גבולות הפיסיקה והניסוי הפיזי

לפני מאה שנים, המצב בפיזיקה היה בדיוק הפוך מהיום. בידי המדענים היו תוצאות של ניסויים מוכחים, שחזרו על עצמם פעמים רבות, אשר, עם זאת, לעתים קרובות לא ניתן היה להסביר באמצעות תיאוריות פיזיקליות קיימות. הניסיון קדם בבירור לתיאוריה. תיאורטיקנים היו צריכים להגיע לעבודה.

נכון לעכשיו, האיזון נוטה לעבר תיאורטיקנים שהמודלים שלהם שונים מאוד ממה שנראה מניסויים אפשריים כמו תורת המיתרים. ונראה שיש יותר ויותר בעיות בלתי פתורות בפיזיקה (1).

1. המגמות והבעיות המודרניות החשובות ביותר בפיזיקה - הדמיה

הפיזיקאי הפולני המפורסם, פרופ. אנדז'יי סטארושקביץ' במהלך הדיון על "גבולות הידע בפיזיקה" ביוני 2010 באקדמיית איגנטיאנום בקרקוב אמר: "תחום הידע גדל מאוד במהלך המאה האחרונה, אבל תחום הבורות צמח עוד יותר. (...) גילוי תורת היחסות הכללית ומכניקת הקוונטים הם הישגים מונומנטליים של המחשבה האנושית, הדומים לאלו של ניוטון, אך הם מובילים לשאלת היחס בין שני המבנים, שאלה שסולם המורכבות שלה פשוט מזעזע. במצב זה, מתעוררות שאלות באופן טבעי: האם אנחנו יכולים לעשות זאת? האם הנחישות והרצון שלנו לרדת לעומקה של האמת יהיו בקנה אחד עם הקשיים העומדים בפנינו?"

קיפאון ניסיוני

כבר כמה חודשים שעולם הפיזיקה עמוס מהרגיל עם יותר מחלוקות. בכתב העת Nature, ג'ורג' אליס וג'וזף סילק פרסמו מאמר להגנת שלמות הפיזיקה, תוך ביקורת על אלה שמוכנים יותר ויותר לדחות ניסויים כדי לבדוק את התיאוריות הקוסמולוגיות האחרונות עד ל"מחר" בלתי מוגבל. הם צריכים להתאפיין ב"אלגנטיות מספקת" וערך הסברתי. "זה שובר את המסורת המדעית בת מאות השנים שידע מדעי הוא ידע מוכח אמפירית", רועמים מדענים. העובדות מראות בבירור את "המבוי הסתום הניסיוני" בפיזיקה המודרנית.

התיאוריות האחרונות לגבי הטבע והמבנה של העולם והיקום, ככלל, אינן ניתנות לאימות על ידי ניסויים הזמינים לאנושות.

על ידי גילוי בוזון היגס, מדענים "השלימו" את המודל הסטנדרטי. עם זאת, עולם הפיזיקה רחוק מלהיות מרוצה. אנחנו יודעים על כל הקווארקים והלפטונים, אבל אין לנו מושג איך ליישב זאת עם תורת הכבידה של איינשטיין. אנחנו לא יודעים איך לשלב מכניקת קוונטים עם כוח משיכה כדי ליצור תיאוריה היפותטית של כוח הכבידה הקוונטית. אנחנו גם לא יודעים מה זה המפץ הגדול (או אם הוא באמת קרה!) (2).

נכון להיום, בואו נקרא לזה פיזיקאים קלאסיים, השלב הבא אחרי המודל הסטנדרטי הוא סופרסימטריה, החוזה שלכל חלקיק יסודי המוכר לנו יש "פרטנר".

זה מכפיל את המספר הכולל של אבני הבניין של החומר, אבל התיאוריה מתאימה באופן מושלם למשוואות המתמטיות, וחשוב מכך, מציעה הזדמנות לפענח את המסתורין של החומר האפל הקוסמי. נותר רק לחכות לתוצאות הניסויים במאיץ ההדרונים הגדול, שיאשרו את קיומם של חלקיקים סופר-סימטריים.

