Квантовая механика в космосе

В этой главе нам предлагается исследовать необычный мир, который одновременно странен и увлекателен. Этот мир позволяет нам находиться в нескольких местах одновременно, мгновенно преодолевать миллиарды километров и превращаться из твердой материи в тонкие волны. Это царство, где стены можно легко преодолеть, дальних родственников можно найти в далеких звездных системах, а вся Вселенная может сжаться до размеров грейпфрута или даже меньше. Хотя это может звучать как что-то из фантастического триллера, на самом деле это наша собственная реальная Вселенная, если смотреть через призму квантовой физики.

Общая теория относительности Общая теория относительности Альберта Эйнштейна объясняет процессы, происходящие со звездами, планетами и галактиками. В нем говорится, что гравитация ответственна не только за падение объектов на Землю, но и за взаимодействие между небесными структурами, такими как Солнце и планеты.

Квантовая механика и микроскопические частицы "Квантовая механика" описывает поведение микроскопических частиц, таких как атомы, электроны, фотоны. Эти частицы не подчиняются тем же правилам, что и макроскопические объекты, с точки зрения гравитационных взаимодействий. Они проявляют корпускулярно-волновой дуализм и могут проходить сквозь барьеры с помощью квантового туннелирования.

Чтобы создать теорию всего сущего, ученым необходимо найти источник гравитации в квантовом мире. Они выдвинули гипотетическую частицу под названием гравитон, которая отвечает за гравитационную силу среди микрочастиц. Однако обнаружить гравитоны на квантовом уровне чрезвычайно сложно из-за их малого размера и слабых взаимодействий. Ученые полагают, что им, возможно, удастся наблюдать гравитоны в черных дырах, которые представляют собой массивные структуры, где можно наблюдать квантовые эффекты. Эти космические монстры настолько плотны и тяжелы, что даже свет не может вырваться из них.

Точка сингулярности Вселенной В точке сингулярности Вселенной исследователи обнаружили объект с еще более высокой концентрацией вещества и энергии, чем черная дыра. Возможно, именно здесь мы сможем найти квантовую гравитацию. Этот объект существовал около 13,8 миллиарда лет назад, и это была наша собственная вселенная, сжатая в сингулярную точку.

Квантовые флуктуации в ранней Вселенной "Виртуальные" частицы постоянно появляются и исчезают в пространстве, создавая флуктуации из-за их отклонения от средних значений. Эти квантовые флуктуации сыграли решающую роль во время инфляции, когда Вселенная быстро расширилась после Большого взрыва. Они привели к сложным процессам, которые сформировали космические структуры, такие как галактики, звезды и планеты.

Ускорителям не удалось обнаружить таинственную частицу. Если космос не обнаруживает гравитонов, почему бы не создать их самим? Ученые провели эксперименты, в результате которых был обнаружен бозон Хиггса, о существовании которого ранее предполагалось только как о микроскопическом агенте, замедляющем движение массивных частиц. Бозон Хиггса считается важным элементом Вселенной и, как полагают, заполнил раннюю бесформенную Вселенную различными космическими телами. В 2012 году исследователи наблюдали эту чудесную частицу, также известную как "частица Бога", во время протон-протонных столкновений на Большом адронном коллайдере ЦЕРНА.

Ученые до сих пор не уверены в происхождении массы элементарных частиц и в том, как они взаимодействуют друг с другом.

Самым популярным вариантом Теории всего сущего является теория струн. В нем предполагается, что каждая частица представляет собой одномерную вибрирующую струну в 10-мерной реальности, а некоторые гипотезы предполагают даже 11 или 12 измерений. Если измерений больше или меньше, математические уравнения дают иррациональные результаты, ведущие к бесконечности или сингулярности. В масштабах, больших, чем сама струна, она выглядит как обычная частица, и ее колебания определяют такие свойства, как масса и заряд. Одна из таких вибраций соответствует гравитону.

