Серия «Длиннопосты про физику»

Проясню:

Суперпозиция - это когда микрочастица находится одновременно в двух конкретных состояниях (например, распалась и не распалась) до тех пор, пока с ней не взаимодействуют.

Глава 1. СУТЬ ЭКСПЕРИМЕНТА И ПАРАДОКС ШРЁДИНГЕРА

Вспомним классическую схему установки. Мы берем прочную стальную коробку, сажаем туда кота, а что в коробке?

Компоненты следующие:

Радиоактивное ядро: за один час оно может распасться с вероятностью ровно 50%, а может остаться целым(кстати Шрёдингер вообще взял шанс 1%, чтобы показать, что это бред)

Счетчик Гейгера: фиксирует распад, если он произойдет.

Механизм с молоточком: если счетчик срабатывает, реле отпускает молоток, и тот разбивает ампулу с синильной кислотой.

Пока коробка закрыта, ядро атома находится в состоянии квантовой суперпозиции - оно и распалось, и не распалось одновременно. А так как жизнь кота напрямую зависит от этого ядра, то и сам кот внутри закрытой коробки обязан быть и живым, и мертвым одновременно. Его судьба якобы решается только в тот момент, когда человек открывает крышку и становится наблюдателем.

А теперь - для чего это?

Когда Эрвин Шрёдингер опубликовал этот пример в 1935 году, он буквально кричал коллегам: "Ребята, вы серьезно?!"

Он придумал этот мысленный эксперимент для того, чтобы создать парадокс. Это было мощнейшее орудие против Нильса Бора и его Копенгагенской интерпретации квантовой механики. Шрёдингер наглядно показывал абсурд: законы микромира (где одна частица действительно может находиться в двух состояниях сразу) нельзя в лоб переносить на макромир. Кот состоит из квадриллионов атомов. Ну не может живое существо весом в пару килограммов быть одновременно живым и трупом. Это абсурд, утверждал Шрёдингер, а значит, в Копенгагенской трактовке есть огромное допущение

ГЛАВА 2: РЕШЕНИЕ ПАРАДОКСА

Спустя время учёные поняли главное: чтобы ядро находилось в суперпозиции, оно должно быть полностью изолировано от внешнего мира. Любое взаимодействие - с фотоном, молекулой воздуха или тепловым излучением - мгновенно разрушает это состояние.

В коробке Шрёдингера таким "разрушителем" выступает счётчик Гейгера. Он не просто пассивно ждёт - он регистрирует частицы, а значит, взаимодействует с ядром. Как только ядро испускает частицу при распаде (или не испускает), счётчик это фиксирует. Это и есть акт измерения. С этого момента ядро больше не в суперпозиции - оно выбрало свой путь.

Но даже если убрать счётчик, суперпозиция не продержится. В коробке есть воздух, свет, тепловое излучение от стенок. Первая же молекула или фотон, столкнувшись с ядром, сделают то же самое - заставят его "решить".

Этот процесс называется декогеренцией - потерей квантовых свойств при контакте с окружающей средой.

Чтобы было понятней на картинке изображена функция Вигнера в 3D визуализации. Два холма это стандартные вероятности, а пики посередине - как раз описывают, что частица находится в состоянии суперпозиции

Самое удивительное - время декогеренции для кота. Оно составляет 10-^36 секунды. Для сравнения: мозг кота обрабатывает сигналы за 0,1 секунды - это в 10^34 раз медленнее. То есть кот никогда не существовал в состоянии "живой-мёртвый" во Вселенной, кроме ничтожно малой доли мгновения, которая даже не имеет физического смысла.

Вывод: судьба кота решается не в момент открытия коробки человеком. Она решена задолго до этого - в момент взаимодействия ядра со счётчиком или любой другой частицей. Человек просто приходит и узнаёт уже готовый результат.

ГЛАВА 3: МНОГОМИРОВАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ЭВЕРЕТТА

Существует также гипотеза которая родилась в 1957 году благодаря Хью Эверетту. Он выдвинул предположение, что Суперпозиция никогда не разрушается и не заканчивается. Как? Как только ядро выбирает что с нмм будет(останется или распадается), кот в одном измерении жив, а в другом мёртв. Тоесть вселенная разделелилась на две сюжетные линии, и продолжило делится дальше. Тоесть как дерево жизни, очень много веток развития событий. Это решает многие проблемы, и поэтому так распространена.

ГЛАВА 4: ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Зачем Шрёдингеру это понадобилось? Ему это казалось абсурдом. Он написал даже письмо Эйнштейну, и они обсудили какой это бред.

Ирония в том, что Шрёдингер хотел высмеять квантовую механику, а в итоге кот в народе стал её символом.

Вывод: этот эксперимент - не просто философия, а толчок в физике. Физики и вправду задумались - а где граница между макро и микро мирами?

Буду рад если вы оцените данный пост. Если вы хотите видеть больше похожих разборов мифов, пожалуйста, поставьте лайк.

ГЛАВА 1: ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПЕТЛЕВОЙ КВАНТОВОЙ ГРАВИТАЦИИ (ПКГ)

Сразу обозначим - текст долгий, поэтому я буду сокращать всё, что можно:

ПКГ - петлевая квантовая гравитация

ОТО (и СТО) - Общая (и Специальная) теория относительности Эйнштейна

КМ - квантовая механика

ТС - теория струн

1.1 Конфликт теорий

Причина разработки и ТС, и ПКГ в том, что между КМ и ОТО произошел жесткий конфликт. На макроуровне (звезды, галактики, планеты) идеально работает Эйнштейн. На микроуровне (атомы, кварки) правит квантовая физика. Но когда мы пытаемся объединить их - например, заглянуть внутрь черной дыры или в момент Большого взрыва, где огромная масса сжата в точку - математика ломается и выдает бессмысленные бесконечности для расчётов гравитации. У этих теорий абсолютно разные суждения о мире, они - враги. Физики прозвали это "конфликтом Титанов" и уже почти век пытаются их помирить, создав Теорию всего

1.2 Фононезависимость ПКГ

У теории струн есть фундаментальная проблема - физики берут сразу готовый фон, "карту" мира (координатную сетку пространства Минковского), на которой уже происходят все события. То есть ТС - фонозависимая. Пространство там - лишь пассивная театральная сцена, а гравитоны - просто струны, летящие сквозь неё. Это напрочь противоречит ОТО, где гравитация - это и есть само пространство (его геометрия).