עם זאת, עדיין לא נשמעו תגליות כאלה מז'נבה. כמובן, זו רק ההתחלה של גרסה חדשה של ה-LHC, עם אנרגיית ההשפעה כפולה (לאחר תיקון ושדרוג לאחרונה). בעוד כמה חודשים הם עשויים לצלם פקקי שמפניה לחגיגת העל-סימטריה. עם זאת, אם זה לא קרה, פיסיקאים רבים מאמינים כי תיאוריות סופר-סימטריות יצטרכו להיסגר בהדרגה, כמו גם מיתר-העל, המבוסס על סופר-סימטריה. כי אם המאיץ הגדול לא יאשר את התיאוריות האלה, אז מה?

עם זאת, ישנם כמה מדענים שלא חושבים כך. כי תורת העל סימטריה היא "יפה מכדי לטעות".

לכן, הם מתכוונים להעריך מחדש את המשוואות שלהם כדי להוכיח שהמסות של החלקיקים העל-סימטריים פשוט מחוץ לטווח ה-LHC. התיאורטיקנים צודקים מאוד. המודלים שלהם טובים בהסבר תופעות שניתן למדוד ולאמת בניסוי. אפשר אפוא לשאול מדוע עלינו להוציא את הפיתוח של אותן תיאוריות שאיננו (עדיין) לא יכולים לדעת אמפירית. האם זו גישה סבירה ומדעית?

יקום מכלום

מדעי הטבע, בעיקר הפיזיקה, מבוססים על נטורליזם, כלומר על האמונה שאנו יכולים להסביר הכל באמצעות כוחות הטבע. משימת המדע מצטמצמת לבחינת הקשר בין כמויות שונות המתארות תופעות או מבנים מסוימים הקיימים בטבע. פיזיקה לא עוסקת בבעיות שאי אפשר לתאר מתמטית, שאי אפשר לחזור עליהן. זו, בין היתר, הסיבה להצלחתו. התיאור המתמטי המשמש למודל של תופעות טבע הוכח כיעיל ביותר. הישגי מדעי הטבע הביאו להכללות הפילוסופיות שלהם. נוצרו כיוונים כמו פילוסופיה מכניסטית או חומרנות מדעית, אשר העבירו את תוצאות מדעי הטבע, שהושגו לפני סוף המאה ה- XNUMX, לתחום הפילוסופיה.

נראה היה שאנחנו יכולים להכיר את כל העולם, שיש דטרמיניזם מוחלט בטבע, כי אנחנו יכולים לקבוע איך כוכבי הלכת ינועו בעוד מיליוני שנים, או איך הם נעו לפני מיליוני שנים. הישגים אלו הולידו גאווה שהביסה את המוח האנושי. במידה מכרעת, הנטורליזם המתודולוגי ממריץ את התפתחות מדעי הטבע גם כיום. עם זאת, ישנן כמה נקודות חיתוך שנראות מעידות על מגבלותיה של המתודולוגיה הנטורליסטית.

אם היקום מוגבל בנפחו והתעורר "יש מאין" (3), מבלי להפר את חוקי שימור האנרגיה, למשל, כתנודה, אז לא אמורים להיות שינויים בו. בינתיים אנחנו צופים בהם. בניסיון לפתור בעיה זו על בסיס הפיזיקה הקוונטית, אנו מגיעים למסקנה שרק צופה מודע מממש את אפשרות קיומו של עולם כזה. לכן אנו תוהים מדוע האדם המסוים בו אנו חיים נוצר מיקומים רבים ושונים. אז אנחנו מגיעים למסקנה שרק כאשר אדם הופיע על פני כדור הארץ, העולם - כפי שאנו רואים - באמת "הפך" ...

כיצד מדידות משפיעות על אירועים שקרו לפני מיליארד שנים?

4. ניסוי וילר - הדמיה

אחד הפיזיקאים המודרניים, ג'ון ארצ'יבלד וילר, הציע גרסת חלל של ניסוי החריץ הכפול המפורסם. בתכנון המנטלי שלו, אור מקוואזר, במרחק מיליארד שנות אור מאיתנו, נע לאורך שני צדדים מנוגדים של הגלקסיה (4). אם צופים יצפו בכל אחד מהנתיבים הללו בנפרד, הם יראו פוטונים. אם שניהם בבת אחת, הם יראו את הגל. אז עצם ההתבוננות משנה את אופי האור שיצא מהקווזר לפני מיליארד שנים!

