Le livre «Réalité irréelle. Parcourir la boucle quantique »

Salut, habrozhiteli! Qu'est-ce que le temps et l'espace? D'où vient la matière? Qu'est-ce que la réalité?
«Le principal paradoxe de la science est qu'en nous révélant une connaissance solide et fiable de la nature, elle change en même temps rapidement ses idées créées sur la réalité. Cette paradoxalité se reflète mieux dans le livre de Carlo Rovelli, qui est consacré au problème le plus aigu de la physique fondamentale moderne - la recherche de la théorie quantique de la gravité. La mention de ce nom a été entendue par beaucoup dans la série "The Big Bang Theory", mais il n'y avait presque nulle part où trouver la signification de la gravité de la boucle. Pendant ce temps, cette théorie est l'un des acteurs importants à la pointe de la physique fondamentale », a déclaré Alexander Sergeyev, co-fondateur, auteur de tâches et zavlab du projet Open Laboratory.

Extrait. Le temps n'est pas ce que nous en pensons

Le fait que la nature du temps soit différente des notions généralement acceptées que nous avons tous est devenu clair il y a plus d'un siècle. Les théories spéciales et générales de la relativité l'ont rendu évident. Aujourd'hui, l'insuffisance de nos notions quotidiennes du temps peut facilement être démontrée en laboratoire.

Considérez, par exemple, la première conséquence de la théorie générale de la relativité décrite au chapitre 3. Prenez deux heures, assurez-vous qu'ils montrent exactement la même heure, mettez-en certains sur le sol et d'autres sur la table. Nous allons attendre une demi-heure et les remettre à côté d'eux. Vont-ils toujours montrer en même temps?

Comme indiqué au chapitre 3, la réponse sera non. Les montres ordinaires ou celles intégrées dans un téléphone mobile n'ont pas la précision nécessaire pour vérifier ce fait. Cependant, les laboratoires physiques du monde entier ont des montres dont la précision peut démontrer la différence: l'horloge laissée au sol est plus lente que la même horloge ci-dessus.

Pourquoi? Parce que le temps ne coule pas également partout dans le monde. Dans certains endroits, son écoulement est plus rapide, dans d'autres - plus lent. Plus la Terre est proche, où la gravité [Potentiel de gravité - N.D.É. ] est plus forte, plus le temps s'écoule lentement. Rappelez-vous les jumeaux du chapitre 3, dont l'âge a commencé à différer en raison du fait que l'un vivait au bord de la mer et l'autre à la montagne? Cet effet est négligeable - le gain de temps gagné par un résident côtier au cours d'une vie par rapport à un alpiniste est une fraction de seconde, mais une si petite quantité ne change pas le fait qu'il s'agit d'une réelle différence. Le temps ne se comporte pas comme on a l'habitude d'imaginer.

Nous ne devons pas penser au temps comme s'il y avait quelque part de grandes horloges cosmiques qui mesurent la vie de l'univers. Depuis plus de 100 ans, nous savons que le temps doit être considéré comme un phénomène local: chaque objet dans l'Univers a son propre temps, dont le rythme est déterminé par le champ gravitationnel local.

Mais même cette idée de l'heure locale cesse de fonctionner lorsque nous prenons en compte la nature quantique du champ gravitationnel. Les événements quantiques sur l'échelle de Planck ne sont plus ordonnés par le passage du temps. Le temps, en un sens, cesse d'exister.

Que signifient les mots que le temps n'existe pas?

Tout d'abord, l'absence d'une variable temporaire dans les équations fondamentales ne signifie pas que tout devient immobile et que tout changement cesse de se produire. Au contraire, cela signifie que le changement est omniprésent. C'est juste que les processus élémentaires ne peuvent pas être ordonnés le long de la séquence habituelle des moments. À une échelle extrêmement réduite, correspondant aux quanta de l'espace, la danse de la nature n'obéit pas au rythme fixé par un bâton de chef d'orchestre pour tout l'orchestre: chaque processus danse indépendamment de ses voisins, suivant son propre rythme. Le passage du temps est une propriété interne du monde, il est né par le monde lui-même des relations entre les événements quantiques, qui sont le monde et qui génèrent eux-mêmes leur propre temps.

