كتاب "الموضة والإيمان والخيال والفيزياء الجديدة للكون"

مرحبا ، habrozhiteli! هل من الممكن التحدث عن الموضة أو الإيمان أو الخيال في العلوم الأساسية؟

الكون غير مهتم بالأزياء الإنسانية. من المستحيل تفسير العلم على أنه إيمان ، لأن الافتراضات العلمية تخضع باستمرار للتحقق التجريبي الصارم ويتم التخلص منها بمجرد أن تبدأ العقيدة في التعارض مع الواقع الموضوعي. والخيال يهمل عمومًا كل من الحقائق والمنطق. ومع ذلك ، فإن روجر بنروز العظيم لا يريد أن يرفض هذه الظواهر تمامًا ، لأن الموضة العلمية يمكن أن تتحول إلى محرك للتقدم ، ويظهر الإيمان عندما يتم تأكيد النظرية من خلال تجارب حقيقية ، وبدون هروب من الخيال لا يمكن للمرء فهم كل شذوذ الكون.

في فصل "الموضة" ، ستتعلم نظرية الأوتار - النظرية الأكثر عصرية في العقود الأخيرة. "الإيمان" مكرس للعقائد التي تقف عليها ميكانيكا الكم. و "الخيال" يشير إلى العديد من نظريات أصل الكون المعروف.

3.4. الانفجار الكبير المفارقة

أولاً ، نطرح مسألة الملاحظات. ما هو الدليل المباشر المؤيد لحقيقة أنه ما إن كان الكون الذي يمكن ملاحظته بالكامل في حالة مضغوطة للغاية وساخنة بدرجة لا تصدق ، بحيث كان يتسق مع صورة Big Bang المقدمة في القسم 3.1؟ والدليل الأكثر إقناعا هو تصوير الإشعاع (RI) ، الذي يسمى أحيانا انعكاس الانفجار الكبير. بقايا الإشعاع خفيفة ، ولكن بطول موجي طويل للغاية ، لذلك من المستحيل للغاية رؤيتها بالعينين. هذا الضوء يصب علينا من جميع الجهات بشكل استثنائي بالتساوي (ولكن في الغالب بشكل غير متجانس). إنه يمثل الإشعاع الحراري مع درجة حرارة تصل إلى 2.725 كلفن ، أي أكثر من درجتين فوق الصفر المطلق. يُعتقد أن "التوهج" المرصود نشأ في الكون الحار بشكل لا يصدق (حوالي 3000 كلفن في ذلك الوقت) بعد 379،000 عامًا تقريبًا من الانفجار الكبير - في وقت آخر تشتت ، عندما أصبح الكون شفافًا لأول مرة للإشعاع الكهرومغناطيسي (على الرغم من أن هذا لم يحدث على الإطلاق خلال البيج الانفجار ؛ يقع هذا الحدث في أول 1/40 000 من إجمالي عمر الكون - من الانفجار الكبير إلى يومنا هذا). منذ عصر الانتثار الأخير ، زاد طول هذه الموجات الضوئية تقريبًا بقدر اتساع الكون نفسه (حوالي 1100 مرة) ، بحيث انخفضت كثافة الطاقة بشكل كبير. لذلك ، فإن درجة الحرارة المرصودة لـ RI هي 2.725 K.

إن حقيقة أن هذا الإشعاع غير متماسك إلى حد كبير (أي حراري) يتم تأكيده بشكل مثير للإعجاب من خلال طبيعة طيف التردد الخاص به ، كما هو موضح في الشكل. 3.13. عموديًا ، يُظهر الرسم البياني شدة الإشعاع عند كل تردد محدد ، ويزداد التردد من اليسار إلى اليمين. يتوافق المنحنى المستمر مع طيف Planck لهيكل أسود تمامًا ، والذي تمت مناقشته في القسم 2.2 ، لدرجة حرارة تبلغ 2.725 K. والنقاط على المنحنى هي بيانات ملاحظات محددة تشير إلى أشرطة الخطأ. في الوقت نفسه ، يتم زيادة أشرطة الخطأ بمقدار 500 مرة ، وإلا فسيكون من المستحيل النظر إليها ، حتى على اليمين ، حيث تصل الأخطاء إلى الحد الأقصى. إن المصادفة بين المنحنى النظري ونتائج الملاحظات رائعة بكل بساطة - ربما هذا هو أفضل مصادفة مع الطيف الحراري الموجود في الطبيعة.