עבור ווילר, האמור לעיל מוכיח שהיקום אינו יכול להתקיים במובן הפיזי, לפחות במובן שבו אנו רגילים להבין "מצב פיזי". זה לא יכול היה לקרות גם בעבר, עד ש... עשינו מדידה. לפיכך, הממד הנוכחי שלנו משפיע על העבר. בעזרת התצפיות, הגילויים והמדידות שלנו, אנו מעצבים את אירועי העבר, עמוק בזמן, עד ... לתחילת היקום!

ניל טורק ממכון פרימטר בווטרלו, קנדה, אמר בגיליון יולי של New Scientist כי "איננו יכולים להבין מה אנו מוצאים. התיאוריה הופכת יותר ויותר מורכבת ומתוחכמת. אנחנו משליכים את עצמנו לבעיה עם שדות, ממדים וסימטריות עוקבות, אפילו עם מפתח ברגים, אבל אנחנו לא יכולים להסביר את העובדות הפשוטות ביותר". ברור שפיזיקאים רבים מוטרדים מהעובדה שלמסעות הנפש של תיאורטיקנים מודרניים, כמו השיקולים לעיל או תורת מיתרי העל, אין שום קשר לניסויים שמתבצעים כיום במעבדות, ואין דרך לבדוק אותם בניסוי.

בעולם הקוונטי, אתה צריך להסתכל רחב יותר

כפי שאמר פעם חתן פרס נובל ריצ'רד פיינמן, אף אחד לא באמת מבין את העולם הקוונטי. בניגוד לעולם הניוטוני הישן והטוב, שבו מחושבים יחסי הגומלין של שני גופים עם מסות מסוימות באמצעות משוואות, במכניקת הקוונטים יש לנו משוואות שהן לא כל כך עוקבות מהן, אלא הן תוצאה של התנהגות מוזרה שנצפתה בניסויים. האובייקטים של פיזיקת הקוונטים אינם חייבים להיות קשורים לשום דבר "פיזי", והתנהגותם היא תחום של מרחב רב ממדי מופשט הנקרא מרחב הילברט.

ישנם שינויים המתוארים על ידי משוואת שרדינגר, אבל למה בדיוק לא ידוע. האם ניתן לשנות זאת? האם ניתן בכלל לגזור חוקים קוונטיים מעקרונות הפיזיקה, כפי שעשרות חוקים ועקרונות, למשל, הנוגעים לתנועת גופים בחלל החיצון, נגזרו מעקרונותיו של ניוטון? מדענים מאוניברסיטת פאביה באיטליה ג'אקומו מאורו ד'אריאנו, ג'וליו צ'יריבלה ופאולו פרינוטי טוענים שאפילו תופעות קוונטיות שמנוגדות בבירור לשכל הישר ניתנות לזיהוי בניסויים מדידים. כל מה שאתה צריך זה את הפרספקטיבה הנכונה - אולי אי ההבנה של השפעות קוונטיות נובעת מראייה לא רחבה מספיק שלהן. לדברי המדענים הנ"ל ב-New Scientist, ניסויים משמעותיים ומדידים במכניקת הקוונטים חייבים לעמוד בכמה תנאים. זה:

• סיבתיות - אירועים עתידיים אינם יכולים להשפיע על אירועי העבר;
• יכולת הבחנה - מצבים שעלינו להיות מסוגלים להפריד זה מזה כנפרדים;
• הרכב - אם אנחנו יודעים את כל שלבי התהליך, אנחנו יודעים את כל התהליך;
• דחיסה – ישנן דרכים להעביר מידע חשוב על השבב ללא צורך בהעברת השבב כולו;
• טומוגרפיה – אם יש לנו מערכת המורכבת מחלקים רבים, הסטטיסטיקה של מדידות לפי חלקים מספיקה כדי לחשוף את מצב המערכת כולה.

