Geekly articles weekly

انظر إلى المستقبل لفهم الماضي

يعد البديل عن وجهة نظر نيوتن بالعالم بشرح غرائب ​​فيزياء الكم




إذا حكمنا من خلال أفضل النظريات المادية ، فأنت لا تفهم الوقت. في النسبية العامة لأينشتاين ، لا يوجد فرق بين الماضي والمستقبل ، ناهيك عن مفهوم "الآن". كذلك ، لا يوجد اتجاه "يتدفق" فيه الزمن ؛ بدلاً من ذلك ، يوجد الزمان والمكان ببساطة في بنية رباعية الأبعاد. علاوة على ذلك ، تعمل جميع القوانين الأساسية للفيزياء بنفس الطريقة إلى الأمام والخلف.

هذه الحقائق ليست سهلة القبول لأنها تتعارض مع تصورنا الذاتي للوقت. لكن لا تثبط عزيمتك: ليس من السهل على الفيزيائيين أخذها ، وهذا التوتر يتعارض مع الفيزياء ليس فقط مع الفطرة السليمة ، ولكن أيضًا مع نفسه. وعلى الرغم من أن الفيزيائيين يتحدثون كثيرًا عن تناسق الوقت ، إلا أنهم يسمحون لأنفسهم بالبحث عن أسباب الظواهر التي تحدث في العالم ، في الماضي فقط ، وليس في المستقبل.


تمامًا كما يحدد تثبيت نهايات سلسلة الغيتار اهتزازاته ، يمكن أن يؤثر الماضي البعيد والمستقبل البعيد للكون على أحداث اليوم.

عند صياغة التفسيرات ، يعتقد معظمنا من حيث إسحاق نيوتن ، الذي تم إنشاؤه قبل أكثر من 300 عام. يأخذ هذا "ميكانيكا نيوتن" الماضي كأساس ويستخدمه في حل المستقبل ، موضحا كوننا خطوة بخطوة. حتى أن بعض الباحثين يعتقدون أن الكون هو نتاج برنامج كمبيوتر. مثل هذه الصورة هي نتيجة طبيعية لهذا المخطط. حتى بعد أن تغير مفهومنا للوقت خلال القرن الماضي ، بقيت ميكانيكا نيوتن بطريقة أو بأخرى في أنظمة الاعتقاد الفيزيائية الأكثر شعبية.

ولكن بتطبيق نظام التفكير النيوتوني القديم على التأثيرات الكمية الجديدة ، وجدنا أنفسنا في مواقف لا يمكن تفسيرها. إذا كانت هذه الظواهر لا يمكن تفسيرها ، فربما نقوم ببساطة بتمثيلها بشكل غير صحيح. يتم توفير تفسيرات أفضل إذا كنا على استعداد لمراعاة المستقبل. لكن ميكانيكا نيوتن غير قادرة في البداية على مثل هذه التفسيرات الخالدة. تعمل برامج الكمبيوتر في اتجاه واحد ، وتؤدي محاولات الجمع بين برنامجين يعملان في اتجاهين متعاكسين إلى مستنقع من المفارقات المميزة لأفلام السفر عبر الزمن السيئة التصميم. لإلقاء نظرة على المستقبل بنفس خطورة الماضي ، نحتاج بوضوح إلى بديل للميكانيكا النيوتونية.

ولدينا. يدرك معظم الفيزيائيين وجود إطار مرجعي مختلف ، وهو بديل يتم فيه تحليل المكان والزمان بنزاهة. هذا ما يسمى ب ميكانيكا Lagrangian هي أيضا جذور قديمة وأصبحت أداة ضرورية في جميع مجالات الفيزياء الأساسية. لكن حتى الفيزيائيين الذين يستخدمون هذا النهج يقاومون الخطوة الأخيرة الواضحة: تقديم ميكانيكا لاغرانج ليس كحيلة رياضية ، ولكن كوسيلة لشرح العالم. ربما لا نأخذ نظرياتنا بجدية كافية.

