( Апрель 2023, idb@kiwiarxiv )
Уже не раз доводилось отмечать, что самое интересное в новейших открытиях науки – это то, о чём там упоминают вскользь. Или же предпочитают умалчивать. Именно в умолчаниях, однако, таится суть больших перемен.
Почти любая статья СМИ о научных открытиях в области квантовой физики непременно открывается дежурным напоминанием. Где читателям сообщают, что на микроскопических масштабах мира частиц природа устроена в корне иначе. И совершенно не похожа на мир той классической физики, что наблюдаем мы в повседневной жизни.
Поскольку у нас здесь не СМИ, ничто не мешает рассказывать об успехах науки сильно иначе. И те же самые истории про новые достижения начинать с напоминания другого. О том, что в действительности природа на всех своих масштабах устроена одинаково. А почти каждое из новых интересных открытий снова и снова этот факт учёным подтверждает.
Но из принятия данного факта очевидно следует ложность догмы о «принципиальных различиях» между мирами физики квантовой и физики классической. Признавать это явно и отчётливо учёные обычно стесняются, поэтому в научных новостях СМИ об этом говорят приглушённо или мимоходом. Либо не говорят о подрыве священных устоев вообще ничего.
#
О том, насколько мощно ложные догмы в фундаменте физики тормозят научный прогресс, здесь рассказывается регулярно и с разных сторон. В частности, именно догматизм сильно мешает видеть важные феномены гидродинамики (вроде осциллонов или васцилляции) в основах единой физики мира на всех масштабах – от микроскопических до космологических.
Здесь же будет рассказ не о тормозах и блоках, а совсем о другом. О таком из новых открытий «квантовой гидродинамики», которое непосредственно сопрягается с темой возвращения в физику концепции эфира. О том, конкретнее, как физикам-экспериментаторам, изучающим научные чудеса сверхохлаждённого конденсата Бозе-Энштейна, удалось ухватить один из важнейших феноменов в основах природы «релятивистского эфира, порождаемого светом». Или в основах структуры пространства как «вихревой губки», используя архаичную терминологию XVIII-XIX столетий.
#
Работа, о которой пойдёт речь, носит название «Кристаллизация бозонных состояний Холла во вращающемся квантовом газе» [1]. Для того, чтобы важный смысл этой фразы стал понятен и неспециалистам, необходимы некоторые разъяснения.
Если совсем вкратце, то квантовый эффект Холла, открытый в 1980-е годы, предоставил учёным новые захватывающие возможности для работы с квантовыми свойствами материи. Благодаря этому эффекту охлаждённые до сверхнизких температур проводники, находящиеся под воздействием сильных магнитных полей, позволили экспериментаторам получать особое состояние материи – «квантовый газ» из электронов. Такой газ ведёт себя как квантовая макросистема, размеры которой достаточны для непосредственных наблюдений и воздействий на её поведение.
То есть квантовый эффект Холла, можно сказать, открыл исследователям доступ уже к прямым, а не опосредованным, как прежде, экспериментам с физикой квантового мира. Вскоре стало ясно, что электронный газ при более экстремальных воздействиях полей можно доводить до ещё более необычного состояния сверхтекучей «квантовой жидкости» со свойствами единой квантовой системы.
Кроме того, аналогичные по физике состояния квантовых газов и квантовых жидкостей со временем научились получать не только для электронов, размер которых слишком мал для прямых наблюдений, но и для куда более крупных атомов в виде ультрахолодного конденсата Бозе-Эйнштейна. Причём уплотнение таких бозонных конденсатов достигается и более удобным способом, нежели сверхсильные магнитные поля, – вращением облака газа в лазерных и магнитных ловушках.
Что же касается особенностей собственно той квантовой физики, которую непосредственно наблюдают исследователи в своих экспериментах, то здесь необходимо подчеркнуть самый главный факт. Вся эта физика совершенно отчётливо демонстрирует гидродинамическую природу вихрей и волн, капель и струй.
Так что термины «газ, облако, жидкость» были тут выбраны вовсе не случайно. Отчего столь же неслучайным можно считать и поиск следующего фазового состояния квантовой материи – сверхтекучего «квантового кристалла»…
Даже при таком минимуме дополнительной информации становится вполне понятна, наверное, логика исследователей из «Центра ультрахолодных атомов», как именуется этот совместный проект учёных Гарвардского университета и МТИ (Массачусетского технологического института). Где несколько лет назад успешно освоили новаторский метод «геометрического сжатия» облака бозонного газа к виду тонкой иглы квантовой жидкости. А далее, естественно, задались вопросом, что будет происходить с этой иглой при увеличении скорости вращения электромагнитной ловушки.
