Вселенная вместо ничто
Как Андрей Сахаров отвечал на вопрос о причине существования материи
Красивый вопрос о том, почему вообще все существует, будто бы относится к разряду философских — но это, в определенном смысле, дело формулировок. Физики же вместо того, чтобы вопрошать о том, «почему вообще есть сущее, а не наоборот, ничто», предпочитают использовать словосочетание «барионная асимметрия», за которым стоит заметное преобладание вещества над антивеществом в видимой части Вселенной. Одна из ключевых статей, посвященная этому вопросу, принадлежит Андрею Сахарову, имя которого обычно ассоциируется совсем с другими вещами: правозащитной деятельностью и созданием водородной бомбы. В этом материале мы попробуем объяснить, в чем была суть этой работы и почему ее считают значимой, а какие последствия она имела для космологии и физики элементарных частиц, мы попросили прокомментировать физика Валерия Рубакова.
Андрей Сахаров в 1989 году
RIA Novosti archive, image #25981 / Vladimir Fedorenko / CC-BY-SA 3.0
Попробуем теперь аккуратнее разобраться с отдельными словами. Барионы — это семейство тяжелых элементарных частиц, к которому, в частности, относятся протоны и нейтроны. Все барионы состоят из трех кварков, они участвуют в сильном взаимодействии и именно из них состоят атомные ядра.
Второй вопрос — о какой асимметрии мы тут говорим. Барион, как и любая квантовая частица, описывается набором числовых квантовых параметров, которые полностью характеризуют его физические свойства. В данном контексте наиболее важный из них — это так называемый барионный заряд — квантовая характеристика, которая определяется через число кварков и антикварков в системе. Именно знак барионного заряда кварков (плюс) отличает вещество от антивещества (у него знак барионного заряда — минус). Если бы частиц с противоположными знаками заряда во Вселенной было поровну, то вещества было бы ровно столько же, сколько и антивещества. В этом случае они бы проаннигилировали, и Вселенная действительно превратилась бы в ничто. Но почему-то Вселенная развивалась так, что вещества в ней сейчас значительно больше, чем антивещества (подробнее о нем вы можете прочитать в нашем материале «C точностью до наоборот»).
Атомы водорода (на переднем плане) и антиводорода (на заднем плане). Как видно, водород состоит из протона и электрона, а антиводород — из антипротона и позитрона
NSF
Если мы проведем над частицей операцию зарядового сопряжения (то есть поменяем знак заряда на противоположный), превратив тем самым вещество в антивещество, и она после этого будет подчиняться тем же законам физики, что и до преобразования, то ее в таком случае называют C-симметричной. Такое свойство характерно для электромагнитного и сильного взаимодействия элементарных частиц. Аналогичные преобразования можно провести не только с зарядом, но и с другими категориями: если физические законы, действующие на систему, продолжат выполняться после зеркальной инверсии пространства, это мы будем называть P-симметрией (или симметрией относительно «четности» системы), а такое же сохранение законов после обращения времени вспять — Т-симметрией.
При этом зеркалить таким образом физическую систему можно и относительно нескольких категорий одновременно: тогда мы будем говорить о CP-, TP- или CPT-симметрии. Выполнение симметрии приводит к инвариантности физической системы относительно выбранных категорий (этот термин нам тоже понадобится позже).
Кроме барионов, нам для разговора о том, почему материя в нашей Вселенной вообще существует, понадобится еще несколько элементарных частиц: лептоны (электрически заряженные легкие частицы с полуцелым спином, которые не участвуют в сильном взаимодействии, — это отрицательно заряженные электроны и менее стабильные мюоны, — а также нейтрино — незаряженные легкие частицы, участвующие в слабом взаимодействии) и их античастицы.
Элементарные частицы и их взаимодействия в рамках Стандартной модели. В черных овалах — частицы, синие кривые — взаимодействия между ними. По углам расположены частицы материи (лептоны и кварки), между ними — переносчики взаимодействия: фотон (электромагнитное), глюон (сильное), W- и Z-бозоны (слабое) и бозон Хиггса
Eric Drexler / Wikimedia commons / CC0
Почему Вселенная
В 1964 году Джеймс Уотсон Кронин и Вал Логсдон Фитч показали, что в мироздании действительно есть «трещинка для сущего», и в некоторых случаях слабого взаимодействия CP-инвариантность может нарушаться (в 1980 году за это открытие им присудили Нобелевскую премию). Поскольку для электромагнитного и сильного взаимодействий CP-инвариантность выполняется всегда, то почему она может не выполняться для слабого, было непонятно. Не до конца понятными были и последствия этого нарушения для космологических теорий и теорий взаимодействия элементарных частиц.
Фейнмановская диаграмма, демонстрирующая превращение антикаон в каон. Кварки в каонах при этом обмениваются двумя W-бозонами. Этот процесс наблюдали Кронин и Фитч
Maksim, NikNaks / Wikimedia commons / CC BY-SA 3.0
Во-вторых, тогда уже казалось очевидным, что антивещества во Вселенной практически нет. В какой момент развития Вселенной вещество выиграло у антивещества? И почему? Казалось бы, частицы не имеют какого-то преимущества перед античастицами по набору своих характеристик и наоборот. Поэтому в момент образования современной Вселенной их должно было быть поровну. Однако очевидно, что по какой-то причине равновесие сместилось в сторону обычного вещества — иначе бы Вселенная в ее современной форме просто не образовалась.
Именно работа Сахарова стала первой, где вопрос о причинах возникновения этой асимметрии был поставлен явным образом.