ميكانيكا Lagrange لا تسمح لنا فقط بإعطاء تفسيرات على أساس المستقبل. تطلب منهم. فيما يتعلق بالماضي والمستقبل على حد سواء ، تتجنب هذه الآليات المفارقات وتجعل الطرق الجديدة للتفسير ممكنة. وقد تكون بالضبط وجهة النظر المطلوبة للاختراق التالي.

الخطوة الأولى في فهم ميكانيكا لاغرانج هي الانفصال التام عن تدفق الوقت من نيوتن. هذا أسهل من خلال النظر في مناطق الزمكان بشكل كلي: النظر في الطول بالكامل دفعة واحدة ، وليس كإطارات متتالية للفيلم. يمكننا تصوير الزمان والمكان على شكل هياكل رباعية الأبعاد ثابتة ليس فقط مع المكان ، ولكن أيضًا مع الأطر الزمنية - الحدود الأولية والنهائية للمنطقة.

يمكن التعبير عن جميع الفيزياء الكلاسيكية ، من الكهرباء إلى الثقوب السوداء ، من خلال مبدأ لاغرانج البسيط لتقليل العمل. لاستخدامه في مقطع الزمكان ، تصف أولاً قيود المعلمات المادية على طوله بالكامل. ثم ، لكل مجموعة من الأحداث المحتملة في هذا الإطار ، يمكنك حساب حجم "الإجراء". مجموعة الأحداث ذات أقل قدر من الإجراءات هي تلك التي ستحدث ، مع مراعاة القيود الأولية وبعض النقاط الفنية.

على سبيل المثال ، بالنسبة إلى شعاع من الضوء ينتقل من النقطة A إلى النقطة B ، يتوافق الإجراء مع مدة وقت السفر. سيكون المسار هو الأسرع ، بالنظر إلى العقبات. إذا كنت تجادل بهذه الطريقة ، فإن شعاع الضوء ينحني على سطح الزجاج لتقليل وقت السفر. تعمل ميكانيكا Lagrangian في فيزياء الكم بشكل مختلف قليلاً وتؤدي إلى ظهور الاحتمالات بدلاً من الإجابات الدقيقة ، لكن الجوهر هو نفسه: تفرض قيود الزمكان في وقت واحد.

وفقا للمنطق النيوتوني ، هذا غريب. إن شعاع الضوء عند النقطة A يتنبأ بطريقة ما بالمستقبل (حول النقطة B والعقبات المستقبلية) ، ولديه قدرات حسابية واسعة (لحساب عدة مسارات) والمعرفة (لاختيار الأصغر). لكن الغرابة هي فقط دليل على أن تفكير نيوتن ولاغرانج لا يختلطان - وأننا ربما لا نحتاج إلى أن ننسب السمات البشرية إلى الضوء.

بدلاً من شرح الأحداث فقط على أساس الماضي ، تبدأ ميكانيكا Lagrangian بقيود حدود عامة - بما في ذلك القيود النهائية. إذا كنت لا تفرض قيودًا نهائية - لنقطة الضوء هذه النقطة B - فإن هذا النهج لن يعطي الإجابة الصحيحة. ولكن عند استخدامها بشكل صحيح ، يثبت نجاح الرياضيات الأولوية المنطقية لقيود الحدود - حدود أي منطقة من الزمكان تشرح محتوياتها.

يقدم منهج لانغرانغ أكثر وصفات الفيزياء مرونة وأناقة ، ويفضلها علماء الفيزياء. ولكن على الرغم من تطبيق هذه المبادئ ، فإن الفيزيائيين الذين يستخدمونها لا يأخذونها حرفيا. من الصعب قبول أن الأحداث يمكن تفسيرها على أساس ما يحدث في المستقبل. بعد كل شيء ، هناك اختلافات واضحة بين الماضي والمستقبل. وإذا كان سهم الوقت واضحًا جدًا بالنسبة لنا ، فكيف يمكن أن تؤثر القيود المستقبلية على ما يحدث على قدم المساواة مع الماضي؟

ولكن هناك طريقة للتوفيق بين ميكانيكا Lagrangian وتجربتنا اليومية. نحن بحاجة فقط إلى التفكير على نطاق واسع بما يكفي دون إغفال التفاصيل.


