https://dzen.ru/a/ZmpzdVmkLh5jLSDQ?from_site=mail
Пятое измерение может объяснить квантовую теорию
9 минут
3456 прочтений
13 июня 2024
Оглавление
Мы знаем, что у Вселенной есть четыре измерения, но почему только четыре? Почему не пять?
Теоретики струн утверждают, что у Вселенной много измерений: 10, 11 или 26, но все, кроме четырёх, свернуты настолько малы, что мы не можем их обнаружить.
Но я не об этом. Я говорю о реальной пятой размерности, такой же большой и несвернутой, как и остальные четыре.
Идея, что у Вселенной может быть пятое измерение, появилась вскоре после осознания, что у Вселенной есть четыре измерения. В 1919 году, всего через четыре года после публикации Эйнштейном своей теории общей относительности, учёный по имени Калюца предложил эту идею и отправил свою статью самому Эйнштейну, который был в восторге. Причина его восторга станет ясна позже, но суть была в том, что Калюца должен был объяснить, почему пятое измерение может существовать, оставаясь невидимым.
В конце концов, если мы с вами договоримся встретиться где-то во Вселенной, мне нужно будет дать вам только три числа (например, широта, долгота и высота) и время. Мне не нужно указывать место встречи в пятом измерении. Мне не нужно говорить: да, встретимся на пересечении пятого и вяза, на четвёртом этаже, в фойе в 3 часа дня во вторник и, кстати, убедитесь, что вы находитесь в девятом подземном мире.
Объяснение Калюцы, почему мы не можем видеть пятое измерение, заключалось в предположении, которое он назвал цилиндричностью. Идея проста: мы не видим это пятое измерение, потому что всё в нём совершенно одинаково. Это как прямоугольный хлеб. Если вам нужен только ломтик, неважно, где вы его нарежете. Он всегда будет одинаковым.
Все считали эту идею неразумной, и поэтому позже появился учёный по имени Клейн, который сказал: нет, измерение не одинаково, оно просто свернуто очень маленьким. Позже теоретики струн развили теорию, известную как теория Калюцы-Клейна, и описали свою теорию всего.
Но что, если Калюца был прав? Что, если у Вселенной действительно есть пятое измерение, где всё одинаково? Но что, если не совсем одинаково?
Ниже приведены некоторые следствия существования пятого измерения.
Основная идея заключается в том, что у Вселенной есть пятое измерение, но мы обычно не можем его обнаружить не потому, что всё совершенно одинаково, а потому что, когда мы проводим измерения, мы воспринимаем либо среднее значение, либо случайное значение.
Если это так, это означало бы, что, вместо того чтобы быть случайной, квантовая механика является просто результатом классического движения в значительной степени невидимом измерении.
Рассмотрим аналогию: представьте себе запечатанную коробку с газом. Коробка с газом находится в равновесии, поэтому её состояние не меняется со временем. Когда мы помещаем в коробку барометр или термометр, они всегда показывают одно и то же значение, например, 1 атмосфера и 20 градусов Цельсия. Тем не менее, все отдельные молекулы газа в коробке постоянно движутся. Так что это состояние изменяется во времени, но мы не можем это воспринять, потому что мы слишком крупные, чтобы измерить средние значения, которые никогда не меняются.
То же самое в квантовой механике. Наша вселенная изменяется не только во времени, но и в этом пятом измерении.
В отличие от времени, где энтропия всегда увеличивается, в пятом измерении энтропия, мера беспорядка или информации, по существу постоянна. Эта постоянная энтропия делает движение в этом измерении невидимым. Я могу проиллюстрировать это следующим образом:
Мысленный эксперимент:
Предположим, мы хотим создать часы, которые могут измерять изменения в пятом измерении. Эти часы никогда не изменяются во времени. Они разработаны для изменения только в этом другом измерении, которое я назову квантовым измерением.
Все часы работают на основе какого-то процесса выполнения работы, то есть превращения потенциальной энергии в кинетическую, например, падающий камень или вода, вращающаяся планета, разматывающаяся пружина или распадающийся радиоактивный атом. Кажется, что мы могли бы аналогичным образом определить изменение в квантовом измерении через подобное преобразование.
В своей статье я ввожу нечто аналогичное кинетической энергии в этом измерении (основываясь на работах Калловэя), и это необходимый компонент для работы всей квантовой физики. Таким образом, мы можем настроить часы на основе некоторого квантового поля, которое мы подготовим и будем готовы измерить на основе его изменения в этой форме кинетической энергии.
Теперь часы зависят от одного другого принципа, а именно увеличения энтропии. Это более тонкий вопрос, но для записи прохождения времени мы должны знать время в как минимум двух точках: в прошлом и настоящем. Для этого часы должны выполнять полезную работу, что требует некоторого потока энергии и увеличения энтропии. (Это называется потоком свободной энергии.) Это обеспечивает направленность часов, отличающую прошлое от настоящего. Без этого все моменты времени были бы по существу одинаково друг для друга прошлым и будущим.
Здесь часы действительно не работают для квантового измерения. Вы были бы столь же вероятны забрать один тик, как и добавить его в любой данный момент, и поэтому количество тиков, которое у вас останется, было бы случайным и, в среднем, равно нулю.
Другой способ думать о пятом измерении — это представлять его как время, потому что мы движемся через него (в отличие от пространства, где мы можем свободно перемещаться посредством ускорений), но у него нет стрелы, в отличие от времени. Стрела времени позволяет нам её воспринимать. Нет стрелы. Нет прошлого. Нет будущего. Есть только сейчас.
