Алекс Уокман
Реальность и двери в бесконечность. Квантовая механика многих миров, пространство-время, сознание и симуляция
© Алекс Уокман, 2024
ISBN 978-5-0060-4459-3
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Предисловие
Наука и Философия. От начала античных времён и до самой современности человек постоянно задавал себе вопросы об устройстве окружающего его мира. Многие из этих вопросов, являющихся фундаментальными даже спустя многие века остаются неразрешенными. Разные мыслители древности задумывались о том, каким является мир, начиная от мельчайших его структур заканчивая большими масштабами планет и вселенной в целом. Все начиналось с мысли. А потому философия является первопричиной и основой всех наук. Понятие атома (от др. греч. – «неделимый») появилось из натуральной философии в нём содержалось определение того что все вещество, воспринимаемое человеком, то что он способен ощутить состояло из мельчайших и неделимых частиц -атомов. Создателем материалистической философии и идеи атомизма был Демокрит. Впервые он озвучил идею о том что во вселенной существует бесконечное количество атомов самых разных форм, и отвергал идею о бесконечной делимости материи. Надо отдать должное, в те времена ещё невозможно было в точности экспериментально подтвердить эти идеи, на данный момент науке известно что реальное количество атомов во вселенной является конечным и равно приблизительно десяти в восемьдесят первой степени, что намного меньше числа Шеннона (равное десяти в сто двадцатой степени являющееся минимальным количеством неповторяющихся шахматных партий). Идея же о том, что материя не способна делиться бесконечно, до сих пор опирается исключительно на физический принцип того, что если бы у материи было подобное свойство, тогда мы могли бы брать из ниоткуда бесконечную энергию что противоречит постулатам термодинамики. Зарождение новых теорий в начале двадцатого века таких как квантовая теория и теория относительности приоткрыли завесу для некоторых вопросов, но многое всё ещё не прояснено до конца. В самом элементарном смысле, все естествознание начинается именно с учения об атоме. Отталкиваясь от этого можно логическим путём прийти довольно далеко.
Хочу отметить несколько вещей прежде чем вы продолжите. в этой книге в каждой главе будет представлено по несколько частей в которых каждый раздел будет отмечен одной или двумя звездами. две звезды будут означать пометку темы в которой преимущественно речь идет о философских концепциях которые часто представляют собой формы мысленного эксперимента и не обязуются быть чем то эмпирически наблюдаемым и теоретически описанным. Но следует помнить -преимущественно означает лишь по большей части и не означает отсутствие научной точности и объективности. В первой главе о философии пространства времени вступление «что такое время?» а также два коротких раздела о специальной теории относительности являются не философскими выводами а тем что на самом деле известно поэтому они отмечены одной звездой. Та же логика применима к остальным частям книги: то что отмечено двумя звездами является темой где сплетаются философские выводы и то что точно подтверждено. То что помечено одной звездой – научные объективные данные и то что известно на данный момент в зависимости от главы. если вы желаете пропустить ту или иную часть потому что вам не интересны философские следствия а только научно достоверные и проверяемые модели или наоборот вы больше интересуетесь тем что лежит за пределами экспериментов и уравнений -вы просто можете переходить к тем частям глав которые отражают ваше желание узнать о чем то. если вам интересны все концепции – прекрасно. На данный момент книга завершена не полностью -многие разделы которых не было ранее с более подробным рассмотрением некоторым вопросов будут включены при новом переиздании. помимо этого будет также расширен материал уже написанных.
Как я всегда считал Технологический прогресс – это сумма преобразований содержащихся и открывающихся в процессе деятельности человека, результат которых меняет окружающую реальность и улучшают её для самого человека. И здесь уместно оставить цитату знаменитого физика-теоретика:
«любой глубоко мыслящий человек всегда вносит вклад в развитие и расширение области знания о том предмете на котором он сосредоточен» Ричард Фейнман
Глава 1.
Философия пространства времени
«рассуждения о времени следует разделить на абсолютные и относительные, истинные и кажущиеся, математические и обыденные»
– Ньютон
«Единственная причина для существования времени – чтобы все не случилось одновременно.»
