Prvo što treba primijetiti je da je gotovo sve sat. Smeće najavljuje dane sa sve lošijim mirisom. Bore označavaju godine. “Mogli biste odrediti vrijeme mjerenjem koliko se vaša kava ohladila na vašem stoliću”, rekao je Huber, koji je sada na Tehničkom univerzitetu u Beču i Institutu za kvantnu optiku i kvantne informacije Beč.
Rano u razgovorima u Barceloni Huber, Erker i njihove kolege shvatili su da je sat sve što podliježe nepovratnim promjenama: promjene u kojima se energija širi među više čestica ili u šire područje. Energija teži disipaciji – a entropija, mjera njenog rasipanja, ima tendenciju povećanja – jednostavno zato što postoji daleko, daleko više načina za raspodjelu energije nego za njenu visoku koncentraciju. Ova numerička asimetrija i znatiželjna činjenica da je energija započela ultrakoncentrirano na početku svemira, razlog su zašto se energija sada kreće prema sve raštrkanijim aranžmanima, jednu po jednu šalicu kave koja se hladi.
Čini se da ne samo da snažna tendencija širenja energije i nepovratni porast entropije uzrokuju strelicu vremena, već prema Huberu i kompaniji, također računaju satove. “Ireverzibilnost je zaista fundamentalna”, rekao je Huber. “Ovaj pomak u perspektivi smo htjeli istražiti.”
Kafa ne čini odličan sat. Kao i kod većine nepovratnih procesa, njegove interakcije s okolnim zrakom događaju se stohastički. To znači da morate izračunavati prosjek tokom dugog vremenskog razdoblja, obuhvaćajući mnoge slučajne sudare između molekula kave i zraka, kako biste precizno procijenili vremenski interval. Zato kafu, smeće ili bore ne nazivamo satovima.
To ime zadržavamo, shvatili su termodinamičari satova, za objekte čija je sposobnost mjerenja vremena poboljšana periodičnošću: neki mehanizam koji raspoređuje intervale između trenutaka u kojima se događaju nepovratni procesi. Dobar sat se ne menja samo. Otkucava.
Što su tikovi pravilniji, sat je tačniji. U svom prvom članku, objavljenom u Physical Review X 2017., Erker, Huber i koautori pokazali su da bolje mjerenje vremena ima svoju cijenu: što je veća točnost sata, to se više energije rasipa i više entropije proizvodi tokom otkucavanja.
Sat je mjerač protoka za entropiju ”, rekao je Milburn.
Otkrili su da bi idealan sat – koji otkucava savršenom periodičnošću – sagorio beskonačnu količinu energije i proizveo beskonačnu entropiju, što nije moguće. Stoga je tačnost satova u osnovi ograničena.
Zaista, u svom radu Erker i kompanija proučavali su tačnost najjednostavnijeg sata kojeg su se mogli sjetiti: kvantnog sistema koji se sastoji od tri atoma. “Vrući” atom povezuje se s izvorom topline, “hladan” atom se spaja s okolnom okolinom, a treći atom koji je povezan s oba druga “krpelja” podliježući pobudama i raspadima. Energija ulazi u sistem iz izvora topline, pokrećući krpelje, a entropija nastaje kada se otpadna energija ispušta u okoliš.
Istraživači su izračunali da otkucaji ovog troatomskog sata postaju pravilniji što sat proizvodi više entropije. Ovaj odnos između tačnosti sata i entropije “za nas je intuitivno imao smisla”, rekao je Huber, u svjetlu poznate veze između entropije i informacije.
“Postoji duboka veza između entropije i informacija”, rekao je Huber, pa bi svako ograničenje proizvodnje entropije sata trebalo prirodno odgovarati ograničenju informacija – uključujući, rekao je, “informaciju o vremenu koje je proteklo”.
U drugom radu objavljenom u Physical Review X ranije ove godine, teoretičari su proširili svoj model sata sa tri atoma dodavanjem složenosti-u suštini ekstra topli i hladni atomi povezani sa atomom koji otkucava. Pokazali su da ova dodatna složenost omogućava satu da koncentriše vjerovatnoću da se otkucaj dogodi u sve uže vremenske prozore, čime se povećava pravilnost i tačnost sata.
Ukratko, nepovratan porast entropije omogućuje mjerenje vremena, dok periodičnost i složenost poboljšavaju performanse sata. Ali do 2019. nije bilo jasno kako provjeriti timske jednadžbe ili kakve su veze, ako ništa drugo, jednostavni kvantni satovi s onima na našim zidovima.
Fizičari su se trudili razumjeti kako se vrijeme kvantne mehanike može pomiriti s pojmom vremena kao četvrte dimenzije u Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti, trenutnom opisu gravitacije. Savremeni pokušaji pomirenja kvantne mehanike i opće relativnosti često tretiraju četverodimenzionalno prostor-vremensko tkivo Einsteinove teorije kao pojavljivanje, neku vrstu holograma skuhanog apstraktnijim kvantnim informacijama. Ako je tako, i vrijeme i prostor trebali bi biti približni pojmovi.
U termodinamici, Joule -Thomsonov efekt (poznat i kao Joule -Kelvinov efekt ili Kelvin -Jouleov efekt) opisuje promjenu temperature realnog plina ili tekućine (za razliku od idealnog plina) kada je protisnuta kroz ventil ili držeći ju izoliranom tako da se toplina ne izmjenjuje s okolinom. Ovaj postupak naziva se proces prigušivanja ili Joule -Thomsonov proces. Na sobnoj temperaturi, svi plinovi osim vodika, helija i neona hlade se nakon ekspanzije Joule -Thomsonovim procesom pri gušenju kroz otvor; ova tri plina imaju isti učinak, ali samo na nižim temperaturama. Većina tekućina, poput hidrauličnih ulja, zagrijat će se Joule -Thomsonovim postupkom prigušivanja.
Proces prigušivanja hlađenjem plinom obično se koristi u procesima hlađenja, poput ukapnivača. U hidraulici se učinak zagrijavanja iz Joule-Thomsonovog prigušivanja može koristiti za pronalaženje interno propuštajućih ventila jer će oni proizvesti toplinu koja se može otkriti termoelementom ili termovizijskom kamerom. Prigušivanje je u osnovi nepovratan proces. Prigušivanje uslijed otpora protoka u dovodnim vodovima, izmjenjivačima topline, regeneratorima i drugim komponentama (toplinskih) strojeva izvor je gubitaka koji ograničava performanse.
Schrödingerova mačka je misaoni eksperiment, ponekad opisan kao paradoks, koji je osmislio austrijski fizičar Erwin Schrödinger 1935. godine, iako je ideja potekla od Alberta Einsteina. To ilustrira ono što je vidio kao problem kopenhagenske interpretacije kvantne mehanike primijenjene na svakodnevne predmete. Scenarij predstavlja hipotetičku mačku koja može biti istovremeno i živa i mrtva, stanje poznato kao kvantna superpozicija, kao rezultat povezanosti na slučajni subatomski događaj koji se može dogoditi ili ne dogoditi.
Misaoni eksperiment je često predstavljen u teorijskim raspravama o interpretacijama kvantne mehanike, posebno u situacijama koje uključuju problem sa mjerenjem. Schrödinger je skovao termin Verschränkung (zapletenost) tokom razvijanja misaonog eksperimenta.
