Як змінюється фізика миру в ликі 100 літніх

А століття тому Альберт Ейнштейн був просто опублікований його революційною і новою теорією тяжіння, атомними нуклеями були повна таємниця, а квантова «теорія» була рядка кон'єкцій. Надпровідність, природа хімічного зв'язку, і джерело енергії зірочок переповнена кращими фізиками.

Поступово секрет став чітким: космологія Великого Bangа, чорні діри, кварки, глюони, тріумфометрія і його порушення, радіо, телебачення, масери, лазери, транзистори, ядерний магнітний резонанс, вибух мікроелектроніки і телекомунікацій, звичайно, ядерні бомби. Ми приїжджаємо до нас. Це безпечно сказати, що 100 років тому, ніхто навіть не міг приїхати до того, що сучасна фізика буде виглядати так.

Сьогодні ми маємо більш глибоке розуміння фізичного світу, що багато хто вважає, що є більш стабільною платформою для футурологічної спекуляції. Якщо ви кинути фізику з минулого 50 років попереду, він дуже скоро розбереться, і якщо 25 років, то ще швидше. Подумайте про те, що відбувається протягом 100 років, не так вже й не буде.

У будь-якому випадку, мислити про фізику в довгостроковій перспективі не означає точне прогнозування, як в бізнес-плані. Це не реальна мета. Це досить корисна вправа для навчання фантазії. Це призводить до питань, які можуть отримати цінні результати. Які слабкості в нашому поточному розумінні та практиці? Які межі технології та можливості? Де можна перекривати ці два питання?

Ці дослідження ведуть нас в двох основних напрямках. Однією з способів, в яких ми шукаємо, щоб поліпшити наше розуміння основ, є векторний напрямок. Ми шукаємо приховані зв’язки між різними аспектами світу, які здавалося б, відокремлені: надфіціально різні сили – сила та справа, питання та час, історія та право, інформація та дія, розум та справа. Ще одна зона, де ми використовуємо наші знання, спрямована на зростання. Ми збираємося значно розширити сенсорію людини. Ми розвиватимемо самовідновлення, самозбирання та самовідновлення машин, які продовжать розвиватися італійські комп’ютери та інженерні проекти. Розширені чисельні та квантові симулятори, які доповнять розуміння матерії, перетворять хімію, медицина та наука матеріалів – кікстарінг епохи квантового інтелекту. Митці та науковці будуть працювати разом, щоб одягнути красу в багатих нових формах.

Частина перша: гармонізація



У минулому багато найбільших досягнень стали об’єднаннями депаратів. Декартес пов'язаний алгебри і геометрія. Галіло і Ньютон з'єдналися естезіальні механіки і фізики землі. Maxwell комбінований електромагнетизм з оптики. Ейнштейн та Герман Мінковський комбінований простір та час.

Уже відомий і більш тонкий, але актуально сьогодні, є математична об'єднання Вільяма Рована Гамільтона механіки і оптики. На початку 1830-х рр. було чисто естетичне навантаження без нової фізики. Але через 50 років ідеї Гамільтону склали основу статистичної механіки, а через 100 років стали центральною частиною квантової теорії.

У кожному з цих історичних об’єднань, а також у кількох інших, сума була більшою, ніж сума її частин. Уніфікації було плідним, успішним, необхідним. У цьому світлі Френк Вілчек, лауреат Нобелівського лауреата, описує сім інших видів об’єднання, що він вірить збагачує фізику в наступному столітті.

Уніфікація I: силаУявіть шматочок паперу, що вирізається таким чином. Дивись нижче - він має 12 регулярних полонин, підключених до одного. Очевидно, що цей об'єкт повинен складатися в докедрон.

3610Р. 4200Р.



Припустимо, що злий дух відокремив частини незбираного додекадрона, щоб зробити наступний таємничий об'єкт.





Тепер визнаючи, що вона повинна бути складною. Більшість людей, які не думали багато про dodecahedrons останнім часом не знають, що це зробити. Але якщо ви думаєте про правильні органи і додекамедрони, ви можете зробити логічний ланцюг: "У нас є кулони, вони з'єднуються певним чином, тому вони можуть складатися в додекайдрон, але хтось відокремив його частини." Зняття буріанту. Зберігайте її в розумі.

