Две ошибки Эйнштейна

в 18:44, , рубрики: астрономия, квантовая случайность, квантовая физика, Научно-популярное, расширение вселенной, физика, эйнштейн

Привет, читатель! Меня зовут Ирина, я веду телеграм-канал об астрофизике и квантовой механике «Quant». Хочу поделиться с вами переводом статьи об ошибках, которые допустил Альберт Эйнштейн в процессе научной деятельности. В чем-то он признал свою неправоту, а с чем-то наотрез отказался соглашаться.

Приятного чтения!

image

Гравюра на дереве из книги Камилля Фламмариона 1888 года «L'Atmosphère: météorologie populaire». Подпись гласит: «Миссионер Средневековья говорит, что он нашел точку, где соприкасаются небо и земля», и продолжает: «Что же тогда есть в этом голубом небе, которое, несомненно, существует и которое закрывает звезды днем?»

Научное исследование основывается на соотношении между реальностью природы, как она наблюдается, и представлением этой реальности, сформулированным теорией на математическом языке. Если все следствия теории экспериментально доказаны, то она считается обоснованной. Этот подход, который использовался в течение почти четырех столетий, создал последовательный свод знаний. Но эти успехи были достигнуты благодаря интеллекту человеческих существ, которые, несмотря ни на что, могут держаться за свои ранее существовавшие убеждения и предубеждения. Это может повлиять на прогресс науки, даже на величайшие умы.

Первая ошибка

В своем главном труде по общей теории относительности Эйнштейн написал уравнение, описывающее эволюцию Вселенной во времени. Решение этого уравнения показывает, что Вселенная нестабильна, а не представляет собой огромную сферу с постоянным объемом, вокруг которой скользят звезды, как считалось в то время.

В начале XX века люди жили с устоявшейся идеей статичной Вселенной, в которой движение звезд никогда не меняется. Это, вероятно, связано с учением Аристотеля, утверждающего, что небо неизменно, в отличие от Земли, которая тленна. Эта идея вызвала историческую аномалию: в 1054 году китайцы заметили появление нового света на небе, но ни один европейский документ не упоминает об этом. Тем не менее его можно было увидеть даже днем, и оно продолжалось несколько недель. Это была сверхновая, то есть умирающая звезда, остатки которой до сих пор можно рассматривать как Крабовидную туманность. Господствующая в Европе мысль не позволяла людям принять явление, которое так сильно противоречило идее неизменного неба. Сверхновая — это очень редкое явление, которое можно наблюдать невооруженным глазом лишь раз в столетие. Самое последнее из них датируется 1987 годом. Так что Аристотель был почти прав, полагая, что небо остается неизменным — по крайней мере, в масштабе человеческой жизни.

Чтобы оставаться в согласии с идеей статичной Вселенной, Эйнштейн ввел в свои уравнения космологическую постоянную, которая заморозила состояние Вселенной. Его интуиция сбила его с пути истинного: в 1929 году, когда Хаббл продемонстрировал, что Вселенная расширяется, Эйнштейн признал, что совершил «свою самую большую ошибку».

Квантовая случайность

Квантовая механика развивалась примерно в то же время, что и теория относительности. Она описывает физику в бесконечно малом масштабе. Эйнштейн внес большой вклад в эту область в 1905 году, интерпретируя фотоэлектрический эффект как столкновение электронов и фотонов — то есть бесконечно малых частиц, несущих чистую энергию. Другими словами, свет, который традиционно описывается как волна, ведет себя как поток частиц. Именно этот шаг вперед, а не теория относительности, принес Эйнштейну Нобелевскую премию в 1921 году.

Но, несмотря на этот жизненно важный вклад, он упрямо отвергал ключевой урок квантовой механики — что мир частиц не связан строгим детерминизмом классической физики. Квантовый мир вероятностен. Мы знаем только, как предсказать вероятность возникновения события среди целого ряда возможностей.

image

Крабовидная туманность, наблюдаемая сегодня на разных длинах волн, не была зарегистрирована европейцами, когда она появилась в 1054 году. Картинки слева направо: вид в радиоволнах, инфракрасных лучах, видимом свете, ультрафиолетовых лучах, рентгеновских лучах, гамма-лучах.