Schrödinger je svoj misaoni eksperiment zamislio kao diskusiju o članku EPR-a – nazvanom po svojim autorima Einstein, Podolsky i Rosen – 1935. godine. EPR članak naglasio je kontraintuitivnu prirodu kvantnih superpozicija, u kojima kvantni sistem poput atoma ili fotona može postojati kao kombinacija više stanja koja odgovaraju različitim mogućim ishodima.
Prevladavajuća teorija, nazvana interpretacijom iz Kopenhagena, kaže da kvantni sistem ostaje u superpoziciji sve dok ne djeluje na vanjski svijet ili ga ne promatra vanjski svijet. Kad se to dogodi, superpozicija se urušava u jedno ili drugo od mogućih definitivnih stanja. EPR eksperiment pokazuje da sistem s više čestica odvojenih velikim udaljenostima može biti u takvoj superpoziciji. Schrödinger i Einstein razmijenili su pisma o Einsteinovom članku o EPR-u, tokom kojeg je Einstein istaknuo da će stanje nestabilne bule baruta nakon nekog vremena sadržavati superpoziciju i eksplodiranih i neeksplodiranih stanja.
Da bi dodatno ilustrirao, Schrödinger je opisao kako se, u načelu, može stvoriti superpozicija u sistemu velikih razmjera, čineći ga ovisnim o kvantnoj čestici koja je bila u superpoziciji. Predložio je scenarij s mačkom u zaključanoj čeličnoj komori, pri čemu život ili smrt mačke ovisi o stanju radioaktivnog atoma, bilo da se raspada i emitira zračenje ili ne. Prema Schrödingeru, kopenhagenska interpretacija podrazumijeva da mačka ostaje i živa i mrtva dok ju neko ne promatra. Schrödinger nije želio promovirati ideju mrtvih i živih mačaka kao ozbiljnu mogućnost; naprotiv, namijenio je primjer da ilustrira apsurdnost postojećeg pogleda kvantne mehanike.
Međutim, od Schrödingerovog vremena fizičari su razvili i druge interpretacije matematike kvantne mehanike, od kojih neke smatraju mačkinu superpoziciju “živog i mrtvog stanja” sasvim stvarnom. Bez obzira da li se kutija, uređaj i mačka zapravo smatraju makroskopskim fizičkim objektima, razlikuje se u svrhi u kojoj se mislilo eksperiment koristi. Kada se koristi kao ilustrativni element u drugim misaonim eksperimentima, obično se smatra čisto metaforičnim sistemom da se izbjegne pitanje može li superpozicija trajati značajno u tako velikom obimu bez dekoherencije. Zamišljen kao kritika kopenhagenske interpretacije (prevladavajuća ortodoksija 1935.), Schrödingerov mačji eksperiment i dalje ostaje kamen temeljac za moderne interpretacije kvantne mehanike. Fizičari često koriste način na koji se svako tumačenje odnosi na Schrödingerovu mačku kao način ilustracije i uspoređivanja određenih osobina, snaga i slabosti svakog tumačenja.
Schrödinger je napisao / la:
Čak se mogu postaviti prilično smješni slučajevi. Mačka je stavljena u čeličnu komoru, zajedno sa sljedećim uređajem (koji mora biti zaštićen od direktne smetnje mačke): na Gegerovom brojaču nalazi se sitno malo radioaktivne tvari, tako malo, da je možda u toku sata kada se jedan od atoma raspada, ali isto tako, s jednakom verovatnoćom, možda i nijedan; ako se dogodi, brojač cijevi isprazni i putem releja pusti čekić koji razbija malu tikvicu cijanovodične kiseline. Ako je jedan cijeli sistem ostavio sebi sat vremena, rekli bi da mačka još živi ako se u međuvremenu ni nijedan atom ne raspadne. Prvo atomsko raspadanje otrovalo bi ga. Psi-funkcija čitavog sistema bi se izrazila time što bi živa i mrtva mačka bile pomiješane ili razmazane u jednakim dijelovima.
Tipično je za ove slučajeve da se neodređenost izvorno ograničena na atomsku domenu pretvara u makroskopsku neodređenost, koja se potom može riješiti izravnim promatranjem. To nas sprječava da naivno prihvatimo kao validan „zamagljeni model“ za predstavljanje stvarnosti. Sam po sebi, on ne bi utjelovio ništa nejasno ili kontradiktorno. Postoji razlika između drhtave fotografije i snimke oblaka i magle.
Schrödingerov čuveni misaoni eksperiment postavlja pitanje, “kada kvantni sistem prestaje postojati kao superpozicija stanja i kad postaje jedno ili drugo?” (Tehnički gledano, kada stvarno kvantno stanje prestaje biti netrivijalna linearna kombinacija stanja, od kojih svako nalikuje različitim klasičnim stanjima, i umjesto toga počinje imati jedinstveni klasični opis?). Ako mačka preživi, sjeća se samo žive . Ali objašnjenja EPR eksperimenata koja su u skladu sa standardnom mikroskopskom kvantnom mehanikom zahtijevaju da makroskopski predmeti, poput mačaka i bilježnica, nemaju uvijek jedinstvene klasične opise. Misaoni eksperiment ilustrira ovaj prividni paradoks. Naša intuicija kaže da nijedan promatrač ne može biti u mješavini stanja – ali mačka, čini se iz misaonog eksperimenta, može biti takva smjesa. Da li je mački potrebno da bude promatrač ili da li njeno postojanje u jednom dobro definiranom klasičnom stanju zahtijeva drugog vanjskog promatrača? Svaka alternativa djelovala je apsurdno Einsteinu, koji je bio impresioniran sposobnošću misaonog eksperimenta da istakne ta pitanja. U pismu Schrödingeru iz 1950. godine napisao je:
Vi ste jedini savremeni fizičar, pored Laue, koji vidi da se ne može zaobići pretpostavka stvarnosti, ako je samo jedan iskren. Većina njih jednostavno ne vidi kakvu rizičnu igru igraju sa stvarnošću – stvarnost kao nešto što je nezavisno od eksperimentalno utvrđenog. Njihovu interpretaciju, međutim, najelegantnije opovrgava vaš sistem radioaktivnog atoma + pojačalo + naboj pištolja u prahu + mačka u kutiji, u kojoj psi-funkcija sustava sadrži i mačku živu i raznesenu na komade. Nitko zaista ne sumnja da je prisustvo ili odsustvo mačke nešto nezavisno od čina opažanja.
Napominjemo da se naboj baruta ne spominje u Schrödingerovoj instalaciji, koja koristi Geigerov brojač kao pojačalo, a ugljikovodični otrov umjesto baruta. Barut je spomenut u Einsteinovoj originalnoj sugestiji Schrödinger-u, a Einstein ga je prenosio naprijed u ovu raspravu.
Interpretacije eksperimenta
Od Schrödingerovog vremena predložene su druge interpretacije kvantne mehanike koje daju različite odgovore na pitanja koja postavlja Schrödingerova mačka o tome koliko dugo traju superpozicije i kada (ili da li) propadaju.