У ПКГ такой проблемы нет. Она - фононезависимая. Ученые начинают буквально с абсолютного ничто. В ПКГ само пространство не является контейнером для материи. Сами кванты гравитационного поля "берутся за руки" и своими связями создают ту самую ткань реальности, в которой мы живем. За пределами этой сети нет вообще ничего - нет даже пустоты, потому что физическая пустота в ПКГ - это тоже структура, сотканная из этих частиц.

1.3 Отцы-основатели: бунт против теории струн

История ПКГ началась в 1986 году, когда индийский физик Абхай Аштекар переписал очень сложные уравнения ОТО Эйнштейна в новом, более простом виде (переменные Аштекара). Оказалось, что в этой новой математике гравитация ведет себя не как искривление пространства, а как силовые линии, похожие на магнитные.

Чуть позже физики Ли Смолин и Карло Ровелли подхватили эту идею. Они поняли: если эти силовые линии квантовать(это когда любое текучее, гладкое и неизменное разбивают до мельчайших возможные частицы, чтобы свойства самого вещества остались. Как если бы воду разбили на молекулы. Меньше молекулы свойства воды пропадают, а значит молекула мельчайшая частица воды), они замыкаются сами на себя, образуя микроскопические петли. Так родился полноценный лагерь ПКГ - альтернатива теории струн, которая отказалась от 11 измерений ради решения уравнений.

ГЛАВА 2: АНАТОМИЯ МИКРОМИРА. ИЗ ЧЕГО СОТКАНЫ "ПИКСЕЛИ" ВСЕЛЕННОЙ

По ОТО, сколько бы не делили "батут" пространства, он всегда будет гладким. Но в ПКГ у этого батута есть зернистость.

2.1 Масштаб Планковской величины.

Аналогия максимально простая: представьте атом водорода:

И если его увеличить до размера с нашу вселённую, планковская величина будет размером с ДЕРЕВО. Настолько это глубокое погружение(10^-35). На этом уровне привычные понятия длина , направление и время просто перестают работать. Почему? А потому что понятия ломаются, на этом уровне исчезает плавность. Пространство и время превращаются в жесткую "пиксельную сеткв" Например, та же длина просто не может быть половиной планковской длины, это абсолютный элементарный "пиксель" вселенной. Время здесь прыгает по тикам, а направление теряет смысл, почему? Читайте текст и станет понятно. Сейчас если я напишу почему, вы ничего не поймёте и просто прочитаете бессмыслицу или набор букв.

2.2 Запрет на бесконечность: Кванты площади и объема

В ПКГ нельзя взять кусок пространства и делить его пополам до бесконечности. Существует жесткий физический лимит:

Квант площади: Самый маленький неделимый" лоскуток" поверхности равен примерно 10^-70 м^2

Квант объема: Самый маленький "кубик" пространства равен примерно 10^-105 м^3. Что это значит для нас? Если вы попытаетесь засунуть материю в черную дыру, вы не сможете сжать её в бесконечно малую точку (сингулярность), как предсказывал Эйнштейн. Математика ПКГ этого не позволит: когда" пиксели" объема заполнятся до предела, сжатие остановится. Пространство просто заблокирует дальнейшее деление.

2.3 Эффект цифрового экрана

Как же из этих изолированных

"кубиков" собирается наш плавный мир? Аналогия максимально понятная: картинка на вашем экране кажется плавной, круглой и непрерывной. Но стоит поднести к глазам лупу, и вы увидите сетку жестких квадратных пикселей. Наш макромир - это огромная иллюзия гладкости. Мы плавно двигаем рукой сквозь комнату только потому, что наши тела состоят из триллионов атомов, которые перемещаются через квадриллионы планковских "пикселей" каждую наносекунду. Для нас это движение непрерывно, но для Вселенной это пошаговая стратегия.

ГЛАВА 3: АРХИТЕКТУРА РЕАЛЬНОСТИ. СПИНОВЫЕ СЕТИ И СПИНОВАЯ ПЕНА

Если в прошлой главе мы выяснили, что пространство состоит из пикселей, то теперь разберем, как эти пиксели связаны между собой.

3.1 Переменные Аштекара: Гравитация как нити

Помните индийского физика Абхая Аштекара из первой главы? Он доказал, что гравитационное поле на планковском уровне - это не просто геометрия, а переплетение силовых линий. Представьте себе невидимые космические нити. В ПКГ эти нити не могут оборваться, они обязательно замыкаются сами на себя, образуя петли (отсюда и название - петлевая гравитация).

3.2 Спиновые сети (Spin Networks)

Когда миллиарды таких петель пересекаются, они образуют гигантскую паутину, которую физики называют спиновой сетью. Эту концепцию придумал знаменитый Роджер Пенроуз, а Смолин и Ровелли докрутили до ПКГ.

Как это устроено? Представьте себе математический граф - сетку из точек и линий:

Узлы (точки пересечения линий) — это и есть наши кванты (пиксели) объема. Это сам кусочек пространства. Ребра (линии, соединяющие точки) — это кванты площади. Они показывают, как сильно два соседних пикселя граничат друг с другом. Кульминация: Эта сеть НЕ находится внутри пространства. Эта сеть И ЕСТЬ само пространство. Вне этих линий и узлов нет абсолютно ничего - ни вакуума, ни темноты, ни координат.

3.3 Спиновая пена (Spin Foam): Откуда берется время?

Пока что мы описали статичную 3D-картинку. Но мир ведь меняется, верно? Как в ПКГ устроено время? Время здесь - это не непрерывный поток и не стрела. Время - это процесс перестройки спиновой сети. Линии сети постоянно рвутся, узлы пересобираются, исчезают и появляются заново.Каждый такой щелчок, каждая мутация сети - это минимальный «тик» вселенских часов (планковское время, 10⁻⁴³ секунды).Если мы возьмем 3D-спиновую сеть и добавим к ней эти изменения во времени, мы получим 4D-структуру. Физики поэтично назвали её спиновой пеной. Она постоянно бурлит и кипит на микроуровне.

Итог главы: На самом глубоком уровне реальности нет никакого пространства и времени в привычном понимании. Есть только гигантская, бурлящая, динамическая квантовая паутина.