האיטלקים רוצים להרחיב את עקרונות הטיהור שלהם, פרספקטיבה רחבה יותר וביצוע ניסויים משמעותיים כדי לכלול גם את הבלתי הפיך של תופעות תרמודינמיות ואת עקרון צמיחת האנטרופיה, שאינם מרשימים את הפיזיקאים. אולי גם כאן, תצפיות ומדידות מושפעות מחפצים של פרספקטיבה צרה מכדי להבין את המערכת כולה. "האמת הבסיסית של תורת הקוונטים היא שניתן להפוך שינויים רועשים ובלתי הפיכים על ידי הוספת פריסה חדשה לתיאור", אומר המדען האיטלקי ג'וליו סירבלה בראיון ל-New Scientist.

לרוע המזל, אומרים הספקנים, ה"ניקוי" של ניסויים ופרספקטיבה רחבה יותר של מדידה עלולים להוביל להשערת עולמות רבים שבה כל תוצאה אפשרית ושבה מדענים, שחושבים שהם מודדים את מהלך האירועים הנכון, פשוט "בוחרים" רצף מסוים על ידי מדידתם.

5. מחוגי זמן בצורת מחוגי שעון

אין זמן?

המושג של מה שנקרא חיצי הזמן (5) הוצג בשנת 1927 על ידי האסטרופיזיקאי הבריטי ארתור אדינגטון. חץ זה מציין את הזמן, שזורם תמיד בכיוון אחד, כלומר מהעבר לעתיד, ולא ניתן להפוך את התהליך הזה. סטיבן הוקינג, בספרו A Brief History of Time, כתב שהפרעה גוברת עם הזמן מכיוון שאנו מודדים זמן בכיוון שבו ההפרעה גוברת. זה אומר שיש לנו אפשרות בחירה - נוכל, למשל, לראות תחילה חתיכות של זכוכית שבורה מפוזרות על הרצפה, אחר כך ברגע שבו הזכוכית נופלת לרצפה, אחר כך הזכוכית באוויר, ולבסוף ביד של האדם המחזיק בו. אין כלל מדעי ש"חץ הזמן הפסיכולוגי" חייב ללכת לאותו כיוון של החץ התרמודינמי, והאנטרופיה של המערכת גדלה. עם זאת, מדענים רבים מאמינים שזה כך משום ששינויים אנרגטיים מתרחשים במוח האנושי, בדומה לאלו שאנו רואים בטבע. למוח יש אנרגיה לפעול, להתבונן ולהגיב, מכיוון שה"מנוע" האנושי שורף דלק-מזון, וכמו במנוע בעירה פנימית, תהליך זה הוא בלתי הפיך.

עם זאת, ישנם מקרים שבהם, תוך שמירה על אותו כיוון של חץ הזמן הפסיכולוגי, האנטרופיה גם עולה וגם יורדת במערכות שונות. לדוגמה, בעת שמירת נתונים בזיכרון המחשב. מודולי הזיכרון במכונה עוברים ממצב לא מסודר לסדר כתיבה בדיסק. כך, האנטרופיה במחשב מצטמצמת. עם זאת, כל פיזיקאי יגיד שמנקודת מבטו של היקום בכללותו - הוא גדל, כי צריך אנרגיה כדי לכתוב לדיסק, ואנרגיה זו מתפזרת בצורת חום שנוצר על ידי מכונה. אז יש התנגדות "פסיכולוגית" קטנה לחוקי הפיזיקה שנקבעו. קשה לנו לשקול שמה שיוצא עם הרעש מהמאוורר חשוב יותר מהקלטת יצירה או ערך אחר בזיכרון. מה אם מישהו כותב במחשב האישי שלו טיעון שיבטל את הפיזיקה המודרנית, את תיאוריית הכוח המאוחד או את התיאוריה של הכל? יהיה לנו קשה לקבל את הרעיון שלמרות זאת, האי-סדר הכללי ביקום גדל.