Облако из миллиона, примерно, атомов натрия в лазерной ловушке охладили до температуры сто нанокельвинов (миллиардных долей градуса Кельвина). После чего с помощью мощных электромагнитов начали вращать конденсат, сформировав, как и ожидалось, из облака тонкую иглообразную структуру. По мере того как жидкость продолжала раскручиваться, стали наблюдаться признаки появления квантовой неустойчивости. Игла начала волнообразно колебаться, затем закручиваться в штопор и, наконец, распалась на цепочку вращающихся капель, или миниатюрных «вихрей торнадо». Возникло более стабильное состояние квантового кристалла, образовавшегося как результат вращения газа и сил взаимодействия между атомами…
Статья учёных в журнале Nature [1], где описаны эти исследования, итог экспериментов подводит так:
Мы наблюдаем процесс спонтанной кристаллизации, направляемый конденсацией магнето-ротонов, то есть возбуждений, наблюдаемых как перемены плотности среды. Наращивание плотности облака гладко связывает это поведение с квантовой версией гидродинамической неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, направляемой сдвигами внутренних потоков в быстро вращающемся конденсате. Далее этот конденсат самоорганизуется в сохраняющийся массив капель, стабилизируемый балансом взаимодействий между атомами и магнитными силами.
Коллектив участников даной работы (B Mukherjee, A Shaffer, PB Patel, Zh Yan, CC Wilson, V Crépel, RJ Fletcher, M Zwierlein) с удовлетворением отмечает впечатляющее соответствие этапов картины в реальном эксперименте и в компьютерной симуляции того же процесса, рассчитанного по формулам модели на основе уравнения Гросса-Питаевского [см. иллюстрацию в заголовке].
Но вот чего не обнаруживается ни в статье учёных в научном журнале, ни в публикациях СМИ [2,3], посвящённых этой работе, так это сколь-нибудь содержательных комментариев относительно научной значимости полученного результата и его практических приложений.
Поскольку у нас здесь не СМИ и не научный журнал, тем более, сразу же следует отметить, что отсутствие подобных комментариев к столь любопытному научному достижению – это вряд ли случайность. Скорее, естественное следствие того, что [цитируя авторов статьи] данная работа проведена при финансовой поддержке Управления научных исследований Военно-Воздушных Сил США, Управления исследований Военно-Морских Сил США и оборонного научно-исследовательского агентства DARPA.
Подобный перечень спонсоров не оставляет сомнений, что перспективы важных практических приложений у этой работы совершенно определённо просматриваются. Вот только говорить о них очевидно не хотят. Как один из вариантов важного применения «квантовой гидродинамики» известна, скажем, область исследований под названием оптофлюидика. Или иначе, нелинейные феномены на стыке квантовой оптики и микрогидромеханики, демонстрирующие множество убедительных аналогий между физикой света и динамикой жидкостей.
Про технические аспекты этого перспективного направления исследований с достаточным количеством подробностей рассказывает текст «Метафорический компьютинг» . Про то, сколь энергично эту область науки засекречивают американские военные и спецслужбы, рассказывают тексты «Гостайна как метафора» и «DARPA: сюрпризы и непроизносимое» .
Здесь же далее будет содержательный комментарий не о практических приложениях, а о фундаментальной научной значимости открытия «вихревых сверхжидких кристаллов» на стыке квантовой физики и гидродинамики.
#
В статье учёных про «Кристаллизацию бозонных состояний Холла во вращающемся квантовом газе» нет ни единого упоминания об эфире. Что, в общем-то, вполне естественно, коль скоро в официальной науке концепция эфира как тонкого материального флюида, образующего пространство, считается давным-давно отвергнутым научным заблуждением.
С другой стороны, в недавних книгах от видных учёных-физиков, вроде Нобелевских лауреатов Боба Лафлина или Фрэнка Вильчека, честно признаётся, что поспешная «отмена эфира» в начале XX века определённо была ошибкой науки. Более того, именно эфирная материя пространства (маскируемая явно неподходящим термином «вакуум»), по убеждению действительно сведущих учёных, должна стать основой для сведения всех сил природы в единую самосогласованную картину.
Цитируя, в частности Фрэнка Вильчека, суть этой картины можно обобщить так:
Имеется некий первичный ингредиент физической реальности, который наполняет собой пространство-время, и из которого формируется всё остальное.
Каждый первичный фрагмент или элемент пространства-времени имеет одни и те же базовые свойства, такие же, как у любого другого фрагмента.
Этот первичный ингредиент реальности является живым, поскольку постоянно наполнен квантовой активностью.
Эта активность делает пространство космоса сверхтекучим флюидом с целым спектром разных свойств.