ومع ذلك ، ماذا تشير هذه الصدفة؟ حقيقة أننا نفكر في حالة ، على ما يبدو ، كانت قريبة جدًا من التوازن الديناميكي الحراري (لذلك ، تم استخدام المصطلح غير المتماسك سابقًا). ولكن ما الذي يستنتج من حقيقة أن الكون المكتشف حديثًا كان قريبًا جدًا من التوازن الديناميكي الحراري؟ العودة إلى التين. 3.12 من القسم 3.3. أكبر مساحة بها قسم حبيبات خشنة (بحكم التعريف) ستكون أكبر بكثير من أي منطقة أخرى ، وكقاعدة عامة ، فهي كبيرة جدًا مقارنة بالباقي إلى حد أنها ستتجاوز جميعها في الحجم بشكل كبير! التوازن الديناميكي الحراري يتوافق مع حالة ماكروسكوبية ، والتي من المفترض أن أي نظام سوف يأتي عاجلاً أم آجلاً. في بعض الأحيان يطلق عليه الموت الحراري للكون ، ولكن في هذه الحالة ، بشكل غريب ، يجب أن نتحدث عن الولادة الحرارية للكون. الوضع معقد بسبب حقيقة أن الكون الوليد كان يتوسع بسرعة ، وبالتالي فإن الحالة التي نفكر فيها هي في الواقع لا شيء. ومع ذلك ، يمكن اعتبار التوسع في هذه الحالة ثابتًا في الأساس - في الوقت الحالي ، قدّر تولمان تمام التقدير مرة أخرى في عام 1934 [تولمان ، 1934]. وهذا يعني أن الكون أثناء التمدد لم يتغير. (هناك موقف مشابه لهذا الموقف ، عندما يتم الحفاظ على التوازن الديناميكي الحراري بسبب التوسع الأديابي ، يمكن وصفه في مساحة الطور كمجموعة من المناطق ذات الحبيبات الخشنة متساوية في الحجم ، والتي تختلف عن بعضها البعض فقط في مجلدات معينة من الكون. يمكننا افتراض أن الحالة القصوى كانت مميزة لهذه الحالة الأولية. الكون - على الرغم من التوسع!).

على ما يبدو ، نحن نواجه مفارقة استثنائية. وفقًا للحجج المقدمة في القسم 3.3 ، يشترط القانون الثاني (وهذا ، من حيث المبدأ ، هذا ما يفسره) أن يكون الانفجار الكبير حالة عيانية ذات انتروبيا منخفضة للغاية. ومع ذلك ، فإن ملاحظات RI ، على ما يبدو ، تشير إلى أن الحالة العيانية للبيغ بانغ كانت تتميز بانتروبيا هائلة ، وربما حتى الحد الأقصى الممكن. أين نحن مخطئون للغاية؟