– Альберт Эйнштейн.
1.1 Что такое время? *
Время. Одно из самых фундаментальных свойств вселенной. Оно является одним из самых загадочных ее проявлений и до сих пор остается не мало вопросов о том что представляет собой его природа. Для того чтобы ответить на вопрос о том что такое время понадобилось бы слишком многое. Возможно ли ответить на этот вопрос простым языком не используя сложных уравнений с помощью которых о нем составляются различные теории? Самая известная из них была создана Альбертом Эйнштейном -Теория относительности которая была разделена на Специальную теорию в плоском пространстве-времени и общую теорию за которой закрепилось альтернативное название теория гравитации- в ее рамках материя во вселенной распределена уже в искривленном пространстве-времени обладающим рядом отличных свойств. Нужно вспомнить о тех представлениях о времени которые сложились за долгие века, начиная от самого субъективного понимания заканчивая теми данными которые были накоплены. Если мы говорим о времени как о процессе это совсем одно но, когда мы говорим о пространстве-времени все становится куда запутаннее. Можно разделить представление о времени на несколько категорий:
Время это определенный повторяющийся циклический процесс во вселенной у каких либо ее объектов начиная с распада атомных ядер заканчивая периодом вращения звезд
Время -это то что измеряют как расстояние выраженное в определенных интервалах от точки к точке в которых определено «событие» существующее также и в пространстве как движение частицы вдоль ее мировой линии -расстояние как понятие пространства тесно связано со временем потому что существуют определенная мера длительности за которую частица проходит от одной точки к другой
Время является собственно самой вселенной как формой пространства которое способно расширяться
Время проявляется как свойство квантовой запутанности частиц и т д
у Времени есть не мало определений которые взаимосвязаны друг с другом. В науке давно закрепилось определение именно пространства-времени которое является связанным континуумом. Но давайте начнем с начала когда время казалось чем то независимым от пространства.
В самом простом представлении которое выработалось вместе со способом мышлениям принимать как данность кажущиеся очевидными вещи, мы все же привыкли думать что время есть некий отрезок и что от начала одного события до начала другого всегда присутствует разделение представляющее собой интервалы этого времени, то есть расстояние между одним временным промежутком в котором произошло какое-либо событие и другим которое находится в прошлом или будущем где все соединено тем что мы называем причинно-следственная связь когда мы точно уверены в том что нечто одно предшествовало другому но не наоборот. Можно воспринимать время самым различным образом. Но очевидно лишь одно -время объективно для всех и в то же время, в определённых моментах оно может быть довольно субъективным. Но все по порядку. Мы не будем в самом начале рассматривать время в его самом фундаментальном смысле, сейчас достаточно будет того что мы будем считать время как периодические и циклические повторения определенных процессов во вселенной и постепенно приблизимся к различным его свойствам, тому как именно объекты во вселенной представляющие собой материю влияют на ткань пространства-времени и тому почему оно является именно пространством-временем а не временем отдельным от понятия пространства.
И так, время представляет собой повторяющуюся друг за другом неизменную последовательность событий которую мы можем наблюдать и подтвердить в результате определённых наблюдений. В далёком прошлом во времена древних народов уже существовали способы измерения времени
То что мы приняли за единицы измерения времени такие как секунда час день год и тд
С древних времен люди создавали то что могло бы помочь им определить время. История часов тянется на многие тысячи лет назад. Первоначально люди определяли время суток глядя в небо изучая положение планет и звёзд астрономы создавали рассчетные таблицы и измерительные приборы которые сейчас могли бы показаться крайне неудобным способом определения времени. Первые водяные часы были придуманы в древнем египте и вавилоне, однако появление первых песочных часов до сих пор не определено и датировано не ранее чем четырнадцатым веком. Механические же часы также были созданы примерно в тот же период времени и использовались как стандартный определитель времени до появления первых карманных часов. Только в двадцатом веке появились первые кварцевые и атомные часы ставшие образцом для синхронизации всех существующих часов в принятом всемирном стандарте времени. Все сводилось к одному- установлению и определению временных интервалов и их различий. Философы отождествляли время с песком или водой, тем самым сравнивая его свойства с материями. Объективная реальность показывала, что время течёт от прошлого к будущему и этот порядок не может меняться. Только боги в легендах могли что то делать со временем изменяя его ход.
