Квантовое поле, другие измерения.
В последние годы среди мистически настроенных мошенников и честных, но малообразованных людей, всё нарастающую популярность приобретают наукообразные термины. Такие как переход в другое измерение, информационно-волновые технологии, полевые структуры, всевозможные поля – информационные, торсионные и прочие.
Новейшее веяние – квантовое поле. Пишут о нём неумные малограмотные люди, у которых каша в голове. Они не имеют ни малейшего понятия о квантовой теории поля, но при этом пишут о квантовом поле. Пишут всякую ахинею. Ведь они даже о классических полях ничего толком не знают, не говоря уже о квантованных полях.
Приведу несколько примеров этого идиотизма.
Маразм 1. «Душа – летописец, который ведёт список завершенных и незавершенных дел каждого человека в Божественном разуме, этой вездесущей субстанции, которую древние называли «хрониками Акаши» и которая на самом деле есть пространство. Сегодня вместо этого термина мы используем гораздо более сложный – квантовое поле. Это духовное наименование Божественного разума».
Из соображений «политкорректности» ссылку не дам, но любознательный читатель с помощью Google или другой системы поиска найдёт все интересующие его ссылки самостоятельно.
А неучи физики даже не подозревали, что квантовая теория поля имеет дело с божественным разумом!
Маразм 2. «То, что называется «потоком ци» (а физики, возможно, называли бы «универсальным потоком энергии» или «квантовым полем»), не имеет ни начала, ни конца».
Ещё один сюрприз для физиков! Оказывается, квантовая теория поля изучает ци!
Маразм 3. «Квантовое поле — это просто другое название поля чистого сознания и чистой потенциальности».
Маразм крепчал. Оказывается, квантовая теория поля изучает не только ци, но и чистое сознание, а также и чистую потенциальность! Господа маразматики, вы знаете, что такое потенциальность? А что такое чистая потенциальность? Чем она отличается от грязной потенциальности?
Маразм 4. «Система человека тело/разум – выражение того же квантового поля»
Эта авторша, не имеющая никакого понятия о квантовании поля, договорилась до связи квантованного поля – математического объекта – с придуманной ею системой тело/разум! Да ещё наплела чепухи о принципе неопределённости, о котором у неё тоже нет ни малейшего понятия. Вероятно, она даже не знает, кто такой Вернер Гейзенберг, чьим именем назван принцип неопределённости.
Квантование поля – это математическая операция, поэтому она никак не затрагивает реальное поле. Квантованное поле – это математический, а не реальный объект. Сейчас вместо слов «квантованное поле» иногда говорят «квантовое поле», но суть от этого не меняется. Это всего лишь абстракция, математический способ описания реального поля.
И вот некие придурки заявляют, что этот математический объект, оказывается, является Божественным разумом, полем чистого сознания и чистой потенциальности. Сами они понимают, что говорят?
Раньше мне было смешно читать упомянутую выше белиберду, а теперь становится не до смеха, поскольку эта зараза разрослась настолько, что употреблять маразматические словечки начали даже некоторые уважаемые мною люди с гуманитарным образованием. Обычно они делают это в связи с экстрасенсорными способностями и прочими чудесами. «Попала в другое измерение», – пишет иная писательница, не понимая, что это выражение глупо.
Вот и появилось у меня желание хотя бы немного просветить таких уважаемых людей в предельно понятной форме.
Многомерные пространства заинтересовали физиков приблизительно в начале двадцатого века. Например, в памятном нам 1917 году известный физик Пауль Эренфест выпустил статью, в которой обратил внимание на тот факт, что в четырехмерном пространстве орбиты планет неустойчивы. Я говорю только о пространственных измерениях, а не о времени.
Даже если бы планеты каким-то чудом образовались вокруг звезды в четырехмерном пространстве, они быстро упали бы не неё.
Кстати недавно математические физики Соединённого Королевства доказали, что в пространстве размерности пять и более черные дыры тоже нестабильны.
Наше пространство трёхмерное! И никаких других измерений больше нет, кроме свёрнутых, о которых речь пойдёт ниже.