Kopenhagenska interpretacija
Ova interpretacija kvantne mehanike je interpretacija iz Kopenhagena. U interpretaciji iz Kopenhagena, sistem prestaje biti superpozicija stanja i postaje jedno ili drugo kada se dogodi promatranje. Ovaj misaoni eksperiment otkriva činjenicu da priroda mjerenja ili promatranja nije dobro definirana u ovoj interpretaciji. Eksperiment se može protumačiti tako da sustav dok je zatvoren okvir istovremeno postoji u superpoziciji stanja “raspadnutog jezgra / mrtva mačka” i “neoplođeno jezgro / živa mačka”, i to samo kad se kutija otvori i promatranjem valna funkcijan se sruši u jedno od dva stanja.
Međutim, jedan od glavnih naučnika povezanih s interpretacijom iz Kopenhagena, Niels Bohr, nikada nije imao na umu propadanje valne funkcije uzrokovano promatračem, jer on valnu funkciju nije smatrao fizički stvarnom, već statističkim alatom; prema tome, Schrödingerova mačka nije mu predstavljala nikakvu zagonetku. Mačka bi bila mrtva ili živa mnogo prije nego što je svjesni promatrač otvorio kutiju. Analizom stvarnog eksperimenta utvrđeno je da je samo mjerenje (na primjer pomoću Geigerovog brojača) dovoljno za kolaps kvantne valne funkcije prije bilo kakvog svjesnog promatranja mjerenja, iako je valjanost njihovog dizajna osporavana. (Stav da se „opažanje“ zauzima kada čestica iz jezgre udari u detektor može se razviti u objektivne teorije kolapsa. Miselni eksperiment zahtijeva detektiranje „nesvjesnog promatranja“ kako bi se dogodio kolaps valnog oblika. Nasuprot tome, pristup mnogih svjetova negira da se kolaps ikad događa.)
Tumačenje mnogih svjetova i dosljedne historije
Hugh Everett je 1957. formulisao interpretaciju kvantne mehanike u mnogim svjetovima, koja ne izdvaja promatranje kao poseban proces. U tumačenju mnogih svjetova, i živa i mrtva stanja mačke ostaju nakon otvaranja kutije, ali su međusobno ukrašena. Drugim riječima, kad se otvori kutija, posmatrač i eventualno mrtva mačka razdvajaju se u promatrača koji gleda u kutiju sa mrtvom mačkom, a promatrač koji gleda kutiju sa živom mačkom. Ali budući da su mrtva i živa stanja dekoncentrirana, nema učinkovite komunikacije ili interakcije između njih.
Prilikom otvaranja okvira promatrač se zapetljava u mačku, pa se formiraju „posmatračka stanja“ koja odgovaraju mački da je živa i mrtva; svako promatračko stanje je zapleteno ili povezano s mačkom tako da “promatranje stanja mačke” i “stanje mačke” korespondiraju jedno s drugim. Kvantna dekoherencija osigurava da različiti ishodi nemaju međusobnu interakciju. Isti mehanizam kvantne dekoherencije važan je i za interpretaciju u smislu konzistentne istorije. Samo „mrtva mačka“ ili „živa mačka“ mogu biti dio dosljedne historije u ovom tumačenju. Smatra se da dekoherencija sprječava istovremeno opažanje više stanja.
Varijantu Schrödingerovog eksperimenta, poznatu kao mašina za kvantno samoubistvo, predložio je kosmolog Max Tegmark. Ona ispituje Schrödingerov eksperiment s mačkama s gledišta mačke i tvrdi da se pomoću ovog pristupa može razlikovati kopenhaška interpretacija i ona mnogih svijetova.
Ansambl interpretacija
Interpretacija ansambla kaže da supozicije nisu ništa drugo nego podsemenici veće statističke cjeline. Vektor stanja ne bi se primjenjivao na pojedinačne eksperimente na mačkama, već samo na statistiku mnogih sličnih pripremljenih pokusa na mačkama. Zagovornici ove interpretacije tvrde da to paradoks Schrödingerove mačke čini trivijalnom materijom, ili ne-pitanjem.
Ovo tumačenje služi za odbacivanje ideje da jedan fizički sistem u kvantnoj mehanici ima matematički opis koji mu na bilo koji način odgovara.
Relacijsko tumačenje
Relacijsko tumačenje ne čini fundamentalnu razliku između ljudskog eksperimentatora, mačke ili uređaja ili između animiranih i neživih sistema; svi su kvantni sistemi kojima vladaju ista pravila evolucije talasnih funkcija i svi se mogu smatrati “promatračima”. Ali relacijsko tumačenje omogućava da različiti promatrači mogu dati različite izvještaje o istom nizu događaja, ovisno o informacijama koje imaju o sustavu. Mačka se može smatrati posmatračem aparata; u međuvremenu, eksperiment se može smatrati drugim posmatračem sistema u okviru (mačka plus uređaj). Prije nego što se kutija otvori, mačka, po prirodi da je živa ili mrtva, ima informacije o stanju aparata (atom je propadao ili nije propadao); ali eksperimentator nema informacije o stanju sadržaja kutije. Na ovaj način, dva promatrača istovremeno imaju različite izvještaje o situaciji: Mački se činilo da „talasa“ talasna funkcija aparata; eksperimentatoru, čini se da je sadržaj kutije u superpoziciji. Sve dok se okvir ne otvori, a oba promatrača imaju iste informacije o onome što se dogodilo, čini se da se oba stanja sustava “urušavaju” u isti definitivni rezultat, mačka koja je ili živa ili mrtva.
Transakcijsko tumačenje
U transakcijskoj interpretaciji aparat emitira napredni val unatrag u vremenu, koji u kombinaciji s valom koji izvor emitira naprijed u vremenu formira stojeći val. Valovi se vide kao fizički stvarni, a aparat se smatra “posmatračem”. U transakcijskoj interpretaciji kolaps valne funkcije je “atemporal” i događa se duž cijele transakcije između izvora i aparata. Mačka nikad nije u superpoziciji. Umjesto toga, mačka je samo u jednom stanju u bilo kojem trenutku, bez obzira na to kad ljudski eksperimentator gleda u kutiju. Transakcijska interpretacija rješava ovaj kvantni paradoks.
Zeno efekti
Zeno efekt zna da uzrokuje kašnjenja u bilo kakvim promjenama od početnog stanja.
S druge strane, anti-zeno efekat ubrzava promjene. Na primjer, ako često zavirite u mačji okvir, možete uzrokovati odgađanja sudbonosnog izbora ili, obrnuto, ubrzati ga. I Zeno efekat i anti-Zeno efekat su stvarni i za koje se zna da se dešavaju sa stvarnim atomima. Kvantni sistem koji se mjeri mora biti snažno povezan s okolnim okruženjem (u ovom slučaju s aparatom, eksperimentalnom prostorom … itd.) Kako bi se dobili tačniji podaci. No, iako nema informacija koje su prenesene u vanjski svijet, smatra se kvazi-mjerenjem, ali čim se informacije o dobrobiti mačke prenose u vanjski svijet (zavirivanjem u okvir) kvazi- merenje se pretvara u mjerenje. Kvazi-merenja, poput merenja, uzrokuju efekte Zenova. Zeno efekti nas uče da bi čak i bez zavirivanja u kutiju mačkina smrt bila odgođena ili ubrzana zbog svog okruženja.
Objektivne teorije kolapsa
Prema objektivnim teorijama kolapsa, superpozicije se uništavaju spontano (bez obzira na vanjsko promatranje), kad se dostigne neki objektivni fizički prag (vremena, mase, temperature, nepovratnosti itd.). Tako bi se očekivalo da bi se mačka doselila u određeno stanje puno prije otvaranja kutije. To bi se moglo lagano izraziti kao “mačka promatra sebe” ili “okolina promatra mačku”.