ГЛАВА 4:ПРОДВИНУТЫЙ УРОВЕНЬ. КВАНТОВЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ И БОЛЬШОЙ ОТСКОК

Когда физики применили математику спиновой пены к экстремальным объектам Вселенной, родилось целое новое направление - Квантовая космология петель (LQC). И она перевернула наши представления о начале и конце всего.

4.1 Большой Отскок(Big Bounce) вместо Большого взрыва

Классическая ОТО говорит: 13,8 миллиарда лет назад Вселенная родилась из сингулярности - бесконечно малой точки с бесконечной плотностью. Физики не любят бесконечности, потому что в них ломаются все формулы. ПКГ решает эту проблему элегантно: помните, что пространство состоит из жестких пикселей (квантов объема)? В один пиксель нельзя запихнуть бесконечно много материи. Когда в прошлой итерации(в прошлой жизни) наша Вселенная сжималась, она дошла до критической плотности (Планковской плотности). Пиксели переполнились. В этот момент гравитация из-за квантовых эффектов превратилась из силы притяжения в силу колоссального отталкивания. Вселенная не схлопнулась в сингулярность, а сработала как сжатая до упора пружина. Произошел Большой отскок, и мир начал расширяться заново. Наша Вселенная могла перерождаться так бесконечное число раз.

4.2 Планковские звезды в сердце Черных дыр

По той же схеме ПКГ разбирается с черными дырами. Внутри них больше нет эйнштейновских сингулярности. Когда массивная звезда умирает и сжимается под действием собственной гравитации, это сжатие останавливается на планковском масштабе. Пиксели пространства снова блокируют коллапс. Вместо бесконечной точки внутри черной дыры образуется сверхплотный квантовый объект - Планковская звезда. Она крошечная (размером с атомный нуклон(нуклон это нейтрон или протон)), но весит как целое солнце(2 ×10^30(два НОНИЛИОНА кг)

4.3 Спасение информации и Белые дыры

У Стивена Хокинга была знаменитая загадка: черные дыры испаряются, а значит, вся информация о веществах, которые в них упали, бесследно исчезает. Это нарушает законы квантовой механики (информация во Вселенной исчезать не может).ПКГ красиво спасает ситуацию через концепцию Белых дыр:

Из-за бурления спиновой пены планковская звезда внутри черной дыры испытывает мощный квантовый туннельный эффект. Черная дыра мгновенно (для самой звезды) выворачивается наизнанку и превращается в Белую дыру - объект, в который нельзя войти, но из которого всё вылетает наружу. Для внешнего наблюдателя этот процесс занимает миллиарды лет из-за замедления времени(СТО И ОТО Эйнштейна), но в итоге Белая дыра взрывается, возвращая всю застрявную информацию обратно в космос.

4.4 Патч для материи: Расширение Янга-Миллса и комбинаторное пространство

Долгое время у ПКГ была беда: она умела описывать только пустую геометрию Вселенной, где нет ни единой частицы. Струнщики из-за этого злорадствовали и все время их подкалывали. Но недавно физики выкатили мощное теоретическое дополнение: Ученые взяли уравнения Янга-Миллса (это математический каркас, на котором держится вся физика элементарных частиц, электромагнетизм и ядерные силы) и смогли "скрестить" их с петлями ПКГ. Выяснилось, что элементарные частицы (кварки и электроны) не нужно насильно заталкивать в пространство. Они сами являются особыми "узлами" и "завихрениями" внутри всё той же спиновой сети! Пространство-время переформулировали как Комбинаторное пространство. Это значит, что материя и пространство - это вообще одно и то же. Электрон - это просто специфически завязанный узелок на планковском "мониторе" Вселенной. Этот патч наконец-то наметил путь к тому, как ПКГ может стать полноценной "Теорией всего" , объединив гравитацию со всеми остальными силами природы.

ГЛАВА 5: СУРОВЫЙ РЕАЛИЗМ. КРИТИКА, ПРОБЛЕМЫ И ПОПЫТКИ ПРОВЕРКИ

ПКГ звучит как идеальная фантастика, но в научном мире у нее есть серьезные проблемы. Физики-струнщики регулярно закидывают лагерь петель жесткой критикой.

5.1 Где потерялась материя?

Главная уязвимость ПКГ в том, что она слишком увлеклась геометрией. Ученые смогли красиво квантовать само пространство и гравитацию. Но Вселенная состоит не только из пустоты. Где электроны, кварки, фотоны, Хиггсовские бозоны и остальные силы природы? В теории струн всё это рождается как мы знаем автоматически из вибрации струн. А вот в ПКГ физикам приходится "насильно" вкручивать материю внутрь спиновых сетей. Пока это получается делать с большим скрипом. ПКГ - это теория гравитации, но пока еще не "Теория всего". Но мы же знаем, что выкатили обновление? Да, но не для всех частиц, поэтому проблема актуальна.

5.2 Проблема предела континуума

Континиуум - с Латыни переводится как непрерывное.

Математически невероятно сложно доказать, как из этих бурлящих непрерывных петель в нашем макромире безошибочно собирается гладкое эйнштейновское пространство. Математика тут очень сложнейшая и требует невероятного ума , и стопроцентного ответа у ученых пока нет.

5.3 Как поймать пиксель за хвост? (Эксперименты)Построить коллайдер размером с галактику, чтобы увидеть планковский пиксель напрямую, мы не можем. Но надежда есть. Физики пытаются искать следы непрерывности пространства в космических лучах от далеких гамма-всплесков. Идея в том, что если пространство пиксельное, то фотоны сверхвысоких энергий должны лететь сквозь эти пиксели, как сквозь препятствия, слегка замедляясь. Ученые ловят эти сигналы спутниками, надеясь зафиксировать микроскопическую задержку во времени прилета разных квантов света. Например, Fermi-LAT Science - Спутник Fermi-LAT (NASA). Ищет гамма-всплески и задержки фотонов разных энергий. Если пространство дискретно(прерывно), высокоэнергетичные фотоны должны лететь чуть медленнее низкоэнергетичных (эффект дисперсии скорости света в вакууме(это гипотеза не доказана. Тоесть фотоны с более высокой энергией могут лететь слегка медленнее низкоэнергичных)). Также есть спутники MAGIC, на Канарских островах. Они ловят Гамма всплески от далеких объектов и анализирую их скорость. Если она хоть чуть чуть замедлится - теория подтвердится. Результаты пока: явного эффекта не нашли. Если найдут - ПКГ утрет нос теории струн.

