Взгляд со стороны. Естествознание и религия
- -
- 100%
- +
Распространение полей, или, согласно квантовой теории, движение безмассовых частиц, происходит с максимально возможной скоростью. Поле, соответственно, и безмассовую частицу, характеризующую данное поле, невозможно ускорить или замедлить. Безмассовая частица не имеет ни размеров, ни строения и как реальный объект не существует.
Не более понятным предстаёт перед нами и электрон, имеющий физическую массу и магнитный момент, несущий на себе заряд, но в то же время не имеющий размеров и строения. Попытка наделить электрон размерами мгновенно вызывает неразрешимое противоречие в классической физике. Протяжённый электрон должен рассматриваться как абсолютно твёрдое тело, неспособное деформироваться, поскольку деформация предполагает независимое перемещение отдельных частей тела. Но в релятивистской механике существование абсолютно твёрдых тел в принципе невозможно.
Не имеет корректного решения и взаимодействие электрона с собственным электромагнитным полем, наделяющим электрон бесконечно большой электромагнитной массой. Для компенсации этой массы физики-теоретики в уравнениях формально приписывают частице бесконечную отрицательную массу неэлектромагнитного происхождения[9].
Бесконечности, которые появляются в квантовой механике при вычислении некоторых физических величин, не имеют физического смысла и вызывают расходимости. Расходимости появляются вследствие того, что в современной теории элементарные частицы рассматриваются как точки, то есть как материальные объекты без протяжённости.
В квантовой теории поля не только сохраняются старые, но и появляются новые расходимости, опять-таки связанные с точечностью объектов – взаимодействие между полями определяется описывающими поля величинами, взятыми в одной и той же точке пространства и в один и тот же момент времени. Наделение частиц протяжённостью устраняет расходимости, однако противоречит теории относительности, постулирующей конечность скорости света.
Всё это говорит о том, что квантовая физика не описывает реальный мир. Но это нисколько не мешает квантовой механике, с её парадоксами и противоречиями, занимать прочную позицию устоявшейся, детально разработанной теории. Она имеет прекрасную математическую базу, многократно подтверждена экспериментами и имеет многочисленные применения на практике.
Согласно квантовой теории, все физические тела состоят из элементарных частиц, масса покоя которых не равна нулю. Овеществлённая материя занимает незначительную долю объёма тела (см. "Генетический Код Вселенной"). Всё остальное безмассовое пространство – это огромное количество взаимодействующих полей.
Поскольку свойства макроскопических тел определяют составляющие его частицы, следует предположить, что перемещение физических объектов в пространстве происходит аналогично элементарным частицам. Можно также допустить, что квантовые поля при движении физического тела переходят в коллективное состояние и с помощью вакуума переносят энергию вещества.
Одним из примеров коллективного состояния служит сверхтекучесть. При сверхтекучести частицы складываются в микроскопическое квантовое состояние и, действуя коллективно, образуют совершенно новый вид движения, при котором полностью отсутствует трение.
На макроуровне коллективное поведение молекул можно наблюдать, бросив в воду камень. На поверхности воды появляются убегающие от камня волны, образованные упорядоченным движением молекул воды.
Особым коллективным состоянием частиц характеризуется квантовая запутанность, когда частицы утрачивают свою самостоятельность и становятся зависимыми друг от друга.
Более тридцати лет назад 23-летний выпускник Кембриджского университета Сет Ллойд, изучая поведение запутанных частиц, получил удивительный результат. По мере того, как частицы всё больше смешиваются друг с другом, информация, которая первоначально описывала их по отдельности (например, «1» для вращения по часовой стрелке, «0» – против часовой), переходит на описание системы запутанных частиц в целом. Свои взгляды в 1988 г. Ллойд изложил в докторской диссертации. При попытке опубликовать статью редакция отказала в публикации, сославшись на то, что в «этой статье нет физики»[10].