Objektivne teorije kolapsa zahtijevaju modifikaciju standardne kvantne mehanike kako bi se omogućilo uništavanje superpozicija procesom evolucije vremena.
Prijave i testovi
Schrödingerova mačja kvantna superpozicija stanja i utjecaja okoline kroz dekoherenciju Opisani eksperiment je čisto teorijski i nije poznato da je predloženi stroj konstruiran. Međutim, uspješni eksperimenti koji uključuju slične principe, npr. izvršena su superpozicije relativno velikih (po standardima kvantne fizike) objekata. Ovi eksperimenti ne pokazuju da se objekt veličine mačke može nanositi, ali već ih je gornja granica “stanja mačaka” pomaknula prema gore. U mnogim slučajevima stanje je kratkotrajno, čak i kada se ohladi na gotovo apsolutnu nulu.
Eksperiment koji uključuje superprevodni uređaj za kvantnu interferenciju (“SQUID”) povezan je s temom misaonog eksperimenta: “Stanje superpozicije ne odgovara milijardi elektrona koji teku jednim smjerom i milijardi drugih koji teče drugim putem. Superprevodni elektroni se kreću masovno. Svi supravodljivi elektroni u SQUID struji oba puta oko petlje odjednom kada su u Schrödingerovom mačjem stanju. Izgrađen je piezoelektrični “tuning vilica”, koji se može staviti u superpoziciju vibrirajućeg i ne vibrirajućeg stanja. Rezonator sadrži oko 10 biliona atoma. Predložen je eksperiment koji uključuje virus gripa. Predložen je eksperiment koji uključuje bakteriju i elektromehanički oscilator. U kvantnom računanju izraz “mačje stanje” ponekad se odnosi na stanje GHZ, pri čemu je nekoliko kubita u jednakom superpoziciji od svih 0 i svi su 1; npr.
Prema barem jednom prijedlogu, moguće je utvrditi stanje mačke prije nego što je promatrate.
Proširenja
Wignerov prijatelj varijanta eksperimenta sa dva ljudska promatrača: prvi vrši promatranje vidi li bljesak svjetlosti, a zatim svoje promatranje prosljeđuje drugom promatraču. Ovdje je pitanje: da li se valna funkcija “kolabira” kada prvi promatrač pogleda eksperiment, ili tek kad drugi promatrač bude obaviješten o opažanjima prvog promatrača?
U drugom su dodatku ugledni fizičari otišli toliko daleko da su sugerisali da su astronomi koji su 1998. promatrali tamnu energiju u svemiru možda “smanjili životni vijek” kroz pseudo-Schrödinger-ov scenarij za mačke, iako je to kontroverzno stajalište.
Najnoviji AI algoritmi istražuju evoluciju galaksija, izračunavaju funkcije kvantnih valova, otkrivaju nova hemijska jedinjenja i još mnogo toga. Postoji li nešto što naučnici rade, a da ne može biti automatizovano?
Ni jedan čovjek ili tim ljudi ne bi mogao pratiti lavinu informacija koje su proizveli mnogi današnji fizički i astronomski eksperimenti. Neki od njih svakodnevno snimaju terabajtove podataka – a bujica se samo povećava. Square Kilometar Array, radio-teleskop koji treba da se uključi sredinom 2020-ih, generisaće svake godine skoro isti promet podataka kao i cijeli internet.
Zato se mnogi naučnici okreću umjetnoj inteligenciji za pomoć. Sa minimalnim ljudskim unosom, AI sistemi kao što su vještačke neuronske mreže – kompjuterski simulirane mreže neurona koji oponašaju funkciju mozga – mogu da ore kroz planine podataka, naglašavajući anomalije i detektujući obrasce koje ljudi nikada nisu mogli da primjete.
Naravno, upotreba kompjutera za pomoć u naučnim istraživanjima seže unazad oko 75 godina, a metoda ručnog prenošenja podataka u potrazi za smislenim obrascima nastala je prije više od milenijuma. Ali neki naučnici tvrde da najnovije tehnike u mašinskom učenju i AI predstavljaju fundamentalno novi način rada u nauci. Jedan takav pristup, poznat kao generativno modeliranje, može pomoći u identifikaciji najvjerodostojnije teorije među konkurentskim objašnjenjima za podatke opservacije, zasnovane isključivo na podacima, i što je važno, bez ikakvog unaprijed programiranog znanja o tome koji fizički procesi mogu biti u radu u sistemu koji se istražuje. Zagovornici generativnog modelovanja vide ga kao dovoljno roman da bi ga se moglo smatrati potencijalnim „trećim putem“ učenja o univerzumu.
Izbrišimo sve što znamo o astrofizici. U kojoj mjeri bismo mogli ponovo otkriti to znanje, samo koristeći same podatke?
Kevin Schawinski
Tradicionalno, učili smo o prirodi kroz posmatranje. Razmislite o Johannesu Kepleru koji prelazi preko Tycho Braheovih stolova planetarnih pozicija i pokušava da razabere osnovni obrazac. (Na kraju je zaključio da se planete kreću u eliptičnim orbitama.) Nauka je takođe napredovala kroz simulaciju. Astronom bi mogao modelirati kretanje Mliječnog puta i njegove susjedne galaksije, Andromeda, i predvidjeti da će se sudariti za nekoliko milijardi godina. I posmatranje i simulacija pomažu naučnicima da stvaraju hipoteze koje se zatim mogu testirati sa daljim zapažanjima. Generativno modeliranje se razlikuje od oba ova pristupa.
“To je u osnovi treći pristup, između posmatranja i simulacije”, kaže Kevin Šavinski, astrofizičar i jedan od najinovantnijih zagovornika generativnog modeliranja, koji je do nedavno radio na Švajcarskom federalnom institutu za tehnologiju u Cirihu (ETH Zurich). “To je drugačiji način za napad na problem.”
Neki naučnici vide generativno modeliranje i druge nove tehnike jednostavno kao električni halat za obavljanje tradicionalne nauke. Ali većina se slaže da AI ima ogroman uticaj i da će njena uloga u nauci samo rasti. Brian Nord, astrofizičar iz Fermijeve nacionalne akceleratorske laboratorije, koji koristi umjetne neuronske mreže za proučavanje kosmosa, je među onima koji se boje da ne postoji ništa što ljudski naučnik ne može učiniti da ne može da bude automatizirano. “To je pomalo zastrašujuća misao”, reče on.
Otkriće generacije
Otkako je diplomirao, Schawinski je postao poznat po svojoj nauci. Dok je radio na svom doktoratu, suočio se sa zadatkom da klasifikuje hiljade galaksija na osnovu njihovog izgleda. Budući da za taj posao nije postojao lako dostupan softver, on je odlučio da ga iskoristi – i tako je rođen projekt za naučnike Galaxy Zoo. Počevši od 2007. godine, obični korisnici računara pomogli su astronomima tako što su prijavili svoje najbolje pretpostavke o tome koja galaksija pripada kategoriji u kojoj je većinsko pravilo obično vodilo do ispravnih klasifikacija. Projekat je bio uspješan, ali, kao što Schawinski napominje, AI je to sve zasjenio: “Danas, talentovani naučnik sa iskustvom u mašinskom učenju i pristupu računarstvu u oblaku mogao bi da uradi cijelu stvar za jedno popodne.”