فيما يلي أحد التفسيرات الشائعة لهذا التناقض: من المفترض أنه نظرًا لأن الكون الوليد كان "صغيرًا" ، يمكن أن يوجد حد معين من الإنتروبيا القصوى ، وحالة التوازن الديناميكي الحراري ، والتي ، على ما يبدو ، تم الحفاظ عليها في ذلك الوقت ، كانت مجرد مستوى حد الانتروبيا ممكن في ذلك الوقت. ومع ذلك ، هذه هي الإجابة الخاطئة. يمكن أن تتوافق مثل هذه الصورة مع موقف مختلف تمامًا تعتمد فيه أبعاد الكون على بعض القيود الخارجية ، على سبيل المثال ، كما في حالة الغاز ، وهو محاط بأسطوانة بمكبس مغلق. في هذه الحالة ، يتم توفير ضغط المكبس بواسطة آلية خارجية ، وهي مجهزة بمصدر خارجي (أو مخرج) للطاقة. لكن هذا الموقف لا ينطبق على الكون ككل ، حيث يتم تحديد شكله الهندسي وطاقته ، وكذلك "الحجم الكلي" ، حصريًا بواسطة البنية الداخلية ويتم التحكم فيهما بواسطة المعادلات الديناميكية لنظرية النسبية العامة لآينشتاين (بما في ذلك المعادلات التي تصف حالة المادة ؛ انظر القسمين 3.1 و 3.2). في ظل هذه الظروف (عندما تكون المعادلات حتمية وثابتة تمامًا فيما يتعلق بالاتجاه الزمني - راجع القسم 3.3) ، لا يمكن تغيير الحجم الكلي لمساحة الطور بمرور الوقت. من المفترض أن فضاء المرحلة P نفسه يجب ألا "يتطور"! يوصف كل تطور ببساطة عن طريق موقع المنحنى C في الفضاء P وفي هذه الحالة يمثل التطور الكامل للكون (انظر القسم 3.3).


ربما تصبح المشكلة أكثر وضوحًا إذا أخذنا في الاعتبار المراحل المتأخرة من انهيار الكون وهو يقترب من الانهيار العظيم. أذكر نموذج فريدمان لـ K> 0 ، Λ = 0 ، الموضح في الشكل. 3.2 أ في القسم 3.1. الآن نعتقد أن الاضطرابات في هذا النموذج تنشأ بسبب التوزيع غير المنتظم للمادة ، وقد حدثت الانهيارات المحلية بالفعل في بعض الأجزاء ، حيث بقيت الثقوب السوداء. بعد ذلك ، ينبغي افتراض أنه بعد ذلك ستندمج بعض الثقوب السوداء مع بعضها البعض وأن هذا الانهيار إلى تفرد محدود سيصبح عملية معقدة للغاية لا علاقة لها تقريبًا بالتحطم الكبير المتماثل تمامًا لنموذج فريدمان المتماثل تمامًا الموضح في الشكل. 3.6 أ. على العكس من ذلك ، بمعنى نوعي ، فإن حالة الانهيار سوف تكون أكثر تذكرًا بمشماش غرانديوز الموضح في الشكل. 3.14 أ ؛ قد يكون التفرد الناتج في هذه الحالة متوافقًا إلى حد ما مع فرضية BKLM المذكورة في نهاية القسم 3.2. سيكون لحالة الانهيار النهائية إنتروبيا لا يمكن تصورها ، على الرغم من حقيقة أن الكون سوف يتقلص مرة أخرى إلى أحجام صغيرة. على الرغم من أن هذا النموذج بالتحديد (مغلق مكانيًا) يعيد إنتاج نموذج فريدمان الذي لا يعتبر الآن نسخة معقولة لتمثيل الكون الخاص بنا ، إلا أن نفس الاعتبارات تنطبق على نماذج فريدمان الأخرى ، مع أو بدون ثابت فلكي. إن الانهيار المتنوع لأي نموذج من هذا القبيل ، الذي يعاني من اضطرابات مماثلة بسبب التوزيع غير المتكافئ للمادة ، مرة أخرى ، يجب أن يتحول إلى فوضى مستهلكة بالكامل ، وشخصية مثل الثقب الأسود (الشكل 3.14 ب). بعودة عقارب الساعة إلى الوراء في كل من هذه الحالات ، وصلنا إلى التفرد المبدئي المحتمل (الانفجار الكبير المحتمل) ، والذي ، وفقًا لذلك ، لديه إنتروبيا هائلة ، وهو ما يتناقض مع الافتراض المقدم هنا حول "سقف" الانتروبيا (الشكل 3.14 ج).