Наша Центральна теорія — що багато хто називає Стандартну модель—включає сильні, слабкі і електромагнітні сили і описує величезну кількість фактів —важкі кількісні реалії про фізичний світ — в компактному комплекті рівнянь. Це буде важко перебільшити точність, потужність або краса цього набору. Але це не достатньо для фізиків. Саме тому ми підходимо до останнього слова природи, яке ми повинні судити, що ми бачимо на найвищому рівні.

З цієї точки зору Центральна теорія змушує нас бути краще. Він містить три математично схожі, але незалежні сили: міцні (які мають нуклеї разом), слабкі (які відповідають за радіоактивний дефіцит), а також електромагнітні. Гравітність – четверта сила, яка відрізняється від решти, до якої ми повернемо. У нашому точному описі природи ми хотіли б бачити лише одне правило, один принциповий принцип. Три (або чотири) більше одного, тому ми ще не були успішними.

Після того, як ми організуємо основні кварки і лептони в групи — відокремлюємо різні сили — маємо шість окремих груп, більше ніж ми хотіли б. Якщо ми зіткнулися з частковим виконанням додекадрону, з чимось відокремленим. Ми любимо все разом.

Математика можливої симетрії об'єктів в просторі дає нам лише п'ять різних платонових тіл: tetrahedron, куб, octahedron, icosahedron і dodecahedron. Це дозволяє нам думати, що dodecahedron є частиною більшої системи. Чи можна зробити щось схоже, щоб знайти приховану симетрію в рівняннях фундаментальної фізики?

Вимкнено ми можемо. У центральній теорії не існує багато симпатиків, які ідеально вписуються в центральну теорія, так само, як є не багато платонових органів. Ми можемо спробувати все і подивитися, як вони вписуються в систему. Після цього ми усвідомлюємо, що один кандидат відмінно поєднує в собі відомі частинки та сили. Якщо ми подовжуємо рівняння щодо нього, буде стільки симетрії, що всі відомі сили можуть трансформуватися в одну іншу, а також відомі частинки. Так ми маємо лише одну силу і одну речовину. Чудовий!

Ці сміливі ідеї вже призвели до успішних прогнозів. Вони зазначили існування крихітних, але незеро-масових мас нейтрино, після чого ці маси спостерігали експериментально. Вони також можуть забезпечити кількісне пояснення відносної міцності різних фундаментальних взаємодій.

Ця trinity of Success – об’єднання патч-патереру частинок матерії, прогнозування дрібних, але незеро нейтрино-масових мас і, умовно, кількісне пояснення відносних сил різних взаємодій (сильна, слабка і електромагнітна) – дуже вражає. Важко вірити це випадково.

Запропоноване об’єднання сил, однак, підвищує суттєві проблеми. Наші теорії визначення прогнозних подій та частинок, які ще не спостерігаються.

І це добре. Ми можемо самі зателефонувати одержувачу і узгодити зручний час і місце вручення квітів, а якщо необхідно, то збережемо сюрприз. Це також означає, що вони мають натуральний зміст - вони можуть бути "фальсифікованими." Ми можемо шукати ці нерозкриті частинки та події. Якщо вони спостерігали, ми дізнаємося щось нове про природу. Якщо ми не навчимося щось нове про себе, як ми були неправильними. Багато хто з нас знайома територія. Останнім часом, нейтрино, глуонові струмки, чарівні кварки, а частинки гіггі були ненаповнені обіцянки самої центральної теорії. Знайди їх відкриття воєдино торжестві Теорії.

Що відсутній протон декай. Поки не вдалося спостерігати, незважаючи на героїчні зусилля. Намагатися важко, дійсно. Теорія об'єднання передбачає, що після 100 років фізики будуть купатися в даних протонного розпаду і рефінішувати його найтонші точки.

Уніфікація II: сила та речовина159265 р.



Уніфікація сил, навіть в ідеальному варіанті, залишить нас двома великими царствами частинок. Технічно вони є справами бродіння і босонів. Поетично ми можемо називати їх справжньою справою (ферми) і рієм сил (босонів).

