Как физики относительность измеряли, часть последняя. Квантосрач

Первая часть  https://author.today/post/181541

Вторая часть  https://author.today/post/182016

Третья часть https://author.today/post/182908

Четвёртая часть https://author.today/post/183257

Дисклеймер: эти статьи всё же посвящены теории относительности, так что квантмех я затрону лишь краем. Но и обойтись совсем без него не выйдет.

Квантовая механика развивалась приблизительно параллельно ТО, но затрагивала совсем иную сферу - микромир. Причиной её появления и развития стал, разумеется, всё тот же грёбаный свет, а именно двойственность его свойств. Попытки свести эти свойства в какую-то единую систему и породили квантмех.

Самая-пресамая глубинная суть квантмеха заключается в идее, что физические процессы можно представить в виде системы элементарных частиц. Из одних частиц состоит вещество, другие переносят взаимодействие. Всё вроде бы просто, но как только начинаешь эту самую систему строить, начинаются большие проблемы.

Эйнштейн квантовую механику не любил, даром что сам же участвовал в её основании. Мало того квантмех оказался настолько упоротым, что среди физиков даже не возникло (и до сих пор нет) общего мнения, как к нему подходить, в результате чего возникли разные интерпретации. Главной же проблемой стал вопрос: является ли мир принципиально неопределённым, или же нет - просто у нас ещё нет полной информации о нём? И вот после этого начался трэшак и массовые побоища.

Итак, встречайте! В синем углу ринга: Нильс "Пятый элемент" Бор и Вернер "Неопределимый" Гейзенберг, запилившие копенгагенскую интерпретацию. Упомянутая выше самая суть квантмеха - это оттуда.

В красном углу ринга: Альберт "E=mc^2" Эйнштейн и Эрвин "Котофей" Шрёдингер. Оба эти товарища не признавали копенгагенскую интерпретацию, причём Шрёдингер, победив дракона, сам стал драконом, а Эйнштейн толсто троллил и Бора, и Гейзенберга, и вообще всех.

Для начала Шрёдингер запилил своё уравнение, причём вышло это так: он выступал на семинаре в Цюрихском университете и рассказывал о творящемся в микромире звиздеце. Тут встал пожилой учёный и сказал: "Шрёдингер, ну это же полная хрень. Раз это волны, значит, и описывать их надо волновыми уравнениями". "Ах ты старый пердун", наверняка подумал про себя Эрвин, но вслух ничего не сказал, а пошёл создавать это самое волновое уравнение, которым можно было бы описать поведение частиц. Что успешно и сделал, вот оно:

Чистая, концентрированная красота. Его можно кистью рисовать, как иероглифы, одновременно медитируя.

Уравнение работало, так что Шрёдингер, выступавший против многих положений квантовой механики, сам же в итоге её и создал. Вскоре после этого очнулся Бор, придумав принцип дополнительности: квантовое явление можно и нужно описывать при помощи взаимодополняющих друг друга понятий. Иными словами, поскольку у частицы есть как корпускулярные свойства, так и волновые, то и измерять можно и те и другие. Из этого же принципа, в свою очередь, следует принцип неопределённости Гейзенберга.

Вся эта белиберда, а прежде всего вероятностный характер физических процессов, совершенно не вязалась с теорией относительности Эйнштейна, из-за чего тот воспринимал выдумки Бора со скепсисом, да и не он один. Во время обсуждений квантмеха в Геттингене Пауль Эренфест обучил своего попугая повторять фразу "Aber, meine Herren, das ist keine Physik" ("Но, господа, это же не физика"), которого предлагал в качестве председателя во время дискуссий. На исторической конференции 1927 года (исторической в том плане, что там в одно время и в одном месте собрались величайшие физики всех времён - в кого ни плюнь, попадёшь в нобелевского лауреата) Эйнштейн заявил: "Я не думаю, что Бог играет в кости". В ответ Бор сказал: "Альберт, перестань указывать Богу, что ему делать!".