6 ГЛАВА: СРАВНЕНИЕ ТЕОРИЙ ВСЕГО

Итак, мы разобрали уже 2 теории всего, и сейчас пришло время их сравнить и выяснить в чем же разница?

6.1 Что у них общего

Цель: объединить гравитацию с квантовой механикой. Уровень: обе работают на планковском масштабе (10⁻³⁵ м). Противник: бесконечности, которые появляются в расчётах чёрных дыр и Большого взрыва. Статус: ни та, ни другая пока не подтверждена экспериментом. Обе - математически красивые гипотезы.

6.2 В чём главное различие

Теория струн и петлевая квантовая гравитация подходят к одной и той же проблеме с разных сторон:

Теория струн утверждает, что на самом глубоком уровне реальности всё состоит из одномерных струн. Эти струны колеблются, и каждая вибрация порождает определённую частицу. Гравитон, электрон, фотон - всё это просто разные ноты на одной струне. Для работы этой теории нужно десять или даже одиннадцать измерений, и она опирается на заранее заданную сцену - пространство-время Минковского. То есть пространство существует как пассивный фон, а струны просто движутся сквозь него.

Петлевая квантовая гравитация идёт другим путём. Она не требует дополнительных измерений - ей хватает привычных трёх пространственных и одного временного. И она не берёт готовое пространство как данность. Вместо этого пространство возникает само - из переплетения квантовых нитей, которые физики называют спиновыми сетями. Нет никакого фона. Нет никакой сцены. Есть только сама сеть, которая и есть реальность.

Разница проявляется и в том, как эти теории объясняют происхождение частиц. В теории струн все частицы рождаются автоматически - они просто разные колебания струн. В петлевой гравитации с этим сложнее. Теория отлично описывает само пространство и гравитацию, но материю - электроны, кварки, фотоны - приходится вкручивать в сеть искусственно, и получается это пока с большим трудом.

Что касается сингулярностей, здесь петлевая гравитация предлагает радикальное решение. Вместо бесконечной точки в центре чёрной дыры или в момент Большого взрыва она говорит о физическом пределе. Когда плотность достигает планковского уровня, пиксели пространства переполняются, и гравитация превращается в отталкивание. Это порождает Большой отскок вместо Большого взрыва и планковскую звезду вместо сингулярности. Теория струн пока не даёт такого чёткого ответа на эти вопросы.

И наконец, экспериментальная проверка. Теория струн предсказывает суперсимметрию - у каждой частицы есть суперпартнёр. Но Большой адронный коллайдер не нашёл их, и это стало серьёзным ударом. Петлевая гравитация делает другое предсказание: если пространство дискретно, то фотоны сверхвысоких энергий должны слегка замедляться, пролетая сквозь планковские пиксели. Учёные ищут эту задержку в космических лучах и гамма-всплесках.

Так что же выбрать? Никто не знает. Теория струн красивее и шире - она объясняет всё сразу. Петлевая гравитация честнее и радикальнее - она не придумывает лишних измерений и переписывает само понятие пространства. Возможно, они описывают одну и ту же реальность с разных сторон. Возможно, истина где-то посередине. А может быть, мы просто ещё не доросли до ответа.

6.3 Так кто же прав?

Пока никто. Мы не знаем, это две теории, экспериментально не доказаные. Поэтому на сегодняшний день эти две теории - просто красивые математические попытки описать всё.

6.4 Итоги

Физика - это поиск. Даже самые гениальные умы спорят. Мы не знаем, как устроена реальность на самом глубоком уровне, и это нормально. Теория струн и петлевая квантовая гравитация - это две попытки заглянуть за горизонт. Каждая красива по-своему. Возможно, мы никогда не узнаем ответ. Но сам процесс поиска - уже величайшее достижение человечества. То, что мы такие маленькие достигли столь много, невероятно.

Этот пост был написан от руки, нейросеть использовалась для исправления логических ошибок чтобы вам было подано только точная информация. Спасибо за внимание! Буду очень рад, если вы оцените мои старания и другие работы. Для самых умных: то, что вы пишите что это нейросеть, не делает вас умными, а наоборот показывает ваш недостаток внимания.

БЛОК 1: ИСТОРИЯ

Итак, началось все в начале 20 века - физики жили спокойной жизнью, думая что все подчиняется привычным им законам физики: яблоко падает, земля крутится. Но когда они заглянули в атом, то их привычное понимание мира рухнуло: оказывается, в микромире объекты не подчиняются законам макромира.

В 1920-х на Сольвеевских Конгрессах об этом заговорили уже известные учёные. Бор и Гейзенберг заявили:

"частицы по типу фотона или электрона не имеют чёткого расположения и координат пока мы не измерим или посмотрим на них. Они находятся в состоянии "суперпозиции", тоесть везде и нигде одновременно. Как только произошло измерение, суперпозиции пропадает и мы видим или фиксируем привычный нам электрон."

Дальше появляется сама " запутанность". Чтобы объяснить я возьму электроны: два электрона одинакового происхождения, например с одного атома, автоматически становятся " запутанными" тоесть связанными между собой. И здесь начинается "магическая физика" - если один из них примет одно положение, то другой мгновенно примет согласованое или противоположное состояние. И без разницы где они находятся, хоть один на разных углах вселенной, не влияет.

БЛОК 2: УДАР ЭЙНШТЕЙНА

И тут вдруг появляется Эйнштейн. Его бесила эта "ересь" - ему казалось, что мир должен быть логичным и легко предугадыватся, спрашивая у своих коллег " если вы не смотрите на луну, значит её нет?"