Теория петлевой квантовой гравитации предполагает, что пространство-время можно рассматривать как сеть взаимосвязанных квантовых узлов, а не как непрерывную ткань. Эта теория предполагает, что на ранних стадиях развития Вселенной пространство было очень сложным и позволяло эволюционировать космосу вплоть до его зарождения. Это также предполагает, что во время сжатия пространство должно не просто рассеиваться, а вместо этого подвергаться сжатию с последующим расширением. Физики полагают, что этот процесс предотвратил разрушение сингулярности и привел к событию Большого взрыва.

Физик Брайан Свингл предполагает, что наша реальность может представлять собой квантовый мир, подобный голограмме, где все образовано квантовыми частицами. Он предполагает, что четырехмерная структура нашей Вселенной может быть закодирована в трехмерной квантовой физике без учета времени. Это подразумевает, что наше окружение представляет собой голографическое представление, в котором доминирует время, а запутанные квантовые пары формируют пространство-время во всем космосе.

Квантовые возможности в космосе В этой главе исследуются возможности квантовой механики в космосе. В нем обсуждается, как квантовые явления могут быть использованы для различных применений, таких как коммуникация и вычисления.

Проблемы квантовой космологии "Вызовы квантовой космологии" посвящены проблемам, связанным с включением квантовых аспектов в космологические теории. Это подчеркивает продолжающийся поиск фундаментальной частицы под названием гравитон, которая могла бы помочь создать теорию всего сущего.

Микрокосмос: Стремление к пониманию "Микрокосмос: поиски понимания" фокусируется на стремлении ученых разгадать тайны микроскопического мира посредством изучения его квантовой природы.

Отсроченное разрушение мертвых звезд Квантовая физика показывает, что разрушение белых карликов откладывается на квантовом уровне. Когда ядерный синтез в звезде заканчивается, она начинает коллапсировать и становится меньше и плотнее. Квантовая физика вступает в игру с принципом исключения Паули, который гласит, что определенные частицы не могут существовать в одном и том же квантовом состоянии. Если гравитация пытается столкнуть их вместе, они сопротивляются из-за давления вырождения. В конце концов звезда коллапсирует и превращается в белого карлика размером примерно с Землю.

Белые карлики-"вампиры" Белые карлики-"вампиры", образовавшиеся в двойных системах, могут погибнуть взрывной смертью из-за того, что их сильный партнер выкачивает из них материю до достижения критической массы. Благодаря квантовому туннелированию эти сверхмассивные черные дыры могут взрываться как сверхновые.

Массивные одиночные черные карлики Астрофизики из Иллинойского университета полагают, что массивные одиночные черные карлики также могут пережить подобный конец из-за медленных термоядерных реакций, приводящих к образованию железа.

Квантовая механика помогает астрофизикам понять звезды, проникая в их глубины и даже разбивая их свет на составные части. Почти столетие назад физик Нильс Бор показал, что квантовые эффекты применимы к орбитам электронов в атомах, которые имеют дискретные энергетические уровни. Когда электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, он испускает фотон с энергией, равной разнице между этими уровнями. Астрономы используют этот эффект для анализа звездного света и определения его состава.

Синтез сложных веществ Синтез сложных веществ предполагает сочетание различных химических элементов. Расстояние между энергетическими уровнями этих элементов варьируется, и ученые могут определить состав звезд на основе этой информации.

"Астрофизики" - Ключевые игроки в образовании органических соединений "Астрофизики", или астрофизические физики, обнаружили, что квантовые свойства могут способствовать возникновению жизни в космосе. Они участвуют в образовании сложных органических соединений. Звезды известны как фабрики по производству химических элементов, и недавно в космических облаках, состоящих из частиц газа и пыли, были обнаружены сложные органические молекулы.

Процесс формирования с использованием межзвездной среды Молекулы, плавающие в темном межзвездном пространстве, успешно используют эту негостеприимную среду для создания различных веществ, таких как спирты, сахара и даже компоненты, содержащиеся в смолоподобных материалах. Этот процесс не совсем понятен из-за редких столкновений молекул, происходящих в космосе, где температура едва поднимается выше абсолютного нуля.