В слепоте Эйнштейна мы снова видим влияние греческой философии. Платон учил, что мысль должна оставаться идеальной, свободной от случайностей действительности — благородная идея, но не подчиняющаяся предписаниям науки. Знание требует совершенной согласованности со всеми предсказанными фактами, тогда как вера основана на вероятности, порожденной частичными наблюдениями. Сам Эйнштейн был убежден, что чистая мысль способна полностью охватить реальность, но квантовая случайность противоречит этой гипотезе.

Эйнштейн не принял этот фундаментальный индетерминизм, который был сформулирован его провокационным приговором: «Бог не играет в кости со Вселенной». Он представлял себе существование скрытых переменных, то есть еще не открытых чисел за пределами массы, заряда и спина, которые физики используют для описания частиц. Но эксперимент не поддержал эту идею. Нельзя отрицать, что существует реальность, которая превосходит наше понимание — мы не можем знать все о мире бесконечно малого.

Случайные прихоти воображения

В процессе научного метода все еще существует стадия, которая не является полностью объективной. Это то, что приводит к концептуализации теории, и Эйнштейн со своими мысленными экспериментами подает знаменитый пример этого. Он заявил, что «воображение важнее знания». Действительно, рассматривая разрозненные наблюдения, физик должен представить себе лежащий в их основе закон. Иногда несколько теоретических моделей соревнуются в объяснении того или иного явления, и только в этот момент логика снова берет верх.

«Роль разума состоит не в том, чтобы обнаружить, а в том, чтобы подготовиться. Это хорошо только для служебных задач» (Симона Вейл, «Гравитация и грация»).

Таким образом, прогресс идей проистекает из того, что называется интуицией. Это своего рода скачок в познании, который выходит за пределы чистой рациональности. Грань между объективным и субъективным уже не является полностью твердой. Мысли исходят от нейронов под действием электромагнитных импульсов, причем некоторые из них особенно плодородны, как будто между клетками происходит короткое замыкание, где действует случайность.
Но эти интуиции, или «цветы» человеческого духа, не одинаковы для всех — мозг Эйнштейна произвел «E=mc²», тогда как мозг Пруста придумал замечательную метафору. Интуиция возникает случайно, но эта случайность ограничена опытом, культурой и знаниями каждого человека.

image

Результат эксперимента Юнга с интерференцией: картина формируется бит за битом с приходом электронов (8 электронов на фото a, 270 электронов на фото b, 2000 на фото c и 60 000 на фото d), которые в конечном итоге образуют вертикальные полосы, называемые интерференционными полосами.

Преимущества случайности

Это не должно быть шокирующим известием о том, что существует реальность, не постигаемая нашим собственным разумом. Без случайности мы руководствуемся нашими инстинктами и привычками, всем, что делает нас предсказуемыми. То, что мы делаем, ограничивается почти исключительно этим первым слоем реальности, с обычными заботами и обязательными задачами. Но есть и другой слой реальности, тот, где очевидная случайность является отличительной чертой.

«Никогда административные или академические усилия не заменят чудес случайности, которыми мы обязаны великим людям» (Оноре де Бальзак, «Кузен Понс»).

Эйнштейн — пример изобретательного и свободного духа, но он все же сохранил свои предубеждения. Его «первую ошибку» можно резюмировать словами: «Я отказываюсь верить в начало Вселенной». Однако эксперименты доказали, что он ошибался. Его вердикт о том, что Бог не играет в кости, означает: «Я отказываюсь верить в случайность». Однако квантовая механика предполагает обязательную случайность. Его предложение ставит вопрос о том, будет ли он верить в Бога в мире без случайностей, что значительно ограничило бы нашу свободу, поскольку мы тогда были бы ограничены в абсолютном детерминизме. Эйнштейн был упрям в своем отказе. Для него человеческий мозг должен быть способен знать, что такое Вселенная. С гораздо большей скромностью Гейзенберг учит нас, что физика ограничена описанием того, как природа реагирует в данных обстоятельствах.

Квантовая теория показывает, что полное понимание нам недоступно. В свою очередь, она предлагает случайность, которая приносит как разочарования и опасности, так и выгоды.

«Человек может избежать законов этого мира только на мгновение. Мгновения паузы, созерцания, чистой интуиции… именно с этими вспышками он способен на сверхчеловеческое» (Симона Вейл, «Гравитация и грация»).

Эйнштейн, легендарный физик, является прекрасным примером творческого существа. Поэтому его отказ от случайности — это парадокс, потому что именно случайность делает возможной интуицию, допускающую творческие процессы как в науке, так и в искусстве.

Автор: Irina S.

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js