En fait, la non-existence du temps ne signifie rien de particulièrement compliqué. Essayons de comprendre cela.

Impulsion et lustre avec bougies

Le temps est inclus dans la plupart des équations de la physique classique. Il s'agit d'une variable désignée par la lettre t . Les équations nous indiquent comment les choses changent au fil du temps . Si nous savons ce qui s'est passé dans le passé, ils nous permettent de prédire l'avenir. Plus précisément, nous mesurons certaines quantités, par exemple la position A de l' objet, l'angle B de la déviation du pendule, la température C de l' objet et les équations physiques indiquent comment ces quantités vont changer dans le temps. Ils prédisent les fonctions A (t) , B (t) , C (t) , etc., qui décrivent les changements de ces quantités dans le temps t.

Galileo a été le premier à comprendre que le mouvement des objets sur terre peut être décrit par des équations comme des fonctions du temps A (t) , B (t) , C (t) , et le premier à écrire les formules de ces équations sous forme explicite. Par exemple, la première loi de la physique terrestre, découverte par Galileo, décrit la chute d'un objet, en d'autres termes, montre comment sa hauteur x change avec le passage du temps t [ - NDÉ .]

Pour découvrir et vérifier cette loi, Galileo avait besoin de deux types de mesures. Il a mesuré la hauteur x du sujet et le temps t . Par conséquent, il avait besoin d'un outil pour mesurer le temps - une horloge.

Il n'y avait pas de montre exacte au temps de Galilée. Galileo lui-même, dans sa jeunesse, a trouvé un moyen de fabriquer des chronomètres précis. Il a constaté que les vibrations du pendule ont toujours la même durée (quelle que soit l'amplitude). Par conséquent, vous pouvez mesurer le temps simplement en comptant l'oscillation du pendule. Cette idée semble si évidente, mais seul Galilée y a attiré l'attention, avant qu'elle ne soit venue à l'esprit de personne. Cela arrive souvent en science.

Mais en réalité, tout n'est pas si simple.

Selon la légende, cette idée a illuminé Galileo dans la majestueuse cathédrale de Pise, où il a observé les oscillations lentes d'un lustre géant avec des bougies. (La légende n'est pas vraie, car le lustre y a basculé pour la première fois plusieurs années après la mort de Galileo, mais l'histoire est toujours bonne. Et il est possible que quelque chose d'autre ait été accroché dans la cathédrale à cette époque.) Le scientifique a observé ces fluctuations pendant le service religieux dans lequel il n'était évidemment pas particulièrement absorbé, et mesurait la durée de chaque balancement du lustre, en comptant les coups de son propre pouls. Avec une excitation croissante, il a constaté que le nombre de coups était le même pour chaque balançoire - il ne changeait pas lorsque le lustre ralentissait et se balançait avec une amplitude insignifiante. Toutes les vibrations avaient la même durée.

Cette histoire semble merveilleuse, mais si vous y réfléchissez, elle provoque la confusion et cette perplexité nous amène à l'essence même du problème du temps. Comment Galileo a-t-il su que les battements de son propre pouls se produisent à intervalles de temps égaux [Surtout quand il a commencé à s'inquiéter ... - NDÉ .]?

Peu de temps après Galileo, les médecins ont commencé à mesurer le pouls de leurs patients à l'aide d'une montre qui, en fin de compte, n'était rien d'autre qu'un pendule. Il s'avère que nous avons utilisé le pouls pour nous assurer que le pendule oscille régulièrement, puis nous avons vérifié la constance du pouls à l'aide du pendule. Ne pensez-vous pas qu'il y a une sorte de cercle vicieux ici? Qu'est-ce que cela signifierait?

En fait, nous ne mesurons jamais le temps par lui-même, nous mesurons toujours les quantités physiques A , B , C ... (vibrations, impulsions et bien d'autres choses) et comparons une quantité avec une autre, c'est-à-dire que nous mesurons les fonctions A (B ) , B (C) , C (A) , etc. Nous pouvons calculer combien de battements de l'impulsion dans chaque oscillation, combien d'oscillations se produisent sur chaque tick du chronomètre, combien de ticks du chronomètre entre les battements de l'horloge de la tour ...