Через пару лет Теодор Калуца попытался объединить в единой теории электромагнитные и гравитационные силы. Для этого он ввёл пятое измерение в дополнение к трём пространственным и одному временному измерению. Это пятое измерение было чисто формальным, без всякого физического смысла. Но впоследствии это пятое измерение пытались интерпретировать как «свёрнутое» или «свернувшееся».
В наше время теоретики ломают мозги над суперструнами, в которых много свёрнутых измерений. Свёрнутые измерения могут существовать лишь в ничтожно малых объёмах, в которых жизнь невозможна. Там не поместятся даже вирусы.
Все эти теории имеют сложный математический аппарат, разобраться в котором не каждый способен.
Кстати, математики – это такие странные люди, которые порой измышляют чудовищные вещи.
Например, вы можете представить себе пространство, в котором расстояние от точки А до точки Б не равно обратному расстоянию от точки Б до точки А? Такое хитрое пространство может выдумать только математик.
Эти чудики уже навыдумывали столько всякой несуразицы, что сам чёрт мозги сломит.
Конечно, современная физика не может объяснить некоторые чудеса. Не помогает даже мудрёная математика.
Поэтому простор для фантазии у писателей и мошенников остаётся огромный. Но нельзя же дурить малограмотных людей терминами, смысла которых сам не понимаешь.
Душу надо называть душой, а не информационной матрицей, полевой структурой или другими псевдонаучными кличками. Употребляйте не наукообразные, а нормальные термины – «тонкий мир», «потусторонний мир», «мир духов», «тот свет».
С чисто математической точки зрения параллельные пространства могут существовать, причём размерность их может быть любой. Если пространства одномерные, то это параллельные прямые. Если пространства двумерные, то это параллельные плоскости. Но жизнь ни в линии, ни в плоскости невозможна.
Параллельные пространства могут быть четырёхмерными, пятимерными и так далее. Но жизнь в таких пространствах тоже невозможна, как показывают несложные физические расчёты.
Остаётся только один вариант – трёхмерные пространства. Теоретически возможен переход из одного трёхмерного мира (пространства) в другой мир, тоже трёхмерный.
Теперь о «переходе в другое измерение».
Предположим, в нашем трёхмерном пространстве есть плоскость, в которой живут странные существа плоскатики.
Если плоскатик выйдет из своей плоскости, означает ли это, что он вышел в другое измерение? Он как был в нашем трёхмерном пространстве, так и остался.
По аналогии можно сказать, что если кроме наших трёх измерений существуют другие измерения, то мы находимся в этом многомерном пространстве, хотя ограничены рамками своего трёхмерного пространства.
Если даже существует четвёртое пространственное измерение, то находящиеся в таком четырёхмерном мире трёхмерные миры должны быть изолированы друг от друга, поскольку, как уже говорилось выше, жизнь в четырёхмерном мире невозможна.
Подобные миры называются бранами в М-теории.
Брана – это объект меньшей размерности, чем размерность пространства, в котором он находится.
Но М-теория создана для описания микромира. А параллельные миры могут существовать и в макромире. Например, наша Вселенная может иметь четыре пространственных измерения или больше, но находящиеся в ней миры должны быть трёхмерными, иначе в них не будет никакой жизни.
Вероятно, иногда происходят переходы из одного трёхмерного параллельного мира в другой. Тогда происходят те самые чудеса, которые невозможно объяснить другим способом.
Люди и вещи пропадают, а из параллельного мира к нам являются неведомые нам люди или знакомые, которые попали в параллельный мир несколько часов или лет назад, а потом случайно вернулись.
Что такое квантовое поле?
В физике мы регулярно говорим о полях: магнитном поле, электрическом поле, гравитационном поле. В более общем плане можно даже говорить о «квантовых полях», которые используются в квантовой физике для описания мира.
В классической физике, или ньютоновской физике, мы говорим о частицах. Протоны, электроны, все это частицы. Их можно рассматривать как маленькие шарики элементарной материи, из которых состоят все материалы, которые мы видим.
Эта модель хорошо работает на многих вещах, но и она не все объясняет. Она не объясняет, например, как частицы могут мешать друг другу.
Считается, что эти элементы обладают двойственностью волны-частицы, хотя это не удобная концепция для работы: если считать, что это частица, часть теории не сработает. И наоборот, если нужно рассматривать частицу как волну, то могут быть применены только определенные уравнения.