الفيزياء هي عكس الوقت. إذا كان ضوء كشاف يضيء تمثالًا ، فيمكن القول أيضًا أن تمثالًا يضيء ضوء كشاف. عادة لا نقوم بذلك لأنه يخالف توقعاتنا فيما يتعلق بمعنى كلمة "شرح".

لنفترض أنك التقطت صورة لتمثال بفلاش. كل شعاع من الضوء يطيع مبدأ العمل الأقل ، وينتج مسارًا متناظرًا تمامًا في الوقت المناسب. لكنهما يظهران معًا عدم تناسق واضح: يتم تجميع القيود الأولية لـ A معًا في لمح البصر ، ويتم توزيع القيود النهائية على التمثال. علاوة على ذلك ، من الواضح أن انتشار الضوء من A بمثابة تفسير أفضل بكثير للإضاءة B من العكس. حتى لو نظرنا إلى مسارات أشعة الضوء في الاتجاه المعاكس ، فلا يمكن لأحد أن يجادل في أن الضوء يتركز في الفلاش بسبب أنماط الضوء المعقدة على التمثال.

من هذا يمكن استنتاج أن التفسيرات المرضية تستغني عن الأحداث المعقدة بأساليب بسيطة. يأخذون حقيقة واحدة مع العديد من المعلمات ذات الصلة لشرح تعدد الظواهر. يجب أن يكون هذا واضحًا بغض النظر عن الميكانيكا المستخدمة.

لكن هذا التباين بين A و B لا يدحض وجهة نظر Lagrangian ، التي تفترض فقط أن A و B يفسران معًا أفضل تفاصيل ما حدث بينهما. حتى في ميكانيكا Lagrangian ، A و B يعتمدان على بعضهما البعض. لتتبع اتصالهم ، دعنا ننظر بشكل أوسع. وفقًا لمبدأ قيود ميكانيكا Lagrangian ، لا يتم وضع التفسيرات في سلسلة ، ولكن يتم تضمينها في بعضها البعض. وبعبارة أخرى ، نحن لا نقول أن الحدث أ أدى إلى الحدث ب ، الذي أدى إلى الحدث ب. نحن نعمل مع منطقة صغيرة من الزمكان ككل ؛ ثم نعتبرها جزءًا من منطقة أكبر (في المكان والزمان). بتطبيق منطق لاغرانج نفسه ، نحصل على أن الحدود الأكبر يجب أن تشرح كل شيء بداخلها ، بما في ذلك الحدود الأصلية.

من خلال تشغيل هذا الإجراء للتمثال ، نجد نفس عدم التماثل في المصباح والتمثال على مقياس موسع. أي أننا راضون عن وصف فلاش الكاميرا في الماضي ، لكننا لا نفسر إضاءة التمثال ، ونتطلع إلى المستقبل. ثم نحيط هذا النظام في نظام أكبر ، وهكذا ، حتى نصل إلى الحدود الكونية - الحدود الخارجية للكون. على حد علمنا ، لوحظ عدم التماثل نفسه في مثل هذه المقاييس - توزيع سلس على نحو غير عادي للمادة خلال الانفجار الكبير وتوزيع أكثر عشوائية في المستقبل.

إذا أخذنا في الاعتبار المناطق المعتادة من الزمكان من وجهة نظر لاغرانج ، فإن حقيقة أن الحدود الأولية (أشعة الضوء المنبثقة من مصباح الفلاش) أبسط من الحدود النهائية (التماثيل المضاءة) تثبت أن أقرب حدودنا الكونية كانت في الماضي. يشير هذا التسلسل إلى أنه في المستقبل المقارن لا توجد حدود كونية مقابلة. وإذا كنت تعتبر الانفجار العظيم أفضل تفسير للخصائص الواضحة للكون ، فإن الاتجاه الواضح لتدفق الوقت لا يختلف عن تدرج درجة الحرارة المكاني الذي تشعر به عند الوقوف بالقرب من نافذة باردة. في أي من هذه الحالات لن يكون المكان أو الزمان غير متماثل ؛ إنها مسألة تتعلق بموقعك بالنسبة لأقرب حد.

