голографическая реальность

[эМэРТэ]

В воскресенье, 12.02.2012 (занятное сочетание цифр), на сайте научных препринтов arXiv.org опубликованы две новые, дополняющие друг друга статьи Фрэнка Вилчека:

 

”Кристаллы в классическом времени” – в соавторстве с А.Шапере (A. Shapere and F. Wilczek. Classical time crystals. arXiv:1202.2537)

 

”Кристаллы в (мнимом) квантовом времени” (F. Wilczek. Quantum time crystals. arXiv:1202.2539)

 

Вот что рассказывают об этой работе – в скомпилированном виде – научно-популярные издания.

 

Если кристаллы существуют в пространственных измерениях, то тогда они должны существовать и во времени тоже, говорит лауреат Нобелевской премии по физике Фрэнк Вилчек.

 

Одна из наиболее мощных идей современной физики заключается в том, что во вселенной правит симметрия. То есть определенные свойства системы не изменяются, когда она испытывает определенного рода преобразования. В физической реальности математическая идея симметрии проявляется как законы сохранения.

 

Например, если система ведет себя одинаково в независимости от ориентации или перемещений в пространстве, то она должна подчиняться закону сохранения импульса. Если же система порождает один и тот же результат независимо от того, когда именно это происходит, то она должна подчиняться закону сохранения энергии. Такой подход к анализу природы принято связывать с германской женщиной-математиком Эмми Нетер. Согласно ее знаменитой теореме, всякая симметрия эквивалентна закону сохранения, а законы физики, по сути своей, это результат симметрий в природе.

 

Равно мощной является идея нарушения симметрии. Когда вселенная демонстрирует меньше симметрии, нежели уравнения, ее описывающие, то физики говорят, что симметрия нарушена.

 

Хорошо известным примером такого рода является низкоэнергетическое решение, связанное с формированием твердого тела в виде кристалла, то есть тела, имеющего пространственную периодичность в своей структуре. В этом случае пространственная симметрия системы нарушается.

 

Пространственные кристаллы принято считать хорошо изученными и хорошо понятыми объектами. Однако они поднимают интересный вопрос: а допускает ли природа формирование аналогичный периодических структур не только в пространстве, но и в измерении времени?

 

Ныне Фрэнк Вилчек из Массачусетского технологического института и Альфред Шапере из Университета Кентукки (Frank Wilczek, Al Shapere) провели исследование этого вопроса и пришли к заключению, что при низких энергиях симметрия во времени, похоже, нарушается точно так же, как и симметрия пространственная.

 

Согласно их расчетам, данный процесс должен приводить к периодичностям, которые они называют «временнЫе кристаллы» (time crystals). Причем более того, временные кристаллы должны существовать, судя по всему, непосредственно у нас под носом.

 

Давайте разберем эту идею чуть более подробно. Во-первых, что это означает для системы – нарушить симметрию во времени? Вилчек и Шапере рассуждают на данный счет примерно так. Они представляют себе систему в ее самом низшем энергетическом состоянии, которое полностью описывается в независимости от времени.

 

Поскольку это самое низшее ее энергетическое состояние, данная система должна быть заморожена в пространстве. Следовательно, если эта система движется, то она должна нарушать симметрию во времени. Это соображение эквивалентно идее о том, что самое нижнее состояние энергии имеет минимальное значение на кривой в пространстве, а не в отдельной изолированной точке.

 

Такая ситуация вовсе не является чем-то экстраординарным. Вилчек указывает, что сверхпроводники могут иметь в себе ток – то есть массовое перемещение электронов – хотя система находится в своем самом нижнем энергетическом состоянии.

 

Все остальное в этой работе – математическое доказательство идеи. Таким же образом, как уравнения физики допускают спонтанное образование пространственных кристаллов, то есть периодичностей в пространстве, они так же должны позволять и формирование периодичностей во времени или временных кристаллов.

 

В частности, в еще одной отдельной статье, дополняющей их совместную работу с Шапере, Фрэнк Вилчек рассматривает спонтанное нарушение симметрии в замкнутой квантово-механической системе. В этой ситуации математика становится особо занятной и странной. Квантовая механика заставляет ученых мыслить в таких категориях, как мнимые значения времени – или «iTime», как называет это Вилчек.

