. Citiem vārdiem sakot, viņi atklāja vairākus notikumus, kuru izskaidrošanai bija nepieciešams T zīmes pārkāpums, kā arī izmaiņas C un P zīmēs. Lai gan dati joprojām ir netieši un daļēji pretrunīgi, daudzi fiziķi tagad ir pārliecināti, ka elementārdaļiņu pasaulē ir notikumi, kas laikā notiek tikai vienā virzienā. Ja tā ir taisnība visā Visumā, tad, sazinoties ar zinātniekiem tālā galaktikā, mēs tagad varam noskaidrot, vai viņi dzīvo matērijas vai antimatērijas pasaulē. Lai to izdarītu, vienkārši jāpalūdz viņiem veikt kādu no CP pārkāpjošajiem eksperimentiem. Ja to apraksts vienādā eksperimentā precīzi atbilst mūsu pašu aprakstam, mēs, kad aizlidosim pie viņiem ciemos neeksplodēsim. Iespējams, ka Visumā vispār nav nevienas antimatērijas galaktikas. Bet fiziķiem patīk lietas līdzsvarot, un, ja Visumā ir tikpat daudz antimatērijas cik matērijas, tad var būt telpas apgabali, kuros visas trīs simetrijas maina zīmi. Notikumi mūsu pasaulē, kas ir nepārprotami attiecībā pret CPT, visi notiks pretējā virzienā CPT apgrieztā galaktikā. Šādas galaktikas matērijai ir jābūt spoguļattēlam, pretēji lādiņam un kustībai laikā atpakaļ.

Bet ko nozīmē teikt, ka notikumi galaktikā virzās atpakaļ laikā? Neviens neko reālu par to nezina. Jauni eksperimenti norāda tikai uz ieteicamo laika virzienu dažām daļiņu mijiedarbībām. Tomēr vai šai “bultai” ir kāda saistība ar citām “laika bultām”, piemēram, tām, ko nosaka starojuma procesi, pieaugošās entropijas likums un dzīvo organismu psiholoģiskais laiks? Vai visas šīs "bultas" norāda vienā virzienā, vai arī tās var neatkarīgi rādīt pretējos virzienos?

Populārākais veids, kā izprast "reverso laiku", ir iztēloties pasauli, kurā "entropiskie" procesi norit otrādi - no nekārtības uz kārtību. Pagājušā gadsimta austriešu fiziķis Ludvigs Bolcmans, viens no statistiskās termodinamikas pamatlicējiem, saprata, ka pēc tam, kad gāzes molekulas slēgtā, izolētā traukā sasniedz termiskā līdzsvara stāvokli, tas ir, tās pārvietojas pilnīgā nekārtībā un līdz ar to ar maksimālu entropiju, tajā joprojām būs nelieli reģioni, kuros entropija īslaicīgi samazinās. Šie reģioni ir jāsabalansē ar citiem reģioniem, kur entropija palielinās, lai vidējā entropija paliktu nemainīga.

Bolcmans iztēlojās kosmosu kā neierobežotu, iespējams, bezgalīgu telpā un laikā ar vidējo entropiju, kas ir maksimāla, tas ir, tajā valda pilnīga nekārtība. Bet šajā pašā telpā var būt apgabali, kur entropija reizēm  samazinās. ("Apgabals" var aptvert miljardus galaktiku, un "reizēm" var ilgt miljardiem gadu.)

Iespējams, ka mūsu bezgalīgā telpas-laika okeāna daļas izplatīšanās viļņi attēlo reģionu, kurā notika šāda novirze: kādreiz pagātnē, iespējams, sākotnējā Lielā Sprādziena laikā, entropija pēkšņi samazinājās; Tagad tā atkal pieaug.

Mūžīgajā un bezgalīgajā jūklī radās kārtības apgabals; tagad šī kārtība atkal brūk, un mūsu “laika bulta” lido parastajā entropijas pieauguma virzienā. Vai ir citi laiktelpas apgabali, jautāja Bolcmans, kurā entropijas "bulta" norāda pretējo virzienu? Un, ja tādi pastāv, vai būtu pareizi teikt, ka laiks šādos apgabalos plūst atpakaļ, vai vienkārši jāpieņem, ka entropija tur samazinās, bet pats apgabals turpina attīstīties laikā uz priekšu?

SECINĀJUMI

Lai cik savādi, bet Visumam attālinoties no mūsu maņu pasaules, kļūst acīmredzama tā dziļā harmonija.

Tā atklāj vēl nebijušu kārtību un vienotību, un katrs nākamais atklājums demonstrē jaunu harmoniju, jaunu kārtību, jaunu vienotību.

B. Pārkers, "Einšteina sapnis: Vienotas Visuma teorijas meklējumos"

Mēs bieži ilgi domājam par jautājumu: kā fiziskā pasaule ir strukturēta tās dziļākajā pamatā? Kurp var novest kustības bezgalība matērijas dzīlēs? Molekulas, atomi, atomu kodoli, protoni, elektroni un neitroni? Kas tālāk? Kas būs, ja mēs virzīsimies citā virzienā? Visuma stāvi aiziet bezgalībā. Uz viena no tiem ir planētas un planētu sistēmas ar visiem spīdekļiem, uz otra ir galaktikas un galaktiku kopas, bet trešajā ir Visums. Kur ir šīs plašās pasaules robežas, vai tādas pastāv?

Mēs dzīvojam četrdimensiju Minkovska pasaulē. Un var jau būt, ka šī pasaule, kas eksistē kaut kur plašā Multiversa dzīlēs, ir tikai nenozīmīgs pasaules ķieģelis, bet mūsu pasaule savukārt sastāv no neiedomājami liela skaita pasauļu, kuras mēs uzskatām par daļiņām. Un tā tālāk bezgalīgi, gan vienā, gan otrā virzienā. Lai gan ideja par pasauļu daudzveidību cilvēku prātos ir pastāvējusi gadsimtiem ilgi, zinātnisku pamatojumu tā ir guvusi tikai pēdējās desmitgadēs, pētot slēgtā Visuma jeb tā dēvētās slēgtās Frīdmana pasaules īpašības, kuras pastāvēšanas iespēja izrietēja no vispārējās relativitātes teorijas gravitācijas vienādojumiem.

Joprojām hipotētiskie frīdmoni aizved cilvēka domu tik tālu, ka aizraujas elpa. Mēs, zemieši, jau gadu desmitiem nesekmīgi meklējam saprāta brāļus. Bet, ja Visums var iekļauties elementārdaļiņā, tad mēs burtiski turam rokās domājošus organismus. Šīs neskaitāmās pasaules ir ap mums gaisa un ūdens straumēs, katrā nenozīmīgā puteklī ir neskaitāmi daudz pasauļu, bezgala daudz planētu, kuras apdzīvo, iespējams, saprātīgas būtnes. Un varbūt katra elementārdaļiņas dzimšana paātrinātājā-kolaiderā atbilst bezgala daudzu pasauļu ģenerēšanai, un katrs iznīcināšanas akts atbilst to bojā ejai?

Nikolass Kamills Flamarons, "Pasaules izzināšana"

Iespējams, ka mūsu izpratne par materiālās pasaules bezgalību ir pārāk vienkārša. Kāpēc mēs iedomājamies bezgalīgu izmēru virkni kā  taisnu līniju, kas, no vienas puses, iet uz izzūdošo mazo izmēru apgabaliem (mikropasauli), un, no otras puses, uz neierobežoti lielo (makropasauli)? Kas zina, vai bezgalība nav vairāk kā aplis, kur pārsteidzoši mazi daudzumi, šķiet, pāriet un noslēdzas bezgalīgi lielos?

Tagad aplūkosim mūsu pasauli daudzo Visumu teorijas gaismā. Ja kaut kur sākas inflācijas paplašināšanās, tā izstiepj kvantu svārstības, un galu galā tās sastingst, it kā uzklātas uz visur esošā skalārā lauka. Dažās vietās tas noved pie šī lauka palielināšanās, bet citur samazināšanās. Kaut kur vairākas pozitīvas svārstības var pārklāties un palielināt skalārā lauka vērtību tik ļoti, ka šajā vietā sākas jauns inflācijas uzliesmojums. No teorijas izriet, ka, ja inflācijas izplešanās sākas vienreiz, tā atražosies arvien jaunās vietās un Visums iegūs nevis piepūšama balona, bet gan uzpūtušos burbuļu koka formu.