В физике это недопустимо: уравнение должно применяться в любое время и в любом месте.
Понятие квантовых полей
Помимо проблемы физической реальности элементарных частиц, необходимо изучить, как они взаимодействуют.
Понятие поля в математике
Возьмите двух- или трехмерный ориентир что угодно. Визуализируйте точку в этом ориентире, любую. Сопоставьте с этой точкой значение, любое. Сделайте то же самое для другого пункта, затем другого. Фактически, с каждой точкой в этой системе координат сопоставьте значение. Когда вы это сделали, у вас есть поле.
Поле представляет собой ориентир, к которому привязано значение для каждой точки.
Например: возьмите комнату, в которой вы находитесь, затем поместите начало координат (0; 0; 0) в один из углов. Теперь у каждого места в комнате есть координаты. Наконец, для каждого места в комнате укажите температуру в этой точке. Затем мы получаем карту температуры в вашей комнате: математически эта карта представляет собой поле: поле температуры.
К одной и той же точке могут быть привязаны несколько значений. В нашем примере, помимо температуры, можно связать атмосферное давление, влажность, чистоту воздуха, скорость выбросов CO2 и т.д. Тогда у нас есть ориентир с множеством полей.
У нас также может быть векторное поле, что позволяет связать вектор с любой точкой в пространстве. Например, если мы свяжем скорость ветра в этой точке с каждой точкой в пространстве, мы получим векторное поле.
Эти различные поля могут быть связаны: таким образом, вектор скорости или даже влажность в точке будут зависеть от давления и температуры воздуха в окружающих точках.
Эта работа является то, что делается в метеорологии: с помощью физических показаний (температура, давление, относительная влажность) можно определить, будет ли ветер, в каком направлении, или предсказать изменения относительной влажности, дождя, короче говоря, прогноз погоды в ближайшие часы или дни.
Реальная погода в том или ином месте может быть разбита на несколько параметров, смоделированных по полям: ветер, температура, давление, влажность и т. д.
Мы также можем ассоциировать тензоры с каждой точкой (более общий объект, чем скаляры и векторы).
Использование полей в физике
Теперь, если вы зажжете свечу в одном месте, температура будет очень высокой там, где находится пламя. Это будет учтено в температурном поле со значительно более высокими значениями температуры в координатах, где находится пламя свечи.
И наоборот, если вы посмотрите на температурную карту комнаты и увидите, что в определенном месте температура значительно повышается, вы можете сделать вывод, что кто-то зажег там свечу.
Точно так же, если вы видите, что эта температурная «аномалия» меняет координаты со временем, вы можете сделать вывод, что кто-то перемещает свечу по комнате.
Если эта температурная аномалия внезапно исчезает, значит, свеча погасла.
Это очень простой пример для изучения поля в соответствии с физическим параметром.
Вместо температуры мы можем взять значение электрического заряда в этом месте. Если мы поместим себя в абсолютный вакуум, мы заметим, что электрическое поле и магнитное поле равны нулю во всех точках. Если мы сейчас отправим фотон через вакуум, мы заметим возмущение, которое распространяется в электрическом и магнитном полях. Это возмущение соответствует фотону, пересекающему вакуум.
Концепция квантовых полей в квантовой физике
Выше, в нашем примере вакуума, через который проходит фотон, мы рассматриваем частицу, фотон, и моделируем его возмущением в электромагнитном поле.
Но что, если бы мы поступили наоборот? Если бы мы считали, что фотон в своем наиболее фундаментальном описании был только возмущением полей, и что мы моделировали это возмущение как частицу?
В квантовой физике в квантовой теории поля это то, что мы делаем: рассматриваем частицы уже не как маленькие конденсированные шарики материи, а как возмущения, присутствующие на поверхности квантового поля. В таком случае «маленькая частица» представляет собой упрощенное описание, которое предполагается более интуитивным.
В рамках квантовой теории поля Вселенная заполнена различными полями: электрическими, магнитными, гравитационными, и частице соответствует возбуждение на этих разных полях.