Эйнштейн отвергал недетерминизм не просто так: он шёл вразрез с его теорией относительности. Гравитационное поле в ТО - это вообще не явление, а свойство пространства-времени, в квантмехе же оно является частью системы взаимодействующих между собой частиц. Правда, гравитация сумела поднасрать и тут: гравитон, который должен вроде бы переносить соответствующее взаимодействие, до сих пор так и не найден. Так же как не найдена до сих пор теория, которая объединила бы квантмех и ТО - да, существует теория струн, но вот с экспериментальной частью у неё пока туговато, и в обозримом будущем света в конце тоннеля не видно.

Да, вы правильно поняли: разрулив проблему несоответствия классической механики и электродинамики, Эйнштейн в итоге вывел науку на новый круг ада, в котором она застряла и по сей день. Квантмех прекрасно описывает происходящее в микромире, но по мере разрастания системы квантовые эффекты теряются - именно это иллюстрирует кот Шрёдингера. ТО не менее прекрасно работает в макромире, но схлопывается в сингулярность, стоит только спуститься ниже.

При этом обе теории продолжали развиваться и после смерти Эйнштейна. В 1960-х вдруг оказалось, что ТО отлично применима в космологии - появилась теория Большого взрыва, ставшая ныне общепринятой, а эксперименты и наблюдения (вроде открытия красного смещения или реликтового излучения) посыпались один за другим. Особый космологический лулз, на мой взгляд, состоит в следующем: давным-давно, составляя своё уравнение, вот это,

Эйнштейн добавил в него ещё один член с космологической постоянной - Λ. Тупо для того, чтобы не допустить равенство нулю левой части уравнения. И аж до 1998 года никто всерьёз её не воспринимал, пока не было открыто ускоренное расширение Вселенной - и тут-то и оказалось, что если лямбда-член не равен нулю, то уравнение прекрасно всё объясняет. Если тот свет таки существует, Эйнштейн там наверняка хохотал до колик. Это же самое уравнение описывает и гравитационные волны, которые таки были открыты в 2015 году. В общем, даже сейчас предсказания ТО продолжают сбываться.

Верна ли теория относительности? Это как раз тот пример, когда следует правильно задать вопрос: а как вообще определяется верность теории? Так вот, никакая естественнонаучная теория не может быть "верной" или "неверной", то есть это не дискретное состояние. Можно говорить о том, что какие-то постулаты теории совпадают с результатами экспериментов или наблюдений, а какие-то - нет. И только.

Любая научная теория в принципе не может претендовать на абсолютную точность, так как теория - это лишь математическая модель, благодаря которой можно рассчитывать реальность. В реальности нет ни энергии, ни скорости, ни времени, ни других физических величин - это люди просто взяли и условились, что энергия - это мера взаимодействия материи, скорость - это отношение пройденного пути к времени, а время - это мера длительности, определяемая нашим восприятием. И уж тем более в реальности нет пространства - ни трёхмерного, ни четырёхмерного, никакого. 

Любое пространство - это просто абстрактное понятие, инструмент, позволяющий нам считать. В элементарной механике мы пользуемся ортонормированным трёхмерным пространством, но ничто не мешает нам взять 21-мерное - тогда каждой точке будет соответствовать 21 координата, а мы задолбаемся их все рассчитывать, но это возможно. Трёхмерное пространство банально проще, вот и всё. Так же как понятие температуры нужно, чтобы описать термический процесс с точки зрения математики. Всё это придумано людьми, всего этого на самом деле не существует.

Соответственно, все эти придумки об искривлённом пространстве дают нам математический аппарат, который не несёт в себе ошибки других аппаратов (например, механики Ньютона). С помощью ОТО мы можем более точно предсказывать будущее и заглядывать в прошлое, и именно поэтому теория до сих пор активно используется, несмотря на все попытки её заменить. Собственно, опровергнуть ВСЮ теорию относительности уже в принципе невозможно, поскольку её постулаты подтверждены экспериментально, можно лишь надстроить поверх неё что-то новое и сделать частным случаем новой теории. Что и пытаются сделать сейчас при помощи теории струн.

Но о ней я расскажу как-нибудь в другой раз. Спасибо за внимание, господа, на сим всё.