Ceļojums uz citu dimensiju pasaulēm. Dažās kvantu multiversuma teorijās visu bez izņēmuma diskrēto temporālo lokalizāciju kopa veido substanciālās laika ass secīgus punktus, uz kuriem tiek lokalizēts jebkurš materiālais objekts, pārvietojoties pa savu pasaules līniju. Tajā pašā laikā apkārtējās dabas kvantu mehāniskajā aprakstā ir iekļauts īpašs Multiversa iekšējo pasauļu nosacītā laika rādiusa maiņas laiks. Saskaņā ar nenoteiktības principu lokalizācijas intervāli vienādos attālumos starp šādām blakus esošajām pasaulēm būs savstarpēji vienādi un līdzvērtīgi hronokvanta ilgumam.

Katru no burbuļiem var uzskatīt par atsevišķu Lielo Sprādzienu.

Vispārīgā filozofiskā nozīmē šāds attēls izskatās dabiskāks nekā unikālais Lielais Sprādziens. Ir bezgalīgi daudz dažādu Visumu, no kuriem katrs attīstās saskaņā ar saviem likumiem, un viss process ir bezgalīgs telpā un laikā. Atsevišķu lielo sprādzienu bumbas savā ziņā liek domāt, ka arī cilvēks piedzimst starp savējiem, attīstās un aiziet, bet cilvēce var pastāvēt daudz ilgāk par katra īpatņa mūžu.

Galvenais, kas jāsaprot, ir tas, ka jaunā teorija pilnībā maina mūsu izpratni par telpu kopumā. Iepriekš mēs uzskatījām, ka Visums paplašinās, tajā pašā laikā paliekot par kaut ko unikālu un vienreizēju. Mūsdienu teorija saka, ka Kosmoss nepārtraukti aug, dzimst atkal un atkal, atveido sevi arvien jaunās un jaunās formās, ar dažādiem fiziskajiem likumiem un principiem. Un, lai izprastu savas Visuma daļas īpašības, mums papildus Metagalaktikas plašo plašumu analīzei ne mazāk rūpīgi jāizpēta subelementāro daļiņu pasaule, meklējot analoģijas starp mega- un mikropasaulēm!

Apspriežot Galaktikas uzbūvi, astronomi vairs nedomā tikai par tās zvaigžņu populāciju. Protams, Galaktikā ir arī nezvaigžņu viela: starpzvaigžņu gāzes mākoņi, planētas, kosmiskie stari, fotoni, magnētiskie lauki. Bet to kopējā masa nepārsniedz piecus procentus no zvaigžņu masas. Galvenā problēma, kas izvirzās priekšplānā, ir slēptās masas problēma. Lieta tāda, ka daudzu galaktiku gravitācija izrādās daudz spēcīgāka nekā tad, ja visu tajās esošo zvaigžņu gravitāciju vienkārši sasummētu. Ir acīmredzams, ka papildus zvaigznēm galaktikas satur arī kaut kādu neredzamu vielu, kuras ir daudz vairāk. Kāda veida viela tā ir, kā tā izplatīta dažādās galaktikās un vai tā atrodama visās galaktikās – pagaidām neviens nezina (30. krāsu att.).

Līdz ar to deviņdesmit procenti no šīs milzīgās sistēmas masas mums paliek neredzami. Tas pats par sevi ir ļoti dīvaini – no kā sastāv deviņdesmit procenti galaktikas? Ja tādas ir visu šādu sistēmu īpašības, tad mums būs jāizdara ļoti svarīgs secinājums: Visuma vidējais blīvums ir lielāks par kritisko blīvumu, tas ir, tajā ir pietiekami daudz matērijas (vēl nezināma veida), lai gravitācija apturētu Visuma izplešanos nākotnē un mainītu to uz kompresiju.

Kas gan ir galaktika visam Visumam? Smilšu grauds. Ja mēs izmērīsim vidējo pasaules blīvumu, mums tas uzreiz jāsadala lielos apgabalos, veselās galaktiku kopās. Un izmērīt kopas masu principā nav grūti: jo ātrāk galaktikas tajā pārvietojas, jo lielāka ir kopas masa. Visuma liktenis ir atkarīgs no tā, vai galaktiku kopu masa ir pietiekami liela, lai to savstarpējā gravitācija galu galā palēninātu Visuma izplešanos un apvērstu šo procesu.

Bet kā ar Visuma vidējo blīvumu? Tagad, pamatojoties uz lielas starptautiskas zinātnieku komandas darba rezultātiem, tas svārstās tuvu kritiskajai vērtībai. Tātad, Visuma izplešanās nākotnē neapstāsies? To apstiprina cits pētījuma rezultāts: izrādījās, ka ar gāzēm bagātas spirālveida galaktikas labprātāk atrodas tālu no kopu centriem un tajā pašā laikā pārvietojas intensīvāk nekā eliptiskās galaktikas, kas atrodas kopu iekšējā daļā. Šķiet, ka daudzas spirālveida sistēmas nekad nav šķērsojušas klastera kodolu, un tāpēc paši klasteri ir dinamiski jauni un to veidošanās vēl nav pabeigta. Tas atbilst faktam, ka kopu masa un Visuma vidējais blīvums ir mazs: šādā Visumā visi dinamiskie procesi notiek lēni.

Tātad, kuram no diviem piedāvātajiem scenārijiem mums vajadzētu ticēt? Kāds ir patiesais pasaules blīvums un līdz ar to arī tās liktenis? Acīmredzot ir vajadzīgi jauni eksperimenti. Kā zināms, lai zinātu nākotni, vislabāk ir ieskatīties pagātnē. Jau daudzus gadu desmitus Visuma nākotnes problēma  šķita diezgan tuvu praktiskam atrisinājumam. Viss ir atkarīgs no šo divu iespēju izvēles: kā Visuma blīvums ir saistīts ar kritisko vērtību - vairāk vai mazāk, plus vai mīnus, melns vai balts... Bet  mums nekādi neizdodas pārkāpt šo robežu.

Kad mēs domājam par Visumu, mums šķiet, ka tas ir kaut kas neierobežots, kā milzīga telpa vai zāle. Taču jaunākie kosmosa topoloģijas pētījumi liecina, ka tas vairāk atgādina apli vai bumbu. Gravitācijas spēki var to savērpt tik neparastā veidā. Pie šāda secinājuma zinātnieki nonāca, novērojot no Zemes vistālākos objektus – kvazārus. Viņi salīdzināja objektu grupas pretējos virzienos un bija pārsteigti, atklājot, ka tas izrādījās viens un tas pats objekts. Kā tas var būt? Kosmologi piedāvā šādu skaidrojumu: mēs sēžam bumbā un uztveram gaismas starus, kas neizplatās taisnā līnijā. No tā paša tālā kvazāra stari var sasniegt Zemi no abām pusēm. Pēc ilgstošas un rūpīgas visu zināmo kvazāru izpētes astrofiziķi atrada vairākas šādu savstarpēji līdzīgu objektu grupas. Tas, protams, nav pietiekami pilnīgai teorijai, un var būt nejaušu faktoru ietekme. Bet matemātiķi saka, ka principā bumba ne ar ko nav pretrunā un šī hipotēze prasa tālāku attīstību un pārbaudi.

Tātad, no kā sastāv mūsu pasaule? Kāda ir tās dziļākā pamatstruktūra?

Ak vai! Ja mēs spētu pārvarēt gaistošo laika plūdumu un sasaukt ārpuslaika zinātnisku konferenci, tad maz ticams, ka mūsdienu pētnieki spētu pārsteigt senos zinātniekus ar saviem sasniegumiem filozofiskā izteiksmē. Paradoksāli, bet no visa mūsu stāsta lasītājs var izdarīt tikai vienu secinājumu: pasaule sastāv no nekā! Un šis pilnīgi neticamā makrokosmosa “nekas”, kas atrodas ārpus mūsdienu jutīgāko instrumentu uztveres, joprojām gaida savus pētniekus.