Например:
В квантовой физике мы работаем с такими вещами. Мы больше не говорим о частицах как о шарах материи, а как о точечных волнах: известных пакетах волн, возникающих через одно или несколько квантовых полей и реагирующих с ними.
В итоге
Подводя итог, мы можем видеть Вселенную как холст, заполненный разными слоями, соответствующими различным квантовым полям: электрическому полю, магнитному полю, гравитационному полю и т.д.
Поэтому каждая точка в этом пространстве характеризуется значением, соответствующим напряженности электрического, магнитного, гравитационного и т.д. поля в этой точке:
Схема электрического поля для электрона (отрицательного) и позитрона (положительного)
Данная частица, которая войдет в это пространство, изменит различные поля в соответствии со своими физическими параметрами (электрический заряд, масса…). Анализируя значения этих полей в данном месте, мы можем определить, какая частица только что пересекла это пространство.
Это то, что происходит в ускорителях частиц: наши теоретические модели предсказывают появление или существование определенных частиц, а целью является их фактическое обнаружение, для того, чтобы подтвердить теоретическую модель.
Взаимодействия между частицами соответствуют действию возмущения поля на другие возмущения того же поля или других полей, например, помехи.
Каждое взаимодействие одной частицы с другой соответствует передаче энергии от одного поля к другому. Возмущение электрического поля может передаваться магнитному, гравитационному и т.д. Когда пара частица-античастица аннигилирует, масса может быть преобразована в фотон, а значит, в электромагнитную энергию.
В целом энергия сохраняется, но она может переходить из одного поля в другое.
Разбираемся в физике частиц: 7) частицы – это кванты
Вот мы, наконец, и добрались до нашей цели: понять, что на самом деле представляют собой те штуки, что мы зовём «частицами», а именно – электроны, фотоны, кварки, глюоны и нейтрино. Всё, это, конечно же относится к современной науке. Стоит помнить, что в науке нет никаких гарантий того, что текущее понимание не будет в дальнейшем углублено.
Предыдущая статья описывала, что такое поля – объекты, обладающие значением в любой точке пространства и в любой момент времени (функции от пространства и времени), удовлетворяющие уравнению движения, и физически осмысленные в плане того, что они способны переносить энергию из одного места в другое и влиять на физические процессы Вселенной.
Мы узнали, что большинство знакомых нам полей описывают свойство среды, такой, как высота верёвки или давление в газе. Но также мы узнали, что в эйнштейновской теории относительности существует особый класс полей, релятивистские поля, не требующие среды. Или, по крайней мере, если у них и есть среда, она весьма необычная. Ничто в уравнениях поля не требует наличия какой-то среды и не говорит о том, какое свойство этой среды описывают релятивистские поля.
Так что пока мы будем рассматривать релятивистские поля как элементарные физические объекты вселенной, а не как определённые свойства неизвестной среды. Будет ли среди физиков поддерживаться такая точка зрения и дальше – покажет время.
Мы рассматривали два класса релятивистских полей, и теперь мы изучим их чуть подробнее. Они удовлетворяют либо уравнению движения Класса 0, где cw = c (где c – универсальный предел скорости, часто называемый «скоростью света»).
Или уравнениям движения Класса 1, где cw=c
В предыдущей статье показано, что μ – минимальная частота волны в таких полях. В этой статье мы будем обозначать её νmin.
Почему универсальный предел скорости часто называют скоростью света? Волны с уравнением класса 0 перемещаются со скоростью cw. Свет (общий термин, обозначающий электромагнитные волны любой частоты), перемещаясь через пустое пространство, удовлетворяет релятивистскому уравнению класса 0, поэтому волны света (и волны любых релятивистских полей, удовлетворяющих релятивистскому уравнению класса 0) перемещаются со скоростью c.
Более того, в той же статье мы видели, что если у поля класса 1 есть волна с амплитудой А, частотой ν, длиной волны λ и равновесным состоянием Z0, то уравнение движения требует, чтобы частота и длина волны были связаны с величиной μ = νmin, появляющейся в уравнениях, формулой
Это пифагорова формула – её можно при желании представить в виде треугольника, как на рис. 1. Минимальная частота любой волны равна νmin, а присвоение ν = νmin (и, следовательно, при λ → ∞), соответствует сжатию треугольника до вертикальной линии (рис. 1, внизу). Также можно получить схожее соотношение класса 0, сделав μ = νmin нулевым. Потом можно извлечь квадратный корень, и получить
Это уже треугольник, сжатый до горизонтальной линии (рис. 1, справа). В этом случае минимальная частота равна нулю. Поле может колебаться как угодно медленно.
