Звездный путь: За последним рубежом

Подпространство из «Звездного пути»: Космический короткий путь

Анимация LCARS от майора Говарда «Эджа» Катлера, http://lcars.org.uk

Во вселенной Star Trek подпространство — это воображаемая область, которая позволяет звездолетам преодолевать барьер скорости света, обеспечивая сверхсветовые путешествия и мгновенную связь. Это побуждает к размышлениям о том, как реальная физика имеет дело с измерениями, квантовыми явлениями и самой тканью реальности.

1D реальность в 4D вселенной

Идея одномерности реальность, существующая в нашей четырехмерной вселенной очаровывает физиков. Хотя это и гипотетические сценарии, такие как космические струны и браны в теории струн, они рассматриваются, хотя и сталкиваются со значительными физическими и практическими проблемами.

Математические возможности одномерных структур

Математически вложение структур меньшей размерности в пространства большей размерности осуществимо. Примеры включают космические струны и одномерные браны, которые взаимодействуют со всем пространственно-временным континуумом, а не существуют независимо.

Проблемы поддержания одномерной реальности

Создание жизнеспособной одномерной реальности сталкивается с такими проблемами, как ограниченная гравитационная сложность и топологические ограничения. Неразрывно связанная с более высокими измерениями, автономная одномерная вселенная трудно себе представить.

Фотоны: мост между классическим и квантовым мирами

Фотоны не поддаются простой классификации, существуя как классические точки в пространстве-времени и как возбуждения квантового поля. Их дуальность иллюстрирует сложную границу между классическими физика и квантовая механика.

Туннелирование: квантовый скачок за пределы измерений

Согласно академическому консенсусу, фотон квантовый Туннелирование представляет собой вероятностное исследование пути, а не пространственные сдвиги. Это квантовая механика аспект показывает частицы, взаимодействующие через квантовый вакуум, подчеркивая нелокальную природу.

Противоположный: Как? Все квантовые физики говорят, что существуют уравнения вероятности, которые могут очень хорошо предсказывать поведение фотонов.

Квантовый вакуум и высшие измерения

Консенсус: Квантовый вакуум — это обычно рассматривается как четырехмерная сущность, хоть спекулятивные теории предлагают более высокие измерения связать квантовую механику с гравитацией, однако эти идеи остаются неподтвержденными.

Противоположный: Теперь давайте внесем ясность: неподтвержденные идеи — это «ттипично наблюдаемая четырехмерная сущность» а также более высокие или более низкие измерения.

«Запасные размеры»

Консенсус: Такие явления, как запутанность и туннелирование результат квантового механика поля, а не скрытые измерения. Фотоны ведут себя в соответствии с вероятностной природой квантовой теории поля, бросая вызов классическим ограничениям.

Противоположный: Нет никаких доказательств, что «скрытые измерения» не задействованы. Если эти «скрытые измерения» служат только метафорой для понимания того, что происходит в экспериментах по запутыванию и туннелированию, пусть так и будет.

Основная цель науки — не понимание основополагающей механики Вселенной; ее цель — делать прогнозы на основе наблюдений и использовать эти прогнозы.

Разве не было бы здорово, если бы можно было разработать эксперимент, показывающий, что скрытые измерения играют роль в экспериментах по квантовому туннелированию и запутыванию?

Воображение встречается с физикой

Подпространство Star Trek гипотетическое; оно отражает наше стремление выйти за пределы пространственных ограничений. Истинная сложность вселенной заключается в квантовых полях, утверждает консенсус, доказывая, что физика столь же вдохновляюща, как дверная ручка.

Противоположный: Что такое «квантовое поле»?

Наблюдение за исчезающими волнами

Эванесцентная волна относится к ньютоновской гравитации так же, как радиоволна относится к гравитационной волне.

Океанские волны — это мимолетные волны.

Эванесцентная волна против ньютоновской гравитации

Затухающая волна: Это уникальное электромагнитное явление, которое не распространяется. Вместо этого это эффект ближнего поля, который экспоненциально уменьшается с расстоянием, обычно наблюдаемый в таких ситуациях, как волноводы или полное внутреннее отражение.