עוד ב-1967, הופיעה משוואת וילר-דה-וויט, שממנה היא עקבה שהזמן ככזה אינו קיים. זה היה ניסיון לשלב מתמטית את הרעיונות של מכניקת הקוונטים ותורת היחסות הכללית, צעד לקראת תורת הכבידה הקוונטית, כלומר. התיאוריה של הכל הרצויה על ידי כל המדענים. רק בשנת 1983 הציעו הפיזיקאים דון פייג' וויליאם ווטרס הסבר שניתן לעקוף את בעיית הזמן באמצעות המושג של הסתבכות קוונטית. לפי התפיסה שלהם, ניתן למדוד רק את המאפיינים של מערכת מוגדרת כבר. מנקודת מבט מתמטית, הצעה זו הביאה לכך שהשעון אינו פועל במנותק מהמערכת ומתחיל רק כאשר הוא מסתבך עם יקום מסוים. עם זאת, אם מישהו היה מסתכל עלינו מיקום אחר, הוא היה רואה בנו אובייקטים סטטיים, ורק הגעתם אלינו תגרום להסתבכות קוונטית וממש תגרום לנו להרגיש את חלוף הזמן.

השערה זו היוותה את הבסיס לעבודתם של מדענים ממכון מחקר בטורינו, איטליה. הפיזיקאי מרקו ג'נובזה החליט לבנות מודל שלוקח בחשבון את הפרטים של הסתבכות קוונטית. ניתן היה לשחזר אפקט פיזי המעיד על נכונות ההיגיון הזה. נוצר דגם של היקום, המורכב משני פוטונים.

זוג אחד היה מכוון - מקוטב אנכית, והשני אופקית. המצב הקוונטי שלהם, ולכן הקיטוב שלהם, מזוהה אז על ידי סדרה של גלאים. מסתבר שעד שמגיעים לתצפית שקובעת בסופו של דבר את מסגרת ההתייחסות, הפוטונים נמצאים בסופרפוזיציה קוונטית קלאסית, כלומר. הם היו מכוונים הן אנכית והן אופקית. המשמעות היא שהצופה הקורא את השעון קובע את ההסתבכות הקוונטית שמשפיעה על היקום שהוא הופך לחלק ממנו. צופה כזה מסוגל אז לתפוס את הקיטוב של פוטונים עוקבים בהתבסס על הסתברות קוונטית.

המושג הזה מפתה מאוד כי הוא מסביר בעיות רבות, אבל הוא מוביל באופן טבעי לצורך ב"צופה-על" שיהיה מעל כל הדטרמיניזם וישלוט בכל דבר בכללותו.

6. Multiverse - ויזואליזציה

מה שאנו צופים ומה שאנו תופסים באופן סובייקטיבי כ"זמן" הוא למעשה תוצר של שינויים גלובליים מדידים בעולם הסובב אותנו. ככל שאנו מעמיקים יותר בעולם האטומים, הפרוטונים והפוטונים, אנו מבינים שמושג הזמן הופך פחות ופחות חשוב. לטענת מדענים, השעון שמלווה אותנו בכל יום, מנקודת מבט פיזית, אינו מודד את מעברו, אלא עוזר לנו לארגן את חיינו. למי שרגיל למושגים הניוטוניים של זמן אוניברסלי ומקיף, מושגים אלו מזעזעים. אבל לא רק המסורתיים המדעיים אינם מקבלים אותם. הפיזיקאי התיאורטי הבולט לי סמולין, שהוזכר על ידינו בעבר כאחד הזוכים האפשריים בפרס נובל השנה, מאמין שהזמן קיים והוא די אמיתי. פעם - כמו פיזיקאים רבים - הוא טען שזמן הוא אשליה סובייקטיבית.

כעת, בספרו Reborn Time, הוא נוקט מבט שונה לחלוטין על הפיזיקה ומבקר את תורת המיתרים הפופולרית בקהילה המדעית. לדבריו, הרב-יקום אינו קיים (6) מכיוון שאנו חיים באותו יקום ובאותו זמן. הוא מאמין שלזמן יש חשיבות עליונה ושהחוויה שלנו במציאות של הרגע הנוכחי אינה אשליה, אלא המפתח להבנת הטבע היסודי של המציאות.

אנטרופיה אפס

סנדו פופסקו, טוני שורט, נואה לינדן (7) ואנדראס ווינטר תיארו את ממצאיהם ב-2009 בכתב העת Physical Review E, שהראה שאובייקטים משיגים שיווי משקל, כלומר מצב של חלוקה אחידה של אנרגיה, על ידי כניסה למצבים של הסתבכות קוונטית עם שלהם. הסביבה. ב-2012, טוני שורט הוכיח שהסתבכות גורמת לשיוויון זמן סופי. כאשר חפץ מקיים אינטראקציה עם הסביבה, כמו למשל כאשר חלקיקים בכוס קפה מתנגשים באוויר, מידע על תכונותיהם "דולף" החוצה והופך "מטושטש" ברחבי הסביבה. אובדן המידע גורם לסטגנציה של מצב הקפה, גם כשמצב הניקיון של החדר כולו ממשיך להשתנות. לדברי פופסקו, מצבה מפסיק להשתנות עם הזמן.