Рис. 1
На А никаких ограничений нет. Но это оттого, что мы игнорируем квантовую механику. Пришло время изучить релятивистские квантовые поля.
Релятивистские квантовые поля
Реальный мир – квантово-механический, поэтому амплитуда А не может быть любой. Она принимает дискретные значения, пропорциональные квадратному корню из n, неотрицательного целого числа, обозначающего количество квантов колебаний в волне. Хранящаяся в волне энергия равна
Где h – постоянная Планка, обязательно появляющаяся там, где квантовая механика имеет значение. Иначе говоря, энергия, связанная с каждым квантом колебаний, зависит только от частоты колебаний волны, и равна
Это соотношение впервые было предложено, конкретно для волн света, Эйнштейном в 1905 году, в его объяснении фотоэлектрического эффекта.
Выглядит знакомо. Мы уже знаем, что любой объект в эйнштейновской теории относительности должен удовлетворять уравнению, описывающему его энергию, импульс и массу:
Первое уравнение впервые появилось в работе Луи Де Бройля в 1924 году – почти через 20 лет после Эйнштейна. Почему это заняло так много времени? Я не знаю.
Рис. 2
Имеет ли это смысл? Как мы отмечали, в релятивистские поля класса 0 входят и электрические поля, а их волны – это электромагнитные волны, то есть, свет. Версия формулы (*), которую мы получаем для квантов класса 0, такая же, как для полей класса 1, у которых μ = νmin приравнивается к нулю – то есть, m = 0. Извлечём квадратный корень, и получим
Или Эйнштейновское уравнение для безмассовых частиц. А кванты электромагнитных волн (включая все виды света: видимый, ультрафиолет, инфракрасный, радиоволны, гамма-излучение, и т.п., отличающиеся только частотой, и, следовательно, энергией квантов) и правда будут безмассовыми частицами – как только мы применим указанную выше пару уравнений (**) и (***). Это фотоны.
Если мы хотим понять, откуда берётся масса частицы, нам нужно понять, что определяет νmin, и почему вообще существует минимальная частота. Для таких частиц, как электроны и кварки, это полностью неясно, но известно, что в этом важную роль играет поле Хиггса.
Заключим: частицы природы – это кванты релятивистских квантовых полей. Безмассовые частицы – это кванты волн полей, удовлетворяющих уравнению класса 0. Обладающие массой соответствуют полям уравнения класса 1. Всяких деталей существует множество, но этот факт – одно из основных фундаментальных свойств нашего мира.
Действительно ли эти кванты ведут себя как частицы?
Мы представляем себе частицы, как частички пыли или песчинки. Кванты в этом смысле частицами не являются – это волны, у которых для определённой частоты есть минимальные энергия и амплитуда. Но они ведут себя так похоже на частицы, что нас можно простить за использование слова «частица» в их описании. Посмотрим, почему так.
Если поднять волну в воде, и позволить ей пройти через камни, лежащие неглубоко под поверхностью, часть волны перейдёт линию камней, а часть отразится, как показано на рис. 3. То, какая именно часть волны перейдёт линию, зависит от формы камней, их близости к поверхности, и т.п. Но суть в том, что часть волны передаётся через камни, а часть отразится. Часть энергии волны пойдёт в том же направлении, часть пойдёт в обратном.
Рис. 3
Но если вы отправите один фотон в сторону отражающего стекла, этот фотон либо пройдёт сквозь него, либо отразится (рис. 4). Точнее сказать, если вы измерите поведение фотона, то узнаете, отразился он или передался. Если не измерите – невозможно будет сказать, что произошло. Добро пожаловать в болото квантовой механики. Фотон – это квант. Его энергию нельзя поделить на часть, которая прошла через стекло, и часть, которая отразилась – потому что тогда с каждой стороны будет меньше одного кванта, что запрещено. (Мелкий шрифт: стекло не меняет частоту фотона, поэтому энергию нельзя разделить между двумя или более квантами меньших частот). Так что фотон, хотя это и волна, ведёт себя как частица в этом случае. Он либо отражается от стекла, либо нет. Отражается он, или нет – этого квантовая механика не предсказывает. Она даёт только вероятность отражения. Но она предсказывает, что, что бы там ни произошло, фотон будет путешествовать как единое целое и сохранять свою идентичность.