Валерий Рубаков: «Вопрос о происхождении барионной асимметрии — очень фундаментальный. Во Вселенной не так много характеристик и свойств такого класса. Фактически происхождение барионной асимметрии и механизм образования структур во Вселенной (галактик и их скоплений) были в середине 1960-х годов двумя главными вопросами. Сейчас к ним добавилась темная материя и темная энергия — и это, наверно, самый сложный вопрос. У Вселенной вообще не так много фундаментальных характеристик, которые требуют анализа и конкретных объяснений.
Кроме того, это была одна из первых статей, где начала становиться понятной связь физики микромира и космологии. Что, конечно, очень нетривиально: фактически эта идея требует, чтобы были увязаны микроскопические механизмы физики элементарных частиц и макроскопические свойства Вселенной. Это, конечно, в результате оказалось очень плодотворным».
Одна из сложностей при объяснении этого явления — фантастическая устойчивость протонов. По современным экспериментальным данным, время жизни протона в нынешних условиях составляет не меньше, чем 1033 лет — это хотя и не вечность, но на много порядков больше возраста самой Вселенной.
Стабильность протона как раз и объясняется сохранением барионного заряда (или, что то же самое, барионного числа) во всех наблюдаемых физических процессах. Согласно современным представлениям, это число остается постоянным для всех типов взаимодействий, а чтобы барионная асимметрия возникла — оно должно перестать сохраняться. Какие условия и причины для этого нужны — абсолютно непонятно.
Условия Сахарова
Частицы, из которых сейчас состоят атомные ядра, фантастически стабильны — и значит, асимметрия между веществом и антивеществом не могла медленно развиваться при взрослении Вселенной. То есть она либо заложена в каких-то фундаментальных принципах, по которым Вселенная построена, либо стала результатом какого-то процесса в условиях сильной неустойчивости в «младенчестве» Вселенной, когда энергии были совсем другие.
Сахаров выбрал сочетание этих двух идей и описал сценарий, в котором барионная асимметрия рождается в условиях очень ранней Вселенной из-за нарушения CP-симметрии. Очень высокие температура и плотность частиц принципиальным образом изменили механизм взаимодействия барионов между собой и фактически включили в игру какие-то новые взаимодействия.
Валерий Рубаков: «В статье Сахарова есть две части. Одна – это общие необходимые условия образования барионной асимметрии. Он их очень сжато сформулировал, но они абсолютно правильные. Практически все последующие работы в этом направлении, так или иначе, основывались на этих положениях.
Вторая часть менее актуальна. Это попытки построить конкретные механизмы физики частиц, которые бы приводили к генерации барионной асимметрии. Хотя идеи, которые там есть, тоже, в общем, в той или иной форме эксплуатируются. Например, сейчас немножечко ушли от максимонов, про которые писал Сахаров. Это не значит, что это неправильно. Просто сейчас есть более понятные и, кажется, более обоснованные механизмы. Но поскольку ответ на вопросы, как это всё произошло и как возникла барионная асимметрия, неизвестен, то говорить о том, какие теории более правдоподобны, а какие менее – это вопрос вкуса».
В первой части статьи ученый сформулировал три базовых правила, выполнение которых необходимо, чтобы материи во Вселенной оказалось больше, чем антиматерии. Сегодня их называют условиями Сахарова.
Условие #1. Барионное число в этой Вселенной должно изменяться.
Сахаров предположил, что «вечные» в наше время протоны могли распадаться при расширении горячей Вселенной, которое происходило нестационарно (то есть его динамика со временем менялась). В таких условиях кварки в составе протонов могли превращаться в мюоны — ученый счел, что это происходило по механизму трехбозонного взаимодействия (то есть кроме кварка и мюона в реакции должен участвовать еще один бозон) — соответственно, барионное число во Вселенной менялось.
Схема трехчастичного распада протона на кварки с превращением бозона в мюон из статьи Сахарова. Сегодня этот сценарий считается скорее экзотическим
А. Д. Сахаров / Письма в ЖЭТФ, 1967
По оценкам Сахарова, заметная сила у этого взаимодействия может быть только на сверхплотной стадии Вселенной — когда плотность частиц составляет примерно 1098 частиц в одном кубическом сантиметре и бозоны находятся очень близко друг к другу (например сейчас на поверхности Земли плотность частиц примерно на 77 порядков ниже).
Условие #2. C- и CP-инвариантность в этой Вселенной должны нарушаться.
Чтобы возникла барионная асимметрия, необходимо то или иное нарушение инвариантности относительно инверсии заряда элементарных частиц. Про нарушение P-симметрии (относительно четности) для слабого взаимодействия было известно довольно давно, но этот эффект пространственный и решить проблему, связанную с барионным зарядом, не очень помогает. А вот открытое Кронином и Фитчем нарушение CP-инвариантности вводит в игру и заряд. Еще одним подтверждением возможности такого нарушения для Сахарова стала теоретическая работа Сусумо Окубо 1958 года, в которой описывался распад сигма-гиперонов.
И именно нарушение CP-инвариантности приводит к возникновению C-асимметрии, которую ученый даже оценил качественно, предположив, что для нейтрино она должна составлять от 10-10 до 10-8.
Условие #3. Во Вселенной во время генерации барионной асимметрии не должно быть теплового равновесия.
Третье условие Сахарова — отсутствие теплового равновесия на сверхплотной стадии расширения горячей Вселенной (то есть присутствие нестационарных процессов). К нему приводит распад тяжелых частиц, и в результате нестационарность становится причиной движения в сторону асимметрии, а не наоборот, как было бы в условиях стационарности.
Эти условия оказались сформулированы очень точно: затем они подтвердились многочисленными теоретическими работами. И заметно повлияли на дальнейшее развитие как космологических теорий, так и теорий взаимодействия элементарных частиц.