Первым кто совершил революцию в восприятии времени был Ньютон создавший дифференциальное и интегральное исчисление. Пространство время Ньютона представляло собой трехмерное пространство основанное на евклидовой геометрии. В своих «началах натуральной философии» он постулировал идею об абсолютности времени и высказал идею о том что наши интуитивные представления о времени могут не отражать настоящей реальности и потому нужно разделить восприятие времени на математическое и обыденное на истинное и чувственное. На этом фундаменте начала создаваться ньютоновская механика в которой понятие времени стало иметь значительную роль.
Ньютон говорил что абсолютное истинное математическое время течет равномерно и безотносительно к чему либо внешнему и у него есть собственная длительность, а общее, относительное время получаемое из ощущений является неравной мерой длительности.
Мы можем сказать даже сейчас, после того как созданы теории относительности что в этом вопросе Ньютон был прав: действительное истинное математическое время крайне отличается от субъективно воспринимаемого времени. Однако во всем остальном после модификации теории пространства-времени Альбертом Эйнштейном он все же сделал неточные выводы. Дело не в том что после того как пространство-время было пересмотрено классическая механика стала неправильной: локально она продолжает действовать и так будет всегда.
Пространство в классической механике является абсолютным однородным и изотропным.
Время также абсолютно и однородно
Пространство и время в целом независимы друг от друга.
Независим от от изначальных постулатов в математических началах натуральной философии вклад Ньютона в первые шаги к понимаю природы того что впоследствии будут называть пространством-временем весьма значителен даже несмотря на то куда впоследствии завели физиков-теоретиков их поиски ключей к тайной двери за которой должна лежать окончательная правда о том чем на самом деле оно является.
1.2 Специальная теория относительности *
Скорость течения времени зависит от системы отсчёта и наблюдателя.
Гравитация есть искривление пространства времени под воздействием материи и энергии.
Немногие люди, если такие существуют, не слышали о специальной теории относительности Эйнштейна. Именно стала стала первым прорывом после Ньютоновских представлений об абсолютном пространстве и времени. Эта была настоящая революция в науке – впервые удалось взглянуть на природу пространства-времени совершенно иначе, и многие посчитали что новая модифицированная версия лишена того что называли здравым смыслом. Все было перевернуто с ног на голову. Эйнштейну удалось показать что время не абсолютно, оно зависит от наблюдателя находящегося в инерциальной системе отсчёта. Время во вселенной вселенной отныне считалось текущим совершенно по разному – вблизи объектов с сильным гравитационным воздействием оно замедляется отдалясь от источника гравитационного воздействия они ускоряются. Отныне время и пространство уже не могли быть чем то отдельным друг от друга и формировали пространственно-временной континуум.
Введение понятия об инерциальных системах отсчета, покоящихся и движущихся относительно друг друга со скоростью выявили такие эффекты как релятивистское замедление времени с лоренцево сокращение длины. Если мы рассмотрели бы два космических корабля которые движутся относительно друг друга, можно было бы установить следующее следствие: относительно собственных показаний часов капитана на корабле, время было бы больше чем то которое принадлежит другой инерциальной системе отсчёта. В свою очередь, ровно тоже самое происходило бы если бы наблюдателем оказался другой капитан другого корабля для которого эффект замедления времени распространяется на другой экипаж. Более того, при движении с очень высокими скоростями, близкими к скорости света сторонний наблюдатель теперь мог бы видеть космический корабль становящийся плоской фигурой. Сокращение длины представляет собой уменьшенную длину в направлении движения. Реально ли на самом деле то что мы называем сокращением длины? Этот эффект абсолютно никак не проявляется для наблюдателя двигающегося в корабле с большими скоростями – все меняется лишь для стороннего наблюдателя который фиксирует геометрическое изменение в пространстве Минковского (четырехмерном пространстве) Сам Эйнштейн говорил о том что существование понятия сокращение длины можешь лишь запутать, его не существует для одного наблюдателя но оно существует лишь в том смысле что сторонний наблюдатель может зафиксировать это с помощью физических измерителей.