В 1935 году Эйнштейн вместе с Розеном и Подольским выдвинули ответный удар - ЭПР-парадокс. Почему ЭПР? первые буквы фамилий. Так в чем же его суть? Суть в железобетонном аргументе обычного мира из их работы: "Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?":

Скорость света. Это абсолютный максимум Вселенной, его нельзя преодолеть. Ни один сигнал, ни одна крупица информации не может перемещаться быстрее неё. Но если Бор прав, то измерение одного электрона мгновенно меняет второй на другом конце космоса. Эйнштейн назвал это "жутким дальнодействием" и заявил, что это нарушает принцип локальности - что ничто не может влиять на другое быстрее скорости света. Но технически теория относительности не запрещает корреляции(это когда одно событие связано с другим. Если меняется одно - меняется и другое) между частицами - она запрещает передачу информации. Именно эту тонкость и не учёл Эйнштейн.. Чтобы объяснить его логику, приведу пример(это его же пример чтобы объяснить тем, кто не разбирается в физике): пару ботинок разложили по двум коробкам, одну увезли в горы, а вторую оставили в лаборатории. И как только одир из учёных открывает коробку и видит правый - он знает, что то левый. И наоборот. Он предположил у частиц есть "скрытые параметры". Они изначально знают какой из них правый, а какой левый. Просто мы не умеем их читать. Или не можем вовсе.

БЛОК 3: ОТВЕТ БОРА

Как только Бору пришёл ответ, он бросил все дела. Как вспоминают рабочие, он ходил от угла в угол покуривая и предлагая варианты тут же стирая. Но он придумал ответ. Он сказал Эйнштейну, что тот судить квантовый мир по законам макромира, что неправильно. Во время того, как ботинок в закрытой коробке, он находится в суперпозиции - внутри квантовое облако вероятностей(волновая функция) и когда ученый открывает коробку, облако схлопывается и функция определяет какой это ботинок и выдаёт его(это называется коллапсом волновой функции). А тот, что в лаборатории принимает противоположное положение.

Эйнштейн был в ярости. Бор сломал привычное восприятие мира, а тем самым отрицал теорию относительности на микроуровне. И каждый так и умер при своем мнении. Почему? А потому что в те года(30-50-е) не было технологий фиксирования отдельных фотонов и электронов. И другие учёные просто пользовались формулами, не думая об этом на то время "философском вопросе".

БЛОК 4: ИРЛАНДЕЦ, РАЗРЕШИВШИЙ ВСЕ.

До 1963 все пользовались формулами не думая. Но в 1964 появился Джон Белл - ирландец, который решил спор длиною более 29 лет. Работая в ЦЕРНе(это Европейская организация по ядерным исследованиям (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), проще говоря, это крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий) и любил копаться в квантовых парадоксах после работы. Он смог найти математическое чудо, по которому можно было узнать про частицу и врет она или нет, придумав тест, прозвали который "Неравенства Белла"

Логика его рассуждения была очень гениальной: если прав Эйнштейн, то по математической формуле число совпадений при массовом тестировании в разных условиях будет не выше определённого значения в процентах, а если был прав Бор то это значение будет превышено на порядок и пробило бы потолок математических расчётов. Белл смог перевести все в расчёты и цифры, так, чтобы инженеры смогли это осуществить. Белл смог сделать то, чего не смог Бор и Эйнштейн. Осталось дело за малым - передать расчёты инженерам и проверить кто прав.

БЛОК 5: КАК ЛАЗЕРЫ СМОГЛИ РЕШИТЬ СПОР

Эксперименты заставили себя ждать действительно долго. Начиная с 70-х, учёные начали исследования и попытки воплотить в жизнь Неравенства Белла.

В историю себя вписали 3 учёных-практика: Джон Клаузер, Ален Аспэ и Антон Цайлингер.

Учёные брали кристалл (бета-борат бария, нелинейный кристалл, сокращено: ВВО или брали титанил-фосфат калия(КТР)), облучали его(этот процесс называется спонтанное параметрическое рассеяние) и получали "запутанные" (связанные) фотоны. Потом их пускали по трубкам(в которых стояло тысячи датчиков, которые изменяли поляризацию(характеристики) фотонов), на километры друг от друга. Но особенность датчиков в том, что они меняли свои параметры за несколько наносекуд до фотона, что он не успевал передать другие данные своему "брату". Неравенства были порваны в щепки. Нильс Бор оказался прав в своих догадках, и великий Эйнштейн ошибся. Но ошибаться может каждый в физике тем более. А трём учёным дали Нобелевскую премию по физике в 2022 году.

БЛОК 6: КВАНТОВАЯ "ТЕЛЕПОРТАЦИЯ" И ДОПОЛНЕНИЯ

Мгновенно вопрос - разве запутанность и телепортация это не одинаковые вещи? Нет. Запутанность это состояние частиц. А телепортация это процесс, использующий запутанность

Все наверняка слышали о квантовой телепортации. Сразу проясню это не мгновенный переход из А в Б, а как раз таки та самая передача состояния частицы к другой связанной частице.

Для начала что это? Это способ перенести состояние одной частицы на другую, используя запутанность + классическую связь. Это не мгновенная передача информации. Ты не можешь телепортировать состояние без отправки дополнительных данных (по интернету, радио и т.д.). Ты не можешь обмануть скорость света.

Как это работает:

1) Создаем запутанную пару частиц. А и Б. Их состояния зависят друг от друга как мы знаем, если на А монетке выпал орел, то на Б выпадет решка моментально.

2) Берем частицу В. Она может быть в суперпозиции(орел и решка вместе, как мы тоже знаем)

3) нам нужно связать частицу А и В, что мы и делаем. Производим измерение. Это разрушает позицию В, так как она была в суперпозиции, но стала к примеру решкой. Также это разрушает запутанность А и Б.

4) мы берём вычислительные данные, и отправляем их ученому, который находится возле частицы Б.

5)тот восстанавливает положение частицы В, только уже на частице Б.

Именно и это есть "телепортация" на квантовом уровне.

Теперь ответы на частые вопросы и дополнения по теме.

Можно ли сделать тоже самое с человеком? На теоретическом уровне законы физики не запрещают передачу состояния человека, но это требует невообразимых ресурсов, и на практике никогда не будет реализовано. Для одного человека нужно передать состояние 7×10^27 атомов, на практике это не имеет смысла и невозможно. Нужно было бы передать состояние триллионов частиц и ещё и запутать их, а ещё восстановить их состояния вообщем долго очень, на это ушел бы не один год. Фактически это телепортация, но не мгновенная, а по частицам и занимает много времени.

Нарушает ли это теорию относительности как запутанность? Нет. Теория запрещает передавать сигналы быстрее скорости света, а здесь это не задействовано.