L'essentiel, c'est qu'il est commode pour nous d' imaginer qu'il existe une quantité t - «temps réel» - qui sous-tend tout mouvement, même si elle ne peut pas être mesurée directement. Nous écrivons des équations pour les variables physiques par rapport à cette quantité inobservable t - des équations qui nous indiquent comment les choses changent avec t : par exemple, combien de temps dure chaque oscillation et combien de temps le battement d'impulsion dure. De là, nous pouvons déduire comment les quantités changent les unes par rapport aux autres - combien de battements du pouls par une oscillation - et comparer ces prédictions avec ce que nous observons dans le monde. Si ces prédictions s'avèrent correctes, nous pensons que notre schéma complexe est correct, et en particulier l'utilité de la variable temporelle t , même si elle ne peut pas être directement mesurée.

En d'autres termes, l'existence d'une variable temporelle est une hypothèse commode et non le résultat d'observations.

Newton fut le premier à comprendre tout cela: il devina que c'était une approche efficace, clarifia et développa ce schéma. Newton écrit ouvertement dans son livre qu'il est impossible de mesurer le temps réel t , mais en supposant qu'il existe, une construction efficace est obtenue pour décrire la nature.

Après avoir clarifié ce point, nous pouvons revenir à la gravité quantique et au sens de l'affirmation selon laquelle «le temps n'existe pas». Cela signifie simplement que le schéma newtonien cesse de fonctionner lorsque nous traitons de très petites choses. Elle était bonne, mais seulement pour les grandes choses.

Si nous voulons acquérir une compréhension profonde du monde, si nous voulons comprendre comment il fonctionne dans des situations qui nous sont moins familières, dans lesquelles la gravité quantique devient significative, nous devrons abandonner ce schéma. L'idée du temps t , qui coule d'elle-même et par rapport à laquelle les choses évoluent, cesse d'être utile. Le monde n'est pas décrit par des équations d'évolution au temps t . Il suffit de lister les variables A , B , C , ... que l'on observe vraiment , et d'écrire les équations exprimant les relations entre ces variables et rien de plus: c'est-à-dire les équations des relations A (B) , B (C) , C ( A) , ... que nous observons, et non pour les fonctions A (t) , B (t) , C (t) , ... que nous n'observons pas .

Dans l'exemple avec une impulsion et un lustre, au lieu de l'impulsion et des oscillations du lustre au fil du temps, nous n'aurons que des équations qui décrivent comment les deux quantités correspondantes changent l'une par rapport à l'autre, c'est-à-dire une équation qui nous indique directement combien de battements cardiaques par impulsion balançoire d'un lustre sans mention t .

La «physique sans temps» est une physique dans laquelle nous ne parlons que du pouls et du lustre, sans parler du temps.

Il s'agit d'un simple changement, mais d'un point de vue conceptuel, il s'agit d'un énorme bond en avant. Nous devons apprendre à penser le monde non pas comme quelque chose qui change avec le temps, mais d'une autre manière. Les choses ne changent que les unes par rapport aux autres. À un niveau fondamental, le temps n'existe pas. Notre sens quotidien du passage du temps n'est qu'une approximation qui est vraie pour nos échelles macroscopiques. Elle découle du fait que nous percevons le monde sous une forme très grossière et à grain grossier.

Ainsi, le monde décrit par cette théorie est très loin de ce à quoi nous sommes habitués. Il n'y a plus l'espace que contient le monde et il n'y a plus de temps pendant lequel les événements ont lieu. Il existe des processus élémentaires dans lesquels les quanta d'espace et de matière interagissent continuellement les uns avec les autres. Cette image du monde peut être comparée à un lac alpin propre et calme, qui se compose d'une myriade de minuscules molécules d'eau dansant rapidement. L'illusion que nous sommes entourés d'un espace et d'un temps continus est le résultat de la vision de loin d'un essaim dense de processus élémentaires.

