كتاب "الكون. أصل الحياة ومعنى وجودنا والكون الواسع "

يشرح الفيزيائي الشهير شون كارول بأسلوبه المميز الرائع المبادئ التي تكمن وراء الثورات العلمية من داروين إلى أينشتاين ، ويوضح كيف غيرت الاكتشافات العلمية المذهلة للقرن الماضي عالمنا.

ما هي الحياة والموت ، ما هو مكاننا في هذا الكون ، وكيف يعمل العالم على المستوى الكوني والكوني والبشري ، وكيف ترتبط القيم الإنسانية العالمية بالعلم. لقد مرت أربعة عشر مليار سنة منذ الانفجار العظيم ، تمتلئ المنطقة المرصودة من الفضاء بمئات المليارات من المجرات ، وتحتوي كل مجرة ​​على متوسط ​​مائة مليار نجم. الإنسان مخلوق صغير غير واضح. مقارنة بالكون ، الإنسان أصغر من الذرة مقارنة بالأرض.

نحن صغيرون ، الكون عظيم. وليس لدينا تعليمات لمعرفته. ومع ذلك ، تعلمنا بشكل مدهش الكثير عن كيفية ترتيب كل شيء بالضبط.


قررنا مشاركة مقتطف من الكتاب:

الأمر الذي نتألف منه

نظرية المجال الكمي هي جهاز علمي قوي بشكل لا يصدق. إذا كان من الممكن تخيل أن إطار أي نظرية فيزيائية يمكن أن يولد من اتحاد Godzilla و Hulk ، فسيكون الأمر متعلقًا بنظرية المجال الكمي بدقة.

إن كلمة "قوية" لا تعني "غبار مدن بأكملها". (على الرغم من أن نظرية المجال الكمي هي من هذا القبيل ، لأنها فقط تسمح للمرء أن يصف كيف يتحول جسيم إلى آخر ، وهذه العملية هي أهم جانب من التفاعلات النووية ، وبالتالي الأسلحة الذرية.) في سياق النظريات العلمية ، تعني "قوية" في الواقع "صارمة" "- وفقًا لنظرية قوية حقًا ، لا يمكن أن تحدث أشياء كثيرة. القوة التي نتحدث عنها هنا هي القدرة على البدء بالحد الأدنى من المباني والتوصل إلى استنتاجات يمكن الاعتماد عليها وقابلة للتطبيق على نطاق واسع. لا تهدم نظرية المجال الكمي المباني التي تأتي في طريقها ؛ إنه يدمر تخميناتنا حول الظواهر الممكنة في الواقع المادي.
الآن سنقدم بيانًا جريئًا للغاية.

بيان: القوانين الفيزيائية الكامنة وراء الواقع اليومي معروفة تمامًا.

مثل هذا البيان يتسبب على الفور في قدر لا بأس به من الشك. إنه وقح ، متعجرف ، ويبدو أنه من الممكن أن نتصور ما يمكن أن تكون صورتنا للعالم غير مكتملة بشكل محبط. يتذكر مثل هذا البيان بشكل مؤلم العديد من الأمثلة التاريخية ، عندما تفاخر مفكر عظيم بأن طريق المعرفة الشاملة يقترب من نهايته. في كل مرة ، كانت هذه التصريحات سابقة لأوانها بشكل مثير للسخرية.

ومع ذلك ، فإننا نقول أننا لا نعرف جميع قوانين الفيزياء ، ولكن فقط مجموعة محدودة منها ، كافية لوصف كل ما يحدث في حياتنا اليومية. حتى هذه الصياغة تبدو متشائمة للغاية. بالتأكيد يجب أن تكون هناك فرص عديدة لإضافة جزيئات وتفاعلات جديدة إلى النظرية الأساسية ، والتي قد تكون مهمة للفيزياء اليومية ، ولهذه المسألة ، لاكتشاف ظواهر جديدة تمامًا تتجاوز نطاق نظرية المجال الكمومي. صحيح؟

لا. الوضع الآن مختلف في الواقع عن كل ما كان في أي وقت مضى في تاريخ العلم. ليس لدينا فقط نظرية ناجحة ، ولكننا نعرف أيضًا إلى أي مدى يمكن أن تنتشر هذه النظرية قبل الشك. نعم ، مجرد نظرية المجال الكمي قوية للغاية.

* * *

يعتمد بياننا الجريء على المنطق البسيط.

1. كل ما نعرفه يشير إلى أن نظرية المجال الكمي هي أداة مناسبة لوصف فيزياء الحياة اليومية.
2. تشير قوانين نظرية المجال الكمي إلى أنه لا يمكن اكتشاف أي جزيئات أو قوى أو تفاعلات جديدة تكون ضرورية لحياتنا اليومية. لقد فتحناها جميعًا بالفعل.