Полвека спустя
Не все идеи Сахарова, изложенные им для журнала «Письма в ЖЭТФ», сохранили актуальность. Трехчастичный механизм распада барионов с обязательным превращением бозона в мюон, который предложил ученый, оказался, видимо, не совсем точным: сейчас более вероятным считаются другие механизмы. А некоторые рассуждения Сахарова не опровергались, но потеряли со временем свою актуальность. В частности, идея связать нарушение термодинамического равновесия в ранней Вселенной с образованием максимонов — квазичастиц с максимально возможной массой — развития не получила, и к данному моменту нашлись более правдоподобные гипотезы.
Валерий Рубаков: «На мой взгляд, это прекрасная статья — очень правильная, уже сыгравшая и по-прежнему играющая существенную роль в развитии науки. К сожалению, вопрос, поставленный Сахаровым, до сих пор не решен. Это, конечно, уникальная ситуация в физике: вопрос был поставлен аж в 67-ом году, а его решения до сих пор нет. Хотя теоретических моделей было много, но экспериментальных данных, которые однозначно что-то могли бы сказать на эту тему, нет».
Как и любая научная статья, работа Сахарова по барионной асимметрии не могла иметь такого резонанса, как его общественная деятельность или работа над водородной бомбой. Не было у нее и какой-то явной прикладной ценности, как у его работ по исследованию плазмы и управляемого термоядерного синтеза. Возможно, даже ее фундаментальную значимость оценили не все и не сразу. Однако с развитием Стандартной модели и созданием теорий Великого объединения, связывающих между собой теории электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий, появились достоверные теории, допускающие нарушение барионного числа. Это произошло примерно через восемь лет после публикации статьи. Тогда на нее (как и на независимо проведенную работу Вадима Кузьмина 1970-го года) обратили внимание. Так сформулированные ученым тезисы оказали заметное влияние на космологические теории.
В условиях обычной физики — той, которую мы наблюдаем во Вселенной сейчас, процессы с нарушением барионного числа просто невозможны. Оно сохраняется всегда с очень высокой точностью. А условия, которые, согласно теоретическим предсказаниям, могли бы привести к нарушению этого правила, пока реализовать на Земле не удается. Для экспериментальной проверки этих гипотез нужны такие энергии столкновения частиц, такие массы этих частиц и такие температуры, которые намного выше доступных сейчас на современных коллайдерах.
Валерий Рубаков: «Уже существенно позже, в 85-ом году, мы с моими коллегами, Вадимом Кузьминым и Михаилом Шапошниковым, поняли, что при высоких температурах в Стандартной модели прямо происходит нарушение барионного числа совместно с нарушением лептонных чисел. Это открыло возможность построения таких механизмов генерации барионной асимметрии, которые происходят за счет нарушения лептонных чисел и частичной переработки в рамках Стандартной модели этих лептонных чисел в барионное число при высоких температурах. Причем тут речь идет не о безумно высоких температурах, порядка сотни гигаэлектронвольт. Поэтому по-прежнему остается надежда, что или существующие коллайдеры или, может быть, коллайдеры следующего поколения все-таки позволят выяснить, какой же был механизм генерации барионной асимметрии. Сейчас достаточно активно обсуждается возможность обнаружения на коллайдерах (или вообще в ускорительных экспериментах) новых частиц, которые ответственны за генерацию барионной асимметрии.
Ещё тут есть очень интересная ниточка к нейтринным осцилляциям, к нарушению лептонных чисел в нейтринном секторе и взаимопревращению нейтрино одного типа в другой. Эти процессы с нейтринными осцилляциями происходят с нарушением лептонных чисел, а нарушение лептонных чисел (если оно происходило достаточно интенсивно в ранней Вселенной) могло приводить и к генерации лептонной асимметрии. А дальше уже — известен механизм, который перерабатывает лептонную асимметрию в барионную. Не исключено, что первые косвенные результаты, которые свидетельствуют о том, как происходила генерация барионной асимметрии, связаны с обнаружением нейтринных осцилляций. Вот такой вот неожиданный поворот».
Александр Дубов
https://nplus1.ru/material/2021/05/21/s … conditions
«Это не та квантовость»
Михаил Кацнельсон — об опасностях редукционизма и квантовости нейросетей
Как классическая физика совмещается с квантовой и когда одна переходит в другую? В какой степени поведение макроскопических объектов зависит от квантовых процессов — и может ли наше сознание иметь квантовую природу, как считает недавний нобелевский лауреат Роджер Пенроуз? Об этом мы поговорили с Михаилом Кацнельсоном, профессором Университета Радбауда, который в конце прошлого года вместе с Виталием Ванчуриным показал, что если в нейронной сети не фиксировано количество элементов, то ее можно эффективно описать уравнением Шрёдингера — как будто бы это объект квантового мира.
Квантовая неквантовость
N + 1: Для погружения в контекст вы не могли бы объяснить, почему ученые так часто пытаются найти квантовые свойства в системах, в которых квантовости изначально как будто бы быть не должно? Это нужно, просто чтобы посмотреть на известную систему с нового ракурса, или это исследование внутренней природы, присущей этим системам?
Михаил Кацнельсон: Тут очень много уровней и много вариантов ответа на этот вопрос, потому что разным людям нужно разное. Во-первых, есть какой-то общефилософский интерес. Мы все-таки верим, что законы, управляющие любыми сложными системами, — они не то, чтобы сводятся к физике (так говорить, конечно, неправильно), но по крайней мере, не должны противоречить физике. В конечном счете, любые системы состоят из электронов и атомных ядер, которые описываются, как мы сейчас думаем, квантовыми законами. До какой степени свойства этих систем можно увязать с фундаментальным уровнем квантовых законов?