При появі, що фундаментальні рівняння мають властивість надсиметрії, ми виключаємо поділ. Суперсиметрія поширює глибоку симетрію між двома царствами.

Математичні трансформації надсиметрії найяскравіше описуються як рух у дивних нових розмірах: квантові розміри суперпростору. Коли частинка сили стрибає в суперпросторі, вона стає частинкою матерії. Неперевершено, коли частинка матерії стрибає в суперпросторі, вона стає силою частинки. Незважаючи на те, що багато властивостей, таких як електро- і колірний заряд, залишаються непристойними після операції, його масові зміни. Таким чином, наприклад, у нас є сильна (босонічна) версія електрона – селедон; аналогічно, кварки, photino, глюконіно та ін.

Чи можна ми подивимося на це суперпростору і дивись ці суперпартнери? Експериментери намагаються зробити це на великому Хадроновому Collider. На сьогоднішній день не виявлено гіпотетичних надпартнів, але спроби їх знайти продовжуються. При цьому засмагляють непрямі прояви, пов'язані з об'єднанням сил. Ми можемо підбити їх у парі іконових образів:









Поєднання сил вимагає, щоб базова сила цих сил була рівною. Як ми зараз бачимо, це не так. Можливо, ця нерівність обумовлена низькою роздільною здатністю наших зондів. На його основі більшість основних сил розмиті квантовими коливаннями — особливо коливання квантових рідин, які створюють та знищують частинки. Ми можемо розрахувати наслідки таких коливань. Для роботи цього плану я отримав Нобелівську премію. Якщо ми враховуємо відомі частинки, ми знайдемо, що вони не призводять до точного об’єднання сил. Але якщо ми додаємо до ерозії їх гіпотетичних надучасників, сили будуть з'являтися ідеально.

Гравітність занадто фокусується. Оскільки він взаємодіє між елементарними частинками при звичайних енергій, тяжіння абсурдно слабкіше, ніж інші взаємодії. Але тяжкість безпосередньо несе відповідальність за енергію, і ми знайдемо, що якщо ми екстраполювати її поведінку до екстремальних енергій, де інші три сили об'єднуються, вага має порівняну силу.

Цей приголомшливий успіх, який відповідає нашим першим двом уніфікацій, не може бути випадковим. З цією метою я думаю, що ми побачимо суперсиметричні партнери протягом 100 років. Їх вивчення відкриє новий золотий вік для фізики частинок.

Уніфікація III: Space and Matter р.



Приблизну рівність сили гранати з силою інших сил є потужним аргументом для необхідності єдиної теорії, яка об'єднує всі чотири сили.

Теоретичною основою може бути досягнуто роз’яснення чотирьох сил. В цьому напрямку, але результати все ще незгодні. Це буде розчарування, якщо теорія рядків не знаходить тісного контакту з реальністю, ми спостерігали в наших експериментах в найближчі роки. Є багато можливостей, в тому числі підказки про додаткові просторові розміри, відкриття деяких фундаментальних рядків (відновлення після Великого Bang або виробляється акселераторами), або розрахунок відомої, але загадкової кількості в рамках Центральної теорії.

З великою впевненістю ми очікуємо, що «оперативний» переплетення матерії та простору. Гравітаційні хвилі астрономії буквально навколо кута.

Оскільки справа важко істотно вигнути простір-час, гравітаційні хвилі, як правило, відкривають вікно до найбільш екстремальних і бурхливих подій у Всесвіті. Детектор LIGO II буде дуже скоро працювати, він повинен бути чутливим, щоб забрати сигнали з нейтронних зірок і зливних свердловин. Відомі технології будуть підтримувати майбутні покоління поліпшених гранатових детекторів хвиль.

Хочу стати потужним і гнучким інструментом для астрофізиків і косметологів. Багато джерел будуть ідентифіковані, і наші знання нейтронних зірок і чорних отворів досягнуть нового рівня деталей.

Визначення IV: Еволюція та походження



Основними законами є динамічні закони. Вони описують, як поточний стан світу перетворюється з часом. Вони також можуть бути застарілими.