Эксперимент показывает более быструю реакцию при криогенных температурах Эксперимент, проведенный командой из Лидского университета с использованием двух реагентов, помещенных внутрь криогенного сосуда, показал удивительные результаты: реакции протекали примерно в 50 раз быстрее при температуре около -210 градусов Цельсия по сравнению с условиями комнатной температуры. Кроме того, замороженным молекулам требовалось значительно меньше энергии для реакции.Открытие связывают с явлением квантового туннелирования, позволяющим частицам легче преодолевать барьеры.

Ученые из Калифорнийского университета и Института теоретической физики в Канаде выдвинули гипотезу о том, что причинно-следственные связи могут возникать как в прямом, так и в обратном направлении во времени. Это означает, что измерения, выполненные на одной частице, могут мгновенно повлиять на другую частицу, независимо от их пространственного разделения. Хотя это еще не доказано, этот феномен предполагает возможность путешествий во времени и влияния на прошлое.

Квантовая телепортация: Будущее путешествий Хотя путешествия во времени могут оказаться неосуществимыми в ближайшем будущем, достижения в области квантовой телепортации достигли значительного прогресса. Вместо физической транспортировки объектов или людей квантовая телепортация предполагает передачу информации о них. Это похоже на отправку факса. Принципы квантовой механики допускают суперпозицию электронов, при которой они могут существовать в нескольких местах одновременно, пока их не наблюдают. Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шредингера продемонстрировал, что объект может быть как живым, так и мертвым, пока его не наблюдают.

"Жуткое действие на расстоянии": запутанные электроны и связь со скоростью, превышающей скорость света Электроны в квантовой механике демонстрируют запутанность, когда их состояния связаны независимо от расстояния друг от друга. Когда спин одного электрона меняет направление (вверх или вниз), его запутанный партнер мгновенно отражает это изменение - даже быстрее скорости света! Хотя это явление было экспериментально подтверждено французским физиком Аленом Аспектом, оно остается непрактичным для практического использования из-за своей случайной природы.

Квантовая телепортация При квантовой телепортации информация об электроне передается в другое место посредством запутывания. Это было успешно продемонстрировано на примере таких частиц, как фотоны и газы, на различных расстояниях, в том числе в космосе. На основе этой концепции также разрабатываются квантовые компьютеры.

"Телепортация" данных с использованием передовых технологий "Телепортация" данных с использованием передовых технологий предполагает передачу информации на квантовом уровне. Ученые добились прогресса в телепортации фотонов по волоконно-оптическим сетям и даже телепортировали фотон в космос. Однако существуют серьезные проблемы, такие как требования к питанию и защита от ошибок или помех.

Параллельные вселенные и возможность путешествий В будущем могут существовать параллельные вселенные, допускающие экстремальные формы путешествий. Эти вселенные могут быть похожи на нашу или сильно отличаться с разумными рептилиями или продвинутыми слизистыми существами. В то время как у физиков есть идеи о множественных вселенных, генерируемых с помощью квантовых измерений, шансы испытать другую реальность, подобную Земной, практически невозможны из-за огромного количества частиц в нашей Вселенной.

Теория взаимодействующих параллельных вселенных Теория "параллельных миров" предполагает, что эти вселенные могут взаимодействовать друг с другом и сосуществовать в рамках общего измерения, управляемого общими законами, основанными на квантовой механике. Эта теория соединяет классическую физику и квантовую механику, предполагая, что ньютоновская физика применима к отдельным вселенным, в то время как их взаимодействие является результатом фундаментальных сил между ними. Недавние эксперименты, связанные с аномалиями распада нейтронов, подтверждают эту гипотезу, но необходимы дальнейшие исследования, чтобы подтвердить ее достоверность.

Ученые предсказывают, что на горизонте маячит вторая квантовая революция, которая принесет еще более удивительные открытия. Первая революция привела к разработке лазеров и атомных двигателей, позволивших знаменитым зондам "Вояджер" исследовать нашу Солнечную систему. Вторая революция обещает невообразимые достижения, такие как мгновенная квантовая связь и запуск квантовых спутников в космос. Такие страны, как Китай и Австралия, уже добиваются значительного прогресса в этой области.