… Древнее же противопоставление – Света небесного и Материи земной – науке удалось ныне преодолеть. В современной физике есть только одна вещь, и это одно гораздо больше похоже на традиционную идею Света, нежели на традиционную идею Материи.
В книге Вильчека «Лёгкость бытия: Масса, Эфир и объединение сил» развёрнуто представлены факты и аргументы, обосновывающие столь сильные заявления о первичной роли и свойствах Эфира с твёрдых позиций мейнстрим-науки по состоянию на середину 2000-х годов.
Здесь же о «первичном ингредиенте физической реальности, наполняющем собой пространство-время и формирующем всё остальное» будут далее представлены такие научные факты, которых в книге Вильчека по разным причинам нет. Это очень сильные факты экспериментальной и теоретической науки, только прежде их было принято рассматривать отдельно друг от друга и никак не связывать с концепцией эфира.
На самом деле, однако, все эти разрозненные результаты не только взаимосвязаны, но и напрямую сопрягаются с новейшим открытием – о превращении иглы вращающегося квантового газа в кристаллическую цепочку сверхтекучих вихрей. И в своей совокупности данные факты предоставляют картину того, как образуется и как устроена дискретная структура пространства. Порождающего «из Света» всё прочее, что есть в этом мире…
#
До того, как экспериментальная физика начала осваивать квантово-гидродинамические феномены сверхохлаждённых газов, наиболее близкой моделью для непосредственных наблюдений физики эфира служила пылевая плазма [4]. В явном виде, конечно, никто такую ересь не проповедовал – коль скоро официально в науке эфир давно и категорически отменён.
Однако, богатейшая динамика процессов в физической плазме как чрезвычайно подвижном флюиде и сама по себе не только очень интересна для теоретиков, но и сулит важные практические приложения. В силу же ряда причин особый интерес исследователей сосредоточился на изучении так называемой пылевой плазмы, которая от плазмы обычной отличается присутствием относительно крупных микрочастиц-пылинок.
Благодаря таким пылевым включениям динамика плазмы позволяет (в определённых условиях эксперимента) непосредственно наблюдать, как этот лёгкий и подвижный флюид в рамках одного объёма одновременно формирует структуры, по своим свойствам характерные для газа, для жидкости и для твёрдого кристаллического тела.
Подобная многоликость физической среды пространства, можно напомнить, на рубеже XIX-XX веков считалась одной из наиболее озадачивающих особенностей эфира.
#
Среди тех важных теоретических открытий физики, что заставили учёных XX века существенно по-новому смотреть на свойства и особенности «пустого» пространства, непременно должно быть упомянуто открытие Майкла Берри и Джона Ная [5]. В 1974 году эти британские учёные показали, что физику распространения света и прочих электромагнитных волн в среде можно описывать теми же понятиями и формулами, что и образование дефектов-дислокаций в кристаллах.
Эта же по сути идея – о распространении света как дефекта или деформации в структуре геометрии пространства – впоследствии получила очень сильное развитие в теории твисторов Роджера Пенроуза [6].
Минуя все те глубокие математические рассуждения, которые привели Пенроуза к идеям о важности квантов света в формировании структуры и геометрии пространства, сосредоточимся лишь на форме собственно твистора. Иначе говоря, на весьма нетривиальной геометрии того кванта света, который до твисторов Пенроуза в науке физике было принято именовать «точечной частицей» со спином 1.
На языке топологии и геометрии эта конфигурация известна как нетривиальная фибрация Хопфа. На языке современной физики, где каждому интересному объекту со свойствами квазичастицы принято давать собственное имя, то же самое именуют хопфион. Ну а для нас здесь наиболее важен тот неоспоримый факт, что в физике жидкостей именно такую форму имеют вихревые кольца.
Одной их характерных особенностей в физике и геометрии распространения вихревых колец является тот факт, что по мере движения кольца через пространство вслед за ним образуется тонкая вихревая нить. Или «вихревая игла», если воспользоваться уже знакомой нам терминологией исследователей сверхохлаждённых бозонных конденсатов. От них же, соответственно, мы теперь знаем, что в условиях квантовой гидродинамики эта неустойчивая игла распадается на более стабильную «кристаллическую» цепочку вихревых капель…
#
Самое, быть может, замечательное в открывающейся здесь квантово-гидродинамической картине – это впечатляющее соответствие между реальной физикой жидкостей и сугубо математическими наработками теории струн/бран. Весьма влиятельной ещё недавно области исследований, претендовавшей на роль главной «теории всего», однако ныне глубоко увязшей в полной неспособности привязать свои математические успехи к физике окружающего нас мира.