TERMINU VĀRDNĪCA

Anihilācija - process, kurā daļiņa un tās antidaļiņa saduras un savstarpēji iznīcina viena otru.

Antidaļiņa – katrai vielas daļiņai ir atbilstoša antidaļiņa. Kad daļiņa un antidaļiņa saduras, tās iznīcinās, atbrīvojot enerģiju un radot citas daļiņas.

Apeirons - seno grieķu zinātnes jēdziens, ko izmanto, lai apzīmētu neierobežotu, nenoteiktu, nekvalitatīvu matēriju pastāvīgā kustībā. Visa lietu bezgalīgā daudzveidība, visas pasaules radās caur pretstatu atdalīšanu no aleirona un to cīņu.

Atoms - mazākā parastās vielas daļiņa. Atoms sastāv no niecīga kodola (sastāv no protoniem un neitroniem) un elektroniem, kas riņķo ap to.

Baltais punduris - stabila, vēsa zvaigzne, kas atrodas līdzsvarā atgrūdošo spēku dēļ, kas iedarbojas starp elektroniem Pauli izslēgšanas principa dēļ.

Lielais Sprādziens - kosmiska telpas un laika kataklizma, kuras rezultātā radās Visums.

Lielais Kolapss - singularitāte Visuma eksistences beigu punktā.

Svars - spēks, ar kādu gravitācijas lauks iedarbojas uz ķermeni. Ķermeņa svars ir proporcionāls ķermeņa masai, bet nesakrīt ar to.

Virtuālā daļiņa - kvantu mehānikā ir daļiņa, kuru nevar tieši noteikt, bet kuras esamību apstiprina izmērāmi efekti.

Gamma starojums - elektromagnētiskais starojums ar ļoti īsu viļņa garumu, ko izstaro radioaktīvās sabrukšanas vai elementārdaļiņu sadursmes laikā.

Notikumu horizonts - melnā cauruma robeža.

Gravitācijas mijiedarbība - vājākā no četrām pamata mijiedarbībām, un tai ir liels diapazons. Visas matērijas daļiņas piedalās gravitācijas mijiedarbībā.

Viļņa garums - attālums starp divām blakus esošām viļņa virsotnēm vai starp divām blakus esošām ieplakām.

Enerģijas nezūdamības likums - zinātnes likums, kas nosaka, ka enerģiju (vai tās masas ekvivalentu) nevar ne radīt, ne iznīcināt.

Kvants - mazākā daļa, ar kuru tiek mērīta viļņu emisija vai absorbcija.

Kvantu mehānika - teorija, kas izstrādāta, pamatojoties uz Planka kvantu mehānisko principu un Heizenberga nenoteiktības principu.

Planka kvantu mehāniskais princips (Planka starojuma likums) - tāds, ka gaismu (vai jebkurus citus klasiskos viļņus) var izstarot vai absorbēt tikai atsevišķās daļās - kvantos - ar enerģiju, kas ir proporcionāla to frekvencei.

Kvarks - elementāra (uzlādēta) daļiņa, kas piedalās spēcīgā mijiedarbībā. Protoni un neitroni katrs sastāv no trim kvarkiem.

Koordinātes - skaitļi, kas nosaka punkta atrašanās vietu telpā un laikā.

Viļņu un daļiņu dualitāte - ideja, kas ir kvantu mehānikas pamatā, ka nav atšķirības starp daļiņām un viļņiem un ka daļiņas dažreiz var uzvesties kā viļņi un viļņi dažreiz var uzvesties kā daļiņas.

Kosmogonija - astronomijas nozare, kas pēta planētu izcelsmi un attīstību un Saules sistēmu kopumā, zvaigznes, galaktikas utt.

Kosmoloģiskā konstante - matemātisks palīglielums, ko ieviesa Einšteins, lai nodrošinātu, ka telpai ir tendence paplašināties.

Kosmoloģiskais postulāts - apgalvojums par Visuma viendabīgumu un izotropiju: Visumā nav izolētu punktu vai virzienu, tas ir, visi punkti un virzieni ir vienādi.

Kosmoloģija - zinātne, kas pēta Visumu kopumā.

Sarkanā nobīde - gaismas sārtināšanās, ko Doplera efekta rezultātā izstaro kosmosa objekti, kas attālinās no mums.

Magnētiskais lauks - lauks, kas rada magnētiskos spēkus. Tagad magnētiskais lauks un elektriskais lauks apvienojas, veidojot elektromagnētisko lauku.

Masa - vielas daudzums, kas atrodas ķermenī. Ķermeņa inerces mērs vai tā pretestības pakāpe pret paātrinājumu.

Matērija - objektīva realitāte, kas pastāv ārpus cilvēka apziņas un neatkarīgi no tās. Dabaszinātnē viela, no kuras sastāv fiziskie dabas ķermeņi.

Neitrīno - vieglākā matērijas elementārdaļiņa, kas piedalās tikai vājā un gravitācijas mijiedarbībā.

Neitrons - neuzlādēta daļiņa, kas pēc īpašībām ir ļoti līdzīga protonam. Neitroni veido vairāk nekā pusi no daļiņām, kas veido lielāko daļu atomu kodolu.

Neitronu zvaigzne - auksta zvaigzne, kas pastāv neitronu atgrūšanas dēļ, ko izraisa Pauli princips.

Vispārējā relativitāte - Einšteina radīta teorija, kas balstās uz pieņēmumu, ka zinātnes likumiem jābūt vienādiem visiem novērotājiem neatkarīgi no tā, kā šie novērotāji pārvietojas. GTR gravitācijas mijiedarbības esamība ir izskaidrojama ar četrdimensiju telpas-laika izliekumu.

Sākotnējais melnais caurums - melnais caurums, kas izveidojās ļoti agrīnā Visuma attīstības stadijā.

Pozitrons - elektrona antidaļiņa (pozitīvi uzlādēta).

Lauks - kaut kas, kas pastāv visos telpas un laika punktos, atšķirībā no daļiņas, kas pastāv tikai vienā punktā jebkurā laikā.

Čandrasekhara robeža - maksimālā iespējamā stabilas, vēsas zvaigznes masa, virs kuras zvaigznei jāsabrūk melnajā caurumā.

Pauli izslēgšanas princips - divām identiskām daļiņām ar spinu r/2 nevar (nenoteiktības principa dotajās robežās) vienlaicīgi būt gan vienādas pozīcijas telpā, gan dažādi ātrumi.

Telpiskā dimensija - jebkura no trim telpai līdzīgajām laiktelpas dimensijām, tas ir, jebkura dimensija, izņemot laiku.

Telplaiks - četrdimensiju telpa, kuras punkti atbilst notikumiem.

Protons - pozitīvi lādēta daļiņa. Protoni veido apmēram pusi no visām daļiņām, kas veido vairuma atomu kodolus.

Radioaktivitāte - viena atoma kodola spontāna pārvēršanās citā.

Gaismas sekunde (gaismas gads) - attālums, ko gaisma nobrauc vienā sekundē (vienā gadā).

Gaismas konuss - virsma telpas laikā, kas ierobežo iespējamos gaismas staru virzienus, kas šķērso noteiktu notikumu.

Spēcīgā mijiedarbība - spēcīgākais un īsākais diapazons no četrām pamata mijiedarbībām. Spēcīgās mijiedarbības dēļ kvarki tiek turēti protonos un neitronos, un protoni un neitroni, savācot kopā, veido atomu kodolus.

Singularitāte (kosmoloģiska) - noteikts telpas laika punkts, no kura pirms 13,7 miljardiem gadu radās mūsu Visums. Mūsdienu zinātne vēl nevar izprast vienreizējā laika telpas stāvokļa fizikālās īpašības, jo tajā tā izliekums un blīvums mēdz sasniegt bezgalību. Telpalaikam gravitācijas sabrukumu nosacītajā centrā — sasalušu zvaigžņu melnajos caurumos — vajadzētu būt līdzīgām īpašībām.

Vājā mijiedarbība - otra vājākā no četrām zināmajām mijiedarbībām. Ir ļoti īss darbības rādiuss. Visas vielas daļiņas piedalās vājā mijiedarbībā, bet daļiņas, kas veic mijiedarbību, nepiedalās.