Куда девается оригинал? Он уничтожается сразу. Невозможно чтобы две частицы были в одном положении, и как вторая переходит в это же состояние оригинал уничтожается.

Безопасно ли это и может стать будущим интернета? Да. Ответ на оба вопроса положительный, потому что цепляют за одно свойство - нельзя посмотреть инфо не изменив состояние.

Можно ли телепортировать сознание?

Нельзя. Это процесс в мозге, а не состояние. Мы не знаем как онон само работает не Говоря уже о его телепортации.

Это дорого?

Безумно. Установки, аппараты. Очень сложно.

Насколько далеко уже делали?

Фотон - около 100км, 44км для атомов. В Китае передавали запутанные фотоны на спутник (1200км~) MIcius.

Как связывают частицы? Один из способов представлен в статье, а так чтобы не листать просто пропускают через кристалл специальный и там они оьретают запутанность

Итак. Итоги: мы разобрали что такое квантовая запутанность, и её вытекающие, историю, и спор, который длился почти век.

Постарался над постом, надеюсь оцените. Нейросеть не применялась никак. В этот раз я решил вообще сделать без неё, так что приятного чтения. Старался сделать без сложных терминов, а если и были то пояснял.

1. Главная проблема физики: две теории, которые не дружат

В современной физике есть два столпа, на которых держится всё наше понимание мира:

Общая теория относительности (Эйнштейн) описывает гравитацию, космос, чёрные дыры, искривление пространства-времени.

Квантовая механика описывает всё остальное (атомы, частицы, свет, электромагнетизм) .

Проблема в том, что эти две теории не работают вместе. Попробуй применить квантовую механику к гравитации, а математика ломается. Попробуй описать атом через теорию относительности, тоже ерунда. И самая популярная попытка обьяснить это теория струн.

Хронология развития теории струн

1968, итальянский физик Габриэле Венециано случайно(почти) находит формулу, описывающую поведение сильного взаимодействия между частицами. Он знает, что это просто математика и подумал что случайность. Позже выяснится, что эта формула описывает колебания струн. Это считается годом рождения теории струн.

1970, Йоитиро Намбу, Хольгер Нильсен и Леонард Сасскинд интерпретируют формулу Венециано как описание одномерных струн. Появляется идея, что адроны (протоны, нейтроны) это не точечные частицы, а колеблющиеся струны.

1974, Джоэл Шерк и Джон Шварц показывают, что теория струн предсказывает частицу с нулевой массой и спином 2 - гравитон. Это переводит теорию из разряда "модели адронов" в теорию квантовой гравитации.

1984, Майкл Грин и Джон Шварц доказывают, что теория струн математически самосогласованна и не содержит бесконечностей (аномалий), (сокращает(сокращает до нуля) их количество в SO(32) и E8×E8) которые убивали другие теории гравитации. Это запускает первую суперструнную революцию.

1985, появляются 5 версий теории струн. Все они требуют 10 измерений и суперсимметрии. Позже выяснится, что все они - частные случаи одной общей теории.

1995, Эдвард Виттен объединяет все 5 версий в одну - М-теорию. Она требует 11 измерений. Струны становятся 2D-мембранами (бранами). Это вторая суперструнная революция.

1997, Хуан Малдасена предлагает AdS/CFT-соответствие (голографический принцип). Он показывает, что квантовая гравитация в 5D-пространстве эквивалентна квантовой теории поля на его 4D-границе. Это даёт мощный математический инструмент для расчётов.

2000-е, настоящее время, теория струн остаётся математически красивой, но экспериментально не подтверждённой гипотезой. БАК(Большой Адронный Коллайдер, простыми словами ускоритель частиц) не нашёл суперсимметрии. Поиски продолжаются.

2. Что такое теория струн простыми словами

Идея звучит почти как фантастика, но не она. вместо того чтобы считать элементарные частицы (электроны, кварки, фотоны) точечными объектами, теория струн предлагает считать их крошечными замкнутыми струнами. Как крошечные резинки, которые колеблется, каждая по своему.

Разные частоты колебаний, это как не странно разные частицы. Одна частота электрон, другая кварк, третья фотон. Всё это просто разные ноты на одной струне.

Если эта идея верна, то все частицы и силы - просто проявления одного и того же объекта. Это и есть "теория всего" .

3. Почему теория струн - это не фантастика, а математика

В отличие от эзотерических учений, теория струн это строгая математическая модель. Она основана на уравнениях, которые работают и предсказывают результаты. Она не говорит "энергия вселенной" или "космический разум". Она говорит: "вот формула, вот следствия, вот как это влияет на расчёты".

Да, мы не можем проверить это в эксперименте - пока технологии не позволяют. Но это не магия. Это раздел теоретической физики, в котором одни из самых умных людей на планете пытаются описать реальность.

4. Проклятие дополнительных измерений

Математика теории струн требует дополнительных измерений. Не 4 (как мы привыкли), а 10 в суперструнной теории и 11 в М-теории.

Эти измерения не такие, как наши три привычных. Они свёрнуты, как будто пространство скручено в трубочку на микроскопическом уровне(плансковская длина: 10^-35 м) . Как напиимер смотришь на садовый шланг, издалека он кажется линией. Но приблизившись, ты видишь, что это трёхмерный объект. Дополнительные измерения теории струн тоже "свёрнуты", мы их не видим, потому что они слишком малы.

4.1 Калибровочная симметрия

Это способ, которым теория струн "следит" за собой. В физике это правило, которое говорит: "Если ты изменишь систему отсчёта или как-то иначе преобразуешь поля, уравнения не должны меняться" . В теории струн калибровочные симметрии — это ограничения на типы струн и их поведение. Они убирают лишние математические состояния, которые не имеют физического смысла. Простыми словами: это" фильтр" , который оставляет только те колебания струн, которые могут существовать в реальности.

4.2 Группы Ли и алгебры Ли

Группа Ли это математический объект, который описывает непрерывные преобразования. Простыми словами: это способ поворачивать, сдвигать или иначе преобразовывать систему, не меняя её сути. Например, вращение сферы это группа Ли SO(3). Сдвиг по плоскости тоже группа Ли.

В физике группы Ли используются, чтобы описпть симметрии - правила, которые говорят: "Если ты сделаешь вот это преобразование, законы физики не изменятся" . Как обычный поворот круга. Ты повернул его на 90 градусов, а он не изменился.