 

В своей статье он показывает, что те же самые периодичности должны возникать в мнимом времени iTime, и то, что этот процесс должен проявлять себя как разного рода периодическое поведение термодинамических свойств системы.

 

Этот результат имеет целый ряд важных следствий. Прежде всего, это означает возможность того, что данный процесс обеспечивает механизм для измерения времени – поскольку периодическое поведение по своей физической сути подобно маятнику. “Это спонтанное формирование временного кристалла представляет собой спонтанное появление тактов часов“, – говорит Вилчек.

 

Другая интересная особенность конструкции – это то, что может оказаться возможным использование временных кристаллов для выполнения вычислений с нулевыми затратами энергии. Как указывает Вилчек, “интересно пофантазировать, что … квантово-механическая система, состояния которой можно интерпретировать как скопление кубитов, могла бы быть разработана таким образом, чтобы с течением времени перемещаться в запрограммированном ландшафте из структурированных состояний в гильбертовом пространстве”.

 

Конечно же, далее последуют споры относительно некоторых проблем, которые поднимает данное исследование. Одна из них, в частности, будет о том, что движение, нарушающее симметрию во времени, выглядит несколько озадачивающе. Вилчек и Шапере с готовностью это признают: “Рассуждая широко, то, что мы здесь ищем, выглядит подозрительно похожим на вечное движение”…

 

Однако, попутно замечает Вилчек, на самом деле физикам давно и хорошо известны такого рода системы. То же самое сверхпроводящее кольцо, к примеру, находящееся в состоянии минимума энергии и при этом имеющее внутри себя непрекращающееся движение электронов. По аналогичной схеме, собственно, Вилчеком сконструирована и гипотетическая модель временного кристалла – на основе “частиц-колец” (ring particles).

 

Комментируя данную работу, один из коллег, физик-теоретик Маулик Парих (Maulik Parikh) из Аризонского университета в Темпе, говорит следующее: “Мы еще не знаем, существуют ли такие вещи в природе, однако большой сюрприз уже в том, что они могут существовать”…

 

Пока что вряд ли кто из ученых знает или понимает, насколько важными могут оказаться временные кристаллы в дальнейшем. Или даже вообще, будет ли от них хоть какой-то прок в практических приложениях. Однако сам Вилчек рассказывает, что на эмоциональном уровне восприятия эта концепция сильно напомнила ему то возбуждение, которое он почувствовал, когда в начале 1980-х годов помогал описывать новый класс фундаментальных частиц, получивших название энионы. Ныне, говорит он, “у меня было очень похожее чувство: словно и здесь я отыскал новую логическую возможность для того, каким образом может вести себя материя – что и это приоткрывает нам целый новый мир со множеством возможных направлений”.

 

скорее всего наши внуки будут смеяться над нашими 3D телефонами, как мы сейчас недоумеваем глядя на катушечные монстры Днипро... а ведь прошло всего то лет сорок

[artem-k]

три дэ телефоны ? мне уже смешно

[эМэРТэ]

artёm-kа лы жи оптимус три дэ, деревня))) в москоу от 12 тыр у нас от 22 (( и то такие продавцы делают удивлённые глаза, а такое бывает??? а в корее уже есть оптимус 3D 2

 

продолжим...

 

В силу каких-то важных, но пока неясных для человека причин, вселенная живет и функционирует по очень четким математическим правилам. В большинстве своем ученые давно уже с этим свыклись, однако некоторые все еще продолжают поражаться удивительному факту. Чем больше теоретикам удается проникать в глубины абстрактных, казалось бы, математических теорий, тем больше наука узнает о закономерностях, управляющих процессами и явлениями в природе. А нередко бывает и наоборот – обнаруживаемые в теоретической физике результаты дают энергичный толчок к развитию очень мощного и красивого математического аппарата, уже абсолютно никак, казалось бы, не связанного с физической наукой и наблюдаемыми в природе явлениями.