Spektrs - viļņa (piemēram, elektromagnētiskā) sadalīšana frekvences komponentos.

Speciālā relativitāte - Einšteina teorija, kuras izejas punkts ir tāds, ka zinātnes likumiem jābūt vienādiem visiem brīvi kustīgajiem novērotājiem neatkarīgi no viņu ātruma.

Spins - daļiņas iekšēja īpašība, kas saistīta ar tās rotāciju ap savu asi.

Stacionārs stāvoklis - stāvoklis, kas laika gaitā nemainās: bumbiņa, kas griežas ar nemainīgu ātrumu, atrodas stacionārā stāvoklī, jo, neskatoties uz tās rotāciju, tā katru brīdi izskatās vienāda.

Lielā vienotā teorija - teorija, kas apvieno elektromagnētisko, stipro un vājo mijiedarbību.

Daļiņu paātrinātājs - ierīce, kas izmanto elektromagnētus, lai paātrinātu lādētu daļiņu kustību, pastāvīgi palielinot to enerģiju.

Fāze — vilnim — cikla punkta pozīcija noteiktā laika momentā: mērs, vai punkts atrodas virsotnē, iedobē vai kaut kur pa vidu.

Mikroviļņu fona starojums - starojums, ko radīja karstā agrīnā Visuma mirdzums (saukts par kosmisko mikroviļņu fonu). Tagad tas piedzīvo tik spēcīgu sarkano nobīdi, ka to reģistrē nevis kā gaismu, bet gan kā mikroviļņus (radio viļņus ar centimetru viļņu garumu).

Fotons  - elektromagnētiskā starojuma (gaismas) kvants.

Melnais caurums - laika telpas apgabals, no kura nekas, pat gaisma, nevar izkļūt, jo gravitācija ir tik spēcīga.

Elektriskais lādiņš - daļiņas īpašība, kuras dēļ tā atgrūž (vai piesaista) citas daļiņas, kurām ir tādas pašas (vai pretējas) zīmes lādiņš.

Elektromagnētiskā mijiedarbība - mijiedarbība, kas notiek starp daļiņām, kurām ir elektriskais lādiņš. Otra spēcīgākā no četrām fundamentālajām mijiedarbībām.

Elektrons - daļiņa ar negatīvu elektrisko lādiņu, kas griežas ap atoma kodolu.

Elementārdaļiņa - daļiņa, kas tiek uzskatīta par nedalāmu.

Lielās apvienotās teorijas enerģija - enerģija, virs kuras sagaidāms, ka elektromagnētiskā, vājā un spēcīgā mijiedarbība kļūs neatšķirama.

Doplera efekts - viļņu frekvences izmaiņas, kad to avots un novērotājs pārvietojas viens pret otru.

Kodolsintēze - process, kurā divi kodoli saduras un pēc tam saplūst vienā smagākā kodolā.

LITERATŪRA SEVIS PILNVEIDOŠANAI

Азимов А. Царство Солнца. От Птолемея до Эйнштейна. М., 2004.

Азимов А. Земля и космос. От реальности к гипотезе. М., 2004.

Азимов А. О времени, пространстве и других вещах. М., 2004.

Азимов А. Загадки микрокосмоса. М., 2004.

Азимов А. Миры внутри миров. М., 2004.

Азимов А. Путеводитель по науке. М., 2006.

Асламазов Л. Г., Варламов А. А. Удивительная физика. М., 2002.

Ахиезер А. И., Рекало М. П. Биография элементарных частиц. К., 1983.

Барашенков В. С. Кварки, протоны, Вселенная. М., 1987.

Брайсон Б. Краткая история почти всего на свете. М., 2007.

Вайнберг С. Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы. М., 2004.

Гарднер М. Теория относительности для миллионов. М., 1979.

Глэшоу Ш. Л. Очарование физики. Ижевск, 2002.

Грин Б. Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. М., 2004.

Грушинский Н. П., Грушинский А. Н. В мире сил тяготения. М., 1978.

Данин Д. С. Вероятностный мир. М., 1981.

Девис П. Пространство и время в современной картине Вселенной. М., 1979.

Девис П. Случайная Вселенная. М., 1985.

Долгов А. Д., Зельдович Я. Б., Сажин М. В. Космология ранней Вселенной. М., 1988. Ефремов Ю. Н. Звездные острова (Галактики звезд и Вселенная галактик). М., 2006. Зигуненко С. Н. Как устроена машина времени? М., 1991.

Каспер У. Тяготение — загадочное и привычное. М., 1987.

Кобзарев И. Ю., Манин Ю. И. Элементарные частицы. Диалоги физика и математика. М., 2000.

Комаров В. Н. Вселенная видимая и невидимая. М., 1979.

Компанеец А. С. Что такое квантовая механика? М., 1977.

Компанеец А. С. Симметрия в микро- и макромире. М., 1978.

Линде А. Д. Физика элементарных частиц и инфляционная космология. М., 1990. Лишевский В. П. Охотники за истиной: Рассказы о творцах науки. М., 1990. Марчукова С. М. История естествознания и техники для юношества. М., 1999.

Мигдал А. Б. Поиски истины. М., 1983.

Мигдал А. Б. Как рождаются физические теории. М., 1984.

НарликарД. Неистовая Вселенная. М., 1985.

НарликарД. От черных облаков к черным дырам. М., 1989.

Новиков И. Д. Куда течет река времени? М., 1990.

Новиков И. Д., Шаров А. С. Человек, открывший взрыв Вселенной. М., 1989.

Панасюк М. И. Странники Вселенной, или Эхо Большого взрыва. М., 2006.

Паркер Б. Мечта Эйнштейна: в поисках единой теории строения Вселенной. М., 1991. Пенроуз Р. Новый ум короля. 0 компьютерах, мышлении и законах физики. М., 2003. Подольный Р. Г. Чем мир держится? М., 1978.

Подольный Р. Г. Освоение времени. М., 1989.

Перельман Я. И. Занимательная физика. М., 1991.

Пономарев Л. И. Под знаком кванта. М., 1989.

Radunska I. L. Kad paradoksi grūst. М., 1971.

Розенталь И. Л., Архангельская И. В. Геометрия, динамика, Вселенная. М., 2003.

Рубин С. Г. Устройство нашей Вселенной. М., 2006.

Рыдник В. И. Поле. М., 1976.

Саган К. Космос. М., 2004.

Силк Дж. Большой взрыв. М., 1982.

Тарасов Л. В. Этот удивительный симметричный мир. М., 1982.

Тарасов Л. В. Мир, построенный на вероятности. М., 1984.

Тарасов Л. В. Физика в природе. Книга для учащихся. М., 1988.

Трейман С. Этот странный квантовый мир. М., 2002.

Фейгин 0. 0. Обыкновенное научное чудо. Харьков, 2008.

Фейгин 0. 0. Тайны Вселенной. Харьков, 2008.

Фейгин 0. 0. Тайна машины времени. Харьков, 2009 (в печати).

Филонович С. Р. Лучи, волны, кванты. М., 1978.

Хван М. П. Неистовая Вселенная: от Большого взрыва до ускоренного расширения, от кварков до суперструн. М., 2006.

Stīvens Hokings Visums rieksta čaumalā.

Stīvens Hokings Īsi par laika vēsturi

Stīvens Hokings Diženais plāns

Хокинг С. От Большого взрыва до черных дыр. М., 1998.

Хокинг С., Пенроуз Р. Природа пространства и времени. Ижевск, 2000.

Хокинг С., МлодиновЛ. Кратчайшая история времени. М., 2006.

Хокинг С. Черные дыры и молодые вселенные. М., 2006.

Черепащук А. М. Черные дыры во Вселенной. М., 2005.

Черепащук А. М., Чернин А. Д. Вселенная, жизнь, черные дыры. М., 2005.

Чернин А. Д. Физика времени. М., 1987.

Чернин А. Д. Космология: Большой взрыв. М., 2005.

Черногорова В. А. Загадки микромира. М., 1973.

Чирков Ю. Г. Охота за кварками. М., 1985.