De l'auteur

Tout au long de ma carrière scientifique, des amis et des curieux m'ont demandé d'expliquer ce qui se passe dans le domaine de la recherche sur la gravité quantique. Comment arrivez-vous à trouver de nouvelles façons de comprendre l'espace et le temps? On m'a demandé à plusieurs reprises de parler de ces études sous une forme accessible. Bien qu'il existe de nombreux livres sur la cosmologie et la théorie des cordes, les livres qui décrivent des études sur la nature quantique de l'espace et du temps, ainsi que sur la gravité quantique en boucle, sont presque impossibles à trouver. J'ai longtemps hésité car je voulais me concentrer sur la recherche. Il y a plusieurs années, en achevant une monographie sur ce sujet, j'ai senti que le travail collectif de nombreux scientifiques a amené ce domaine de recherche au stade de la maturité quand il est devenu possible d'écrire un livre scientifique populaire. Le paysage que nous explorons est incroyable - cela vaut-il la peine de le cacher aux autres?

Mais j'ai continué à reporter le projet, car je ne pouvais pas «voir» le livre dans ma tête. Comment décrire un monde sans espace ni temps? En 2012, assis seul au volant sur une route de nuit de l'Italie à la France, j'ai soudain réalisé que la seule façon d'expliquer intelligiblement la constante modification des concepts d'espace et de temps est de raconter toute l'histoire depuis le tout début: des idées de Démocrite à la présentation sur les quanta d'espace. Au final, c'est comme ça que je comprends moi-même cette histoire. J'ai commencé à esquisser mentalement la structure du livre juste derrière le volant, de plus en plus excité, jusqu'à ce que j'entende la sirène de la police et la demande d'arrêter - j'ai dépassé de loin la vitesse autorisée. Le policier italien m'a poliment demandé si j'avais perdu la tête pour conduire à une telle vitesse. J'ai répondu que je venais de trouver l'idée que je cherchais depuis si longtemps; il ne m'a pas écrit d'amende et m'a souhaité bonne chance avec le nouveau livre. Ce livre est devant vous.

Le livre a été écrit à l'origine en italien et publié pour la première fois en 2014. Peu de temps après, j'ai préparé plusieurs articles sur la physique fondamentale pour un journal italien. Le célèbre éditeur italien Adelphi m'a commandé une version étendue de ces articles, qui est sortie sous forme de brochure. Un petit livre «Seven Short Lectures on Physics» est ainsi apparu, qui, à ma grande surprise, est devenu un best-seller international et est devenu une occasion de communication avec de nombreux lecteurs merveilleux du monde entier. Ainsi, les «sept conférences» ont été écrites après ce livre et, dans une certaine mesure, sont devenues une synthèse de certaines des questions abordées ici. Si vous avez déjà lu «Sept courtes conférences sur la physique» et que vous souhaitez en savoir plus afin de plonger encore plus profondément dans le monde étrange décrit dans ce livre, vous trouverez ici les détails nécessaires.

Malgré le fait que la physique traditionnelle soit présentée dans ce livre d'un point de vue plutôt inhabituel, cela ne provoque généralement pas de controverse. Cependant, cette partie du livre, qui traite de la recherche moderne sur la gravité quantique, reflète ma compréhension personnelle de l'état des connaissances sur ce sujet. Ce domaine de connaissance est à la frontière entre ce que nous comprenons et ce que nous ne comprenons toujours pas, nous sommes donc encore très loin de parvenir à un consensus sur les principales questions qui y sont liées. Certains de mes collègues physiciens seront d'accord avec ce que j'ai écrit dans ce livre, tandis que d'autres ne le seront pas. Il s'agit d'une situation courante pour les recherches actuelles menées aux frontières de nos connaissances, mais je préfère en parler clairement et ouvertement. Ce livre n'est pas sur ce dont nous sommes sûrs; ce livre raconte des aventures sur le chemin de l'inconnu.

En général, il s'agit d'un voyage dédié à l'une des aventures les plus impressionnantes qui ont frappé l'humanité: un voyage au-delà des limites de la vision paroissiale de la réalité pour une compréhension toujours plus profonde de la structure des choses. Et ce voyage incroyable au-delà de l'image ordinaire du monde est loin d'être terminé.

»Plus d'informations sur le livre sont disponibles sur le site Web de l'éditeur
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