Такі процедури прогнозування і реконструкції можуть стати непрактичною або неможливою з декількох причин. З одного боку, ми не можемо спостерігати все, що існує. Деякі частини Всесвіту так далеко, що навіть світло від них ще не досягло нас, що обмежує наш погляд на такий горизонт. Ще однією причиною є обмеження квантової механіки: на її основі функція хвилі не може бути досліджена, не турбувати її. Нарешті, невеликі невизначеності в початкових умовах виростають з часом, збільшуючи ці труднощі. Наприклад, важко прогнозування погоди.

Значне мистецтво фізики (в тому числі термодинаміка і статистична механіка, не кажучи вже про фізичні гілки машинобудування) полягає в пошуку шляхів навколо цих обмежень. На додаток до нездатного і громіздкого опису повноцінного стану, процес захоплюється розвитком концепцій і об'єктів, які розвиваються іноді непередбачуваними способами. За допомогою комп'ютерів, це мистецтво безперечно досягне значних успіхів в найближчі 100 років. Але горизонти, квантова невизначеність і чутливість до невеликих змін в початкових умовах не можна уточнювати, а не усунути.

Поставивши в сторону практичного аспекту, натяг між «поглядом» реальності, який сприймає його в цілому, і «на погляд» людської свідомості, яка сприймає реальність як послідовність подій в часі, залишається постійною темою в природній філософії.

З Ньютона домінувала фундаментальну фізику. Ми поділяємо опис світу на динамічні закони, які парадоксально, живуть поза часом, а також приможливі умови, в яких діють ці закони. Динамічні закони не визначають, які початкові умови описують реальність.

Цей розділ був надзвичайно корисним і прагматично успішним. Але з іншого боку, вона залишила нас далеко від повного наукового розуміння світу, як ми знаємо її. «Чи є те, що вони є тим, що вони є» піднімає питання: чому це те, що вони і не інші?

У світлі теорії релятивності божественний погляд здається більш природним. Ми вивчаємо час в цілому, різні аспекти яких асоціюються з синтехами, які незручно виявляти на фоні часових зрізів. Hermann Weil зазначив, що ця точка дуже точно:

«Місцевий світ просто існує, це не відбувається. Ми можемо самі зателефонувати одержувачу і узгодити зручний час. й

Я прогнозую, що 100 років відтепер, бачення Вайла — що по суті йде назад до давньогрецьких філософів Парменидів і Плато — буде повністю виправданим, оскільки фундаментальні закони більше не впізнавати довільні початкові умови. «Що відбувається» і «що відбувається» стануть незрівнянними аспектами однієї транстемпальної реальності.

Уніфікація V: дія та інформація



Інформація відіграє важливу роль у нашому описі світу. Багато термінів, які виникають природним чином в обговоренні інформації, відмінно фізичні. Наприклад, ми часто говоримо про щільність інформації, потік інформації. На перший погляд анотація інформації не пов’язана з конкретними аспектами фізичної реальності.

Шукаємо глибше, ми знайдемо, що є далекі аналогії між інформацією та особливою фізичною кількістю, а саме (негативною) ентропією. Це вже зауважив в оригінальній роботі Claude Shannon, де він представив сучасний технічний визначення інформації. Сьогодні багато обговорення мікрофізичних походів ентропії — і фундаментів статистичної механіки в цілому — починається з обговорення інформації та ігнорування. Я думаю, що це справедливо сказати, що об'єднання зв'язує фізична кількість ентропії і концептуальна кількість інформації вже сталася.

Ентропія, в свою чергу, має таємничі зв'язки з основною кількістю, дія ми використовуємо для формування найбільш фундаментальних законів фізики. Жорстко кажучи, дія є те, що ви вийшли з ентропії, коли ви можете стати явним числом. На жаль, докази цього з'єднання є об'єктивним. Іншими словами, ми не розуміємо її правильно.

Я підозрю, що це з'єднання дуже близько, і в найближчих сто років стане основним принципом дії, і тому динамічне право фізики.