 

В рамках представленной здесь модели все подобные странности объясняются довольно просто – как естественные следствия для вселенной типа «голографическая виртуальная реальность», порождаемая на основе согласованных и выверенных практикой математических программ. Иначе говоря, тут изначально подразумевается существование еще одной – идеальной – реальности из математических форм и структур, выступающих в роли шаблонов для всех объектов окружающего мира и для всевозможных взаимодействий между ними. Идея эта, как известно, далеко не нова, и философской традицией обычно связывается с именем Платона.

 

В частности, именно у Платона, можно напомнить, пятиугольная структура правильного многогранника-додекаэдра виделась в качестве изначального шаблона, по которому построено мироздание. Примечательно, что подобные идеи имели хождение в просвещенной части Древней Греции и до появления платоновских трудов. Известно, к примеру, что среди пифагорейцев существовал особый способ распознать в незнакомце «своего» – протянуть ему в знак приветствия яблоко. И если человек разрезал плод не вдоль черенка, как все, а поперек, чтобы на срезе обозначилась пятиконечная звезда семян, то этим он демонстрировал и свою принадлежность к пифагорейской школе, и приобщенность к ее знаниям о скрытых тайнах природы.

 

Пример этот хорош тем, что иллюстрирует сразу два важных факта. Во-первых, показывая мощь человеческой интуиции, способной постигать весьма нетривиальные вещи при минимальном уровне научных познаний. А во-вторых, демонстрируя потрясающую ограниченность формальной науки – коль скоро геометрия додекаэдра (в его более актуальной 4-мерной форме додекаэдрического пространства Пуанкаре) по сию пору так и продолжает оставаться как бы непостигнутой тайной мироздания. Точнее, тайной, почему-то предназначенной лишь для крайне узкого круга посвященных.

 

*

 

К счастью, многие другие открытия и достижения древнегреческих мыслителей получили куда большую известность и в сегодняшней науке развиты до грандиозных масштабов. Здесь особый интерес представляет одно из таких открытий, на современном языке именуемое «эквивалентность описаний». То, что два существенно разных, казалось бы подхода – исследование свойств фигур и чисел (иными словами, геометрия и алгебра) – позволяют с разных сторон изучать одни и те же объекты, эллинские мудрецы не только прекрасно знали, но и эффективно использовали. Алгебраические уравнения, к примеру, решая с помощью фигур-чертежей, а особые свойства чисел фиксируя в их геометрических названиях: треугольное число, квадратное число и тому подобное.

 

Идея эквивалентных описаний на сегодняшний день чрезвычайно популярна в физике. С помощью существенно иных, но доказуемо эквивалентных математических аппаратов этот метод позволяет отыскивать удивительно простые и элегантные решения для задач, которые при прочих подходах представляются чрезвычайно сложными или вообще неразрешимыми. Одним из самых впечатляющих, пожалуй, тому примеров во второй половине XX века стало открытие уравнений нелинейной динамики или детерминированного хаоса, указавших на очень красивое объяснение непостижимому прежде противоречию между вторым законом термодинамики и очевидными процессами усложняющейся эволюции во вселенной.

 

Второй закон, как все знают, неумолимо диктует, что всякая сложная структура в замкнутой системе с течением времени неизбежно должна распадаться до наиболее вероятного хаотического состояния, лишенного какой-либо упорядоченности. Однако за миллиарды лет своей эволюции вселенная превратилась отнюдь не в хаос. Даже не принимая во внимание такую в высочайшей степени сложную конструкцию, как человек (тоже немаловажная часть вселенной), достаточно легко заметить общие процессы постоянного усложнения структур в окружающем мире.

 

Элементарными примерами такого рода могут служить повсюду наблюдаемые в природе процессы образования замысловатых, самоподобных и бесконечно повторяющихся структур фрактальной геометрии: в форме облаков и в изломах береговых линий, в причудливых морозных узорах на стекле, в характерном рисунке веток деревьев и так далее. Как установили математики, по сути дела одни и те же нелинейные дифференциальные уравнения детерминированного хаоса описывают механизмы самоорганизации в метеорологии и лазерной физике, в гидродинамике и кинетике химических реакций, в биологических и даже рыночных, наконец, процессах. Важнейшим условием, необходимым для поддержания процессов самоорганизации, является требование незамкнутой диссипативной системы – чтобы она получала энергию извне и рассеивала ее в окружающее пространство.