Один из способов избежать этого — рассматривать наш поток в квантовом измерении и времени вместе и создать гибридные часы, которые меняются во времени. Можем ли мы тогда различить изменения в квантовом измерении и во времени? Возможно.
Броуновское движение — хорошая аналогия.
Единственный способ, которым мы можем осознавать это измерение сейчас, — это квантовые измерения, которые воспринимают индивидуальные флуктуации, постоянно происходящие в этом измерении. Это не средние значения, а измерения случайностей.
Это похоже на наблюдение броуновского движения, вибрации крошечных объектов в газах и жидкостях. Броуновское движение обычно невидимо для нас, за исключением случаев, когда мы смотрим на очень маленькие объекты под микроскопом. Тогда оно становится видимым через вибрации, например, пыльцы, постоянно бомбардируемой молекулами жидкости вокруг неё.
Таким образом, наблюдая поведение квантовых эффектов, таких как отдельные частицы света или электроны, мы можем осознавать это измерение, но мы не можем непосредственно воспринимать наш поток через него.
Вы можете создать нечто вроде часов из броуновского движения. Просто положите кусочек пыльцы в точку и запишите, где вы его положили. Затем со временем он будет следовать так называемому случайному блужданию. В среднем он пройдет расстояние, пропорциональное квадратному корню из прошедшего времени. Пока жидкость находится в равновесии, вы нет, и вы можете это наблюдать и записывать. Можем ли мы сделать то же самое в квантовой механике? Возможно.
Рассматриваемая через призму пятого измерения, квантовая физика больше не кажется загадочной или странной. Все странные эффекты квантовой физики, такие как её способность быть множеством вещей, а затем внезапно становиться одной вещью при наблюдении (интерпретация квантового измерения) и её нелокальная природа, могут быть объяснены как классическое движение через пятое измерение.
Таким образом, Калюца мог быть прав с самого начала, но ошибся в том, что не связал своё открытие с квантовой физикой. Скорее, его теория является классическим пределом квантовой версии теории.
Больше причин любить Калюцу без Клейна.
Есть ещё больше причин любить идею Калюцы, потому что если объединить пятое измерение с общей теорией относительности Эйнштейна о пространстве и времени, то получится теория, в которой общая теория относительности в пяти измерениях равна общей теории относительности в четырёх измерениях и электромагнетизму. Это означает, что электромагнетизм — это гравитация в пятом измерении. Вы также получите скалярное поле (поле, представляющее собой одно число в каждой точке), с которым вы можете выбрать, что делать. Калюца просто предположил, что оно постоянно.
Если сделать строгое предположение о цилиндричности, как это сделал Калюца, вы получите именно эти две силы, но если немного ослабить это предположение, вы также можете показать, что сама материя — это просто вариации кривизны пространства-времени в пятом измерении. Это означает, что нет реальной материи, есть только геометрия пространства-времени.
Пол Вессон был главным сторонником этой идеи до своей смерти. (Он также предположил, что другое измерение/скалярное поле отвечает за массу.) Основная идея заключается в том, что нам не нужна материя, если мы предполагаем пятое измерение. Нам нужна только теория Эйнштейна в вакууме. (Эта теория не объясняет многие квантовые явления, такие как калибровочные силы, поэтому она неполная.)
Подход Вессона был строго классическим, тогда как мой — это полностью квантовая теория (хотя и не теория всего). Таким образом, он объясняет пятое измерение как не только ответственное за электромагнетизм и материю, но и за квантовую физику и все странные явления, которые мы наблюдаем в этой теории.
Как мы можем быть уверены?
Будет ли пятое измерение реальным или нет, зависит от того, можем ли мы отклониться от стандартной теории при его наблюдении. Одно из отличий, например, может быть в наблюдении процессов, которые ведут себя по-разному в зависимости от того, текут ли они в измерении или ведут себя случайным образом. Эта идея называется эргодичностью.
Эргодичность — это модный термин для эквивалентности усреднения физического процесса во времени и усреднения по его конфигурационному пространству, пространству всех возможных расположений, скажем, набора молекул в коробке с газом. Коробка молекул считается эргодичной, потому что за бесконечное количество времени будет достигнута каждая возможная конфигурация.
Если система имеет конфигурации, которые не могут быть достигнуты, даже за бесконечное количество времени, мы говорим, что она не эргодична. Если квантовая теория — это поток в пятом измерении, тогда любые неэргодичные квантовые системы будут отличаться от стандартной квантовой теории, потому что стандартная квантовая теория основана на усреднении по конфигурационному пространству.
Другая возможность заключается в том, что даже если вся материя и силы эргодичны, некоторые из них могут не иметь так называемого термодинамического предела, то есть их стандартная квантовая теория просто не существует. Это может быть случай с гравитацией. В этом случае теория гравитации как поток в пятом измерении может существовать, в то время как её стандартная квантовая теория не существует. Стивен Хокинг столкнулся с этой проблемой в своей теории термодинамики чёрных дыр. Термодинамический предел чёрных дыр не существует в стандартной статистической теории, но он существует как поток во времени.
В любом случае, если мы движемся через пятое измерение, но не осознаём этого, это не обязательно означает, что мы не можем влиять на наше движение через него. Эйнштейн показал, например, что мы можем изменить наше движение во времени, ускоряясь или приближаясь к сильно гравитирующим объектам, таким как нейтронные звёзды или чёрные дыры. Мы не можем сделать разворот во времени, но можем несколько на него повлиять. Это пятое измерение может быть аналогично, в этом случае, его открытие и изучение способов его манипуляции может открыть широкий спектр научных и инженерных возможностей, которые четыре измерения просто не предлагают.
Линейный вид