هل يمكن أن تفشل نظرية المجال الكمي في مكان ما؟ بالطبع. بصفتنا بايز جيدين ، تعلمنا تمامًا أنه من الأفضل عدم إبطال الاحتمال الذاتي ، حتى في الحالات الأكثر تطرفًا. على وجه الخصوص ، قد لا تكون نظرية المجال الكمي قادرة على وصف السلوك البشري بشكل كامل ، لأن الفيزياء قد لا تكون مناسبة لذلك. يمكن أن يحدث تدخل معجزي ، أو نوعًا من الظاهرة غير المادية في البداية التي تؤثر على خصائص المادة المادية. لن يستبعد أي تقدم علمي مثل هذا الاحتمال. لكن يمكننا أن نبين أن الفيزياء في حد ذاتها كافية تمامًا لوصف كل ما نراه.

خاص ( ) , . , , :

1) ,
2) ,
3) .

, , , () — , . , , , , , .
, , , .

* * *

, , , , - .

-, , , , - . , , , . , , , . , .

نحن نعلم أنه في الفيزياء لا توجد جزيئات ومجالات جديدة تلعب دورًا مهمًا في الحياة اليومية. هذا يرجع إلى خاصية رئيسية لنظرية المجال الكمومي ، ما يسمى التماثل المتقاطع . تساعد هذه الظاهرة المدهشة في التأكد من عدم وجود بعض أنواع الجسيمات ، وإلا كنا قد وجدناها بالفعل. من حيث المبدأ ، يكون التناظر المتقاطع كما يلي: إذا كان أحد الحقول يمكن أن يتفاعل مع حقل آخر (على سبيل المثال ، يتبدد عند ملامسته) ، فإن المجال الثاني في ظل ظروف مناسبة يمكن أن ينتج جزيئات الحقل الأول. يمكننا القول أنه على مستوى نظرية المجال الكمومي ، فإن هذا المبدأ مماثل للقانون "كل فعل هو رد فعل".

ضع في اعتبارك جزءًا جديدًا من X ، والذي يمكننا أن نفترض أنه يسبب تأثيرات دقيقة ولكنها مهمة في عالم الحياة اليومية - على سبيل المثال ، يسمح لك بثني الملاعق بقوة الفكر أو مصدر للوعي على هذا النحو. في هذه الحالة ، يجب أن يتفاعل الجسيم X بشكل مباشر أو غير مباشر مع الجسيمات العادية ، مثل الكواركات والإلكترونات. إذا لم يحدث هذا ، فلن يكون له بأي حال تأثير على العالم الذي نلاحظه بشكل مباشر.

يتم تصور تفاعلات الجسيمات في نظرية المجال الكمي بمساعدة صور جميلة تسمى مخططات Feynman. , X , - Y. : X , Y .


, : , , — , X . , , , 90 , , , . .


في النظرية الميدانية ، يتوافق كل جسيم مع الجسيم المضاد الخاص به ، والذي له شحنة كهربائية معاكسة. يسمى الجسيم المضاد للإلكترون "بوزيترون" ، وله شحنة موجبة. وفقًا للتناظر المتقاطع ، فإن الظاهرة الأولى ، ارتداد الجسيم X من الإلكترون ، تشير إلى أن هناك ظاهرة مماثلة يهلك فيها الإلكترون مع البوزيترون ونتيجة لذلك يتم إنشاء جسيمنا X ، بالإضافة إلى جسيمه المضاد.

. , . 1989 2000 - ( ). , , . ; , , — . . , .

* * *

وقد تم نفس الشيء لتصادم البروتونات مع البروتونات المضادة ، وجربت تركيبات أخرى مختلفة. الحكم لا لبس فيه: لقد اكتشفنا جميع الجسيمات الأولية التي تسمح لنا فقط باكتشاف أحدث تقنياتنا. لا يترك التناظر المتقاطع أي شك في أنه إذا نجحت بعض الجسيمات الأخرى التي تتفاعل مع المادة العادية بما يكفي للتأثير على المادة العادية ، فإن هذه الجسيمات قد نشأت بسهولة في التجارب. لكن لا شيء من هذا القبيل يحدث.

ربما لم نجد بعد جسيمات أولية جديدة. هم فقط لا يؤثرون على العالم اليومي. حقيقة أننا لم نجد حتى الآن مثل هذه الجسيمات ، في حد ذاتها ، تخبرنا الكثير عن الخصائص التي يجب أن تمتلكها ؛ هذه هي قوة نظرية المجال الكمي. أي جسيم لم نعثر عليه بعد يجب أن يحتوي على إحدى الميزات التالية:

1) يجب أن يتفاعل بشكل ضعيف جدًا مع المادة العادية بحيث لا تتشكل هذه الجسيمات تقريبًا أبدًا ، أو
2) يمكن أن يكون ضخمًا للغاية ، وبالتالي يمكن أن يتشكل فقط في التصادمات مثل هذه الطاقات العالية ، والتي لا يمكن تحقيقها حتى في أفضل مسرعاتنا ، أو
3) يمكن أن تكون قصيرة العمر للغاية ، لدرجة أنه بعد تشكلها للتو ، تتحلل على الفور إلى جسيمات أخرى.