 

**

 

Понятно, какой вывод наиболее естественно следует из этого для наблюдаемой человеком вселенной – что и она в целом не может быть замкнутой системой, получая энергию откуда-то еще… Однако столь простая и очевидная идея большинству ученых почему-то очень не нравится и озвучивается довольно редко.

 

Вместо этого то и дело предпринимаются попытки объяснения мироздания на основе замкнутой модели. Мощный аппарат современной математики развит уже до такой степени, что с помощью специально подобранных формул и подгонки свободных параметров в уравнениях стало возможным обосновать практически любую теорию, придумываемую человеком. Беда в том, что в результате даже общепринятые в науке теоретические модели нередко противоречат друг другу.

 

Физика на сегодняшний день представляет собой объединение областей, которые в одних местах стыкуются довольно хорошо, в других более или менее удовлетворительно, но в некоторых местах – просто никак. Ярчайшим тому примером является полная пока что несовместимость двух главных физических теорий – квантовой физики и общей теории относительности.

 

Для разрешения фундаментальной проблемы с объединением квантовой теории и гравитационного взаимодействия, получившей общее название «квантовая гравитация», учеными ведутся исследования на самых разных направлениях. Одни продолжают искать решение в традиционном русле, все еще надеясь на непротиворечивое «слияние двух фундаментов» – Стандартной Модели и эйнштейновской ОТО. Другие же, причем в явном большинстве, разрабатывают существенно иные подходы, вроде теории струн, петлевой квантовой гравитации, теории твисторов и так далее.

[эМэРТэ]

Случилось так, что целый ряд наиболее интересных идей в этой области за последние годы выдвинули теоретики-женщины. Имеет смысл подчеркнуть данный факт, коль скоро известно, что относительная доля ученых женского пола в точных науках, и особенно в физике-математике, пока еще сильно уступает доле мужчин. Хотя именно женщинам – в силу присущей им более чувствительной интуиции, быть может – нередко удается выдвигать особо замечательные идеи.

 

О нескольких таких открытиях следует рассказать подробнее. Потому что они не только значительно продвигают соответствующие направления исследований в квантовой гравитации, но и с математической строгостью подкрепляют сконструированную здесь модель вселенной как квантового компьютера на основе жидкокристаллической голографии. Строго говоря, ни одна из теоретических работ женщин-физиков – Ренаты Лолл, Лизы Рэндалл, Евы Силверстейн и Фотини Маркопулу – абсолютно не подразумевала подобную интерпретацию их результатов. Просто так уж, видимо, устроена общая реальность мира математики и мира снов.

 

Если формулировать предельно кратко, то суть примечательных открытий этих исследовательниц – глядя через призму вселенной-компьютера – можно изложить так. Лиза Рэндалл и ее коллега-теоретик Раман Сундрум, развивая квантовую физику в пограничной области между Стандартной Моделью и теорией струн, открыли неожиданные свойства мира как дисплея-мембраны. Оказалось, что если мембрана сдвоенная, то появляются возможности (а) для существования не микроскопических, а сколь угодно больших скрытых измерений и (б) для естественного объяснения гигантских различий между силами гравитации и электромагнитных взаимодействий. С другой стороны, Ева Силверстейн, имеющая репутацию одного из ведущих струнных теоретиков, среди прочего сумела в подробностях показать процессы отслаивания тахионов от мембраны с их последующей конденсацией – то есть формирование квантовой голографической памяти.