Schawinski se 2016. godine okrenuo snažnom novom halatu generativnog modeliranja. U suštini, generativno modeliranje pita se koliko je vjerovatno, pod uvjetom X, da ćete primijetiti ishod Y. Pristup se pokazao nevjerojatno moćan i svestran. Na primjer, pretpostavimo da generativni model hranite skupom slika ljudskih lica, pri čemu je svako lice označeno s dobi osobe.
Dok se kompjuterski program češlja kroz ove “podatke o obuci”, počinje da crta vezu između starijih lica i povećanu vjerovatnoću bora. Na kraju, on može da “ostari” svako lice koje je dano – to jest, može predvideti koje fizičke promjene će određeno lice bilo koje starosti proći.
Nijedno od ovih lica nije stvarno. Lica u gornjem redu (A) i lijeva kolona (B) su konstruisana generativnom kontradiktornom mrežom (GAN) koristeći građevinske elemente pravih lica. GAN je zatim kombinovao osnovne karakteristike lica u A, uključujući njihov spol, starost i oblik lica, sa finijim osobinama lica u B, kao što su boja kose i boja očiju, da bi stvorili sva lica u ostatku rešetke.
Najpoznatiji generativni sistemi za modeliranje su „generativne kontradiktorne mreže“ (GAN). Nakon adekvatnog izlaganja podacima obuke, GAN može popraviti slike koje imaju oštećene ili nestale piksele, ili mogu učiniti oštre fotografije mutnim. Oni uče da izvuku informacije koje nedostaju putem takmičenja (otuda termin “kontradiktorni”): Jedan dio mreže, poznat kao generator, generiše lažne podatke, dok drugi dio, diskriminator, pokušava da razlikuje lažne podatke od stvarnih podataka. Kako program teče, obje polovice postaju sve bolje. Možda ste vidjeli neke od hiper-realističnih, “GAN-proizvedenih” lica koja su nedavno kružila – slike “čudno realističnih ljudi koji zapravo ne postoje”, kako je to rekao jedan naslov.
Šire gledano, generativno modeliranje uzima skupove podataka (tipično slike, ali ne uvijek) i razbija svaki od njih u skup osnovnih, apstraktnih gradivnih blokova – naučnici to nazivaju “latentnim prostorom podataka”. Algoritam manipulira elementima latentni prostor kako bi se vidjelo kako to utječe na izvorne podatke, a to pomaže u otkrivanju fizičkih procesa koji djeluju u sistemu.
Ideja o latentnom prostoru je apstraktna i teška za vizualizaciju, ali kao gruba analogija, zamislite šta bi vaš mozak mogao da uradi kada pokušate da odredite pol ljudskog lica. Možda primjetite frizuru, oblik nosa, i tako dalje, kao i obrasce koje ne možete lako staviti u riječi. Kompjuterski program na sličan način traži istaknute karakteristike među podacima: Iako nema pojma šta je brk ili kakav spol, ako je obučen u skupovima podataka u kojima su neke slike označene kao “muškarac” ili “žena”, i neki imaju oznaku “brkovi”, brzo će zaključiti vezu.
Kevin Šavinski, astrofizičar koji vodi AI kompaniju pod nazivom Modulos, tvrdi da tehnika nazvana generativno modeliranje nudi treći način učenja o univerzumu.
U radu objavljenom u decembru u astronomiji i astrofizici, Schawinski i njegovi kolege iz ETH Zuricha Dennis Turp i Ce Zhang koristili su generativno modeliranje kako bi istražili fizičke promjene koje galaksije prolaze kroz evoluciju. (Softver koji koriste, tretira latentni prostor donekle drugačije od načina na koji ga tretira generativna kontra-mreža, tako da nije tehnički GAN, iako sličan.) Njihov model je stvorio umjetne skupove podataka kao način ispitivanja hipoteza o fizičkim procesima. Oni su, na primer, pitali kako je “gašenje” formiranja zvjezda – naglo smanjenje formacije – povezano sa povećanjem gustine okoline galaksije.
Za Šawinija, ključno pitanje je koliko informacija o zvjezdanim i galaktičkim procesima može biti zadirkivano samo iz podataka. “Izbrišimo sve što znamo o astrofizici”, rekao je on. “U kojoj mjeri bismo mogli ponovno otkriti to znanje, samo koristeći same podatke?”
Prvo, slike galaksija su redukovane na njihov latentni prostor; zatim, Šawinski je mogao da podesi jedan element tog prostora na način koji je odgovarao određenoj promjeni u okolini galaksije – na primjer, gustina okoline. Tada je mogao ponovo da generiše galaksiju i vidi koje razlike su se pojavile. “Sada imam mašinu za generiranje hipoteza”, objasnio je on.
“Mogu da uzmem cijelu gomilu galaksija koje su prvobitno u okruženju niske gustine i čine ih da izgledaju kao da su u okruženju visoke gustine, ovim procesom.” Okruženja niske do visoke gustoće, postaju crvenija, a njihove zvijezde postaju centralnije koncentrirane. To odgovara postojećim opažanjima o galaksijama, rekao je Schawinski. Pitanje je zašto je to tako.
Sljedeći korak, kaže Schawinski, još nije bio automatizovan: „Moram da dođem kao čovjek i kažem:„ U redu, kakva fizika bi mogla objasniti ovaj efekat? ”„ Za proces u pitanju, postoje dva prihvatljiva objašnjenja: Možda galaksije postaju crvenije u okruženjima velike gustine jer sadrže više prašine, ili možda postaju crvenije zbog pada formacije zvjezda (drugim riječima, njihove zvijezde imaju tendenciju da budu starije). Sa generativnim modelom, obe se ideje mogu testirati: Elementi u latentnom prostoru koji se odnose na prašnjavost i stope formiranja zvjezda su promenjeni da bi se vidjelo kako to utiče na boju galaksija. “A odgovor je jasan”, rekao je Schawinski. Crvenije galaksije su “gde je formacija zvjezda pala, a ne one gde se prašina promjenila. Zato bismo trebali dati prednost tom objašnjenju.”
Pristup se odnosi na tradicionalnu simulaciju, ali s kritičkim razlikama. Simulacija je “suštinski zasnovana na pretpostavkama”, rekao je Schawinski. “Pristup je reći:” Mislim da znam koji su osnovni fizički zakoni koji dovode do svega što vidim u sistemu. “Tako da imam recept za formiranje zvjezda, imam recept za to kako se ponaša tamna materija, i tako dalje. Stavio sam sve svoje hipoteze tamo, i pustio sam da se simulacija pokrene. I onda pitam: Da li to izgleda kao stvarnost? ”Ono što je on učinio sa generativnim modeliranjem, rekao je on,“ u nekom smislu, upravo je suprotno od simulacije. Mi ne znamo ništa; ne želimo da pretpostavimo ništa. Mi želimo da nam podaci kažu šta se dešava. ”
Očigledan uspjeh generativnog modeliranja u ovakvoj studiji očigledno ne znači da su astronomi i postdiplomci postali suvišni – ali čini se da predstavlja promjenu u stepenu u kojem se učenje o astrofizičkim objektima i procesima može postići umjetnim vještinama sistema koji ima malo više u svojim elektronskim prstima od ogromnog skupa podataka. “To nije potpuno automatizovana znanost – ali ona pokazuje da smo u stanju barem djelomično izgraditi alate koji čine proces nauke automatskim”, rekao je Schawinski.