Ньютоновская гравитация: эта концепция описывает статическое, нерадиационное поле, характеризующееся немедленным действием на расстоянии. Это означает, что в передаче гравитационных сил нет задержки или волнообразного поведения.

Подключение: Оба затухающие волны и ньютоновская гравитация иллюстрируют локализованные, нерадиационные взаимодействия. Важно, что они не динамически передавать энергию сквозь пространство-время.


Радиоволна против гравитационной волны

Радиоволна: это электромагнитная волна, которая распространяется в пространстве (известная как излучение в дальней зоне) и переносит энергию со скоростью света.

Гравитационная волна: Согласно общей теории относительности, это относится к волнам в пространстве-времени, которые также распространяются и переносят энергию со скоростью света.

Связь: И радиоволны, и гравитационные волны — это радиационные явления в дальней зоне, которые подчиняются волновым уравнениям — уравнениям Максвелла для радиоволн и уравнениям Эйнштейна для гравитационных волн.


Иллюстрация: Размеры как затухающих, так и океанических волн экспоненциально уменьшаются с увеличением расстояния.

Космические спагетти: метафорическое исследование корпускулярно-волнового дуализма и туннелирования

Ниже приведены метафоры для теории струн и фотонов. Метафоры часто используются для иллюстрации математических концепций. Но не все метафоры рассматриваются как равные.

Рэй, энтузиаст-объяснитель:

Давайте разберемся в этом.
Следующие метафоры представляют собой скорее образные иллюстрации, чем точные модели того, как работают фотоны, туннелирование или дополнительные измерения. Они смешивают черты квантовой механики с спекулятивными элементами теории струн и не отражают современное научное понимание.

Воображая фотоны

После попытки найти визуальную модель точечного или линейного фотона, демонстрирующего квантовое туннелирование, и неудачи в этой попытке, я собираюсь сказать, что фотон в своем естественном состоянии подобен волнистой (вращающейся) сущности, по сути, космическим спагетти. Не вялый, обеденный вид. Вместо этого это аль денте своего рода, извиваясь в 4D-пространстве с головой и хвостом, как гиперактивные космические угри! Метафорически говоря, конечно.

Волнистое тело фотона простирается в 3-е и 4-е измерения. Эта модель объясняет точечный аспект частицы (голова) и волнообразный аспект (волны) дуальности фотона.

Курт, ошеломленный реалист:
Эта визуализация является метафорой и не соответствует ни одной принятой модели в квантовой механике или теории струн. Это ваша великая теория квантового туннелирования?

луч:
Теперь, когда этот фотон сталкивается с физическим препятствием, он вдавливается в нулевое и первое измерения, подобно яйцу, ударяющемуся о кирпичную стену со скоростью света. Splat. Измерения 0D и 1D не знают пространства и времени. Это позволяет фотону туннелировать почти мгновенно (быстрее света) сквозь твердые объекты.

Это изящная метафора и описание для неспециалиста.

Курт:
Описание туннелирования как «эффекта объемного сжатия», приводящего к мгновенному прохождению, — это метафорический выверт, не имеющий под собой никакой основы в устоявшейся физике. Почему бы просто не сказать, что они жульничают? «О, извини, барьер, просто прохожу сквозь твою атомную структуру, как призрак, опоздавший на йогу...»

Рэй:
Науке нужна драма! Загогулина фотона вдавливается в 1-е измерение — представьте себе, что это худший блин во вселенной. Нет пространства, нет времени. Пуф. Сквозь стену. Быстрее света, ноль калорий.

Курт:
Ваше описание фотона, ударяющегося о кирпичную стену как об яйцо, является новым и не является частью современного научного понимания. И физики вас за это не задушили?

Рэй:
Они слишком заняты спорами! Тридцать лет спорят, что это — «фазовая скорость» или «скорость сигнала», или могут ли сигналы проходить сквозь барьер быстрее света. Это как два попугая, кричащих друг другу «причинность!». «Серьёзные» учёные говорят, что НИЧТО ни при каких обстоятельствах не может двигаться быстрее света И передавать информацию.