Надо сказать, что попытки [оценить границы применимости квантовых законов для описания макроскопических свойств] начались очень рано. Если говорить о классиках нашей науки, то, скажем, у Нильса Бора были работы по физике и биологии, в которых он предлагал очень интересный подход. Он предлагал использовать какой-то вариант его же собственного принципа дополнительности: так же, как квантовая физика в интерпретации Бора говорит, что мы не можем полностью описать квантовую систему на классическом языке, но можем описать ее, используя несколько дополнительных [по отношению друг к другу] классических языков. Насколько я понимаю, у Бора была идея, что физические и биологические законы примерно так же соотносятся. То есть биология не сводится к физике, а это какие-то дополнительные, несводимые друг к другу способы обсуждать свойства каких-то систем, которые, видимо, сложнее, чем каждая из этих проекций по отдельности.
У другого великого физика Вольфганга Паули попадались, например, такие высказывания, что физика и психология — это два равно фундаментальных уровня описания реальности, которые не сводимы друг к другу. У еще одного классика нашей науки Юджина Вигнера была очень забавная статья о вероятности появления самовоспроизводящихся систем. В ней он вроде бы доказал (но я думаю, что это все-таки не доказательство — к этому не надо сверхсерьезно относиться), что из общих принципов квантовой механики следует, что самовоспроизводящиеся системы невозможны. А поскольку живые организмы — это самовоспроизводящиеся системы, то следовательно жизнь нельзя объяснить на основании законов квантовой механики и нужно что-то еще.
Нильс Бор, Юджин Вигнер, Вольфганг Паули
Как видите, общие настроения всех этих великих людей были скорее такими, что, наверно, и невозможно, и неправильно объяснять биологические психологические и социальные законы физикой и квантовой механикой. Но потом возникла молекулярная биология, была расшифрована структура ДНК, и физические методы стали использоваться в биологии очень широко. И немножко, я бы сказал, у кого-то голова закружилась по этому поводу. Действительно, стали думать, что квантовая механика может и напрямую как-то объяснять биологию.
Вообще редукционизм (то есть объяснение поведения сложных систем через свойства составляющих их элементов) — это традиционно популярный взгляд среди ученых-естественников. Но этот взгляд, по моему мнению, довольно бедный. Конечно, ни Бор, ни Паули, ни Вигнер, ни другие классики не были редукционистами. Но многие были. И поэтому начинаются попытки объяснить явления жизни, сознания и всего остального, исходя из законов, которые управляют поведением мельчайших элементов, то есть квантов.
На мой взгляд, этот подход не очень глубокий и не очень правильный. Но что-то в нем, конечно, есть. Потому что какие-то квантовые процессы заведомо жизненно важны для биологических организмов. Например, если мы будем говорить о таких важных биологических процессах, как фотосинтез или световосприятие, — конечно, это все начинается с чисто квантового процесса.
Вопрос — насколько далеко можно так зайти. Некоторые заходят очень далеко. Например, Пенроуз зашел настолько далеко, что стал описывать конкретные квантовые процессы [в работе нервной системы]. Он говорил о микротрубочках, каких-то их вибрационных состояниях, которые могут играть важную роль в деятельности нервной системы. Сравнительно недавно, в 2015 году, тоже очень известный физик Мэттью Фишер опубликовал статью в Annals of Physics, в которой объявил, что какие-то процессы, связанные со спинами ядер фосфора в определенных молекулах, которые состоят из кальция, фосфора и кислорода, и которые заведомо присутствуют в живых организмах, могут играть какую-то роль [в процессах в головном мозге].
Две молекулы Ca9(PO4)6 в различных ориентациях. По мнению Мэттью Фишера, ядерные спины атомов фосфора в этих молекулах могли бы выполнять роль кубитов в головном мозге
Matthew P. A. Fisher / Annals of Physics, 2015
Есть некое такое направление, когда люди пытаются — я бы сказал, в раже редукционизма — очень сложные явления, связанные с поведением больших и многоуровневых систем, напрямую вывести из свойств составляющих их элементов. Мое личное отношение к этому направлению очень скептическое. Для этого есть и научные причины, и, так сказать, мировоззренческие.
Микротрубочки Пенроуза
Раз уж вы упомянули работы Пенроуза и Фишера, не могу не спросить про них. Почему сейчас в целом отношение к редукционистскому подходу снова стало значительно более скептическим, а работы Пенроуза по квантовым состояниям в микротрубочках, — вообще считаются маргинальными и так сильно критикуются?
По многим причинам. Причем и научным, и ненаучным.
Научные причины относятся к идеям Пенроуза и Фишера. В каком смысле мир вокруг нас квантовый, а в каком смысле он неквантовый? В определенном смысле все квантовое. Потому что все, что происходит в наших организмах с точки зрения движений атомов, изменений молекул и так далее — это какие-то химические реакции, передачи электронов, протонов, еще чего-то. Я думаю, что у нас нет абсолютно никаких серьезных оснований сомневаться в том, что каждый из этих микропроцессов в конечном счете сводится к квантовой механике. Например, при фоторецепции сначала куда-то попадает фотон, потом какие-то возбуждения в электронной системе двигаются по цепочкам, в результате меняется конформация какой-то молекулы. И это производит какое-то действие на нервные окончания. Но когда люди говорят о квантовых эффектах в биологии, психологии и так далее, они же большее имеют в виду. Они имеют в виду, что во всех этих процессах играет роль такое специфическое явление, как квантовая запутанность — то есть мы имеем дело с макроскопическими квантовыми явлениями. И вот в это уже поверить безумно трудно.