Generativno modeliranje je očigledno moćno, ali da li je to uistinu novi pristup nauci, otvoreno je za raspravu. Za Davida Hogga, kosmologa sa Univerziteta u Njujorku i Flatiron Instituta (koji, kao i Quanta, finansira Simons fondacija), tehnika je impresivna, ali u konačnici samo vrlo sofisticiran način izdvajanja uzoraka iz podataka – što su astronomi radili vjekovima. Drugim riječima, to je napredni oblik promatranja plus analiza. Hoggov sopstveni rad, kao i Schawinski, u velikoj mjeri se oslanja na AI; on koristi neuronske mreže da klasifikuje zvjezde prema njihovom spektru i da zaključi druge fizičke atribute zvjezda koristeći modele vođene podacima. Ali on vidi svoj rad, kao i Schawinski, kao istinitu nauku. “Ne mislim da je to treći put”, rekao je nedavno. „Samo mislim da mi kao zajednica postajemo mnogo sofisticiraniji o tome kako koristimo podatke. Konkretno, postajemo mnogo bolji u poređenju podataka sa podacima.
“Opšte razumijevanje u naučnoj zajednici je da su prostor i vrijeme fundamentalni (Kad kažemo da je nešto fundamentalno u fizici, onda mislimo da je ono temelj svega drugog i da ne postoji ništa šta je njemu temelj.). Prostor i vrijeme su prema standardnom shvatanju stvarni i pozitivni.
U egzotičnim granama fizike poput teorije struna i teorija svega vidi se da možda vrijeme i prostor i nisu baš fundamentalne, nego emergentne pojave. Npr. temperatura i naš osjećaj toplog i hladnog su posljedice nečeg fundamentalnijeg, a to je kretanje čestica. Što se čestice brže kreću, veća je “temperatura”. Fundamentalna ideja je kretanje atoma, a emergentna je temperatura.
Možda su i prostor i vrijeme pojavne ili emergentne ideje. Možda su posljedice nečeg fundamentalnijeg. Sljedeće velika revolucija u nauci bi mogla biti kada konačno otkrijemo šta to fundamentalnije čini prostor i vrijeme.”, Brian Greene
Nobelovu nagrada za fiziku 2013. dodeljena je dvojici teoretičara koji su formulisali Higgsov mehanizam, koji daje masu osnovnim česticama.
Predložena i otkrivena čestica. Peter Higgs, jedan od Nobelovih laureata fizike 2013, ispred CMS detektora, koji je dio Large Hadron Collidera u CERN-u, evropske laboratorije za fiziku čestica. Istraživači su koristili CMS da posmatraju česticu koju je Higs predvidio prije skoro 50 godina.
50 godina nakon predviđanja, fizičari čestica konačno su uhvatili Higgs boson. Tako je Nobelov komitet dao nagradu za fiziku dva teoretičara koji su pokrenuli ovaj lov za česticama. François Englert sa Slobodnog univerziteta u Briselu (ULB) i Peter Higgs sa Univerziteta u Edinburghu, UK, samostalno su izradili model objašnjavajući zašto su čestice masivne, a za ovaj model je potrebno postojanje Higgs bosona. Oba lista su objavljena 1964. godine u časopisu “Physical Review Letters”.
Higgs bozon je poslednji komad standardnog modela fizike čestica koji se posmatra, nakon nekoliko decenija pretrage. U junu 2012. godine CERN je najavio s velikom da je Large Hadron Collider (LHC) u Ženevi otkrio česticu sa pravim osobinama da bude Higsov bozon, što je značilo da su istraživači potvrdili osnovnu teoriju mase.
Higsovi bozon tehnički ne daje masu drugim česticama. Tačnije, čestica je kvantizovana manifestacija polja (Higgsovo polje) koja generiše masu kroz svoju interakciju sa drugim česticama. Ali zašto nije moguće pretpostaviti masu samo kao datu?
Higsovi bozon tehnički ne daje masu drugim česticama. Tačnije, čestica je kvantizovana manifestacija polja (Higgsovo polje) koja generiše masu kroz svoju interakciju sa drugim česticama. Ali zašto nije moguće pretpostaviti masu samo kao dato?
Odgovor se vraća na prethodni rad u kvantnoj teoriji polja. Kvantna polja su slična poznatim poljima, poput električnih i magnetnih polja. Ali kvantna polja sadrže pobuđena stanja koja posmatramo kao čestice. Ova polja se mogu podijeliti na polja materije (čije su čestice elektroni, kvarkovi, itd.) i polja sila (čije su čestice fotoni, gluoni itd.). Krajem 1940-ih, teoretičari su pokazali da kvantna teorija polja fotona i elektrona može uspešno objasniti elektromagnetne interakcije pri visokoj energiji.
Međutim, teorija je imala problema sa modeliranjem nuklearnih interakcija. Kratki raspon slabe nuklearne sile implicirao je da odgovarajuće čestice imaju masu, za razliku od bezmasivnog fotona, čestica povezanih sa elektromagnetnim poljima. Jednostavno držanje mase za česticu koja nosi silu imalo je katastrofalne efekte, što je dovelo do određenih predviđanja koja divljaju do beskonačnosti. Početkom šezdesetih, teoretičari su bili zauzeti u potrazi za alternativnim načinima da se masa može uvesti u teoriju.
Rješenje koje su Higgs, Englert i Robert Brout (koji je radio sa Englertom na ULB-u, ali je sada preminuo) predlaže da je čitav prostor ispunjen poljem koje djeluje s slabim silama čestica kako bi im dalo masu. To čini, jer se pretpostavlja da polje nije prazno u praznom prostoru. Ovo nenormalno stanje krši simetriju koja se smatra osnovnom za kvantnu teoriju polja. Raniji rad pokazao je da je ovakav prekid simetrije doveo do bezmasivne, bezspinske čestice koja je isključena eksperimentima. Englert, Brout i Higgs su pokazali kako se ova neželjena čestica može nestati spajanjem polja za punjenje prostora s poljem slabe sile. Kada su razradili sve interakcije, utvrdili su da su čestice sile efektivno imale masu, a neželjene, bezmasivne, bespilotne čestice su u suštini apsorbovale slabe čestice. Ove čestice su dobijale treće spin-stanje kao rezultat, a jedina preostala spinless čestica bila je masivni Higgs bozon. Sličnu teoriju razvio je i treći tim teoretičara iste godine.
Sljedeći rad pokazao je da mehanizam Brout-Englert-Higgs (ili “Higgs mehanizam” kratko) može dati masu ne samo slabim česticama, već i elektronima, kvarkovima i drugim osnovnim česticama. Što snažnije čestica stupi u interakciju sa Higgsovim poljem, to je masivnija. Važno je napomenuti, međutim, da većina mase u kompozitnim česticama, kao što su protoni, jezgra i atomi, ne dolazi iz Higgsovog mehanizma, već od energije vezivanja koja drži ove čestice zajedno.