- , , .

يُعتقد أن مجموعة أخرى من الجسيمات التي لم يتم اكتشافها بعد قد تكون موجودة ، ومن هذه الجسيمات تتكون المادة المظلمة. كان الفلكيون الذين يدرسون حركات النجوم والمجرات ، وكذلك الهيكل الواسع للكون ، مقتنعين بأن معظم المادة "مظلمة" ، أي أنها تتكون من بعض الجسيمات الجديدة التي لا تتعلق بالنظرية الأساسية. يجب أن تكون جزيئات المادة المظلمة متينة بما فيه الكفاية ، وإلا لكانت قد تحللت منذ فترة طويلة. لكنهم لا يستطيعون التفاعل بقوة كافية مع المادة العادية ، لأنه بخلاف ذلك كان من الممكن اكتشافهم لفترة طويلة في إحدى التجارب العديدة المصممة لاكتشاف المادة المظلمة - يقوم الفيزيائيون بإجراء مثل هذه التجارب في الوقت الحالي. مهما كانت المادة المظلمة ، فهي بالتأكيد لا تجعل الطقس هنا على الأرض - لا علاقة لها بالبيولوجيا أو الوعي أو الحياة البشرية.

* * *

. , , , , : . , , — , , , . .

السبب الرئيسي في أهمية الجاذبية هو كما يلي. هذه قوة طويلة المدى تتراكم: كلما زادت المادة التي لدينا تأثير الجاذبية ، كلما كان هذا التأثير أقوى. (قد لا يتم ملاحظة مثل هذا النمط ، على سبيل المثال ، بالنسبة للمغناطيسية الكهرومغناطيسية ، نظرًا لأن الشحنات الموجبة والسالبة صفرية ، وتزداد الجاذبية دائمًا فقط.) الجاذبية.

, «» - : , , ? « ». .

يتم تبسيط البحث عن تفاعلات جديدة إلى حد كبير نظرًا لأن الأشياء العادية تتكون من ثلاثة أنواع فقط من الجسيمات: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. ميزة أخرى لنظرية المجال الكمومي هي أنها لا تسمح بتأثيرات "تشغيل" و "إيقاف" للجسيمات الفردية ؛ الحقول المقابلة لها لا تختفي. من الممكن توليد قوى ميكروسكوبية عن طريق الجمع بين الشحنات الإيجابية والسلبية بشكل صحيح ، على سبيل المثال في مغناطيس كهربائي ، ولكن حقول الجسيمات موجودة دائمًا. لذا ، تحتاج إلى البحث عن التفاعلات بين جزيئات هذه الأنواع الثلاثة. يفعل الفيزيائيون ذلك بالضبط: لقد أجروا تجارب دقيقة لا تشوبها شائبة ، حيث تقترب أجسام مختلفة التكوين من بعضها البعض أولاً ثم تنتقل مرة أخرى ؛ في نفس الوقت ، يبحثون عن أي تلميح لأي تأثير لا علاقة له بقوى الطبيعة المعروفة.

تم عرض النتائج التي تم الحصول عليها حتى عام 2015 بشكل تخطيطي في الشكل التالي. أي تفاعلات محتملة بين نوعين معينين من الجسيمات لها معلمتان رقميتان: قوة هذا التفاعل والمسافة التي يشعر بها. (الجاذبية والكهرومغناطيسية هي قوى "بعيدة المدى" تمتد مسافات غير محدودة تقريبًا ؛ منطقة تأثير التفاعلات النووية الضعيفة والقوية صغيرة جدًا - أقل من حجم الذرة.) من الأسهل قياس القوى القوية والبعيدة المدى. لقد استبعدنا بالفعل وجود مثل هذه التفاعلات غير المكتشفة.


, — , , , — . , « », , . , , . , , — , . .

هنا ، في الواقع اليومي ، في عالم الناس والمنازل والسيارات ، قمنا بفهرسة جميع الجسيمات والقوى والتفاعلات التي يمكن أن يكون لها تأثير ملحوظ على أي شيء. هذا إنجاز فكري هائل يمكن للجنس البشري أن يفتخر به.

»يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول الكتاب على موقع الناشر.

بالنسبة لقراء هذه المدونة ، خصم 25 ٪ على القسيمة - Universe