7. נוח לינדן, סנדו פופסקו וטוני שורט

ככל שמצב הניקיון של החדר משתנה, הקפה עלול להפסיק פתאום להתערבב עם האוויר ולהיכנס למצב טהור משלו. עם זאת, ישנם הרבה יותר מצבים מעורבים בסביבה מאשר מצבים טהורים זמינים לקפה, ולכן כמעט אף פעם לא מתרחשים. חוסר הסבירות הסטטיסטית הזו עושה רושם שחץ הזמן הוא בלתי הפיך. בעיית חץ הזמן מטושטשת על ידי מכניקת הקוונטים, מה שמקשה על קביעת הטבע.

לחלקיק אלמנטרי אין תכונות פיזיקליות מדויקות והוא נקבע רק על פי ההסתברות להיות במצבים שונים. לדוגמה, בכל זמן נתון, ייתכן שלחלקיק יש סיכוי של 50 אחוז להסתובב בכיוון השעון וסיכוי של 50 אחוז להסתובב בכיוון ההפוך. המשפט, שמחוזק על ידי ניסיונו של הפיזיקאי ג'ון בל, קובע שהמצב האמיתי של החלקיק אינו קיים ושהם נותרים להנחות על ידי הסתברות.

ואז אי ודאות קוונטית מובילה לבלבול. כאשר שני חלקיקים מקיימים אינטראקציה, לא ניתן אפילו להגדיר אותם בעצמם, המפתחים הסתברויות באופן עצמאי המכונה מצב טהור. במקום זאת, הם הופכים למרכיבים סבוכים של התפלגות הסתברות מורכבת יותר ששני החלקיקים מתארים יחד. התפלגות זו יכולה להחליט, למשל, האם החלקיקים יסתובבו בכיוון ההפוך. המערכת בכללותה נמצאת במצב טהור, אך מצבם של חלקיקים בודדים קשור לחלקיק אחר.

לפיכך, שניהם יכולים לעבור שנות אור רבות זה מזה, והסיבוב של כל אחד מהם יישאר בקורלציה עם השני.

התיאוריה החדשה של חץ הזמן מתארת ​​זאת כאובדן מידע עקב הסתבכות קוונטית, ששולחת כוס קפה לאיזון עם החדר שמסביב. בסופו של דבר, החדר מגיע לשיווי משקל עם סביבתו, והוא, בתורו, מתקרב לאט לאט לשיווי משקל עם שאר היקום. המדענים הוותיקים שחקרו תרמודינמיקה ראו בתהליך זה פיזור הדרגתי של אנרגיה, הגדלת האנטרופיה של היקום.

כיום, פיזיקאים מאמינים שהמידע הופך יותר ויותר מפוזר, אך לעולם לא נעלם לחלוטין. למרות שהאנטרופיה גדלה באופן מקומי, הם מאמינים שהאנטרופיה הכוללת של היקום נשארת קבועה באפס. עם זאת, היבט אחד של חץ הזמן נותר בלתי פתור. מדענים טוענים שניתן להבין את היכולת של אדם לזכור את העבר, אך לא את העתיד, גם כיצירת קשרים בין חלקיקים המקיימים אינטראקציה. כאשר אנו קוראים הודעה על פיסת נייר, המוח מתקשר איתה באמצעות פוטונים המגיעים לעיניים.

רק מעתה והלאה נוכל לזכור מה המסר הזה אומר לנו. פופסקו מאמין שהתיאוריה החדשה אינה מסבירה מדוע המצב ההתחלתי של היקום היה רחוק משיווי משקל, ומוסיף כי יש להסביר את טבעו של המפץ הגדול. כמה חוקרים הביעו ספקות לגבי גישה חדשה זו, אך פיתוח מושג זה ופורמליזם מתמטי חדש עוזרים כעת לפתור את הבעיות התיאורטיות של התרמודינמיקה.