1.3 Относительность одновременности *
ПАРАДОКС БЛИЗНЕЦОВ
Понятие относительности одновременности в рамках специальной теории относительности постулирует следующее: невозможно абсолютно точно утверждать что два разных события происходят одновременно если они разделены пространством. В этом смысле течение времени и понятие одновременности зависит лишь от системы отсчёта: классическим примерном является то что будет одновременным и одинаковым для наблюдателей каких либо нескольких событий на земле произойдет в разное время с тем кто будет двигаться относительно земли в инерциальной системе отсчёта пролетая в тот момент когда оба события произошли в точке A и точке B ровно между точкой А и B наблюдая те же самые события. Следует помнить то, что теория относительности ни коим образом не нарушает принцип причинности даже если в определенных ситуациях в одной инерциальной системе отсчета какое либо событие в точке А произошло первым тогда как для другой первым произошло событие в B события причинно связанные так или иначе сохраняют свой порядок событий во всех системах отсчета
Самым известным примером также является известный парадокс близнецов хотя на самом деле он не является парадоксом как таковым: Если два брата близнеца разделяются и один из них отправляется в космическое путешествие а другой при этом остается на земле должно существовать равноправие инерциальных систем отсчета. С одной стороны, тому кто остался на земле будет казаться что путешественник в космосе имеет остающие показания часов потому что на него действует тот самый эффект замедления времени потому что он двигается относительно земли со скоростью, с другой стороны для брата находящегося в космосе сама земля является двигающимся и ускоряющимся объектом к тому же имеющим сильное гравитационное поле. Следствие должно быть таким, что у обоих братьев показания часов должны быть одинаковыми так как, время проявляло эффект замедления в обоих системах отсчета относительно каждой из которых происходило наблюдение. В чем же заключается парадокс? В СТО если не учитывается гравитационный потенциал земли отстающими оказываются часы того брата который является космическим путешественником поэтому наблюдается противоречие в нарушении вида симметричности между состояниями. В действительности Альберт Эйнштейн объяснял этот парадокс после создания ОТО описывания влияние гравитационного поля на ход времени. Но как рассмотреть противоречие только в рамках СТО в которой не было никакого объяснения происходящему?
Проблема заключается еще и в интерпретации того что называется парадоксом близнецов который существует в различных трактованиях.
В одном из выводов о том что нет никакого противоречия установили, что на самом деле не существовало никакой равноправности между двумя инерциальными системами отсчёта: космический путешественник испытывал на себе самом влияние ускоренного движения для того чтобы вернуться на землю. Но проблема была в том что эксперементы установилы что ускоренное движение как таковое не влияет на скорость хода часов. Даже если существует нессиметричность она не объясняет того почему конкретно у того брата близнеца что являлся космическим путешественником замедляются часы.
Был предложен следующий вариант объяснения в рамках которого корабль с космическим путешественником не все отрезки своего пути движется равномерно, на некоторых участках он движется с ускорением и поэтому система отсчета совпадает с кораблем лишь на какой то отрезок его пути. Сама земля и ее мировая линия всегда одинаково прямая тогда как путь корабля является не прямой а изогнутой линией в пространстве времени, и это означает лишь то что она является длиннее чем прямая линия а значит, путешественник проходит больший путь которому соответствует меньшее собственное время.
Но на этом все не заканчивается.
В результате были выявлены аргументы которые пытались наглядно показать противоречивость СТО в которых путешественник всегда видел замедленный ход времени на неподвижных часах в системе отсчета брата наблюдателя, или то что мгновенная остановка в точке пространства-времени для брата путешественника также покажет отставание часов в точке, или же что вовсе все синхронизованные часы в неподвижной системе отсчета могут отстать даже у брата который не отправлялся в космическое путешествие что снова приводит к противоречию в самой СТО.