هنا يجب أن أنتقل إلى إمكانيات بديلة ، والتي يتم النظر فيها أيضًا في بعض الأحيان. يقترح بعض المنظرين أن القانون الثاني يجب أن ينعكس بطريقة أو بأخرى في مثل هذه النماذج المنهارة ، بحيث تصبح الكون الكلي للكون أصغر (بعد التوسع الأقصى) مع اقتراب Big Crash. ومع ذلك ، يصعب بشكل خاص تخيل مثل هذه الصورة في وجود ثقوب سوداء ، والتي إذا تم تشكيلها ، فإنها ستعمل على زيادة الانتروبيا (بسبب عدم تناسق الوقت في ترتيب صفر مخروط بالقرب من أفق الحدث ، انظر الشكل 3.9). سيستمر هذا في المستقبل البعيد - على الأقل حتى تتبخر الثقوب السوداء تحت تأثير آلية هوكينج (انظر القسمين 3.7 و 4.3). في أي حال ، فإن هذا الاحتمال لا ينفي الحجج المقدمة هنا. هناك مشكلة مهمة أخرى مرتبطة بمثل هذه النماذج المعقدة المنهارة والتي ربما يكون القراء قد فكروا فيها: قد لا تظهر خصائص الثقوب السوداء على الإطلاق في الوقت نفسه ، لذلك عندما ينقضي الوقت ، لن نحصل على الانفجار الكبير ، الذي يحدث "الكل و على الفور ". ومع ذلك ، فهذه واحدة من الخصائص (لم تثبت بعد ، لكنها مقنعة) لفرضية الرقابة الكونية القوية [Penrose، 1998a؛ PKR ، القسم 28.8] ، والذي بموجبه في الحالة العامة سيكون مثل هذا التفرد مثل الفضاء (القسم 1.7) ، وبالتالي يمكن اعتباره حدثًا لمرة واحدة. علاوة على ذلك ، بصرف النظر عن صحة فرضية الرقابة الكونية القوية نفسها ، من المعروف أن العديد من الحلول ترضي هذا الشرط ، وجميع هذه الخيارات (عند توسيع نطاقها) سيكون لها قيم إنتروبيا عالية نسبيًا. هذا يقلل بدرجة كبيرة من درجة القلق حول صحة نتائجنا.

وفقًا لذلك ، لا نجد دليلًا على أنه ، نظرًا للأبعاد المكانية الصغيرة للكون ، هناك "سقف منخفض" معين للإنتروبيا المحتملة فيه. من حيث المبدأ ، فإن تراكم المادة في شكل ثقوب سوداء ودمج مفردات "الثقب الأسود" في فوضى مفردة هي عملية تتفق تمامًا مع القانون الثاني ، وينبغي أن تكون هذه العملية النهائية مصحوبة بزيادة هائلة في الانتروبيا. يمكن أن يكون للحالة النهائية للكون "الصغير" وفقًا للمعايير الهندسية ، إنتروبيا لا يمكن تصورها ، أعلى بكثير مما كانت عليه في المراحل المبكرة نسبيًا لهذا النموذج الكوني المنهار ، ولا يؤسس المصغر المكاني بحد ذاته "سقفًا" للحد الأقصى لقيمة الكون ، على الرغم من أن هذا "السقف" (بحد ذاته) عند عكس مرور الوقت) يمكن أن يفسر فقط سبب كون إنتروبيا صغيرة للغاية خلال الانفجار الكبير. في الواقع ، فإن مثل هذه الصورة (الشكل 3.14 أ ، ب) ، والتي توضح بشكل عام انهيار الكون ، تشير إلى فكرة مفارقة: لماذا كان لدى الانفجار الكبير انتروبيا منخفضة للغاية مقارنة بما يمكن أن يكون ، على الرغم من حقيقة أن الانفجار الساخنة (ومثل هذه الحالة يجب أن يكون أقصى إنتروبيا). تكمن الإجابة في حقيقة أن الانتروبيا يمكن أن تزيد بشكل جذري إذا تم السماح بانحرافات خطيرة عن التجانس المكاني ، ويرتبط أكبر زيادة من هذا النوع مع عدم التماثل الناجم بالضبط عن ظهور الثقوب السوداء. وبالتالي ، فإن الانفجار الكبير المتجانس من الناحية المكانية يمكن أن يكون ، في الواقع نسبياً ، إنتروبيا منخفضة بشكل لا يصدق ، على الرغم من أن محتوياته كانت ساخنة بدرجة لا تصدق.