Между тем, фотоны где-то там, просвечивают сквозь стены, словно у них есть VIP-пропуск в реальность. Корпускулярно-волновой дуализм является краеугольным камнем квантовой механики (КМ), а не теории струн. Я включил его в обе для наглядности. Вот почему метафора имеет смысл в этом контексте.

Курт:
Верно утверждение, что корпускулярно-волновой дуализм — это концепция квантовой механики, и его использование в контексте теории струн описанным образом является провокационным.

Рэй:
Метафора представляет туннелирование как эффект пространственного сжатия.

Курт:
В настоящее время это не имеет под собой никакой основы в теории струн или квантовой механике. «Пространственное сжатие» — звучит как мои последние отношения.

Иллюстрация фотонов от NASA. Похоже на головастиков (я предполагаю, что фотон с высокой энергией вращается быстрее).

Рэй:
На этой иллюстрации от NASA один фотон (фиолетовый) несет в миллион раз больше энергии, чем другой (желтый). NASA — мастера научно-фантастического концепт-арта. «Вот фиолетовый фотон, в миллион раз более яркий! Он получил отношение."

Курт:
Судя по всему, иллюстрации NASA направлены на упрощение и мотивацию дискуссии; их не следует воспринимать как буквальное описание поведения фотонов в передовых физических теориях. Наука на 5% состоит из уравнений, на 95% из убеждения людей в том, что вселенная — это мультфильм, с использованием метафор.

Рэй:
То есть туннелирование — это просто… космическая телепортация через экзистенциальный кризис?

Курт:
Точно! Экзистенциальный ужас фотона сжимает его в точку. Кто я? Где время? И бац — он прошёл через барьер. Экзистенциализм: 1, Физика: 0. Потому что в противном случае мы бы застряли, объясняя это с помощью математика  А этого никто не хочет.

Рассказчик (глубокий голос):
И, таким образом, загадки квантовой механики остаются неразгаданными.
Но, по крайней мере, все согласились, что метафоры нуждаются в повышении.

Может ли информация распространяться быстрее света?

Когда нет времени, нет и пространства (и наоборот). Концепция движения быстрее света бросает вызов нашему пониманию пространства и времени.

…с точки зрения фотона, времени не существует. Со скоростью света время фактически кричит: «СТОП!» Неважно, говорят ли фотоны на немецком языке или нет. Важно: «Когда нет времени, нет и пространства».

Изображение: голограмма фотона, Варшавский ун-т

Одно из утверждений Гюнтера Нимца относительно туннелирования заключается в том, что процесс туннелирования происходит быстрее света. Большинство физиков согласны с этим утверждением; например, Эфраим Штейнберг заявил, что результаты квантового туннелирования являются «явно сверхсветовыми». Утверждение возникает из предположения Нимца о том, что сигнал может передаваться быстрее света, который может услышать каждый, тем самым бросая вызов теореме об отсутствии связи https://en.wikipedia.org/wiki/No-communication_theorem .

Идея сверхсветовой (FTL) коммуникации в значительной степени считается табуированной в физике, приписываемой группе «Fundamental Fysiks» из Принстона в 1970-х годах. Эта группа хиппи-«физиков», экспериментировавших с психоделиками и магией, разработала «теорему отсутствия коммуникации».

Итак, с одной стороны, физики согласны, что частицы могут квантово-туннелировать быстрее света, а с другой стороны, они утверждают, что это явление не может быть использовано для передачи информации. Тем не менее, возникает вопрос: если мы можем воспринимать такие сигналы, как это согласуется с установленными пределами коммуникация в физике?

Интересно, что Эфраим Штейнберг из Университета Торонто назвал квантовое туннелирование «явно сверхсветовым»:

Он измерил это с помощью «часов Лармора», что является другим способом сказать, что он измерил спин фотонов до и после входа в туннель.