Поэтому, в одном из вариантов объяснения который должен был быть окончательным было то что невозможно синхронизировать часы в двух различных системах отсчёта.
Так как брат оставшийся на земле и другой который являлся космическим путешественником разделены точками в пространстве-времени они не могут сравнить и синхронизировать свои часы. В момент сихронизации в неподвижной системе отсчета брата на земле все часы показывают одинаковое время определяющее локальное настоящее. Эти же часы может наблюдать пролетающий мимо брат путешественник. Он движется в собственной системе отсчета относительно неподвижной и начало движения фиксируется как точка старта, после этого каждый из братьев обнаружит эффект замеделения времениу другого. Но локальное настоящее системы отсчёта брата на земле уже в каком то смысле не существует для путешественника потому что его системе теперь определено собственое настоящее с синхронизованными часами. И чем отдаленнее от него система брата близнеца тем в более дальнем будущем она имеет место существовать (относительно синхронизованных часов показывающих локальное настоящее в его собственной системе отсчета) которое ненаблюдаемо для него самого. Поэтому даже если часы в первой неподвижной системе идут замедленнее относительно системы отсчета движущегося брата наблюдателя различные часы находящиеся на траектории движения покажут будущее время.
Относительность эффекта разного темпа движения часов проявляется как раз в тот момент когда инерциальные системы отсчета разделены пространственными промежутками. Если они находятся в одной и той же пространственной точке то тогда они могут провести синхронизацию своих часов и тогда показания часов будут абсолютно одинаковы. Пролетая перед системой отсчета своего брата который не является путешественником он видит что они бегут вперед во времени, и если он резко остановиться он все равно будет находиться в будущем этой системы и только после полной остановки темпы хода часов станут одинаковыми но часы брата путешественника покажут меньшее время чем часы другого брата с земли в точке остановки и останут от всех часов в той системе отсчета мимо которой он двигался в том числе часов его брата. В итоге оказывается что моложе оказывается брат путешественник у которого прошло меньшее время, но если, все будет наоборот и брат который находится на земле решит набрать скорость он также попадет в систему отсчета брата путешественника которая будет находиться в будущем и окажется моложе брата. Поэтому вывод заключается лишь в том чья именно инерциальная система отсчета меняется, именно от этого зависит на кого из них будет проявляться эффект.
Есть и другие подробности связанные с эффектом близнецов – именно так его следовало бы называть потому что на самом деле он не несет никакого парадокса в отличие от тех следствий которые появляются в ОТО, далее я упомяну это.
В каких еще примерах проявляется относительность одновременности?
Всем известный пример с движущимся поездом в центре которого находится человек наблюдатель который проезжает мимо различных станций и видит человека находяшегося на платформе. Если в один момент времени в поезд ударяют две молнии, то для человека наблюдателя стоявшего на платформе и человека находящегося в центре эти события не будут одновременными.
В других вариантах это может быть источник света, вспышка которого посылается в переднюю и заднюю части вагонов человеком находящимся в центре в тот момент когда двое наблюдателей соприкасаются взглядами. Так как расстояние от задней части поезда до передней для человека находящегося в центре одинаково фиксированное от источника вспышки свет должен прийти в обе части поезда мгновенно и одновременно. Но для наблюдателя находящегося на платформе задняя часть поезда будет приближаться к источнику света а передняя удаляться от него. Но так как скорость света постоянна и одинакова во всех инерциальных системах отсчёта для всех наблюдателей свет который движется к задней части поезда находится в состоянии когда ему нужно преодолеть меньшее расстояние чем тому свету что движется к передней части и поэтому вспышки достигнут передней и задней частей вагона в разное время.