 

Если работы упомянутых исследовательниц рассматривают мир-брану как уже имеющуюся данность, то изыскания Фотини Маркопулу и Ренаты Лолл посвящены – каждое сильно по-своему – проблемам возникновения пространства-времени с его причинно-следственными связями и прочими важными свойствами, наблюдаемыми в природе. Так, Ф. Маркопулу, начав с формализма петлевой квантовой гравитации, ныне разрабатывает идею о предгеометрической фазе вселенной – где изначально все атомы материи тесно связаны друг с другом, а затем они расходятся с порождением пространства как регулярной кристаллоподобной структуры

[эМэРТэ]

Интересно, что в контексте петлевой квантовой гравитации гипотеза Крэйна привела к появлению нового подхода к квантовой космологии, в конце 1990-х годов созданного Фотини Маркопулу и ее коллегами. Маркопулу обнаружила, что описание обмена информацией между различными подсистемами можно эквивалентно рассматривать как описание причинно-следственной структуры, которая ограничивает, какие системы могут влиять друг на друга. По сути дела, таким образом ей удалось установить, что вселенная может описываться как квантовый компьютер с динамически генерируемой логикой.

 

Еще десять лет спустя Фотини Маркопулу сумела довести, можно сказать, идею «о вселенной как компьютере» до своего полного логического завершения. В 2009 году она опубликовала эссе под весьма эффектным названием типа «Пространство не существует, так что может быть лишь время». Такой формулировкой своей позиции Маркопулу, можно сказать, вывернула наизнанку достаточно популярную среди теоретиков идею, согласно которой в общей теории относительности, по большому счету, имеется лишь пространство, а времени не существует.

 

Маркопулу же в своем эссе показывает, что проблема кажущегося исчезновения времени в уравнениях ОТО – это парадокс, возникший, как оно обычно бывает с парадоксами, из несформулированной ложной предпосылки. Конкретно в данном случае ложным предположением оказывается то, что пространство реально существует. А Фотини, неявно подразумевая, вероятно, компьютерную идею виртуальной реальности, предлагает считать, что в некоем фундаментальном смысле несуществующим является не время, а именно пространство с его неотъемлемыми атрибутами типа геометрии и гравитации. После этого во вселенной-компьютере остается лишь фундаментальное время – или тактовая частота и память. Причем имеется сильное ощущение, что на этой основе вполне возможно построить новую физику.

[эМэРТэ]

Данная книга — это не научный труд. Скорее, беллетристика в жанре Science fAction, где широко и/или узко известные научные факты собраны и изложены несколько нестандартным образом.

 

Можно даже сказать, в форме интеллектуальной провокации.

 

Например, с целью демонстрации, что уже имеющихся у физики и математики результатов оказывается достаточно для естественного объяснения тех моральных законов, что заложены внутри нас.

 

Или, скажем, дабы показать, каковы топологические и физические причины того, что созерцание звездного неба над нами оказывает столь глубокое и завораживающее воздействие на сознание.

 

Следуя логике этой картины, физическое устройство мира оказывается возможным изобразить в такой форме, что смысл жизни для всякого человека становится по сути дела самоочевидным.

 

Не открывая, по большому счету, (почти) ничего принципиально нового, книга перекладывает известные факты и фрагменты естественно-научных знаний в существенно иную картину мира, который всегда и повсюду оказывается наполнен смыслом и целью.

 

Поскольку книга по необходимости большая (ибо посвящена далеко не только физике и предназначена для широкого круга читателей), весьма значительная доля ее глав — особенно вводных и заключительных — пока пребывает в стадии черновиков и планов.

 

 

Самое занятное, что результаты этих исследований оказываются весьма неожиданными. У другого подхода к проблеме взаимосвязей между материей и сознанием оказывается множество естественных “побочных продуктов”.

 

Вроде механики того, к примеру, как в природе устроены путешествия во времени, не нарушающие причинно-следственные связи между событиями. Или общая схема того, как на самом деле должны быть устроены реальные межзвездные и межгалактические перелеты. Или, наконец, какой должна быть конструкция чистых источников (точнее, преобразователей) неисчерпаемой энергии на основе интерферометра и/или спинтроники.

 

Понятно, что звучит это все, мягко говоря, неправдоподобно. Но, как говорил в свое время один большой ученый и просто умный человек, “я не вижу никакой логики в игнорировании данных лишь на том основании, что они выглядят невероятно”.

 

Иначе говоря, предлагается оперировать достоверными фактами, сколь бы странными они ни казались.

[Sibrand]

поскипано