Четверть века назад, когда теория струн переживала бурный подъём «второй струнной революции», Эдвард Виттен, как один из главных лидеров этого движения, опубликовал целый ряд обзорно-программных работ. В которых особо подчеркнул первостепенную важность задачи о постижении подлинного геометрического смысла главных физических «констант-деформаций» ħ и α’ – постоянной Планка и альфа-прим. Ибо эти константы воплощают в себе идею минимального кванта энергии на разных масштабах природы и принципиально необходимы для работы физических формул, иначе приводящих к бессмысленным бесконечностям в решениях.
Из большого текста «Геометрия деформаций вместо антропного принципа» можно узнать подробности о том, что происходило с этими замыслами дальше. О том, в частности, как решение задачи о прояснении смысла h удалось сильно продвинуть благодаря тому, что Виттен сумел встроить твисторы Пенроуза в теорию струн. А также и о том, как дальнейшее развитие этих работ по сути дела остановилось.
Иначе говоря, геометрический смысл самой важной для теории струн/бран константы-деформации «альфа-прим» так и остаётся до сих пор в науке не прояснённым. Благодаря Виттену все знают, конечно, что роль α’ на уровне предельно малых масштабов физики столь же важна, как роль планковской константы-деформации h на уровне квантовой механики и теории поля.
Но отказаться от традиционных – и в корне неверных – воззрений на «альфа-прим» как на элементарную, то есть неделимую далее единицу «силы натяжения струны», научное сообщество так и не сумело. Точно так же, как не сумело принять, что М-теория – как следующий этап эволюции теории струн – это теория Мембран . А в терминах теории мембран (или бран, как предпочитают называть это теоретики) куда более внятной и естественной для «альфа-прим» интерпретацией оказывается элементарный «квант энергии» на единицу площади планковского масштаба…
Возвращаясь к теме квантовой гидродинамики, осталось отметить, что поверхность вихревого кольца в жидкости – это самое внятное и наглядное пояснение для математической концепции «брана». Как естественно образующаяся в природе динамичная перегородка, разделяющая две существенно разные области одного и того же пространства. Область пассивно-инертную от области другой, наполненной энергией движения.
И если теперь после всех этих пояснений рассмотреть физику и геометрию распространения кванта света как твистора Пенроуза или вихревого кольца эфира, то несложно увидеть и самое главное. То, что константа Планка и альфа-прим в действительности не только тесно взаимосвязаны через квантовую гидродинамику, но и по сути дела порождают друг друга.
«Большое» вихревое кольцо h оставляет за собой цепочку «мелких» вихрей-квантов α’. Именно кванты альфа-прим и являются «первичным ингредиентом физической реальности, наполняющим собой и своей энергией пространство-время, из которого формируется всё остальное»…
Можно продемонстрировать, что представленный здесь «эфирно-вихревой подход» к пониманию реальной природы ħ и α’ – это далеко не только рецепт пристёгивания теории струн/бран к физике окружающего нас мира. Но также и путь к естественному объединению Мембран-теории с другими сильными альтернативами теорий квантовой гравитации. Такими, в частности, как петлевая квантовая гравитация (LQG) и каузальная динамическая триангуляция (CDT).
[ Продолжение следует ]
# # #
Дополнительное чтение:
DARPA: сюрпризы и не-произносимое
Гостайна как метафора
Метафорический компьютинг
Геометрия деформаций вместо антропного принципа
Эдвард Виттен как Гаусс сегодня
# #
Основные источники:
[1] Biswaroop Mukherjee et al. Crystallization of bosonic quantum Hall states in a rotating quantum gas. Nature, vol 601, pp 58–62 (2022) arXiv:2106.11300
[2] MIT Physicists Formed Quantum Tornadoes by Spinning Ultra-Cold Atoms. By Elizabeth Gamillo. Smithsonian Magazine, January 13, 2022
[3] How the world’s first ‘quantum tornadoes’ came to be the atom-sized version of extreme weather. By Rahul Rao. Popular Science, Jan 17, 2022
[4] В.Н.Цытович, Развитие физических представлений о взаимодействии плазменных потоков и электростатических полей в пылевой плазме, Успехи физических наук, том 177, № 4, апрель 2007. Также см.: V N Tsytovich, G E Morfill, V E Fortov, N G Gusein-Zade, B A Klumov and S V Vladimirov. From plasma crystals and helical structures towards inorganic living matter, New Journal of Physics 9 (2007) 263.
[5] J. F. Nye and M. V. Berry. Dislocations in wave trains, Proceedings of the Royal Society of London, Ser. A 336, 165 (1974)
[6] Roger Penrose. Twistor Theory: A Geometric Perspective for Describing the Physical World. In «New Spaces in Physics: Formal and Conceptual Reflections». Edited by Mathieu Anel, and Gabriel Catren. Cambridge University Press, 2021
#
kiwi arXiv 