Спиновый ток в микротрубочках, который возникает в результате переключения между состояниями диполей тубулина (обозначены желтым и синим). Эти квантовые процессы, как считает Пенроуз, могут влиять на сознание человека
Stuart Hameroff & Roger Penrose / Physics of Life Reviews, 2014
Дело в том, что свойство квантовой запутанности, вообще-то, безумно хрупкое. И оно, как правило, убивается процессом, который называется «декогеренция». Если вы берете абсолютно изолированную от всего квантовую систему, [то у нее,] конечно, будут какие-то собственные состояния, собственные волновые функции и так далее. Но когда вы помещаете всю эту систему в окружение, подавляющее большинство этих состояний разрушается. Выживает сравнительно небольшое количество состояний, и бороться с этим — огромная проблема.
Причем у меня создалось впечатление, что Пенроуз даже не подозревает об этих проблемах. По крайней мере, не подозревал, когда эти книги писал. Он великий человек, но все-таки из немного другой области науки. Мэттью Фишер это понимает прекрасно. И в его статье изрядная доля текста — это именно обсуждение того, почему спины ядер фосфора достаточно хорошо изолированы. Вопрос — как аккуратно оценить декогерирующее действие всех ядерных и электронных спинов и всех прочих возбуждений. Потом, мы все-таки живем не при нуле температур. Мы живем при комнатной физиологической температуре, то есть полно всяких фононов, колебаний — невероятное количество декогерирующих агентов.
Микротрубочка в нейроне как система кубитов
Stuart Hameroff & Roger Penrose / Physics of Life Reviews, 2014
Получается, что чисто теоретически квантовая запутанность могла бы повлиять на макрообъекты, но для этого надо создавать суперспециальные условия, которых в организме человека или, например, позвоночных животных в принципе быть не может?
Да, и тут никакой презумпции невиновности нет. Я бы сказал, что бремя доказательства лежит на делающих такие утверждения. Потому что по умолчанию, любой, кто имеет реальный опыт работы с [более простыми квантовыми системами], никогда не поверит ни в какое отсутствие декогерентности при физиологических температурах.
Другой вопрос, а зачем это, собственно, надо? Допустим, даже есть какая-то запутанность этих ядерных спинов или еще чего-то. Зачем? Люди привыкли, что мозг человека — это, наверно, какой-то вариант компьютера. Но то, что он совершенно не похож на классический компьютер, это, наверно, уже совершенно очевидно. И тот же Пенроуз об этом очень много пишет. С разной степенью убедительности.
Но мозг ведь и на квантовый компьютер совсем не похож?
У Пенроуза дальше такая логика. На десятках страницах убедительно доказывается, что [мозг] не похож на классический компьютер. А что это еще может быть? Ну, пусть будет квантовый компьютер.
Но для того, чтобы квантовый компьютер реально работал как квантовый, надо, чтобы [декогеренция] была совсем, вчистую подавлена.
Еще одна вещь тут такая. Это то, о чем мой друг и соавтор Ханс де Радт иногда говорит: «Люди так рассуждают о волновой функции, как будто ее можно купить в супермаркете». То есть помимо манипуляций с волновой функцией, нужно еще приготовить квантовое состояние, а потом прочитать финальное состояние. И эти операции тоже нужно анализировать. Я, упаси бог, не хочу сказать, что квантовый компьютер невозможен. Но тут столько проблем.
И если люди по какой-то причине хотят объявить, что наш мозг — это компьютер, но не классический, а квантовый, они кучу проблем должны решить. Они должны показать, что декогеренция не убьет [необходимое квантовое состояние] полностью. Дальше они должны показать, что пространство, свободное от декогерентности, — достаточно большое и богатое, чтобы это еще можно было называть квантовым вычислением. Они должны показать, что в этих реальных физиологических условиях проходят не только какие-то процессы манипуляции с этими состояниями, но и процессы приготовления начального квантового состояния и считывания конечного квантового состояния. Что они не требуют каких-то безумно больших усилий и так далее. То есть это «Ксанф, пойди и выпей море». И, пока это море не выпито, просто не о чем разговаривать, с моей точки зрения.
Эмерджентная квантовость
Но кроме естественнонаучных возражений к этому направлению мысли, есть еще и концептуальные. Как я сказал, редукционизм был господствующим. Сейчас все изменилось. В 1972 году в Science появилась статья — очень интересная, не научная статья, а такое заявление, манифест — Фила Андерсона, великого физика, недавно, к несчастью, умершего, нобелевского лауреата, который подчеркнул, что в физике огромную роль играет концепция эмерджентности (от emergence — внезапное возникновение). Грубо говоря, он говорит, что свойства физических систем не сводятся к свойствам элементов. То есть, на самом деле, самые разные физические системы, которые состоят из совершенно разных элементов, во многих своих важных проявлениях ведут себя совершенно одинаково.
То есть они определяются уже не свойствами элементов, из которых состоят, а тем состоянием, в котором находятся?
Совершенно верно. Потом уже другой великий физик, другой нобелевский лауреат Боб Лафлин опубликовал книгу, которая называется «Другая Вселенная». В ней он тоже подчеркивает, что редукционизм не работает. Мы не можем сначала изучать свойства каких-то частиц, а потом — свойства состоящих из них объектов. Более того, Лафлин подчеркивает, что лучшие современные способы определять фундаментальные константы (такие как, например, постоянная Планка) на самом деле основаны на явлениях из физики конденсированного состояния. Таких, как эффект Джозефсона, квантовый эффект Холла и так далее. То есть процесс познания работает в обратную сторону.
И даже физика не так устроена — что надо непременно все выводить из свойств элементов. Во-первых, очень часто возникающие интересные для нас свойства вообще не зависят от свойств элементов. А во-вторых, очень часто как раз наоборот: правильно понять свойства элементов можно, изучая поведение более сложных систем. В целом, я не вижу ни научных причин непременно сводить какие-то свойства живых организмов или сознания или чего-то еще к свойствам элементов, ни философских, концептуальных причин. Мне лично кажется, что подход Андерсона, Лафлина и многих других, который подчеркивает именно роль эмерджентности, гораздо глубже и гораздо правильнее, чем наивно-редукционистский.