“Brout i Englert i Higgs su predstavili vrlo pametnu ideju, sada poznatu kao Higsov mehanizam”, kaže Michael Turner sa Univerziteta u Čikagu. “Pruža objašnjenje jednog od najjednostavijih pitanja koja se mogu pitati: zašto čestice imaju masu? Takvo jednostavno pitanje – ali veoma duboko – mnogi čak i ne razmišljaju da ga pitaju. “Da bi se dokazao ovaj mehanizam, fizičari čestica napravili su LHC, najveću, najsavremeniju tehnološki sofisticiranu mašinu ikada napravljenu, kaže Joseph Incandela, portparol CMS-a eksperimenta, koji je bio jedan od detektora koji su primjetili Higgs boson. “Mislim da ljudi gledaju u ovo i osećaju da je fizika čestica ovdje uradila nešto poput sletanja na Mjesec”, kaže on.
Količina energije koja ima prazan prostor izgleda premala da se objasni bez multisvemira. Ali fizičari imaju najmanje jednu alternativu da istraže.
Kontroverzna ideja da je naš univerzum samo nasumičan balon u beskrajnom, multisvemiru logično se pojavljuje iz najočitijeg karaktera prirode: praznog prostora. Konkretno, izvor hipoteze o multisvemiru je neobjašnjivo mala količina energije inficirane u praznom prostoru – energija poznata kao vakuumska energija, tamna energija ili kosmološka konstanta. Svaki kubni metar praznog prostora sadrži samo dovoljno ove energije da osvjetli sijalicu 11 trilionitih dijelova sekunde. “Kost u našem grlu”, kako je jednom naglasio dobitnik Nobelove nagrade Steven Weinberg, da je vakum trebao biti najmanje trilijon triliona triliona biliona biliona puta s više energije, zbog svih stvari i polja sile koja teku kroz njega. Nekako se efekti svih ovih polja na vakuumu gotovo izjednačavaju, stvarajući mirnu tišinu. Zašto je prazan prostor tako prazan?
Iako mi ne znamo odgovor na ovo pitanje – zloglasni “kosmološki konstantni problem” – ekstremna praznina našeg vakuuma je neophodna za naše postojanje. U univerzumu prožetom čak i s malo više od ove gravitaciono odbojne energije, prostor bi se previše brzo širio za strukture poput galaksija, planeta ili ljudi koji se formiraju. Ova savršena situacija ukazuje na to da možda ima postoji ogroman broj univerzuma, svaki sa različitim dozama vakuumske energije, i da se desilo da naseljavamo izuzetno niskoenergetski univerzum, jer se nismo mogli naći na bilo kom drugom mjestu.
Neki naučnici se protive tautologiji “antropskog obrazloženja” i ne vole hipotezu multisvemira jer se ne može testirati. Čak i oni koji su otvoreni za multisvemirsku ideju voljeli bi imati alternativna rješenja za kosmološki konstantni problem za istraživanje. Ali do sada se pokazalo gotovo nemoguće riješiti bez multisvemira. “Problem mračne energije je tako strašan, tako težak, da ljudi nemaju jedno ili dva rješenja”, rekao je Raman Sundrum, teoretski fizičar na Univerzitetu u Marylandu.
Da razumijete zašto, uzmite u obzir šta je zapravo energija vakuuma. Opšta teorija relativnosti Alberta Ajnštajna kaže da materija i energija određuju kako će se prostor-vrijeme zakriviti, a krivulja zakrivljenosti prostor – vremena govori materiji i energiji kako da se kreću. Automatska karakteristika jednačina je da prostor – vrijeme može posjedovati sopstvenu energiju – konstantnu količinu koja ostaje kada ništa drugo nije tu, što je Einstein nazvao kosmološkom konstantom. Decenijama kosmolozi su pretpostavili da je njena vrijednost tačno nula, s obzirom na relativno stabilnu brzinu ekspanzije, i pitali su se zašto. Ali tada, 1998. godine, astronomi su otkrili da ekspanzija kosmosa zapravo postepeno ubrzava, što implicira prisustvo odbojne energije koja prolazi kroz prostor. Astronomi su to nazvali tamna energija, što je ekvivalentno Einsteinovoj kosmološkoj konstanti. Njegovo prisustvo prouzrokuje kosmos da se sve brže proširi, jer se, kako se širi, pojavljuju novi oblici prostora, a ukupna količina odbojne energije u kosmosu se povećava.
Međutim, inferredna gustina ove vakuumske energije suprotstavlja se onoj kvantnoj teoriji polja, jeziku fizike čestica, o praznom prostoru. Kvantno polje je prazno kada ne dođe do eksplitacije čestica kroz njega. Ali zbog principa nesigurnosti u kvantnoj fizici, stanje kvantnog polja nikada nije sigurno, tako da njena energija nikada ne može biti tačno nula. Zamislite kvantno polje koje se sastoji od malih izvora u svakoj tački u svemiru. Izvori se uvjek mrmljaju, jer su samo u nekom neizvjesnom opsegu njihove dužine. Oni su uvjek previše komprimirani ili istegnuti, pa su stoga uvjek u pokretu, posjeduju energiju. Ovo se zove energija nulte tačke polja. Polja sile imaju pozitivne nulte tačke energije dok materije polja imaju negativne i te energije doprinose i oduzimaju od ukupne energije vakuuma.
Ukupna vakuumska energija bi trebala biti približno jednaka najvećem od ovih doprinosivih faktora. (Recimo da dobijete poklon od 10.000 dolara, čak i nakon što potrošite 100 dolara ili pronalazite 3 dolara na kauču, i dalje ćete imati oko 10.000 dolara.) Pa ipak, posmatrana brzina kosmičke ekspanzije pokazuje da je njena vrijednost između 60 i 120 redaka manja nego neka od nultih doprinosa energije za nultu tačku, kao da su svi različiti pozitivni i negativni uslovi nekako otkazani. Doći do fizičkog mehanizma za ovo izjednačavanje je izuzetno teško iz dva glavna razloga.
Prvo, jedini efekat energije vakuuma je gravitacioni, pa je iza toga gravitacioni mehanizam. Ali u prvih nekoliko trenutaka svemira, kada je takav mehanizam mogao da funkcioniše, univerzum je bio toliko fizički mali da je njegova ukupna vakuumska energija bila zanemarljiva u poređenju sa količinom materije i zračenjem. Gravitacioni efekat vakuumske energije bio bi u potpunosti poništen gravitacijom svega ostalog. “Ovo je jedna od najvećih poteškoća u rješavanju kosmološkog konstantnog problema”, napisao je fizičar Raphael Bousso 2007. Gravitacijski povratni mehanizam precizno prilagođava vakuumsku energiju u uslovima ranog univerzuma, rekao je on, “može se grubo uporediti sa avionom koji slijdi propisani put do atomske preciznosti, u oluji.”
Ono što umnožava teškoće, kvantne teorijske kalkulacije pokazuju da bi se vakuumska energija promjenila u vrijednosti kao odgovor na promjene faza u univerzumu za hlađenje neposredno nakon Velikog praska. Ovo pokreće pitanje da li je hipotetički mehanizam koji je izjednačio energiju vakuuma ušao prije ili poslije tih smjena. I kako je mehanizam mogao znati koliko će im biti veliki efekti, kako bi ih nadoknadili?