SATURA RĀDĪTĀJS

Priekšvārds …………

Ievads FIZIKAS ATDZIMŠANA….

Pirmā nodaļa JAUNĀS ZINĀTNES ĒRA………

Otrā nodaļa KVANTU REALITĀTES PARADOKSI ………….

Trešā nodaļa KVANTU SAPINUMS.

Ceturtā nodaļa NĀKOTNES INFORMATIKA ..

Piektā nodaļa MŪSU PASAULES DZIMŠANA ..

Sestā nodaļa MULTIPASAULE………….

Septītā nodaļa TEORIJU TEORIJA………..

Astotā nodaļa MATĒRIJAS DZĪLĒS……

Devītā nodaļa GRAVITĀCIJAS NOSLĒPUMS……

Desmitā nodaļa SUBTELPAS ĪPAŠĪBAS………

Vienpadsmitā nodaļa LAIKA NOSLĒPUMS……….

Secinājumi ……………………….

Terminu vārdnīca......

Literatūra sevis pilnveidošanai……

Sērija "Zinātne un pasaule"

Oļegs Orestovičs Feigins KVANTU PASAULES NOSLĒPUMI Par telpas un laika paradoksiem

Galvenā redaktore T. Derevjanko Redaktore A. Kotova

Mākslas redaktore N. Ļitvinova Zīmējumi 0. Ivanova Tehniskā redaktore G. Žiļcova Korektore T. Menšikova Datora makets G. Balašova

Parakstīts drukāšanai 23.11.09. Formāts 84x108/32. Ofseta druka. Ofseta papīrs. Austiņas "OfficinaSans". Pec. l. 9.0+ krāsa t.sk. 1.0. Tirāža 5000 eksemplāru. C-157. rīkojumu Nr.4379.

Viskrievijas produktu klasifikators 0K-005-93, 2. sējums — 953000.

SIA "AST-PRESS KNIGA".

105082, Maskava, Perevedenovska per., 13, korpuss 4.

Iespiests no izdevēja elektroniskajiem medijiem.

AS "Tveras Poligrāfiskais kombināts" 170024, Tver, Lenina iela., 5. Tālrunis: (4822) 44-52-03,44-50-34, Tālrunis/fakss (4822)44-42-15 Mājas lapa - www.tverpk.ru E-pasts - sales@tverpk.ru

PIELIKUMS-krāsainie attēli

1 att. Saules sistēma. Ņūtona universālās gravitācijas likums nosaka visa novērojamā Visuma – metagalaktikas – uzbūvi. Pirmkārt, tā darbība izpaužas mūsu Saules sistēmas planētu kustībā.

2.att Diraka jūras attēls Tas notika sen, kad kvarki bija brīvi un nicināja ieslodzījumu (īpaša kvarku īpašība, kas sastāv no neiespējamības tos redzēt "ar savām acīm"), vakuumam bija ļoti daudz simetriju un neviena no tām nebija sajaukta. Un nebija pasaules, kurā mēs dzīvojam, bet tikai Diraks, kurš stāvēja elementārdaļiņu jūras krastā un atrisināja zvejnieku nozvejoto un aiznesto zivju problēmu, lai krastā nepaliktu. Bet neatkarīgi no tā, kā viņš šo problēmu atrisināja, zivju skaits bija negatīvs.

Tā nu Diraks tur stāvēja, vairs neko neizlemdams, bet tikai domāja par elementārdaļiņu fiziku kā sieviete, kas varēja dot savu labvēlību vai atteikt. Tad viņš domāja par sievieti kā jūru un jūru kā daļiņu fiziku, un sajūta, ka patiesība ir kaut kur tepat, piepildīja viņu ar slēptu enerģiju. Kad daudzus gadus mācies fiziku un labi dari savu darbu, priekšnojauta par atklājumu vienmēr nāk nedaudz agrāk, apsteidzot pašu atklājumu. Tur, vakuuma otrā pusē, viņš redzēja daudz daļiņu, daļiņu jūru, kurām bija negatīva enerģija un kuras krita lejup sevi balstošā bezdibenī. Jūra smējās...

Kad Diraks publicēja savu darbu un gadu vēlāk eksperimentāli tika atklāta jaunā daļiņa, mūsu pasaule acumirklī dubultojās, un vispārējā gaviles un svētku sajūta aizsedza kādu vienkāršu faktu: abas pasaules, viena būdama otras spoguļattēls, bija nevienlīdzīgas.

Neatkarīgi no tā, kā vēlāk centās izlabot vakuumu, neatkarīgi no tā, kā to renormalizēja, tas tā arī palika šķībs. Tā radās mūsu Visums. Un bija atomi, un bija zvaigznes.

A. Rastorgujevs, "Diraks un jūra" (Dubņina pasaka)

3.att Vakuuma caurumi Anihilācijas rezultātā izzūd masa, pārvēršoties elektromagnētiskā enerģijā; pazūd pretēju zīmju lādiņi un pilnībā tiek kompensēti pretēji orientēti spini. Bet magnētiskie un elektriskie dipola momenti nepazūd! Tāpēc izrādās, ka tajā telpas punktā, kur notika anihilācija, ir jāpaliek pārsteidzošam elektromagnētiskajam laukam, kas pastāv bez matērijas, it kā pats par sevi.

4. Ziedkāpostu fraktāļu forma. Dabā bieži sastopami paškonsekventi augšanas un attīstības procesi, kas apliecina cilvēka izstrādātā matemātiskā aparāta universālumu.

5. Elektromagnētiskā starojuma spektrs.  Elektromagnētiskie viļņi veido nepārtrauktu viļņu garumu un atbilstošo frekvenču enerģijas spektru, kas iedalīts konvencionālajos diapazonos - no radioviļņiem līdz gamma stariem.

6. Mūsu pasaules sapinums. Matemātika, matemātiskā kārtība ir primārais princips, uz kura pamata var kļūt saprotama visa parādību daudzveidība... Tātad, lai izprastu parādību raibo daudzveidību, bija nepieciešams tajā atrast formālu, vienotu principu, ko varētu izteikt matemātiskā valodā. Rezultātā tiek atklāta cieša saikne starp saprasto un skaisto. Jo, ja skaistajā mēs redzam daļu vienošanos savā starpā un ar veselumu, un, no otras puses, viena un tā pati formālā kopsakarība pirmo reizi padara iespējamu jebkādu izpratni, skaistā pieredze tiek gandrīz identificēta ar izprastas vai vismaz paredzamas kopsakarības pieredzi.

Verners Heizenbergs

7. Visuma modelis. Metagalaktikas apgabalu var aprakstīt tumši nezināmas matērijas violetos toņos, pievienojot dzeltenzaļus starpzvaigžņu ūdeņraža mākoņus ar sarkanām putekļu svītrām un pārklājot to visu ar zili zilu galaktiku virsbūves sietu. Bet cik daudz informācijas var būt nepieciešams, lai pilnībā aprakstītu mūsu pasauli?

8. Sprāgstoša metagalaktika.Tāpat kā jebkurā fiziskā sistēmā, Visumā esošā matērija saspiešanas laikā uzsilst un izplešanās laikā atdziest. …Tātad Lielā Sprādziena sākumposmā Visums bija ārkārtīgi karsts un ārkārtīgi saspiestā stāvoklī. Tāpēc Visuma saturu šajā stadijā parasti sauc par pirmatnējo uguns bumbu.

P. Deiviss, "Telpa un laiks mūsdienu Visuma attēlā"

9. Doplera efekts. Ja stāvam uz dzelzceļa uzbēruma un mūs sveicina garāmbraucoša lokomotīve, tās signāls pārsteidzošā veidā mainās no svilpes līdz basa dūkoņai. Šo fenomenu, kas maina uztverto svārstību frekvenci, kustoties viļņu avotam vai uztvērējam, pirmo reizi izpētīja vācu akustiķis K. Doplers. Doplera efekts attiecas uz jebkuriem viļņiem, un astronomijā Doplera izstarotās gaismas frekvences nobīdi izmanto, lai spriestu par debess ķermeņu kustības ātrumu. Novērošana par Doplera nobīdi gaismas frekvencēs no attālām galaktikām tā sauktās sarkanās nobīdes veidā liecina, ka visas galaktikas attālinās no mums ar ātrumu, kas ir aptuveni puse no gaismas ātruma, palielinoties attālumam. Jautājums par sarkanās nobīdes fiziskajiem cēloņiem joprojām tiek karsti apspriests astronomu un fiziķu aprindās, lai gan lielākā daļa zinātnieku piekrīt, ka līniju nobīdi tālu galaktiku spektros izraisa Visuma izplešanās.