Unification VI: Розум і Маттер

Незважаючи на те, що багато деталей залишаються незнімними, зрозуміло, що обмін речовин і розмноження, два найбільш характерних рис життя, широко розуміються на молекулярному рівні як фізичні процеси. Франциска Цегла, один з ініціаторів структури ДНК, поклавши «попередню гіпотезу», що один день можна буде зрозуміти основну психологію, в тому числі біологічні когнітивні процеси, пам'ять, мотивацію, емоції, на порівняному фізичному рівні.

Ми можемо викликати це “знизити” розуму. Але причина залишається причиною, і її розуміння навряд чи буде спрощено, якщо вона знижується до фізичного стану. Цікаво, як це працює, але наскільки важко це!

На мій погляд, набагато більш симпатична і доцільна розглянути цю дивовижну гіпотезу як очікування різноманіття аспектів поведінки матерії. З огляду на всі неймовірні речі фізики навчає нас про те, що я впевнений, що у нас є багато роботи.

У 100 років біологічна пам'ять, когнітивна обробка, мотивація, емоція все буде зрозуміла на молекулярному рівні. І якщо фізика навчається описати питання в плані інформації, як ми обговорювали раніше, буде закрито коло ідей. Зрозуміти стануть більш матеріалом і матерією.

Частина друга: Перспективи технології

Створення речей (мікро)У зв'язку з тим, як ми знаємо, що це питання. Центральна теорія завершена, з практичної точки зору, аналіз матерії. Використовуючи його, ми можемо заважати, які види атомних нуклеїв, атомів, молекул — і зір — існують. Ми можемо також надійно організувати поведінку великих колекцій таких елементів, щоб зібрати транзистори, лазери, великі хронні муфти. Випробувано рівняння центральної теорії з високою точністю і в більш екстремальних умовах, ніж необхідні експерименти в хімії, біології, машинобудуванні або астрофізиці. Ми не розуміємо, що ми розуміємо, що ми збираємось зустрітися з нами в повсякденному житті.

Чи існують матеріали, які можуть підтримувати космічних ліфтів? Чи існують надпровідники, які працюють при кімнатній температурі? Чи може ми перевершити закон Мура? Ці хімічні питання, а також нові, можуть бути вирішені комп'ютерами, оскільки вони вже визначилися з дизайном літака: доповнювати і в кінцевому підсумку присаджувати лабораторні експерименти з обчисленням. Поповнення, фактично, може замінити експерименти з дизайном корисних матеріалів, каталізаторів, препаратів, розширення можливостей і відкриття нових просторів для творчості.

Як традиційна хімія стає насиченою інноваціями, передня частина контрольованої мініатуризації перемістить безліч замовлень на величину вперед. В останні роки ми побачили початок перших принципів ядерної фізики. Нещодавно ми досягали важливих верств – нейтронно-протонна маса розраховується з високою точністю. Розрахунок багатьох ядерних властивостей досягне помилки <1%, що дозволить нам точно імітувати супернова і нейтронні зірки. Лікарі дізнаються, як контролювати атомні нуклеї якісно, так як навчилися маніпулювати атоми. Це створить ультразвукове зберігання енергії та високоенергетичні лазери.

Виготовлення речей (meso)

Сучасні комп'ютери властиві двовимірному. Вони базуються на чіпсах, які повинні бути виготовлені в ідеальному чистоті, оскільки будь-яка помилка може бути жирною для їх роботи. Якщо вони пошкоджені, втрата функції буде незворотним.

Людина-мажор відрізняється по-різному: це об'ємний, виготовлений в умовах погано контрольованих, і може працювати з похибками і пошкодженням. Є сильні стимули для досягнення цих можливостей в системах, які будуть успадкувати щільність, швидкість, масштабованість напівпровідникових технологій, і не існує очевидного бар’єру для цього. Таким чином, тривимірні, стабільні та саморемонтні комп’ютери будуть розроблені в наступні 100 років. У процесі проектування цих функцій ми також навчаємо багатьох уроків нейронауки.

Аналогічно ми можемо встановити для побудови машин в образі і подобності тіла людини і комп'ютерів з мозку людини. Ми прагнемо створити самомонтаж, самовідновлення та автономні творчі машини. Їхній дизайн успадкує ідеї як з технічних, так і біологічних світів.