Рис. 4
А что будет с двумя фотонами? Это зависит. К примеру, если фотоны испущены в разное время из разных мест, то наблюдатель увидит два кванта, разделённых в пространстве, и, вероятно, двигающихся в разных направлениях (рис. 5). У них могут быть и разные частоты.
Рис. 5: независимые кванты
В особом случае, когда два фотона испускаются совместно и идеально синхронно (как в лазерах), они ведут себя, как показано на рис. 6. Если мы отправим комбинацию из двух фотонов на стекло, то сможет случиться не две, а три вещи. Либо оба фотона пройдут через стекло, либо оба отразятся, либо один пройдёт, а другой отразится. От стекла отразятся 0, 1 или 2 фотона – других вариантов нет. В этом смысле кванты света опять ведут себя, как частицы, как маленькие мячики – если бросить два мяча в решётку, в которой есть отверстия, то от решётки смогут отразиться 0, 1 или 2 мяча, и через отверстия пройдут 0, 1 или 2 мяча. Не существует возможности, в которой от решётки отразится 1,538 мяча.
Рис. 6
Но это фотоны, которые, не имея массы, обязаны двигаться со скоростью света и E = p c. Что насчёт частиц с массой, вроде электронов? Электроны – это кванты электрического поля, и, как и фотоны, их можно испускать, поглощать, отражать или передавать как единое целое. У них есть определённые энергия и импульс, 
, где me — это масса электрона. Отличие электронов от фотонов в том, что они движутся медленнее света, поэтому могут и покоиться. Зарисовка такого события (в квантовой механике из-за принципа неопределённости ничто не может быть по-настоящему статичным) стационарного электрона дана на рис. 7. Это волна минимальной частоты, полученной присвоением длине волны очень большого, практически бесконечного, значения. Поэтому пространственная форма волны на рис. не демонстрирует никаких извилин – она просто колеблется во времени.
Рис. 7
Так что, да, на самом деле кванты ведут себя очень похоже на частицы, и потому называть электроны, кварки, нейтрино, фотоны, глюоны, W-частицы и частицы Хиггса «частицами» не будет катастрофическим обманом. Но слово «квант» подходит для этого лучше – потому что это именно кванты.
Чем фермионы и бозоны отличаются друг от друга
• Все элементарные частицы делятся на фермионы и бозоны.
• Фермионы (включая электроны, кварки и нейтрино) удовлетворяют принципу запрета Паули – два фермиона одного типа не могут делать одно и то же.
• Бозоны (включая фотоны, W и Z частицы, глюоны, гравитоны и частицы Хиггса) другие: два или более бозонов одного типа могут делать одно и то же.
Именно поэтому из фотонов можно делать лазеры – поскольку они бозоны, они могут находиться в одинаковом состоянии и порождать мощный луч одного света. Но лазер нельзя сделать из электронов, являющихся фермионами.
Как проявляет себя это различие на языке математики? Оказывается, что приводимые мною формулы подходят для бозонов, а для фермионов их нужно изменить – слегка, но с большими последствиями. Для бозонов у нас будет:
Что означает, что энергия каждого кванта равна h ν. Это подразумевает, что кванты-бозоны могут делать одно и то же; когда n больше 1, у бозонного поля волна будет состоять из нескольких квантов, колеблющихся и движущихся совместно. Но для фермионов:
Энергия одного кванта всё ещё равна h ν, так что всё обсуждение частиц и их энергий, импульса и масс остаётся в силе. Но количество квантов у электронной волны может равняться только 0 или 1. Десять электронов, в отличие от десяти фотонов, нельзя организовать в одну волну большей амплитуды. Поэтому не существует фермионных волн, состоящих из большого количества фермионов, колеблющихся и движущихся совместно.