10. Mikroviļņu fons. Mikroviļņu fons aizpilda visu Visumu, un, ja mēs varētu redzēt mikroviļņus, visas debesis visos virzienos liesmotu. Mikroviļņu fons ir viens no galvenajiem pierādījumiem "karstā Visuma" scenārija un paša Lielā Sprādziena realitātei.

11. Balto punduru un sarkano milzu zvaigžņu sistēma.Tas ir māksliniecisks kosmiskās kataklizmas atveidojums bināro zvaigžņu sistēmā. Sarkanais milzis izlej savu ūdeņraža gāzes slāni uz sava baltā pundura pavadoņa. Tas varētu izraisīt milzīgu kodoltermisko sprādzienu, ko Zemes astronomi uzskatītu par jaunu zvaigzni. Zinātnieki liek domāt, ka šādās zvaigžņu sistēmās pēc simtiem tūkstošu gadu uz baltā pundura virsmas varētu uzkrāties tik daudz vielas, ka notiktu viena no visspēcīgākajām kosmiskajām kataklizmām — supernovas sprādziens. Baltā pundura modelis tika izstrādāts pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados, pēc kvantu mehānikas radīšanas un neitrona atklāšanas. Pēc tam fiziķi pētīja šo īpašo zvaigžņu kompakto objektu, kā arī neitronu zvaigžņu veidošanās iespēju pēc kodoldegvielas izsīkuma zvaigznes dziļumos.

Vielai izdegot, zvaigžņu kodols var sabrukt par mazu, īpaši blīvu baltu punduri vai par vēl blīvāku un ļoti niecīgu neitronu zvaigzni.

12. Supernovas tālās galaktikās. Pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados vairāki astronomi izvirzīja hipotēzi, ka supernovas sprādzieni ir ļoti īpašs zvaigžņu sprādziena veids, ko izraisa katastrofāla zvaigznes kodola saspiešanās. Tā radās ideja par iespēju novērot zvaigžņu kolapsu. Tajā pašā laikā tika ierosināts, ka supernovas sprādziena rezultātā veidojas superblīva deģenerēta zvaigzne, kas sastāv no neitroniem. Aprēķini ir parādījuši, ka šādi objekti patiešām var piedzimt un būt stabili, bet tikai pie vidējas zvaigznes sākotnējās masas. Ja zvaigznes masa pārsniedz trīs Saules masas, tad nekas nevar apturēt tās katastrofālo kolapsu.

13. Hipotētisks supermasīvs melnais caurums mūsu Galaktikas centrā Mūsu Galaktikas, Piena Ceļa, centrā atrodas noslēpumains melnā cauruma kandidāts, kura masa ir vairāk nekā divus miljonus reižu lielāka par Saules masu. Astronomi izdarīja šādu secinājumu, novērojot izkropļojumus zvaigžņu trajektorijās, kas riņķo ap Galaktikas Centru. Šādu zvaigžņu īpaši spēcīgas pievilkšanās neredzamajam centram jābūt ārkārtīgi kompaktam. Tas viss pilnībā atbilst gravitācijas sabrukuma portretam, ko radījuši teorētiskie fiziķi.

14. Viļņu pakešu samazināšanas modeļa shēma. Ja izvietojam telpā detektorus kvantu mikroobjektu, piemēram, elektronu, staru kūļa parametru noteikšanai, tad noteiktā brīdī viens no šiem detektoriem sūtīs signālu par elektrona notveršanu.

Tas nozīmē, ka varbūtība atrast konkrētajā brīdī izsekojamo daļiņu detektora atrašanās vietā uzreiz pārvēršas par vienu, savukārt varbūtība, ka tā parādīsies jebkurā citā vietā un jebkurā citā laikā, uzreiz nokrīt līdz nullei. Bet, ja mēs būtu atrisinājuši Šrēdingera vienādojumu pirms detektora iedarbināšanas, būtu izrādītos ka viļņa funkcija ir nepārtraukti sadalīta laikā un telpā.

15. Dabas veidotā Visuma uzbūve. Lielākā daļa mūsdienu kosmologu uzskata, ka mūsu Visuma liktenis izšķīrās pirmajās sekundēs pēc Lielā Sprādziena atkarībā no matērijas blīvuma un enerģijas attiecības. Tika sasniegts to līdzsvars. Enerģijas pārsvars par nenozīmīgu procentuālo daļu izraisītu strauju inflāciju un atdzišanu, un viela ātri mainītos no izplešanās līdz saspiešanai punktā un, iespējams, jaunu sprādzienu. Mūsu Visuma formu noteica arī kodolspēki, kas saista protonus ar neitroniem. Ja tie būtu mazāki nekā tas jau ir, atomu kodoli vienkārši nebūtu radušies, bet, ja tie būtu lielāki, tad pat atomu kodolu primārās sintēzes (nukleosintēzes) stadijā praktiski viss pieejamais ūdeņradis būtu pārvērties hēlijā - un mūsu ūdeņraža Visums sastāvētu no hēlija. Fiziskā vakuuma slēptā “tumšā enerģija” spēlē lomu, kas nav līdz galam skaidra, taču neapšaubāmi ļoti svarīga mūsu pasaules evolūcijā. Nezināmu iemeslu dēļ apmēram pirms septiņiem miljardiem gadu tā no nulles pārcēlās uz pozitīvu vērtību, izraisot metagalaktikas strauju paplašināšanos.

16. Tā kvantu pasauli redz teorētiskie stīgu fiziķi. Protams, jūs redzēsiet šādu attēlu tikai tad, ja esat pārņemts ar "superstīgu teorētiķu" idejām, kuri pastāvīgi meklē jaunas pieejas kvantu gravitācijas teorijā. Noticēsim viņiem kaut uz mirkli, un nekavējoties kvantu mērogā mūsu pasaule izpletīsies milzīgā savādi izliekta režģa šūnu tīklā.

17. Putojoša virtuālā jūra enerģijas okeānā. Problēma, veidojot vispārējās relativitātes teorijas kvantu versiju, ir ne tikai tā, ka atomu un elektronu mērogā daļiņām nav noteiktas pozīcijas un ātruma. Vēl mazākos mērogos, kas ir salīdzināmi ar Planka garumu (~1cG35 m), kvantu telpai- laikam vajadzētu būt verdošām putām, virtuālo daļiņu jūrai, kas aizpilda visu tukšo telpu. Apstākļos, kad matērija un telpa-laiks ir tik mainīgi, vispārējās relativitātes vienādojumi kļūst bezjēdzīgi. Tāpēc ir nepieciešama gravitācijas kvantu teorija.

18. Superstringu gravitons. Gravitoni ir cilpās sametušās stīgas, un tāpēc Visuma robežas tiem nav šķērslis. Tie var atstāt mūsu 3-brānas un pāriet uz citām dimensijām. Bet, ja to spēj gravitācijas nesēji, tad, palielinoties attālumam, gravitācijas spēkam vajadzētu samazināties nevis pēc Ņūtona apgrieztā kvadrāta likuma, bet gan daudz ātrāk! Tas, ka mēs to nepamanām, var liecināt par papildu dimensiju kolapsu (sablīvēšanos). Šajā gadījumā novirzēm no Ņūtona formulas vajadzētu parādīties tikai ļoti mazos attālumos.

19. Ultratālas galaktikas, kas redzamas caur gravitācijas lēcām Visā Visumā galaktikas ir tik līdzīgas viena otrai, ka šķiet, ka tās ir veidotas pēc viena šablona, jo vienkāršie dabas likumi – universālā gravitācija un leņķiskā impulsa saglabāšana – darbojas visā telpā. Tā pati fizika, kas zemes mikrokosmosā nosaka krītoša ķermeņa kustību vai slidotāja pagriezienu, Visuma makrokosmosā rada galaktikas.