على المقاييس الكلاسيكية التي نواجهها عادةً ، لن نتلقى معلومات جديدة من الحدود المستقبلية مقارنةً بالحدود في الماضي. إذا كان هذا هو الحال على جميع المستويات ، فستواجه ميكانيكا لاغرانج مشاكل ، لأن الحدود المستقبلية لن تؤثر على أي شيء على الإطلاق. لكن هذا لن يكون كذلك إذا نزلنا إلى مستوى عدم اليقين الكمي: لا يمكن اشتقاق تفاصيل المستقبل المجهري من الماضي. على نطاق الكم ، تظهر جميع إمكانيات ميكانيكا Lagrangian.


قصة متشابكة: في تجربة قياسية للتشابك الكمومي ، تطير أزواج من الجسيمات من مصدر ويتم قياسها بواسطة أجهزة الكشف. يقوم جهازي كمبيوتر ، أليس وبوب ، بإنشاء أرقام عشوائية للتحكم في أجهزة الكشف. تتحكم أحداث الكاشف في ما يحدث في المصدر ، على الرغم من أنها تقع في المستقبل.

التشابك الكمومي هو مفهوم يرفض ميكانيكا نيوتن. التفاصيل ليست مهمة بالنسبة لنا ، لذلك ، سننظر في الجوهر العام لتجربة نموذجية حول التشابك. يخلق الجهاز في المركز جسيمين. يتم إرسال اليسار إلى كاشف يتحكم به كمبيوتر أليس ، ويتم إرسال اليمين إلى كاشف بعيد يتم التحكم فيه بواسطة كمبيوتر بوب. تقيس الكاشفات جزيئاتها بإحدى الطرق العديدة التي تحددها أرقام عشوائية. كما أظهر الفيزيائي الأيرلندي جون بيل في التجربة الشهيرة في الستينيات ، فإن نتائج القياس مرتبطة بطريقة تتحدى التفسير المعتاد.

على وجه التحديد ، يصبح الماضي الكلي للجسيمات غير كافٍ لشرح الارتباطات المقاسة ، على الأقل ليس للطيف الكامل من القياسات التي يمكن لأليس وبوب تحديدها عشوائيًا. بالطبع ، يرغب العديد من العلماء في شرح هذا من وجهة نظر مادية ولا يحبون محاولة القيام بذلك من خلال الرياضيات البحتة. إذا تركوا في سوء الفهم ، فإنهم يبدأون في التسبب في كيانات غامضة غير موجودة بالفعل في المكان أو الزمان (وتتطلب نفسها تفسيرًا) أو حتى تسافر أسرع من الضوء (تنتهك كل ما نعرفه عن نظرية النسبية لأينشتاين).

إذا تخلينا عن هذه المحاولات اليائسة ، فسيوافق الجميع على أنه لا يمكن العثور على تفسير طبيعي إلا إذا تمكنت الجسيمات من التنبؤ بالإعدادات العشوائية لأليس وبوب مقدمًا. لكن معظم المقترحات الخاصة بنقل هذه المعلومات إلى الجسيمات تبدو أكثر يأسًا ، حتى إلى حد الغش: يبدو أن الجسيمات تتعرف بطريقة ما على جميع بيانات الإدخال من مولدات الأرقام العشوائية وتستخدم هذه المعلومات للتنبؤ بإعدادات الكاشف المستقبلية.

لا أحد تقريبًا يعتبر هذا تفسيرًا جيدًا لتجارب التشابك ، لأنك لن تقبل تفسيرًا لتعريب الضوء على مصباح فلاش ، ينعكس من الأشكال المعقدة للتمثال. إن مثل هذه المحاولات تنتهك معاييرنا المعقولة في التفسير: آلية التشغيل المقترحة أكثر تعقيدًا بكثير من النتائج البسيطة التي يحاول شرحها.