С развитием теории квантовой информации учёные вплотную занялись исследованием поведения запутанных частиц. В 2017 г. физики из Университета Женевы в Швейцарии смогли продемонстрировать квантовую систему, в которой с помощью одного фотона было одновременно запутано 16 миллионов атомов[11].
Масса, образующая вещество, из которого состоят все физические тела, – одно из самых загадочных понятий в науке. Массе посвящено огромное количество работ, но до настоящего времени остаётся неясным смысл этого понятия.
Радикальный взгляд для своего времени (1884 г.) на образование вещества изложил в кинетическом учении о природе барон Н. Деллингсгаузен. Его гипотезу приводит в своём классическом труде «История физики» доктор философии Фердинанд Розенбергер: «Световые и тепловые явления показывают, что всякая материя находится в колебательном движении, которое распространяется в ней волнообразно. Отсюда можно заключить, что внутренние движения материи, в силу её непрерывности, являются круговыми движениями, составленными из отдельных элементарных колебаний. <…> Так как мы можем представить себе, что из каждой точки пространства исходят колебания, в каждой точке пространства должно встречаться бесчисленное множество волн. Эти встречающиеся волны могут в некоторых местах образовать стоячие волны. Такие части пространства, где образуются подобные стоячие колебания, получают тогда известную устойчивость – они образуют тела»[12].
Армянский учёный Георгий Киракосян предлагает рассматривать частицу как локализовано-стоячую волну. Основываясь на таком представлении частиц, учёный смог объяснить суть одной из главных фундаментальных постоянных микромира – постоянной тонкой структуры α, смысл которой всегда был загадкой для учёных. Указанная безразмерная константа определяет все физические и химические свойства вещества. Согласно гипотезе Киракосяна, постоянная тонкой структуры является классической волновой константой[13].
Физики не разделяют подход Киракосяна в представлении частицы в виде локализовано-стоячей волны: механическая масса и полевая масса – понятия нетождественные. При распространении волны, как правило, переносят не массу, а энергию.
Вся сложность изучения микромира состоит в том, что наши органы чувств не созданы для восприятия малых величин. Уже на микросекундном интервале механическое движение для нас замирает – снаряд за это время передвигается на несколько миллиметров. В интервале времени порядка 10–15 секунды становятся неподвижными атомы, а в интервале 10–20 секунды и меньше процессы происходят исключительно на уровне элементарных частиц и ядерных реакций. Действительность в рассматриваемых временных интервалах наши органы чувств уже не воспринимают.
В теоретической физике существует система естественных единиц измерения. Это система планковских величин, образованных с помощью трёх физических констант: постоянной Планка ћ, скорости света с и гравитационной постоянной g. В численном выражении планковская длина ℓПл = (gћ / c3)1/2 ≈ 1,6·10–33 сантиметра, время tПл = (gћ / c5)1/2 ≈ 5,4·10–44 секунды и масса mПл = (ћc / G)1/2 ≈ 2,2·10–5 грамма.
В области, ограниченной планковскими величинами, не работают не только наши органы чувств, но и физические законы. Это фундаментальный нижний предел наших знаний о природе, и преодолеть его современная наука не в состоянии.
Заканчивая обзор, мы предлагаем читателю идею гипотетического варианта разрешения апории Зенона, по которому движение физических тел на квантовом уровне рассматривается как непрерывные взаимопревращения энергии.
В современном представлении нуклоны, из которых состоит вещество, образованы кварками и глюонами. Расчёты на основе квантовой хромодинамики показали, что масса глюонов равна нулю. Масса кварков составляет лишь незначительную часть массы нуклонов (см. «Генетический Код Вселенной»). Кварки получают свои массы при взаимодействии с полем Хиггса.