Квантовые нейросети
Ваша работа, которую вы написали в конце 2020 года, тоже ведь вытекает из такого подхода. Вы пишете про квантовые свойства нейросетей, которые точно так же возникают эмерджентно — как характеристика всей системы целиком. Я правильно понимаю?
Да. Но тут есть некоторая предыстория.
Довольно долго уже, последние лет семь-восемь, я с моими друзьями и соавторами Хансом де Радтом и Кристель Микильсен пытаюсь, если угодно, «демистифицировать» квантовую механику. Потому что проблема есть. Есть знаменитое высказывание Ричарда Фейнмана, что квантовую механику не понимает никто. Его все повторяют, цитируют, и это, наверно, совершенно правильная констатация того положения дел, которое было, когда он об этом говорил, — в начале 60-х. Но на мой взгляд, если не понимаешь — так постарайся, проделай какую-то работу и пойми. А представляют так, что квантовую механику невозможно понять, и пытаться не надо. Но это неправильно. Понять можно.
Подход, который мы развивали, был основан вот на чем. Давайте мы примем на время такой чисто феноменологический подход к квантовым экспериментам. Ну, что, в конце концов, у нас есть? Квантовая система, про которую мы ничего не знаем. Единственное, что мы можем обсуждать, — это результат взаимодействия квантовой системы с каким-то измерительным прибором. А этот измерительный прибор должен быть классическим. И в конце концов у нас — просто ворох чисел, показаний стрелочек, связанных с ориентацией в пространстве этого прибора. Если он содержит несколько детекторов — какой из детекторов сработал, какой не сработал, что-то там еще. Мы смотрим на этот ворох данных и совершенно не понимаем, как эта штука работает. Что мы должны делать? Ну, во-первых, мы должны предсказать результаты новых измерений, новые данные, анализируя те данные, которые у нас есть. В некоторых случаях это возможно. Грубо говоря, у вас есть некий черный ящик, который вам выдает любую цифру от нуля до девяти, и он последний миллиард раз выдавал двойку. Остальные числа вообще не присутствовали. Если вас спросят, какая будет следующая выдача, вы почти наверняка скажете «двойка», и почти наверняка будете правы. Несмотря на то, что совершенно не знаете, как он устроен. Ну, так же, как совершенно не обязательно знать астрономию для того, чтобы сказать, что солнце завтра взойдет. Вчера всходило, позавчера всходило, сто лет назад, говорят, всходило, тысячу лет назад кто-то писал, что оно всходило. Значит, взойдет.
И мы попытались представить себе, какого типа теорию мы можем построить, относясь к квантовым приборам, как к черным ящикам — не анализируя их работу детально и не зная, как они устроены. И показали, что, если просто использовать соображения, взятые из теории информации, скомбинировать их с неким физическим принципом (технически говоря, это уравнение Гамильтона — Якоби, но которое выполняется не абсолютно точно и всегда, а только в среднем), то из этой комбинации можно вывести уравнение Шрёдингера. Если мы правы, квантовая механика теряет статус фундаментальной физической теории и приобретает статус феноменологической теории, типа термодинамики.
Способы использования квантовой теории при описании наблюдаемых явлений
Hans De Raedt et al. / Annals of Physics, 2019
Это одна история. Другая история связана с квантовыми компьютерами. Но кроме квантовых компьютеров, есть еще вычислители, работающие по принципу квантового отжига (quantum annealers). Многие классические задачи — задачи оптимизации, экономики в конце концов, сводятся к тому, что у вас есть некий массив бинарных переменных, которые могут принимать одно из двух значений, и есть какая-то очень-очень сложная функция, зависящая от состояния этих переменных, которую надо оптимизировать. У реальных систем эта функция обычно жутко сложно устроена, у нее ужасно много минимумов. Есть, конечно, глобальный минимум, который дает вам истинную оптимизацию. Но есть огромное количество локальных минимумов, на которых вы в процессе оптимизации будете застревать. И это большая проблема.
Так вот, если, например, вы рассматриваете такую же систему, но введете еще какую-то квантовость, в квантовых системах есть квантовое туннелирование. То есть, грубо говоря, квантовая система не будет застревать вот в этих локальных минимумах.
То есть она за счет туннелирования способна из одного минимума перепрыгнуть в другой минимум, соседний?
Да. И вы, используя вот эту квантовость, — еще раз подчеркиваю, изучая систему, которая совершенно не квантовая, — гораздо лучше решите вашу задачу. Введя квантовость в вашу систему, вы достигнете истинной оптимизации. И это вполне работающая штука, эти машины работают и полезные вещи делают. То есть это был некий такой звоночек, что зачастую очень полезно взглянуть с квантовой точки зрения даже на системы, которые сами по себе совершенно не квантовые. Это была одна такая линия размышлений, в которой я застрял.
И одновременно Виталий Ванчурин, с которым мы случайно пересеклись, сделал работу, которая была, в некоторых отношениях, очень похожа на нашу работу с Хансом и Кристель. Он не знал об этом, но мы быстро установили, что сходство есть. Но мы-то исходили из неких формальных аксиом, а он рассмотрел конкретную вещь — как работает нейросеть. Просто задал какую-то конкретную модель нейросети с несколькими типами нейронов. Обучение — это тоже какая-то задача оптимизации. И тоже вывел уравнение Шрёдингера. Мы оба пришли к тому, что противоречий [между нашими работами], собственно, нет. Что просто у нас есть некая феноменологическая конструкция, а у него есть более микроскопическая модель, которая соответствует нашей. Достаточно просто предположить, что нейросети работают в соответствии с этими нашими аксиомами рационального думания.