أحد الأدلة الأكثر إقناعًا المؤيدة لحقيقة أن الانفجار الكبير كان متجانسًا تمامًا من وجهة نظر مكانية ، وهو في توافق جيد مع هندسة نموذج FLRU (ولكن ليس بالاتفاق مع الحالة العامة الأكثر شيوعًا للخصوصية الفوضى ، الموضحة في الشكل 3.14 ج) ، ري ، ولكن هذه المرة مع تجانسها الزاوي ، وليس مع الطبيعة الديناميكية الحرارية. يتجلى هذا التوحيد في حقيقة أن درجة حرارة الإشعاع هي نفسها تقريباً في أي مكان في السماء ، وأن الانحرافات عن التوحيد لا تزيد عن 10-5 (معدلة لتأثير دوبلر الصغير المرتبط بحركتنا عبر المادة المحيطة). بالإضافة إلى ذلك ، هناك توحيد عالمي تقريبًا في توزيع المجرات وغيرها من المواد ؛ وبالتالي ، يتميز توزيع الباريونات (انظر القسم 1.3) على نطاق واسع بما فيه الكفاية بتجانس كبير ، على الرغم من وجود حالات شذوذ ملحوظة ، لا سيما ما يسمى الفراغات ، حيث تكون كثافة المادة المرئية أقل جذريًا من المتوسط. بشكل عام ، يمكن القول أن التجانس أعلى ، والأبعد في ماضي الكون الذي ننظر إليه ، و RI هو أقدم دليل على توزيع المادة ، والتي يمكننا ملاحظتها مباشرة.

تتوافق هذه الصورة مع وجهة النظر التي بموجبها ، في المراحل المبكرة من التطور ، كان الكون متجانسًا للغاية بالفعل ، لكن بكثافة غير منتظمة قليلاً. بمرور الوقت (وتحت تأثير أنواع مختلفة من "الاحتكاك" - العمليات التي تبطئ الحركات النسبية) ، تضخمت هذه المخالفات في الكثافة تحت تأثير الجاذبية ، وهو ما يتسق مع فكرة التكتل التدريجي للمادة. بمرور الوقت ، يزيد التكتل ، نتيجة لذلك ، تتشكل النجوم ؛ يتم تجميعها في مجرات ، في وسط كل منها يتكون ثقب أسود ضخم. في نهاية المطاف ، هذا التكتل يرجع إلى التأثير الحتمي للجاذبية. ترتبط مثل هذه العمليات فعليًا بزيادة قوية في الانتروبيا وتُظهر أنه ، مع الأخذ في الاعتبار الجاذبية ، فإن تلك الكرة اللامعة الساطعة ، والتي لا يزال منها فقط RI اليوم ، يمكن أن يكون بعيدًا عن أقصى قدر من الانتروبيا. الطبيعة الحرارية لهذه الكرة ، كما يتضح من طيف بلانك الموضح في الشكل. 3.13 ، يتحدث فقط عن هذا: إذا نظرنا إلى الكون (في عصر الانتثار الأخير) ببساطة كنظام يتكون من المادة والطاقة تتفاعل مع بعضها البعض ، ثم يمكننا أن نفترض أنه كان في الواقع في توازن الديناميكا الحرارية. ومع ذلك ، إذا تم أخذ تأثيرات الجاذبية في الاعتبار ، فإن الصورة تتغير بشكل كبير.