Согласно Стандартной модели, поле Хиггса – одна из возможных форм вакуумного поля. Это поле распространено по всему пространству Вселенной, при этом его потенциал в вакууме не равен нулю. Открытие бозона Хиггса показало, что вакуум существует в постоянном квазиустойчивом состоянии и может быть нестабилен по своей природе. Если предположить, что всё вещество физических тел состоит из хигговского и глюонного вакуумных конденсатов, взаимодействующих друг с другом, следует заключить, что масса образуется из энергии вакуума.
В квантовой теории поля все частицы – это возмущения соответствующих квантовых полей. Взаимодействие квантовых полей с полем вакуума может рождать реальные частицы. Исходя из такого представления, механическую массу на квантовом уровне гипотетически можно рассматривать как особое коллективное состояние квантовых полей.
Сила, приложенная к телу, разрушает коллективное поле, образующее физический объект. Распад коллективного поля вызывает возбуждение вакуума, которое распространяется по направлению действия силы. Возбуждённый вакуум рождает реальные частицы, образующие динамически неустойчивое коллективное поле массы. Через некоторое время зависящее от параметров первоначально приложенной к телу силы неустойчивое коллективное поле распадается. Последовательная смена состояний будет повторяться до тех пор, пока силы, действующие извне, не выведут возникший колебательный процесс из равновесия.
По своей сути процесс движения информационно-энергетический. Энергия вакуума образует массу движущегося тела; приложенная к телу сила определяет характеристики движения; информационное пространство руководит движением.
Рассматривая движение механической массы как информационно-энергетический процесс, происходящий на квантовом уровне, можно объяснить апорию Зенона, которую более двух тысячелетий пытаются разрешить учёные и философы. Понятным становится физический смысл корпускулярно-волнового дуализма.
Из разных скоростей передвижения Ахиллеса и черепахи следует, что Ахиллес будет находиться в состоянии неовеществлённой движущейся энергии более продолжительные интервалы времени, чем черепаха. И в некоторый момент, когда тело черепахи находится в состоянии вещества, Ахиллес будет пребывать в движении и не только догонит, но и перегонит неподвижную черепаху.
Физический смысл корпускулярно-волнового дуализма в нашем гипотетическом представлении состоит в том, что энергию движущейся частицы, обладающей массой, можно представить в виде взаимопревращений энергии полевой и механической массы. По мере приближения к зоне макроуровневого масштаба, прерывистое рождение массы из вакуума плавно переходит в непрерывное.
Становится понятным и тот факт, что чем быстрее движется частица, тем больше проявляются её волновые свойства. Безмассовые частицы могут двигаться только с максимально возможной скоростью и проявляют свойства частиц исключительно с энергетической стороны – при взаимодействиях.
Информация и Вселенная
Ощущений глаз и ушей недостаточно для определения законов вещей, усилий сердца и мысли недостаточно для установления истины… Только тот, кто постиг Высшую гармонию и овладел взаимным отзвуком саморазвивающихся явлений, только тот способен на это.
Дао дэ цзинЧем может быть задана программа? Например, при нарезании резьбы на токарном станке – передаточными числами шестерён, иначе – отношением числа зубьев ведущих шестерён к ведомым. Носителем программы в рассматриваемом примере будут шестерни. Отсутствует программа – и резьбу, посредством которой стыкуются друг с другом детали, организуя новое качество в виде узла, выполнить будет невозможно. На входе – информация, управляющая процессом изготовления резьбы, на выходе – готовое изделие.
В связи с этим вспоминается давний случай, который поведал мне один знакомый. Не известно по каким причинам, то ли от износа станка, то ли от износа оснастки, но у токаря появился брак. Отдел технического контроля (ОТК) проверял отсутствие брака при приёмке нарезанной токарем резьбы двумя калибрами. Через один калибр резьба должна проходить, а через другой – не проходить. У нашего токаря она проходила через два калибра. Для получения премии нужно было выполнять месячный план по количеству и качеству деталей. Умельцем-токарем был найден оригинальный выход из, казалось бы, безвыходного положения. После точных ударов молотком по резьбе, она застревала на одном калибре и проходила через другой калибр.