הושיטו יד אל גרגירי המרחב-זמן

נראה שפיזיקת החורים השחורים מעידה, כפי שמציעים כמה מודלים מתמטיים, שהיקום שלנו אינו תלת מימדי כלל. למרות מה שהחושים שלנו אומרים לנו, המציאות סביבנו עשויה להיות הולוגרמה - השלכה של מישור מרוחק שהוא למעשה דו מימדי. אם תמונת היקום הזו נכונה, ניתן להפריך את האשליה של הטבע התלת מימדי של המרחב-זמן ברגע שכלי המחקר העומדים לרשותנו הופכים לרגישים במידה מספקת. קרייג הוגאן, פרופסור לפיזיקה ב-Fermilab שבילה שנים בחקר המבנה הבסיסי של היקום, טוען שהרמה הזו הגיעה זה עתה.

8. גלאי גלי כבידה GEO600

אם היקום הוא הולוגרמה, אז אולי הגענו זה עתה לגבולות פתרון המציאות. יש פיזיקאים שמקדמים את ההשערה המסקרנת לפיה המרחב-זמן בו אנו חיים אינו רציף בסופו של דבר, אלא, כמו צילום דיגיטלי, מורכב ברמה הבסיסית ביותר שלו מ"גרגרים" או "פיקסלים" מסוימים. אם כך, למציאות שלנו חייבת להיות איזושהי "החלטה" סופית. כך פירשו כמה חוקרים את ה"רעש" שהופיע בתוצאות של גלאי גלי הכבידה GEO600 (8).

כדי לבחון את ההשערה יוצאת הדופן הזו, קרייג הוגאן, פיזיקאי גלי כבידה, הוא וצוותו פיתחו את האינטרפרומטר המדויק ביותר בעולם, הנקרא הולמטר הוגאן, שנועד למדוד את המהות הבסיסית ביותר של מרחב-זמן בצורה המדויקת ביותר. הניסוי, שזכה לשם הקוד Fermilab E-990, אינו אחד מני רבים אחרים. זה נועד להדגים את הטבע הקוונטי של החלל עצמו ואת הנוכחות של מה שמדענים מכנים "רעש הולוגרפי".

ההולומטר מורכב משני אינטרפרומטרים המוצבים זה לצד זה. הם מכוונים את קרני הלייזר של קילוואט אחד לעבר מכשיר שמפצל אותן לשתי אלומות מאונכות באורך 40 מטר, המוחזרות ומוחזרות לנקודת הפיצול, ויוצרות תנודות בבהירות קרני האור (9). אם הם גורמים לתנועה מסוימת במכשיר החלוקה, אז זה יהיה עדות לרטט של החלל עצמו.

9. ייצוג גרפי של הניסוי ההולוגרפי

האתגר הגדול ביותר של הצוות של הוגאן הוא להוכיח שההשפעות שהם גילו אינן רק הפרעות שנגרמו על ידי גורמים מחוץ למערך הניסוי, אלא תוצאה של רעידות מרחב-זמן. לכן, המראות המשמשות באינטרפרומטר יסונכרנו עם התדרים של כל הרעשים הקטנים ביותר המגיעים מחוץ למכשיר ויקלטו על ידי חיישנים מיוחדים.

יקום אנתרופי

כדי שהעולם והאדם יתקיימו בו, לחוקי הפיזיקה חייבים להיות צורה מאוד ספציפית, וקבועים פיזיקליים חייבים להיות בעלי ערכים נבחרים במדויק... והם כן! למה?

נתחיל עם העובדה שיש ארבעה סוגים של אינטראקציות ביקום: כבידה (נפילה, כוכבי לכת, גלקסיות), אלקטרומגנטית (אטומים, חלקיקים, חיכוך, גמישות, אור), גרעיני חלש (מקור לאנרגיה כוכבית) וגרעיני חזק ( קושר פרוטונים וניוטרונים לגרעיני אטום). כוח הכבידה חלש פי 1039 מאלקטרומגנטיות. אם הוא היה קצת יותר חלש, הכוכבים היו קלים יותר מהשמש, סופרנובות לא היו מתפוצצות, יסודות כבדים לא היו נוצרים. אם זה היה אפילו קצת יותר חזק, יצורים גדולים יותר מחיידקים היו נמחצים, וכוכבים היו מתנגשים לעתים קרובות, משמידים כוכבי לכת ושורפים את עצמם מהר מדי.