إذا تخيلنا ، على سبيل المثال ، الغاز في حاوية محكمة الإغلاق ، فمن الطبيعي أن نفترض أنه سيصل إلى أقصى قدر من الإنتروبيا في تلك الحالة العيانية عندما يتم توزيعه بالتساوي في جميع أنحاء الحاوية (الشكل 3.15 أ). في هذا الصدد ، سوف يشبه الكرة الساخنة الحارة التي تولدت RI ، والتي يتم توزيعها بالتساوي في جميع أنحاء السماء. ومع ذلك ، إذا استبدلنا جزيئات الغاز بنظام مكثف من الأجسام المتصلة بالجاذبية ، على سبيل المثال ، النجوم الفردية ، فستحصل على صورة مختلفة تمامًا (الشكل 3.15 ب). بسبب التأثيرات الجاذبية ، يتم توزيع النجوم بشكل غير متساو في شكل مجموعات. في نهاية المطاف ، سيتم تحقيق أكبر الانتروبيا عندما تنهار العديد من النجوم أو تندمج في الثقوب السوداء. على الرغم من حقيقة أن هذه العملية قد تستغرق الكثير من الوقت (على الرغم من أنه سيتم الترويج لها عن طريق الاحتكاك بسبب وجود الغاز بين النجوم) ، سنرى أنه في النهاية ، عندما تهيمن الجاذبية ، تكون الإنتروبيا أعلى ، والأقل توزيعًا للمادة الموجودة في النظام.

يمكن تتبع هذه الآثار حتى على مستوى التجربة اليومية. يمكن طرح سؤال: ما هو دور القانون الثاني في الحفاظ على الحياة على الأرض؟ يمكنك أن تسمع غالبًا أننا نعيش على هذا الكوكب بفضل الطاقة المتلقاة من الشمس. لكن هذا ليس بيانًا صحيحًا تمامًا ، إذا نظرنا إلى الأرض ككل ، نظرًا لأن كل الطاقة التي حصلت عليها الأرض تقريبًا خلال النهار سرعان ما تختفي مرة أخرى إلى الفضاء ، في سماء الليل المظلمة. (بالطبع ، سيتم ضبط التوازن الدقيق بشكل طفيف تحت تأثير عوامل مثل الاحتباس الحراري وارتفاع درجة حرارة الكوكب تحت تأثير التحلل الإشعاعي.) وإلا ، ستسخن الأرض أكثر فأكثر وتصبح غير مأهولة بالسكان في غضون أيام قليلة! ومع ذلك ، فإن الفوتونات المستقبلة مباشرة من الشمس لها تردد مرتفع نسبيًا (تتركز في الجزء الأصفر من الطيف) ، وتطلق الأرض فوتونات أقل ترددًا تتعلق بطيف الأشعة تحت الحمراء إلى الفضاء. وفقًا لمعادلة بلانك (E = hν ، انظر القسم 2.2) ، تتمتع كل من الفوتونات بشكل منفصل عن الشمس بقدرة أعلى بكثير من الفوتونات المنبعثة في الفضاء ، وبالتالي لتحقيق توازن ، يجب أن تغادر الأرض فوتونات أكثر بكثير من وصولها (انظر الشكل 3.16). في حالة وصول عدد أقل من الفوتونات ، ستكون الطاقة الواردة أقل من الحرية ، وستحصل الطاقة الصادرة على المزيد ، وبالتالي ، وفقًا لمعادلة بولتزمان (S = k log V) ، سيكون للفوتونات الواردة إنتروبيا أقل بكثير من الطاقة الخارجة. نحن نستخدم الطاقة منخفضة الانتروبيا الموجودة في النباتات لخفض الانتروبيا الخاصة بنا: نحن نأكل النباتات أو الحيوانات العاشبة. لذلك يتم الحفاظ على الحياة على الأرض وتزدهر. (من الواضح أن هذه الأفكار صاغها إروين شرودنجر أولاً في عام 1967 ، الذي كتب كتابه الثوري "الحياة كما هي" [شرودنجر ، 2012]).


الحقيقة الأكثر أهمية المرتبطة بهذا التوازن المنخفض في الكون هي: الشمس هي نقطة ساخنة في سماء مظلمة تمامًا. ولكن كيف هي هذه الظروف؟ , . ., , . , ( , ) , .

, , -, 85 % (-Λ) , , . , (. 3.6, 3.7, 3.9, , , . 4.3). , . , , , .

— — . , , , . , , , , : - . () , , -, . , , , , - !

, . , , (. . 3.15 ). 3.6. , , : - ( - K 0, . 3.1) . , , .

»
» المحتويات
» مقتطفات

25% — New Science

عند دفع النسخة الورقية من الكتاب ، يتم إرسال كتاب إلكتروني عبر البريد الإلكتروني.