Kārlis Sagans, "Visums"

20. Kvantu mikrokolapsāra veidošanās. Augstas enerģijas daļiņu sadursme var radīt kvantu mikrokolapsāru. Šāds mikroskopisks melnais caurums spēj griezties, vibrēt, būt ar elektrisko lādiņu, izstarot gravitācijas un elektromagnētiskos viļņus. Šo procesu, kurā paliek tikai lādiņš, griešanās un masa, kvantu kosmoloģijas patriarhs Džons Vīlers sauc par "caurumu, kurā izkrīt mati". Tālākais starojums aiznes lādiņu, rotācijas enerģiju (spinu), tā ka kolapsars palēninās un iegūst sfērisku formu. Izstarojot starojumu un masīvas daļiņas, caurums "iztvaiko", tuvojoties minimālajai Planka masai. Pazūdot no mūsu realitātes, kvantu mikrokolapsārs izstaro “visfundamentālāko” superstringu plūsmu.

21. Gravitācijas viļņu modelis svārstīga masīva ķermeņa tuvumā. Mūsu pasaule ir ļoti pazīstamas un tik nesaprotamas, visaptverošas un neekranētas gravitācijas caurstrāvota. Gravitācijas viļņi ir šķērseniski, kā vilnīši uz ūdens virsmas. Šāds vilnis izkropļo telpas struktūru plaknē, kas ir perpendikulāra tā izplatīšanās virzienam. Tāpēc ciets ķermenis, kas atrodas gravitācijas viļņa ceļā, piedzīvos deformāciju. Gravitācijas viļņi rodas, pārvietojoties lielām matērijas masām. Piemēram, tie nāks no ap kopīgu centru rotējošas zvaigžņu sistēmas ar dažādu masu.

22. Mūsu galaktikas noslēpumainais centrs. Orbitālās astronomiskās observatorijas ir atklājušas, ka galaktikas kodols ir spēcīgs gamma starojuma avots noteiktā spektrālās līnijas frekvencē, kas atbilst idejai par tur esošu masīvu melno caurumu. Tādas galaktikas kā Piena Ceļš var attēlot klusa brieduma periodu nepārtrauktā evolūcijas secībā; tai skaitā vētraina jaunība – kvazāri un eksplodējošas galaktikas. Tā kā kvazāri atrodas tik tālu no mums, mēs tos novērojam to jaunībā, tātad pirms daudziem miljardiem gadu.

Piena Ceļa zvaigznes pārvietojas majestātiskā kārtībā. Lodveida kopas nirst cauri Galaktikas plaknei un parādās pretējā pusē, kur tās palēninās, pagriežas un virzās atpakaļ. Ja mēs varētu sekot atsevišķu zvaigžņu kustībai Galaktikas plaknes tuvumā, mēs redzētu, ka tas atgādina popkorna lēcienus. Mēs nekad neesam redzējuši, kā galaktikas būtiski maina formu, bet tas ir tikai tāpēc, ka tas aizņemtu pārāk ilgu laiku. Piena ceļš veic vienu apgriezienu ik pēc ceturtdaļmiljarda gadu... Jebkuras galaktikas astronomiskā fotogrāfija ir tikai fiksēts kadrs, kas iemūžina vienu tās lēnās kustības un evolūcijas mirkli.

Kārlis Sagans, "Visums"

23. Supernovas paliekas un neitronu zvaigzne. Tā ir tipiska zvaigžņu sprādziena palieka, ar ko neizbēgami beidzas masīvu zvaigžņu dzīve. Neitronu zvaigzne spīd visā elektromagnētiskā starojuma spektrā, sākot no radioviļņiem (zils) līdz optiskajiem viļņiem (sarkans) un rentgena stariem (zaļš). Gaisma no zvaigžņu sprādziena, kas radīja šo izplešanās kosmisko mākoni, ceļoja apmēram piecus tūkstošus gaismas gadu, lai sasniegtu mūsu planētu pirms vairākiem tūkstošiem gadu.

24. Noslēpumainā Saules enerģija. Savos darbos antigravitācijas entuziasti norāda uz citu iespējamu negatīvu masu kosmisko izpausmi. Mēs runājam par saules enerģijas avotu. Fiziķi jau sen pārliecināti, ka tās, kas plosās Saules dziļumos, ir kodoltermiskās reakcijas. No kodolfizikas viedokļa mūsu saule nav nekas cits kā kodoltermiskā bumba, tikai tik milzīga, ka tās sprādziens turpinās miljardiem gadu. Mēs varam diezgan precīzi aprēķināt to reakciju intensitāti, kas nepieciešamas, lai uzturētu novērojamo Saules temperatūru, un attiecīgi aprēķināt neitrīno daļiņu plūsmu, kas rodas šajās reakcijās. Fakts, ka realitātē tiek novērota ievērojami mazāka to plūsma, liecina par to, ka uz Saules notiekošo kodolreakciju intensitāte ir mazāka nekā aprēķināts, un tas nozīmē, ka tur var būt kāds papildu, mums nezināms enerģijas avots. Vai varētu būt, ka Sauli silda antigravitācijas daļiņu straume, kas izplūst no kosmosa dzīlēm? Nolaižoties negatīvās enerģijas skalā, tie var pārnest pozitīvo enerģiju uz saules plazmu un paaugstināt tās temperatūru.

25. Salocīta telpa objekā "Zivs acs". Lai apvienotu četras zināmās mijiedarbības, ir nepieciešami vismaz seši jauni telpiski virzieni. No otras puses, pētījumi, kuru pamatā ir Galuā simetrijas teorija, ir parādījuši, ka ir tikai divas iespējas: desmit un vienpadsmit dimensiju telpa-laiks. Tomēr, lai to noteiktu, vēl tāls ceļš ejams. Daudzdimensiju telpu struktūra ir ārkārtīgi sarežģīta, un papildu sešas vai septiņas brīvības pakāpes var dažādos veidos "salocīt" mikroskopiskā apjomā. Un katra metode ir jauna teorija ar savām ģeometriskām un fiziskajām īpašībām.

26. Pirmo zvaigžņu dzimšana. Pilnīgi iespējams, ka, pieņemot galaktiku dzimšanas “tumšo” scenāriju, tad arī “tumšo” gravitācijas koncentrātu noteicošā loma – lai arī daudz mazākā mērogā – atklāsies arī pirmo zvaigžņu veidošanā.

27. Evolūcija "juku-jukām" Kompjūtermodelis par "tumšo" un "parasto" daļiņu sajaukumu agrīnajā Visumā. Tradicionālais Lielā Sprādziena procesa attīstības scenārijs paredzēja pilnīgi saprotamu un loģiski saskaņotu matērijas attīstības līniju no elementārdaļiņām, atomiem un molekulām līdz zvaigznēm. Saskaņā ar jaunām Visuma konstruēšanas shēmām jau visagrākajos Visuma evolūcijas posmos slēptās “tumšās” daļiņas nonāca maisījumā ar parasto vielu, veidojot slēpto smago daļiņu neviendabības. Šie tumšās matērijas "graudi" varētu veidot sava veida "tumšo skeletu" nākotnes galaktikām. Tas ir, līdz atomu kodolu veidošanai galaktikās un pat galaktiku kopās būtu bijis laiks izveidoties tumšajai matērijai, bet atbrīvotie parastās vielas elementi gravitācijas ietekmē būtu sākuši pulcēties ap to. Šis mūsu pasaules veidošanās modelis atgādina parastās matērijas putu ievilkšanu universālās tumšās matērijas upes virpuļos.

28. Visuma izplešanās. Visuma izplešanos var vizualizēt kā balona piepūšamo virsmu. Rodas ilūzija, ka katrs telpas punkts ir izplešanās centrs, kas attālinās uz visa universālā mēroga pieauguma fona. Laika gaitā nezināmā enerģija, kas izraisīja inflāciju, pārvērtās siltumā, un Visums uzkarsa, izraisot Lielo Sprādzienu. Mūsdienu kosmologi arvien vairāk sliecas uzskatīt, ka Visuma rašanās līdzinās vakuuma vārīšanai, veidojoties daudziem telpas-laika putu burbuļiem. Septiņus miljardus gadu pēc Lielā Sprādziena gravitācija dominēja universālo spēku līdzsvarā, palēninot galaktiku izplešanos Visumā. Tad notika pilnīgi nesaprotama fizisko likumu izmaiņa - un mūsu pasaule sāka paātrināti paplašināties.