Но когда у вас есть модель, вы можете продвинуться гораздо дальше. Тут уже вопрос довольно технический. В нашем исходном выводе уравнения Шрёдингера было место, которое нас не очень удовлетворяло: в какой-то момент там приходилось еще один дополнительный постулат вводить. А в модели Виталия, этот постулат как-то естественно выводится. Получилось, что анализируя работу нейросетей, вы можете вывести что-то практически идентичное уравнению Шрёдингера. Но только, конечно, там никакой постоянной Планка нет, никакой массы электрона нет. Есть какие-то параметры, которые определяются характеристиками вашей нейросети. Тем не менее, в определенных, но достаточно общих положениях, нейросеть может описываться формально квантовым уравнением.
И тогда это совершенно другой подход. Он не редукционистский. Он как раз в духе Андерсона: это эмерджентность. Мы начали вообще с феноменологии. Дальше рассмотрели нейросеть, которая исходно все-таки макроскопический объект. И мы показали, что, при некоторых условиях этот макрообъект описывается уравнениями, которые очень похожи на те, что работают в микромире. Но, разумеется, с совершенно другими значениями констант. И, если система стала такой эффективно квантовой, вполне возможно, что это реально поможет ей решать задачи оптимизации. Чисто классические. То есть может оказаться, что для какой-то обучающейся системы стать квантовой может быть вполне полезно. И, может быть, даже и для биологической системы. Но это не та квантовость, которая исходно заложена, потому что все состоит из электронов и ядер, а квантовость, которая возникла сама в результате просто некоторого формального сходства.
Вот это наш подход. На мой взгляд, он совершенно радикально отличается от того, что имели в виду Пенроуз и Фишер.
Получается, при таком квантовом описании, в этой системе есть какая-то своя собственная постоянная Планка и свое собственное квантовое туннелирование. А квантоваться такая нейросеть на что-то будет? У нее есть какие-то элементарные частицы, элементарные кванты энергии, или это описание на более общем уровне?
Нет, сама нейросеть состоит из нейронов. А квантовость у нее — именно эмерджентная. То есть она описывает не частицы. Это немножко напоминает спиритический сеанс. Вот когда мы говорим «дух науки», что мы под ним понимаем? Как он соотносится с духом реальных живых ученых, которые занимаются наукой? Ну наверно, это какой-то корпоративный дух.
То есть никаких квантов там нет?
Волновая функция, которая у нас возникает, не имеет никакого прямого отношения к элементам. Это как бы «дух нейросети». Она характеризует поведение нейросети в целом. Поведение нейросети, несводимое к поведению ее элементов. Это в чистом виде та самая эмерджентность, как мне кажется.
И такой подход применим не только для искусственных нейросетей, но и для настоящих нейронов?
Мы надеемся. Мы эту работу недавно закончили. Но мы уже начали конкретные симуляции, чтобы просто посмотреть, как это реально будет работать.
То есть с помощью нее можно описать какие-то реальные, естественные процессы? Скажем, нейропластичность или нейродегенерацию?
Ну, откуда ж я знаю? Мы же только начали. Пока мы ей ставим простейшие задачи распознавания образов, пытаемся [ее] изучать. Посмотрим, насколько далеко мы сможем уйти по этому пути.
А такой подход можно перенести с нейросетей на какие-то более сложные системы — может быть, биологические или социальные? Есть ожидание, что аналогичная квантовость может возникнуть и в них?
Есть. Но, опять же, это может быть тот самый «дух науки», «дух времени». Какое-то время назад все верили, что все есть тьюринговская машина, все есть этот абстрактный компьютер. Физик Дэвид Дойч, один из отцов квантовой информатики, даже целую книжку написал «Структура реальности», в которой призывал очень серьезно отнестись к тому, что все есть тьюринговская машина. Кстати, мотивация Пенроуза была именно в том, что ему ужасно это не нравилось. Он хотел привести какие-то аргументы, что не все есть тьюринговская машина. Насколько он преуспел в этом — это другой вопрос.
Сейчас, наверно, существует такое поветрие, что все есть нейросеть. И если мы действительно считаем, что все есть нейросеть, тогда биологические системы — это какие-то обучающиеся системы и дарвиновский отбор — это, в каком-то смысле, тоже обучение. Социальные системы тоже явно обучающиеся. Какие-то социальные практики пробуются, и если они приводят не к тем результатам, которые хотелось бы, то они видоизменяются.
Тогда, казалось бы, если мы убедительно докажем, что нейросеть ведет себя каким-то квантовым образом, наверно, более-менее автоматически из этого будет следовать, что какая-то эмерджентная квантовость будет иметь место и в биологии, и в культуре.
А возможно, что эта эмерджентная квантовость каким-то образом поможет обосновать индетерминизм и свободу воли?
Я не знаю. Понимаете, у нас ведь очень странный подход. Эйнштейн полагал, что фундаментальные законы природы должны быть детерминистскими, а случайность возникает в результате нашего незнания. Мы-то этот подход просто перевернули, потому что на самом деле мы стартуем с каких-то уравнений, которые Виталий предложил для описания нейросетей. Они описывают некий случайный процесс.
То есть случайность процесса — это изначальная предпосылка вашего подхода?
Да. Эйнштейн говорил, что «бог не играет в кости». А Бор ему, говорят, ответил: «Эйнштейн, прекрати говорить богу, что ему делать и что не делать». В каком-то смысле, мы пытаемся проверить прямо противоположную идею — что он только и делает, что играет в кости. Что в основе всего лежит какой-то случайный процесс. Причем исходно классический случайный процесс. И вот каким-то хитрым образом из него возникает вот эта квантовость. Не знаю, насколько далеко можно тут уйти. Это, в общем, довольно радикальное утверждение, радикальный шаг. Но мы попробуем. Не получится — будем знать, что этой дорогой не надо больше никому ходить. Все равно интересно.