Похожую картину можно наблюдать и среди физиков-теоретиков. Придумана оригинальная, элегантная, математически красивая гипотеза, но вот незадача – гипотеза не стыкуется с экспериментом. А диссертацию во что бы то ни стало нужно защитить. Что делать? Оказывается, выход есть: нужно «стукнуть молотком» по теории – добавить несколько частиц и симметрий, откорректировать появившиеся подгоночные константы, и всё будет в порядке. «ОТК», в лице физиков-экспериментаторов на Большом адронном коллайдере (БАКе), проверить работоспособность гипотезы в ближайшие годы не сможет – кишка тонка у нынешнего коллайдера. А к тому времени, когда появится более мощный агрегат, в кармане уже будет диплом доктора и аттестат профессора. И не по такому ли принципу в настоящее время идёт массовое изготовление современных теорий, которые будет невозможно никогда экспериментально проверить?
Непонятно, почему подавляющее большинство учёных считает, что природа, в отличие от человека, умеет создавать «детали с резьбой» без программ. При этом, как ни странно, чисто случайно появилась не только наша планета, но и неисчислимое количество других объектов во Вселенной. Начиная от элементарных частиц до живых организмов. А все физические законы – простая фиксация итогов бессмысленного перебора природой случайных комбинаций.
Наш далёкий предок, изготавливая каменный топор или копьё, выполнял указанную работу в виде определённой последовательности действий, то есть следуя определённой программе, а не тупо колотил камнем о камень в надежде, что из этого само собой должно появиться орудие труда.
Мы пытаемся выставить природу, благодаря которой появились на свет, тупой мартышкой, барабанящей по клавишам механизма случайностей. При этом уверены, что природа, в отличие от человека, не имеет цели и потому сама не знает, что делает.
Удивительно, да и только, – абсолютно случайно, эволюционируя непонятно каким образом из пустоты, из ничего вдруг появляется кварк-глюонная плазма, из неё образуется неживая материя, и в итоге возникают живые организмы. При этом один из видов до такой степени эволюционировал, что возомнил себя повелителем природы. Реализация Божьего замысла, описанного в Библии (Быт 1:1–30) выглядит проще и понятнее, чем труд её величества случайности в лице госпожи мартышки.
Развивая информационные технологии, человек успешно продвигается на пути создания искусственного интеллекта. Научился клонировать высших животных, пытается проникнуть в святая святых – создать живую клетку. Но ни одному учёному никогда не приходило в голову испробовать путь, который он навязал природе – творить случайным образом.
Предположение о том, что развитие Мироздания происходит не случайным образом, а по изначально существующей программе, в настоящее время для многих учёных не вызывает никакого сомнения. Тем не менее официальная наука не спешит отказаться от гипотезы случайного возникновения и развития Вселенной. Это, по-видимому, связано с тем, что, признавая изначальную запрограммированность Вселенной, придётся одновременно согласиться и с тем, что Вселенная имеет Творца или Божественное начало.
До сих пор не существует единой теории атомного ядра – основного элемента, из которого состоит всё вещество во Вселенной. Не совсем ясно, что управляет притяжением разноимённых и отталкиванием одноимённых электрических зарядов. Совершенно неизвестно истинное предназначение незримо обитающей во Вселенной тёмной энергии. К тому же никто достоверно не знает, существует ли вообще такая энергия.
В соответствии с квантовой теорией, в реальном пространстве всегда есть неустранимые неопределённости физических полей, которые не могут обратиться в нуль. С ними связана ненулевая средняя энергия. Для многих теорий поля рассчитываемая плотность энергии вакуума оказывается бесконечной. В такие теории учёные вынуждены вводить специальные процедуры устранения бесконечностей.