Итак, he передал положение спина фотона на сверхсветовой скорости. Как это не «передача информации»? Он передал информацию о состоянии фотона и измерил ее изменение после сверхсветового перемещения через квантовый туннель. Разве он не нарушил теорему об отсутствии коммуникации? И почему ему разрешено передавать информацию о спине фотона со сверхсветовой скоростью, а Нимц из Кельнского университета не может передавать АМ-модулированные волны с Моцарт?

УПРОЩЕННАЯ теория струн

Для упрощения я описал фотон как квантовую сущность, точку или брану 0D (нулевого измерения). Слово «брана» происходит от слова «мембрана», а физики, придумавшие теорию струн, исключили «мем». Когда фотон подвергается туннелированию, он ведет себя как струна 1D (одномерная). Струна 1D — это мембрана «однобрана», но физики, придумавшие теорию струн, посчитали, что будет лучше дать ей другое название. Я думаю.

NerdBoy1392, CC BY-SA 3.0https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, через Викисклад

Итак, в обоих контекстах 0D и 1D понятия времени и пространства, какими мы их знаем, не существуют. Вам нужно четвертое измерение, чтобы иметь пространство и время. То, что я сделал здесь, это проиллюстрировал дуализм частица/волна.

Мое упрощение не имеет много общего с «реальной» теорией струн. Я назвал ее теорией «струн», потому что две точки (фотоны), соединенные линией, выглядят как струна. Струна может быть волной. Точка — это частица.

Более того, существует расхожее утверждение, что «В квантовой механике частицы существуют в пространстве-времени». С нашей точки зрения, фотон, безусловно, существует в пространстве-времени, перемещаясь из точки А в точку В.

Однако с точки зрения фотона время не существует. Со скоростью света время фактически кричит: «СТОП!» Неважно, говорят ли фотоны на немецком языке или нет. Важно: «Когда нет времени, нет и пространства».

Это согласуется с замедлением времени в точке c.

--------

Второе мнение: «Точка зрения фотона»

Стив Нерлих (доктор философии), директор Международного исследовательского и аналитического отдела, Австралия

«Взгляд на фотоны» Кристофера Витале из Networkologies и Института Пратта

«С точки зрения фотона, он испускается, а затем мгновенно поглощается. Это справедливо для фотона, испускаемого в ядре Солнца, который может быть поглощен после пересечения расстояния в доли миллиметра. И это в равной степени справедливо для фотона, который, с нашей точки зрения, путешествовал более 13 миллиардов лет после испускания с поверхности одной из первых звезд вселенной. Так что, похоже, фотон не только не испытывает течения времени, но и не испытывает течения расстояния.”
Конец цитаты

Фотон следует нулевой геодезической; это путь, по которому следуют безмассовые частицы. Вот почему он называется «нулевым»; его интервал (его «расстояние» в 4D-пространстве-времени) равен нулю, и с ним не связано собственное время.


Отличие УПРОЩЕННОЙ теории струн от «реальной» теории струн

В настоящей теории струн любая частица в любой момент времени является струной. В моей упрощенной версии частица, следующая по нулевой геодезической, не подверженная влиянию гравитации или полей любого рода, является 0D (нульмерной) точкой.

«Настоящая» теория струн против упрощенной версии

Только взаимодействуя с внешними полями, гравитационными, электромагнитными или объектами, частица (фотон) приобретает первое измерение. Фотон замедляется и становится «струной». Длина этой струны аналогична ее замедлению и возможной «длине» волны.

Итак, очень высокоэнергетический фотон, например, в спектре гамма-излучения, представляет собой относительно короткую «струну», которая преобразуется в короткую длину волны. Короткая струна создает короткие длины волн.

Если фотон замедляется сильнее, например, попадая в плотную атмосферу планеты, он становится длиннее и может выражать инфракрасную длину волны. Более длинная фотонная струна создает более длинные волны, и она по-другому взаимодействует со своей средой.

QED

A Точка зрения фотона (архив)
https://web.archive.org/web/20240423185232/https://phys.org/news/2011-08-photons-view.html

A Точка зрения фотона
https://phys.org/news/2011-08-photons-view.html

Фотографии
слева: Голограмма одиночного фотона, Варшавский ун-т.
https://geometrymatters.com/hologram-of-a-single-photon/