29. Galaktiskais horizonts. Parastā robeža, kas atdala visu, ko var redzēt un reģistrēt ar visspēcīgākajiem astronomiskajiem instrumentiem no joprojām neizzināmā Visuma, bieži tiek saukta par metagalaktisko vai vienkārši galaktisko horizontu. Kopš pagājušā gadsimta divdesmitajiem gadiem teorētiskie fiziķi kopā ar astronomiem un astrofiziķiem ir sākuši "ieskatīties" aiz galaktikas horizonta, cerot pavērt ceļu uz "visaptverošās teorijas" izveidošanai.

Kas varētu būt tur ārpus metagalaktiskā horizonta? Vai Visums ir bezgalīgs vai noslēgts sevī? Ja tā izmēri ir ierobežoti, kā tad notiks tālāka telpas paplašināšanās?

Visuma paātrinātās izplešanās atklāšana tikai papildināja kopējo Visuma attēlu. Tagad arvien vairāk teorētiķu sliecas domāt, ka aiz galaktikas horizonta var būt paslēpti neiedomājami laiktelpas izplūdumi, kuriem blakus šķitīs mikroskopiski nenozīmīgas pat kvazāru melno caurumu telpiskās "bedres".

30. Elementu izplatība Metagalaktikā. Pēc novērojumiem Visums sastāv galvenokārt no ūdeņraža (3D no masas) un hēlija (1D); citi elementi veido aptuveni viena procenta piejaukumu. Šie dati tika iegūti, pamatojoties uz zvaigžņu un starpzvaigžņu gāzu spektru analīzi, un tie labi saskan ar astrofizikas teorētiskajiem modeļiem, kas apraksta zvaigžņu sastāvu un evolūciju. Iepriekš sniegtie skaitļi (3D un y4) attiecas uz šīs evolūcijas sākotnējo fāzi, kuras laikā zvaigznēs tiek ražoti citi elementi, tai skaitā smagie. Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām Visums savās pastāvēšanas pirmajās minūtēs izgāja cauri “nukleosintēzes laikmetam”, kura laikā veidojās ūdeņradis un hēlijs proporcijā 3:1, kā arī nenozīmīga daļa citu vieglo elementu, jo īpaši litija un ūdeņraža izotopu - deitērija un tritija. Visi pārējie, smagāki elementi radās daudz vēlāk zvaigžņu iekšienē un supernovu sprādzienos nonāk starpzvaigžņu telpā.

[1] LHC — lielais hadronu kolaiders.

[2] Teleskops nosaukts izcilā amerikāņu astronoma Edvina Pauela Habla vārdā.

Content

Feigins Oļegs Orestovičs Kvantu pasaules noslēpumi. Par telpas un laika paradoksālajām īpašībām

PRIEKŠVĀRDS

IEVADS: FIZIKAS ATDZIMŠANA

PIRMĀ NODAĻA JAUNĀS ZINĀTNES ĒRA

ULTRAVIOLETĀ KATASTORA

KVANTU ATKLĀŠANA

BORA ATOMS

KORPUSKULU-VIĻŅU DUĀLISMS

MATĒRIJAS VIĻŅI

VIĻŅU FUNKCIJA

ATBILSTĪBAS UN PAPILDINĀTĪBAS PRINCIPI

Luijs de BROILS KĀPĒC MUMS IR JĀZINĀ PAR KVANTIEM?

OTRĀ NODAĻA KVANTU REALITĀTES PARADOKSI

KVANTU PASAULES JAUTĀJUMI

EINŠTEINA-PODOĻSKA-ROZENA PARADOKSS

ŠREDINGERA KVANTU KAĶIS

Denis ABSENTIS KVANTU KAĶIS

TREŠĀ NODAĻA KVANTU SAPINUMS

JAUNĀS FIZIKAS SAREŽĢĪJUMI

KVANTU PASAULES ROBEŽAS

KVANTU TEORIJA "SAPINAS"

KVANTU SUTRA

CETURTĀ NODAĻA NĀKOTNES INFORMĀTIKA

MŪSU PASAULES KVANTU PAMATS

KVANTU "SLEPENIE FAILI"

KVANTU DATORI UN KRIPTOGRĀFIJA

Luijs de BROILS KLASISKĀ MEHĀNIKA UN FIZIKA IR TIKAI TUVINĀJUMI?

PIEKTĀ NODAĻA MŪSU PASAULES DZIMŠANA

VISUNIVERSĀLĀKĀ ZINĀTNE

FRIDMANA PASAULE

HABLA KONSTANTE

IZDZISUŠO ZVAIGŽŅU CAURUMI

MELNO CAURUMU IZTVAIKOŠANA

PRIMĀRĀ ATOMA SPRĀDZIENS

VAKUUMA SPRĀDZIENS

LAIKA VĒSTURE ĪSĀ IZKLĀSTĪJUMĀ

SESTĀ NODAĻA MULTI-PASAULE

FANTASTISKĀ FIZIKA

EVERETA PASAULES

VISUMA INFLĀCIJA

MŪSU PASAULES IZSKATS

SEPTĪTĀ NODAĻA TEORIJU TEORIJA

JAUNA GRAVITĀCIJA IZPRATNE

KVANTU LAUKA TEORIJA

STRINGU TEORIJA

CEĻĀ UZ "VISAPTVEROŠO TEORIJU"

M-TEORIJAS BRĪNUMI

SINGULARITĀTES NOSLĒPUMS

NO DAĻIŅĀM LĪDZ STĪGĀM

ASTOTĀ NODAĻA MATĒRIJAS DZĪLĒS

KATODSTARU NOSLĒPUMI

STARI NO KOSMOSA

Jurijs Georgijevičs ČIRKOVS. KVARKU MEDĪBAS

DEVĪTĀ NODAĻA GRAVITĀCIJAS NOSLĒPUMS

SENSACIONĀLIE "VĒBERA VIĻŅI"

VISUMA GRAVITĀCIJAS ŅIRBAS (ņirbu vilnīši)

NEITRONU ZVAIGZNES

ANTIGRAVITĀCIJA

SUPERGRAVITĀCIJA

ETVEŠA EKSPERIMENTI

NEGATĪVĀ MASA

LIELĀ SPRĀDZIENA VĒRPETĒS

KAZIMIRA EFEKTI

TELPAS JAUNĀS DIMENSIJAS

SUPERGRAVITĀCIJAS TEORIJA

SLĒPTO DIMENSIJU MEKLĒJUMOS

TUMŠĀ MATĒRIJA

TUMŠĀ ENERĢIJA

VISUMA PAPLAŠINĀŠANĀS

DESMITĀ NODAĻA SUBTELPAS SUPERĪPAŠĪBAS

KARLA SAGANA FANTASTIKA

TELPAS-LAIKA TĀRPEJAS

VAKUUMA PUTAS

KANĀLS STARP PASAULĒM

LAIKA MAŠĪNAS

APBRĪNOJAMIE FRĪDMONI

ZINĀTNISKĀ DEMONOLOĢIJA

VIENPADSMITĀ NODAĻA LAIKA NOSLĒPUMS

ZENONA APORIJAS

ZENONA KVANTU EFEKTS-(ZKE)

LAIKU BULTA

MINKOVSKA KONTINUUMS

LAIKA CILPAS

MULTILAIKS

PLANKA VĒRTĪBAS

TELPAS-LAIKA ATOMI

PĀRDABISKĀ MULTIPASAULE

Martins GARDNERS. VAI LAIKS VAR RITĒT ATPAKAĻ?

SECINĀJUMI

TERMINU VĀRDNĪCA

LITERATŪRA SEVIS PILNVEIDOŠANAI

SATURA RĀDĪTĀJS

PIELIKUMS-krāsainie attēli