Теоретическая физика объясняет присутствие в вакууме энергии рождающимися из ничего и исчезающими в никуда, виртуальными частицами. Вакуум как бы кипит, и это кипение нельзя устранить без нарушения законов квантовой механики. Частицы рождаются и аннигилируют в вакууме на отрезках времени, позволяемых соотношением неопределённостей Гейзенберга.
Интенсивность флуктуационных процессов изменяется при взаимодействии с внешними полями и приводит к поляризации вакуума. В результате каждая элементарная частица оказывается одетой в шубу виртуальных частиц и составляет с ней одно целое – наблюдаемую элементарную частицу.
Явления флуктуаций вакуума, как и постоянные взаимопревращения элементарных частиц друг в друга, заставляют задуматься: а действительно ли мир состоит из описываемых математическими уравнениями дискретных элементов?
Разогнав две одинаковые частицы в ускорителе и столкнув их, мы можем получить не две, а три одинаковые частицы. Третья частица возникает из энергии столкновения. Физическая теория рассматривает её как вероятностную динамическую функцию, как взаимодействие, связанное с непрерывным превращением энергии.
Частицы предстают перед нами не как реальные объекты, но как сгустки энергии. Проводя измерение, мы разрушаем изначальное взаимодействие и создаём новое взаимодействие, которое изменяет саму частицу. Из-за этого частицы, непрерывно превращаясь одна в другую или иные формы энергии, не имеют и не могут иметь постоянных характеристик. Кварки, которые, по предположению учёных, являются последней ступенью дробления материи, в свободном состоянии вообще ненаблюдаемые. Силы, действующие между кварками, не уменьшаются с расстоянием, и для разъединения кварков требуется невообразимо большая энергия.
Если частица распадается на какие-либо частицы, нельзя сказать, что продукты распада содержались в ней в виде составных частей. В определённом смысле взаимопревращения частиц можно сравнить со взаимопревращениями чисел друг в друга.
Рассмотрим равенство 4 = 1 + 3. Как видим, превратилась четвёрка в единицу и тройку. Возможно превращение и тройки в четвёрку при «поглощении» ею единицы. Но в реальности состоит ли наша четвёрка из единицы и тройки? Не вмещает ли она бесконечный набор чисел? И где истина – в математическом равенстве или в нашем умозаключении? Существуют ли реально в природе числа?
Математика вводит нас в заблуждение. Реальный мир – это не математика. Математический формализм – метафизические концепции и интерпретации физических процессов. Все физические законы и теории носят исключительно описательный характер. Классическая механика описывает механическое движение материальных тел и происходящие при этом взаимодействия между ними, но самой природы описываемых явлений не касается. Квантовая механика описывает не микрообъекты сами по себе, а проявление их свойств в микромире, не касаясь природы этих явлений. И ни одна физическая теория не отвечает на вопрос, откуда всё это произошло?
Согласно современным представлениям учёных, весь материальный мир построен из элементарных частиц и античастиц, связанных разного вида взаимодействиями. Количество обнаруженных элементарных частиц измеряется сотнями. Видов фундаментальных взаимодействий между частицами известно всего четыре: гравитация, электромагнетизм, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие.
Гравитация притягивает друг к другу объекты, обладающие массой. С помощью электромагнетизма твёрдые тела становятся прочными и, несмотря на гравитацию, не проваливаются сквозь землю – одноименно заряжённые электроны в атомах на границах веществ отталкиваются друг от друга. Сильное и слабое взаимодействия управляют процессами на субатомном уровне. Удерживая вместе протоны и нейтроны, сильные ядерные силы формируют ядра атомов. Слабое взаимодействие управляет радиоактивным распадом и отвечает за основной источник энергии Солнца. Без слабого взаимодействия наше светило перестало бы существовать. И каждый из этих видов сил характеризуется своей константой.