في مثال التمثال ، سيكون الحل الواضح هو البحث عن حدود أبسط - ومضات - للحصول على أفضل تفسير. بالنسبة للتشابك الكمي ، المأخوذ من وجهة نظر ميكانيكا Lagrangian ، سيكون التفسير المعقول واضحًا تقريبًا. لا يؤثر على العمل التمهيدي المعقد مع إعدادات الكاشف ؛ ويتكون من إعدادات الكاشف المستقبلية.

توجد جسيمات متشابكة غامضة في المنطقة الضبابية من الزمكان في المستقبل ، وتشمل حدود هذه المنطقة تحضيرها واكتشافها بواسطة الكاشف. يتم تنفيذ الإعدادات التي اختارتها أليس وبوب ماديًا في أجهزة الكشف عند الحد النهائي - بالضبط حيث تخبرنا ميكانيكا لاغرانج عن البحث عن تفسيرات. نحتاج فقط إلى السماح للجسيمات بأن تقتصر على هذه الحدود في المستقبل ، ويظهر على الفور تفسير بسيط لتجارب التشابك. في هذه الحالة ، يمكن للمستقبل ، مع الماضي ، أن يفسر الملاحظات بشكل أفضل.

قد لا يكون التشابك الكمي اللغز الوحيد الذي يمكن حله من خلال النظر بجدية إلى المستقبل كتفسير. في الظواهر الكمومية الأخرى ، يمكن أيضًا العثور على تفسير أبسط يعمل في المكان والزمان البسيطين دون أي إجراء من مسافة بعيدة. من الممكن أن تتحول الاحتمالات في نظرية الكم إلى نفس الاحتمالات في أي مجال علمي آخر: موجودة بسبب معلمات غير معروفة لنا (لأن بعضها سيكون في المستقبل).

ستثير مثل هذه الدراسة أسئلة مهمة. إذا كان المستقبل يمكن أن يفرض قيودًا على الماضي ، فلماذا تقتصر العواقب على مستوى الكم؟ لماذا لا يمكننا استخدام الظواهر الكمومية لإرسال رسائل إلى الماضي؟ ما هو النطاق الذي تهيمن عليه القيود الكونية ، وكيف يمكن تعميم مقاربات لاغرانج حتى تعمل كلها؟

لا يمكن أن يساعد العثور على إجابات لها في الفيزياء فحسب ، بل أيضًا فهم أفضل لكيفية ملاءمتنا لكوننا رباعي الأبعاد. على سبيل المثال ، وفقًا لميكانيكا لاغرانج ، فإن التفاصيل الدقيقة لأي منطقة ليست محدودة تمامًا بحدود سابقة. على المستوى الذري للدماغ ، هناك قيود مهمة ولكنها غير معروفة في المستقبل. ربما يساعد هذا المنطق على فهم الإرادة الحرة ، مما يبرر كيف لم يتحدد الماضي بالكامل من قبل الماضي. سيتطلب منا هذا إعادة التفكير في فكرة وجود فرق بسيط وواضح بين الماضي الثابت والمستقبل المفتوح.

في كل مرة يجد فيها العلم تفسيراً أعمق وأبسط وأكثر إرضاءً ، أدى ذلك إلى سلسلة من الاكتشافات العلمية الأخرى. لذلك ، إذا كان هناك مستوى أعمق من الظواهر الكمومية لم نتقنها بعد ، فإن تطورها سيؤدي إلى اختراقات حرجة في عدد كبير من التقنيات التي تستخدم التأثيرات الكمية. لقد أعاقت الغرائز الخاطئة التقدم العلمي في الماضي ، وربما كانت غرائزنا المتعلقة بالوقت واحدة من أقوى الغرائز. ولكن هناك طريقة واضحة لتفسير أعمق أسرار الطبيعة ، إذا كان بإمكاننا فقط إجبار أنفسنا على النظر إلى المستقبل.

Source: https://habr.com/ru/post/ar396651/

More articles:


All Articles