Вспомните ночное небо и свет далеких звёзд. Думаю все знают о том что он приходит к нам из прошлого и в тот момент когда мы наблюдаем его, звезды может уже не существовать. И дело не только в звёздах. В специальной теории относительности скорость света является фундаментальным пределом скорости которую не может превысить ни один объект во вселенной (за исключением гипотетических частиц тахионов). Если бы что-либо могло превышать скорость света то вероятно нарушался бы принцип причинно-следственных связей на которых во многом построена теория относительности: обогнав свет можно было бы оказаться в прошлом. Представьте себе что вы решили посмотреть в сверхмощный телескоп который видит не только планеты находящиеся в десятках а то и сотнях тысяч световых лет от вас и может рассмотреть поверхность этой планеты и все то что там происходит в деталях. Вы решили заглянуть и обнаружили в далеком космосе,
Фрагмент истории некой развитой цивилизации которой могло бы уже не существовать. Также как если бы кто то из дальних углов вселенной посмотрел в нашу область пространства-времени увидев следы далекого прошлого например древний египет, вавилон, грецию итд Это одно из самых простых и известных многим следствий теории относительности: время для каждого наблюдателя в зависимости от точки пространства различно. Если бы отправились на корабле со световой скоростью к ближайшим звёздам, которые находились бы на расстоянии двадцати или тридцати лет мы могли бы видеть себя в том самом прошлом если бы взглянули обратно добравшись до пункта назначения так как движение со световой скоростью замедляет время и на корабле, также как если бы кто то с той звезды находившейся на этом расстоянии мог бы увидеть часть нашего прошлого несколько десятилетий назад которое было бы для тех наблюдателей в некотором смысле настоящим но это иллюзорный эффект, они бы понимали что на самом деле это именно прошлое. Специальная теория относительности согласуется со всем вышесказанным: следствия этого кажутся весьма удивительными. Если бы отправились в далекое путешествие по просторам галактики со скоростью которая даже на одну четверть не приблизилась к световой вы были бы обречены скитаться по просторам вселенной с малейшим шансом на то что в действительности встретите кого-либо. Даже если бы двигались со световой скоростью, момент когда вы долетели бы до гипотетической планеты на которой существовала цивилизация мог бы оказаться тем моментом когда ее уже нет. В этом смысле, попасть в далекие области вселенной где действительно что то происходит кажется невозможным потому что в итоге то что мы наблюдали бы находилось бы уже в прошлом если мы не покидали бы пределов земли на космическом корабле чтобы отправиться туда. Даже ближайшая к нам планета альфа центавра находиться примерно в четырех с половиной световых годах. Получается скорость света действительно накладывает ограничение на путешествия по вселенной? Выходит что так, это одно из самых фундаментальных свойств природы. Возвращаясь к разумной цивилизации которая наблюдала бы фрагмент нашей собственной истории в прошлом мы могли бы задаться вопросом: так значит прошлое реально также как настоящее или будущее? Да. Именно об этом пойдет речь далее. Можно сказать что каждая область пространства времени с тем или иным человеком существует в пределах собственного светового конуса.
Световой конус представляет собой гиперповерхность и он ограничивает области будущего и прошлого для каждого конкретного события в точке пространства-времени. Можно сказать что световой конус определен в каждой следующей точке И именно в рамках СТО уравнения для световых конусов отличаются от тех что присутствуют в ОТО где все становится намного сложнее.
Свет выходит из точки и движется во всех пространственно-временных направлениях, и находясь в плоском пространстве времени в рамках СТО конусы делят событие на причинное будущее и прошлое но в искривленном бывают случаи когда световой конус способен замыкаться сам на себя и его часть оказывается внутри причинного прошлого или будущего без границы. Именно поэтому путешествия в прошлое чисто технически невозможны в сто и допустимы в Ото.
Специальная теория относительности является ценной теорией в науке и познании но к сожалению не имеет никаких интерпретаций или философских следствий в сравнении с квантовой механикой или общей теорией. Несмотря на то что изначально она не рассматривалась как что то близкое к практическому применению в отличие от квантовой теории, современная картина показывает что, квантовая теория не является теорией направленной исключительно на практические вещи- она оказывается еще дальше от видимой реальности чем любая из теорий относительности в ряде некоторых собственных следствий.