Мы живём в точно настроенной и выверенной Вселенной. Если температура Солнца станет меньше 5 500 градусов Цельсия, Земля замёрзнет, – при большей температуре всё живое будет сожжено. При уменьшении массы Юпитера количество летящих из космоса комет к Земле стремительно возрастёт, и жизнь на Земле будет уничтожена. Астрономы считают, что влияние Юпитера и Сатурна на Землю привело к удлинению её эллиптической орбиты и повлияло на наклон оси. Луна также способствует наклону Земли и устойчивости климата. При отсутствии наклона испаряемая в океанах влага будет мигрировать к северу и югу, и континенты покроются льдом. И это мизерная часть «случайностей» в Солнечной системе, благодаря которым на Земле существует жизнь.
Знакомство с общепризнанной, увенчанной Нобелевской премией Стандартной моделью приводит к однозначному выводу: Вселенная организована таким образом, чтобы в ней могла существовать жизнь. Даже незначительное изменение численного значения одной из примерно 20 констант, входящих в Стандартную модель, полностью лишает Вселенную атомов. Изменение массы электрона всего на 0,2 % изменит время жизни звёзд настолько, что для эволюции живых организмов не хватит времени. Отклонение константы сильного взаимодействия всего на одну десятитысячную в ту или другую сторону сделает невозможным образование атомов углерода, а значит, и зарождение органической жизни будет невозможным.
Такая точная настройка Стандартной модели порождает много вопросов. Один из них – случайны ли наблюдаемые значения фундаментальных констант? И могло ли больше дюжины стабильных и взаимосвязанных друг с другом констант появиться случайным образом в момент или после Большого взрыва, по мере образования элементарных частиц и атомов?
Если Вселенная развивается случайным образом, должны меняться во времени и фундаментальные константы. Учёные решили получить ответ на данный вопрос путём прямого измерения фундаментальных постоянных в различных областях Вселенной. Для измерения была выбрана одна из физических постоянных – постоянная тонкой структуры α, или постоянная Зоммерфельда. Данная константа является скалярной величиной, получена опытным путём и равная примерно 1/137. Она характеризует силу электромагнитного взаимодействия и определяет все основные свойства и характеристики объектов микромира: размеры электронных орбит в атомах, энергию связи между элементарными частицами и атомами, следовательно, все физические и химические свойства вещества.
Безразмерная α образована из комбинации других фундаментальных констант: элементарного электрического заряда е, приведённой постоянной Планка ћ, скорости света в вакууме с и диэлектрической проницаемости свободного пространства ε0. Она также может быть образована и в терминах других фундаментальных физических констант. Её численное значение не зависит от выбранной системы единиц, поэтому она хорошо подходит для ответа на поставленный вопрос.
Большинство экспериментальных данных подтверждают неизменность постоянной α. Исследования, проведённые в 2016 г. учёными из Института астрономии при Кембриджском университете и из Центра астрофизики и суперкомпьютерных вычислений в Технологическом университете Суинберна в Австралии, показали, что постоянная тонкой структуры в галактике за последние 8,5 миллиарда лет не изменилась[14].
Астрофизики из семи стран под руководством Майкла Вильчинского из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии установили, что физическая константа α за последние 13 миллиардов лет – а это соответствует возрасту Вселенной 800 миллионов лет – сохранила своё значение с точностью до пятого знака после запятой. Но, когда учёные рассмотрели полученные результаты совместно с другими измерениями константы, они заметили пространственные вариации постоянной на уровне статистической значимости[15]. Это указывает на то, что расхождение между современными и прошлыми значениями постоянной тонкой структуры зависит не от количества прошедшего времени, а от пространственного положения тех точек, где были сделаны замеры.
Неизменность константы подтверждает Стандартную модель. Однако существуют теории, в отличие от Стандартной модели, допускающие изменение фундаментальных констант во времени. Но здесь важно другое. Известно, будь α всего на 4 % больше, производство углерода внутри звёзд стало бы невозможным, следовательно, и зарождение жизни на нашей планете не произошло бы.