צפיפות היקום קרובה לצפיפות הקריטית, כלומר מתחתיה החומר יתפוגג במהירות ללא היווצרות של גלקסיות או כוכבים, ומעליה היקום היה חי יותר מדי זמן. לצורך התרחשותם של תנאים כאלה, דיוק התאמת הפרמטרים של המפץ הגדול היה צריך להיות בטווח של ±10-60. האי-הומוגניות הראשונית של היקום הצעיר היו בסולם של 10-5. אם הם היו קטנים יותר, גלקסיות לא היו נוצרות. אם הם היו גדולים יותר, היו נוצרים חורים שחורים ענקיים במקום גלקסיות.

הסימטריה של חלקיקים ואנטי-חלקיקים ביקום נשברת. ולכל בריון (פרוטון, נויטרון) יש 109 פוטונים. אם היו יותר, גלקסיות לא היו יכולות להיווצר. אם היו פחות מהם, לא היו כוכבים. כמו כן, נראה שמספר הממדים שבהם אנו חיים "נכון". מבנים מורכבים אינם יכולים להיווצר בשני מימדים. עם יותר מארבעה (שלושה ממדים פלוס זמן), קיומם של מסלולים פלנטריים יציבים ורמות אנרגיה של אלקטרונים באטומים הופך לבעייתי.

10. האדם כמרכז היקום

מושג העיקרון האנתרופי הוצג על ידי ברנדון קרטר ב-1973 בכנס בקרקוב שהוקדש למלאת 500 שנה להולדתו של קופרניקוס. במונחים כלליים, ניתן לנסח אותו כך שהיקום הנצפה חייב לעמוד בתנאים שהוא עומד בהם כדי להיות נצפה על ידינו. עד עכשיו, יש לו גרסאות שונות. העיקרון האנתרופי החלש קובע שאנחנו יכולים להתקיים רק ביקום שמאפשר את קיומנו. אם ערכי הקבועים היו שונים, לעולם לא היינו רואים זאת, כי לא היינו שם. העיקרון האנתרופי החזק (הסבר מכוון) אומר שהיקום הוא כזה שאנחנו יכולים להתקיים (10).

מנקודת המבט של הפיזיקה הקוונטית, כל מספר של יקומים יכול היה להתעורר ללא סיבה. הגענו ליקום מסוים, שהיה צריך למלא מספר תנאים עדינים כדי שאדם יחיה בו. אז אנחנו מדברים על העולם האנתרופי. למאמין, למשל, מספיק יקום אנתרופי אחד שנוצר על ידי אלוהים. תפיסת העולם החומרנית אינה מקבלת זאת ומניחה שישנם יקומים רבים או שהיקום הנוכחי הוא רק שלב בהתפתחות האינסופית של הרב-יקום.

מחבר הגרסה המודרנית של השערת היקום כהדמיה הוא התיאורטיקן ניקלאס בוסטרום. לדבריו, המציאות שאנו תופסים היא רק סימולציה שאיננו מודעים לה. המדען הציע שאם אפשר ליצור הדמיה אמינה של ציוויליזציה שלמה או אפילו של היקום כולו באמצעות מחשב חזק מספיק, והאנשים המדומים יכולים לחוות תודעה, אז סביר מאוד להניח שתרבויות מתקדמות יצרו רק מספר גדול של סימולציות כאלה, ואנחנו חיים באחת מהן במשהו הדומה למטריקס (11).

כאן נאמרו המילים "אלוהים" ו"מטריקס". כאן אנו מגיעים לגבול הדיבור על מדע. רבים, כולל מדענים, מאמינים שדווקא בגלל חוסר האונים של הפיזיקה הניסויית מתחיל המדע להיכנס לתחומים מנוגדים לריאליזם, עם ריח של מטפיזיקה ומדע בדיוני. נותר לקוות שהפיזיקה תתגבר על המשבר האמפירי שלה ושוב תמצא דרך לשמוח כמדע הניתן לאימות ניסיוני.