Do sada su ove prepreke ometale pokušaje da objasne malu težinu praznog prostora bez pribjegavanja multisvemirskoj lutriji. Ali nedavno su neki istraživači istraživali jednu moguću aveniju: ako univerzum nije udario u egzistenciju, ali umjesto toga odbio se, nakon ranije kontrakcione faze, onda bi univerzalni ugovor u dalekoj prošlosti bio ogroman i dominirao energijom vakuuma. Možda je neki gravitacioni mehanizam tada djelovao na obiljujućoj vakuumskoj energiji, razređujući ga na prirodan način tokom vremena. Ova ideja motivisala je fizičare Petra Grahama, Dejvida Kaplana i Surjeeta Rajendrana da otkriju novi model kosmičkog odbijanja, mada još nisu pokazali kako bi radio na razblaženju vakuuma u ugovornom univerzumu.
U jednom e – mailu, Bousso je svoj pristup nazvao “veoma vrednim pokušajima” i “informiranom i iskrenom borbom sa značajnim problemom”. Međutim, on je dodao da postoje ogromne praznine u modelu i “tehničke prepreke za popunjavanje ovih praznina je značajan. Konstrukcija je već mašina Rube Goldberg-a, i to će u najboljem slučaju biti još zbunjeno do trenutka kada se ove praznine popune. “On i druge pristalice multisvemira smatraju da je njihov odgovor jednostavniji za poređenje.
Kvark-gluon plazma (QGP) ili kvark juha je stanje stvari u kvantnoj kromodinamici (QCD) koje postoji pri ekstremno visokim temperaturama i / ili gustoćama. Ovo stanje se smatra da se sastoji od asimptotski slobodne jake interakcije kvarkova i gluona, koji su obično ograničeni i uzrokuju zatvaranje unutar atomskih jezgara ili drugog hadrona.
Nekoliko sekundi poslije Velikog praska, nije bilo atoma. Umjesto toga, elementarne komponente materije su se slobodno kretale okolo – poput kvarkova, elektrona i neutrina i tzv. gluona. Ove elementarne čestice pružaju vezu između dva ili više kvarkova – i stoga su indirektno odgovorne za privlačenje protona i neutrona u atomskom jezgru.
Univerzum i sva materija koja postoji stvoreni su prije 13.82 milijardi godina. Velika većina naučnika se slaže s tim. Manje je jasno kako je išlo kasnije.
Hannah Petersen sa Frankfurtskog instituta za napredne studije kaže: “Ono što je bilo poslije Velikog praska još uvijek je veliko pitanje. Ne znamo tačno šta se desilo tamo. Ali znamo da je Univerzum bio popunjen kvark-gluon plazmom milionitu sekundu poslije Velikog praska. Velika razlika od današnjeg Univerzuma bila je to što je bilo izuzetno vruće i izuzetno gusto. ”
Slika: Dvije neutronske zvijezde se sudaraju; rezultujući gravitacijski talas se prostire brzinom svetlosti. (Kredit: Nacionalna naučna fondacija / LIGO / Državni univerzitet Sonoma / A. Simonne)
Mrtve jezgre dvije zvijezde su se sudarile prije 130 miliona godina u dalekoj galaksiji. Sudar je bio toliko ekstreman da je izazvao bore u prostor-vremenu – gravitacioni talas. Taj gravitacioni talas i svjetlost od zvezdane eksplozije su putovali zajedno u kosmosu. Oni su stigli na Zemlju istovremeno u 6:41 sati istočno 17. avgusta 2017. godine.
Događaj je izazvao naslove širom svijeta kao zoru “multimessenger astronomije”. Astronomi su čekali generaciju za ovaj trenutak. Ali to je bila i prva direktna potvrda da gravitacija putuje brzinom svetlosti.
Brzina gravitacije
Svi znamo da svjetlost pokriva ograničenje brzine – otprilike 300 000 km u sekundi. Ništa ne putuke brže. Ali zašto bi gravitacija putovala istom brzinom?
To pitanje zahteva poznavanje opšte teorije relativitets Alberta Ajnštajna ili teoriju gravitacije – istu teoriju koja je prije 100 godina predvidjala gravitacione talase.
Ajnštajn je odbacio ideju Isaka Newtona o “apsolutnom vremenu”. Njutn je razmišljao o tome kako je vreme išlo na sve strane istovetnim tempom – bez obzira na to kako smo mi smrtnici to shvatili. Bilo je beskrajno. Tim razmišljanjem, jedna sekunda na Zemlji je jedna sekunda u blizini crne rupe (za koju nije znao da postoji).
Njutn je takođe smatrao da gravitacija deluje odmah. Udaljenost nije važna.
Sve je relativno
Ali onda je Ajnštajn pokazao da je vrijeme relativno. To se mijenja brzinom i prisustvom gravitacije. Jedna od posljedica toga je da ne možete imati istovremene akcije na daljinu. Dakle, informacije bilo koje vrste imaju ograničenu brzinu, bilo da je to foton – čestica koja nosi svjetlost – ili graviton, koji nosi silu gravitacije.
U relativnosti postoji ” brzina informacija”- maksimalna brzina kojom možete da šaljete informacije od jedne do druge tačke”, kaže fizičar Univerziteta u Viskonsinu i Milvokiju Jolien Creighton, stručnjak za opću relativnost i član LIGO tima koji je prvi primjetio gravitacione talase.
Creighton objašnjava da u elektromagnetizmu, kada protresete elektron, stvarate promjenu u električnom polju koja se prostire brzinom svjetlosti. Gravitacija radi na isti način. Protresite masu i promenu gravitacionog polja – gravitacioni talas – propagira sa istom brzinom.
“Dakle, činjenica da je brzina gravitacionih talasa jednaka brzini elektromagnetnih talasa je jednostavno zato što oboje putuju brzinom informacija.”, kaže Creighton.
Postoji i lak način da se ovo vidi. Zamislite da je Sunce sada nestalo. Zemlja se ne bi odmah pomjerala u svemir. Poslje osam minuta, Zemlja bi bila mračna i istovremeno se odgurnula po pravoj liniji.
Gotovo svi podaci koji su rezultat istraživanja u fizici čestica tijekom proteklih sedamdeset godina općenito su dobro opisani teorijskin standardnim modelom.
Slika: Standardni model
U SM to su osnovni blokovi koji stvaraju materiju, a u SM su tretirani kao čestice točke, dimenzija 0 u prostoru. Teorija struna je proširila zastupljenost čestica od dimenzije 0 do dimenzije 1.Svaka od tih čestica u gornjoj tablici prikazana je kao struna u teoriji struna. Kvantni brojevi koji identificiraju svaku česticu u gornjoj tablici su vibracijski modovi strune. Svaka čestica je drugačija struna koja vibrira na vlastitim “frekvencijama”, u množini, jer su dimenzije vremenskog razmaka produžene do deset ili jedanaest, a svaku česticu karakteriziraju brojni kvantni brojevi, od kojih svaki treba mapirati u “frekvenciju”.
Još ne postoji standardni model struna. Grupna struktura koja karakterizira SM postoji u mnogim oblicima žičanih modela i SM može biti ugrađen u njih, ali definitivni model još nije nastao. Nadamo se da će na kraju SM biti ugrađen u konačni model teorije struna koji će uključiti kvantizaciju gravitacije i imat ćemo Teoriju svega (TOE).
Postoje li crvene, plave i zelene strune koje odgovaraju bojama u qcd?Gornja tablica je pojednostavljena i ne prikazuje boje za kvarkove. Boja je još jedan kvantni broj i karakterizira načine frekvencije koji opisuju kvarkove kao druge kvantne brojeve. Tako je boja također specifična vibracija strune koja predstavlja kvark. U suprotnom nema “obojenih” struna.