Каждая группа Ли задаёт тип взаимодействия и набор частиц, которые могут существовать. В теории струн группы Ли появляются как калибровочные симметрии - они определяют, какие струны могут колебаться, а какие нет.

Что означают буквы и цифры:

SO(n) группа вращений в n-мерном пространстве(обычные вращения в n количестве пространств) . SO(32) используется в теории струн типа I, тоесть вращения в 32-мерном пространстве

SU(n) группа унитарных преобразований

SU(3) описывает сильное взаимодействие, например кварки.

SU(2) слабое(радиоактивный распад)

U(1) фазовые повороты. Входит в Стандартную модель как часть электрослабого взаимодействия(электромагнетизм(фотоны, свет)

E8 самая сложная исключительная группа Ли, размерность 248. Используется в гетеротической теории E8×E8, представь, что неё есть 248 генераторов, "осей вращения". В абстрактности.

Алгебры Ли это касательное пространство к группе Ли в окрестности единицы. Если группа описывает конечные преобразования, то алгебра описывает бесконечно малые движения. Например, алгебра su(3) - это набор матриц, которые порождают группу SU(3). В струнах алгебры Ли определяют спектр частиц и их взаимодействия. Опять же пример кому не понятно: тот же круг вращают, но уже на ничтожно малых величинах, алгебра объясняет имееено эти малые величины

4.3 Суперсимметрия

Это связь между двумя классами частиц: бозонами (переносчики взаимодействий) и фермионами (материя). Суперсимметрия утверждает, что у каждой частицы есть "суперпартнёр" с другой статистикой. Например, у электрона (фермиона) есть суперпартнёр - "селектрон" (бозон). Тоесть допустим два человека не могут стоят в одной точке как электрон(запрет Паули - два электрона немогут быть в одном состоянии. А есть призрак, который может пройти через человека и встать на ту же точку. И этот призрак это селектрон, который может накапливается в одном месте и быть кандидатом на тёмную материю. Кандидат на тёмную материю это ряд частиц избранные из всех, которые подходят на описание тёмной материи. Нг важно иметь ввиду что это просто сравнение, не относится к их свойствам, а служит объяснением их различия. Бозоны имеют свойство скапливатся в едином состоянии(закон Бозе-Энштейна)

Почему это важно для теории струн? Потому что без суперсимметрии струны предсказывают частицы с массой, которой не существует в природе (тахионы). Суперсимметрия убирает эти нестабильные состояния. Экспериментально суперсимметрия не подтверждена. БАК пока не нашёл суперпартнёров, а это значит, что либо они слишком тяжёлые, либо теории струн без суперсимметрии - тупиковые или у БАКа просто не хватает мощностей для этого.

4.4 Компактификация Калаби–Яу

Это способ "свернуть" дополнительные измерения так, чтобы они не мешали на макроуровне. Это как с тем же шлангом. Смотрите вроде 1д объект, но у него есть диаметр - скрытое измерение. Калаби-Яу примерно также, но сложнее.

4.4.1 Пространства Калаби-Яу - это шестимерные многообразия (при 10 измерениях) или семимерные (при 11). Они имеют сложную, почти фрактальную структуру. Их форма определяет, какие частицы и взвимодействия будут существовать в нашем мире. Если форма одна, будет одна физика. Если другая - совсем другая вселенная. Сейчас таких форм по оценкам ученых более 10^500 степени, и мы не знаем, какая из них соответствует нашей реальности. Это называют проблемой ландшафта.

4.4.2 Голономия это свойство многообразия, которое описывает, как меняется вектор при параллельном переносе по замкнутому контуру. Тоесть изменение вектора движения по замкнутому пути. В теории струн голономия определяет, сколько суперсимметрии сохраняется после компактификации. Два основных типа: голономия SU(3) для пространств Калаби–Яу и голономия G2 для семимерных пространств в М-теории.

4.4.3 G2-многообразия это семимерные компактные многообразия с голономией G2. Они используются в М-теории для сворачивания до четырёх измерений. Они изучены хуже, чем пространства Калаби–Яу, и их свойства пока остаются открытой областью исследований. Это нужет чтобы убрать из лишнюю суперсимметрию оставив 1

4.4.4 Спин 7 (spin(7))

Spin (7) — это голономия, которая появляется в восьмимерных пространствах. Она используется в некоторых экзотических версиях теории струн (например, в F-теории, 12-мерной теории, которая редко упоминается).

Чем она отличается от других? В отличие от SU(3) и G2, она не оставляет суперсимметрии. Это значит, что модели с голономией Spin (7) менее реалистичны для описания нашего мира, потому что мы ожидаем найти хоть какие-то следы суперсимметрии в экспериментах.

Spin (7) это редкий и сложный случай, который пока остаётся математической абстракцией

4.4.5 принцип Кайлера(Kähler )

Пространства Калаби-Яу — это пример так называемых кэлеровых многообразий. Кэлерова структура — это способ измерить расстояния и углы на этих сложных фигурах. Она определяет, какие частицы будут лёгкими, а какие тяжёлыми. Если немного изменить кэлерову структуру — изменится масса электрона и всех остальных частиц. Это одна из причин, почему мы не можем предсказать массы частиц с ходу: мы не знаем точную форму этих свёрнутых измерений.

4.5 Дуальности

Это когда две совершенно разные теории описывают одно и то же явление с разных точек зрения. В теории струн есть T-дуальность (связывает малые и большие расстояния) и S-дуальность (связывает сильное и слабое взаимодействие). Это означает, что теория струн самосогласованна на всех уровнях - она не просто "одна теория" , а семейство теорий, которые переходят друг в друга. Например, в одной теории частица кажется точкой, а в другой струной, но математически это одно и то же.

4.6 голографический принцип (AdS/CFT-соответствие)

Голографический принцип утверждает: вся информация внутри трёхмерного объёма может быть описана на его двухмерной границе. В теории струн это реализовано в рамках AdS/CFT-соответствия. Пррстыми словами: сложная квантовая гравитация внутри пространства эквивалентна простой квантовой теории поля на его границе. Это позволило физикам решать задачи, которые ранее были недоступны.