Виготовлення речей (macro)Комбінуючи ці ідеї, ми приїжджаємо до суперструктурної інженерії: машини створять інші складні машини з сировини з мінімальним наглядом людини. Ця стратегія підтримає експоненціально амбітних проектів, таких як перетворення великих пустель в гігантські комп'ютери (як Олаф Стапледон уявляв) і гігантські енергетичні колектори (як Freeman Dyson уявлялися).

Фрімен Дисон також керував «Дісонські сфери», які збирають більшу частину енергії зірки в навколишню оболонку або збирають хмару для використання передовою технологічною цивілізацією. Незважаючи на те, що перспективи їх створення є занадто ваговим, використання значної частини сонячної енергії на Землі може стати потребою в людській цивілізації, якщо ми хочемо відійти від вуглецевого палива.

На щастя, цілком можливо, що в 100 років ми зможемо каналізувати багато навколишньої енергії сонця до власних цілей.

Оздоблені почуття

Людина відчуває себе ідеальною. Розглянемо, наприклад, колірне бачення.

В той час як електромагнітні сигнали, що надходять наші очі, містять діапазон безперервної частоти, а також поляризацію, що ми сприймаємо як «кольоровий» є сирим кодом, в якому міцність спектра стискається на три точки і поляризація ігнорується. Якщо ви порівнювати це до нашого сприйняття звуку, де ми можемо точно аналізувати частоти і відрізняти тони в рамках акорду, сприйняття кольору буде поганим. Крім того, ми чутливі до частот за межами видимого спектра, включаючи ультрафіолет і інфрачервоний. Багато тварин дивляться набагато краще. У нас є багато корисної інформації про наше оточення — не кажучи вже про можливості візуалізації даних та мистецтва — які будуть доступні як ми розширюємо спектр сприйняття кольору.

Сучасна мікроелектроніка пропонує цікаві можливості для доступу до цієї інформації. За допомогою відповідних трансформацій ми можемо зашифрувати його в наших існуючих каналах як різновид індукованої синестезії. Ми можемо значно розширити сенсорію людини, відкриваючи двері сприйняття.

Лікарі часто — і прямо — захоплюють красу своїх концептів і рівнянь. З іншого боку, людина більше візуальних істот. Це буде плідним і цікавим для використання сучасних ресурсів обробки сигналів і можливостей комп'ютера для перекладу цих красивих концептів і рівнянь фізики в нові форми мистецтва. Лікарі зможуть продемонструвати красу рівнянь до загальної громадськості, а люди зможуть насолоджуватися нею. У майбутньому митці та науковці працюватимуть разом, щоб створити нові шедеври незвичайної краси.

Квантові почуття, квантова свідомістьКвантова механіка вказує на нас в напрямку невидимих багатств. Можливо, найбільш цікавий квантовий ефект є заплутаним. Але entanglement є делікатним процесом, який важко спостерігати, тому наше дослідження цієї центральної функції квантового простору просто починається. Відкрито нові джерела для спостереження, відкриті нові стани. Вимірювальне заплутування, важільне заплутування, все стане основними галузями фізики.

Квантові обчислення вимагають ретельного управління зубцем, а діагноз квантових обчислень буде спиратися на способи вимірювання перешкод. Квантові комп'ютери, що підтримують тисячі грошових коштів, стануть реальними і корисними.

Штучний інтелект запропонує нові та дивні можливості для життя та інтелекту. Люди, які здатні точно записувати його або її стан, можуть навмисно ввести цикли, щоб відновити приємні епізоди життя, наприклад. Квантовий інтелект дозволить вам випробувати надпозицію «учасно суперечливих» станів або вивчити різні сценарії паралельно. Виходячи з оборотних обчислень, такий розум може психічно повернутися в час і розмножуватися минулими і присутніми.

Хто знає, можливо, квантова свідомість допоможе нам зрозуміти квантові механіки. Видання



П.С. І пам'ятайте, що лише змінивши вашу свідомість – разом ми змінюємо світ!

Джерело: hi-news.ru