4.7 Браны

Это объекты высшей размерности. Если струна 1D, то брана может быть 2D, 3D и выше. В струнах есть D-браны, на которых заканчиваются открытые струны, и M-браны (M2 и M5) в М-теории. Ключевая идея создания: гравитоны это замкнутые струны, которые могут отрываться от браны. Именно поэтому гравитация слабее других сил она утекает в другие измерения.

Пример долго думал но может будет понятен

Представь, что ты — жук, который живёт на поверхности листа бумаги. Ты можешь ползать только по этому листу — вперёд, назад, влево, вправо. Для тебя бумага — это 2D-мир.

Теперь представь, что лист бумаги — это брана (поверхность). На ней живут открытые струны — они прикреплены к бумаге и не могут её покинуть. Это как если бы жук был приклеен к листу.

Но есть ещё замкнутые струны — они не привязаны к бумаге. Они могут оторваться от листа и улететь в пространство над ним. Это как если бы жук мог выпрыгнуть с листа и полететь.

4.8 Модули — настройки реальности

Модули это скалярные поля, которые определяют форму и размер компактных измерений. Основные модули:

Дилатон задаёт константу связи (силу всех взаимодействий).(константа это неизменное, const)

Аксион связан с фазами, влияет на свойства частиц.

Модули формы определяют, как именно свернуты дополнительные измерения.

От ожидаемых значений этих полей зависит вся низкоэнергетическая физика, которую мы наблюдаем: массы частиц, константы связи и даже число поколений фермионов. Проблема в том, что теория не предсказывает эти значения. Они могут быть любыми - отсюда возникает проблема ландшафта. Тоесть она практически не проверяема, так как наша вселенная одна из 10^500(по оценкам учёных)

5. Гравитон и объединение всех сил

Одна из самых крутых и интересных вещей в теории струн - она включает гравитацию. В стандартной модели (которая описывает всё, кроме гравитации) гравитации нет места. А в теории струн появляется гравитон, частица-переносчик гравитации, которая возникает как одно из колебаний замкнутой струны, которая может отрываться от браны. Именно это объясняет, почему гравитация такая слабая - она утекает в другие измерения.

Это значит, что все четыре взаимодействия (гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое) могут быть объяснены единым образом.

Перед фундаментальные частицами я бы хотел добавить про спины и что это такое:

Спин это фундаментальное свойство частиц, которое можно представить как их собственный момент импульса. Он измеряется в долях постоянной Планка и бывает двух типов: целым у бозонов и полуцелым у фермион ов.

У бозонов — фотона, глюона, W- и Z-бозонов, бозона Хиггса и гипотетического гравитона — спин целый. Например, у бозона Хиггса спин равен 0, у фотона и глюона — 1, у гипотетического гравитона — 2

У фермионов — электронов, кварков, нейтрино — спин полуцелый(1/2). У всех этих частиц он равен одной второй. Существуют также гипотетические фермионы со спиной 3/2, но они пока не обнаружены.

Спин определяет, как частицы ведут себя в коллективе. Бозоны с целым спином могут находиться в одном и том же состоянии и собираться вместе. Именно поэтому свет можно сфокусировать в лазерный пуяок, а гелий становится сверхтекучим при низких температурах. Фермионы с полуцелым спином не могут занимать одно и то же состояние. На каждое квантовое состояние может приходиться только одна частица. Именно благодаря этому правилу, которое называется запретом Паули, электроны не падают на ядра атомов, а материя остаётся твёрдой.

В теории струн спин частицы определяется типом колебания струны. Разные колебания дают разные частицы с разными спинами. Гравитон, например, возникает как колебание замкнутой струны со спином 2, фотон — со спином 1, а бозон Хиггса — со спином 0.

6. Фундаментальные частицы (стандартная модель + гипотетические)

Фермионы (материя, спин 1/2) — 12 штук

Кварки (6):

Верхний u (up) +2/3

Нижний d (down) −1/3

Очарованный c (charm) +2/3

Странный s (strange) −1/3

Истинный t (top) +2/3

Прелестный b (bottom/beaut y) −1/3

Лептоны (6):

Электрон e −1

Электронное нейтрино νₑ 0

Мюон μ −1

Мюонное нейтрино ν_μ 0

Тау-лептон τ −1

Тау-нейтрино ν_τ 0

Бозоны (переносчики взаимодействий, целый спин) - 5(13)

γ (фотон) - электромагнетизм

g (глюон) - сильное взаимодействие(8 цветовых состояний)

W⁺, W⁻, Z⁰ - слабое взаимодействие, W⁺ и W⁻ отличаются зарядом. Это античастицы.

H (бозон Хиггса) - масса

Гипотетические частицы

Гравитон - переносчик гравитации, предсказывается в теории струн.

Суперпартнёры (если суперсимметрия верна)

Сэлектрон, скварк, фотино, глюино, вино, зино, хиггсино, гравити но.

7. Проблема теории струн

Теория струн не имеет ни одного экспериментального подтверждения. Её не проверили в ускорителях, не нашли её следов в космосе. Это чистая математика, которая пока не подтверждена реальностью. Это как иметь красивую теорию, которая объясняет всё - но не даёт возможности сказать: "А вот это можно проверить" . Поэтому многие физики считают, что теория струн - это не физтка, а математическая философия.

8. Почему это важно знать

Теория струн - это край современной науки. Это не эзотерика, не "энергия вселенной" , не "секретные знания". Это честная попытка человечества понять устройство мира, даже если мир устроен сложнее, чем мы можем себе представить.

Если теория струн верна - значит, наша реальность гораздо глубже, чем мы привыкли думать. Если она ошибочна - значит, придётся искать дальше.

И в этом и есть настоящая физика: не знать, но искать.

Итог

Теория струн это не ответ. Это вопрос, заданный на языке математики. И пока мы не сможем проверить его, это остаётся самой красивой гипотезой человечества. Не верой. Не магией. Поиском.

Специально для тех, кто любит придираться к словам: этот пост - для широкой аудитории, а не для защиты диссертации. Если вы нашли неточность, напишите, я поправлю. Если вы хотите просто показать, что вы умнее проходите мимо. И если вам понравилось, я был бы рад продвижению.

Из источников брал цифры, символы, фото. Остальное написано от руки и надеюсь оцените старания.

Для оценки читаемости поста была применена ИИ. Скрин

Я сделал все честно и показал вам весь процесс. Надеюсь, теперь не будет вопросов.