А можно ли каким-то образом аналогичный подход применить к описанию совсем других систем, у которых с квантовостью пока не до конца понятно? Может ли, например, гравитация быть эмерджентным свойством?
Виталий утверждает, что да. Он полагает — у него была другая работа, — что гравитацию тоже можно вывести в рамках какой-то хитрой модели нейросетей. Ну, у меня своего мнения по этому поводу нет. Он все-таки космолог, ему видней про гравитацию. Я не чувствую, что я в этом настолько хорошо разбираюсь. Но, во всяком случае, есть планы, когда мы получше разберемся с уравнением Шрёдингера, попытаться понять, нельзя ли вывести гравитационные законы из чего-то подобного. Потому что сейчас это, опять же, направление, которое в духе времени. Есть такой физик Эрик Верлинде, в Нидерландах работает. Он объявил, что гравитация — это некая энтропия. Многие пытаются вывести гравитацию, опять же, из квантовой запутанности. То есть утверждение, что гравитация — это тоже какой-то эмерджентный феномен, оно потихоньку начинает приживаться в научном сообществе. И может быть, получится. Я не знаю. У меня своего мнения нет. Виталий, насколько мне известно, верит, что да, что так может быть.
Беседовал Александр Дубов
https://nplus1.ru/material/2021/04/05/k … antum-mind
оффтоп
Древнейшие цирконы из Джек-Хиллс указывают на то, что тектоника плит началась 3,6 миллиарда лет назад
Рис. 1. Скальные обнажения на склонах холмов Джек-Хиллс (см. Jack Hills) в Западной Австралии — источник древнейшего материала земного происхождения — зерен минерала циркон, входивших когда-то в состав не сохранившихся нигде на поверхности Земли пород катархея. Фото с сайта eurekalert.org
Американские геологи представили доказательства того, что горизонтальные перемещения блоков земной коры — литосферных плит — по поверхности Земли начались 3,6 млрд лет назад. Авторы исследования предлагают считать это временем старта тектоники плит — уникального механизма, определяющего ход основных геологических процессов и облик нашей планеты в целом. Изучив состав цирконов из района Джек-Хиллс в Западной Австралии, имеющих возраст от 4,3 до 3,0 млрд лет, ученые выяснили, что примерно 3,6 млрд лет назад в составе этих минералов магматического происхождения появился алюминий — типичный химический элемент континентальной земной коры и индикатор ее глубинного плавления при погружении в мантию. По мнению исследователей, это свидетельствует о том, что к этому времени уже сформировались первые протоконтиненты, а осадочный материал с поверхности начал затягиваться в мантию в зонах субдукции.
Современное научное представление о строении и динамике литосферы — твердой оболочки Земли — основывается на концепции тектоники плит, согласно которой земная кора состоит из относительно целостных блоков — литосферных плит, находящихся в постоянном движении относительно друг друга. Тектоника плит объясняет возникновение землетрясений, вулканическую деятельность и процессы горообразования.
Никакие другие планетные тела, известные нам, не имеют подобной динамической коры. Этот глубинный конвейер в течение миллиардов лет поддерживал на земной поверхности относительно стабильные условия за счет постоянной подпитки энергией и химическими веществами из глубинных недр, что, по мнению ученых, стало одним из ключевых факторов зарождения на Земле сложных форм жизни.
Но когда и как начал работать механизм, обеспечивающий движение литосферных плит, остается одним из самых спорных вопросов геологии. Известно, что первые блоки континентальной коры возникли на Земле в архее (4,0–2,5 млрд лет назад). Сегодня породы архейского возраста сохранились в кратонах — ядрах древних континентов. Вероятно, тогда же — в архее или позже, в палеопротерозое (2,5–1,6 млрд лет назад), — начались и первые горизонтальные перемещения плит.
Назвать более точное время начала тектоники плит трудно: земная кора в то время была намного тоньше, температура мантии была выше, а вязкость конвекционных потоков в ней — меньше. При таких условиях на границах плит возникали лишь небольшие упругие деформации. Но в какой-то момент механические напряжения стали достаточными для возникновения хрупких взаимодействий, и плиты в местах столкновения начали коробиться с образованием гор или пододвигаться одна под другую — возникли зоны субдукции.
Американские ученые под руководством Майкла Акерсона (Michael Ackerson), геолога из Национального музея естественной истории в Вашингтоне, изучили состав самых древних из известных минеральных образований на Земле — цирконов из района Джек-Хиллс в Западной Австралии. Их возраст по радиометрическим данным составляет от 4,3 до 3,0 млрд лет, то есть частично охватывает катархейский эон — древнейший интервал геологического времени, предшествовавший архею.
Пород этого времени на Земле не сохранилось, так как начавшая формироваться в катархее первичная литосфера была полностью переработана и погрузилась в расплавленную верхнюю мантию. Единственными вещественными свидетельствами катархейской эпохи являются зерна цирконов, которые когда-то входили в состав магматических пород катархейской литосферы, а затем были переотложены в осадочных породах архейского возраста. В частности, в Джек-Хиллс они присутствуют в архейских метаморфизованных конгломератах возрастом 2,65–3,05 млрд лет (рис. 2).
Рис. 2. Снимок в поляризованном свете прозрачного среза осадочной породы преимущественного кварцевого (различные оттенки серого) состава, содержащей обломочное зерно циркона (на врезке циркон имеет пурпурный оттенок). Фото с сайта eurekalert.org
Авторы изучили около 3500 зерен циркона из Джек-Хиллс с помощью катодолюминесцентной и сканирующей электронной микроскопии. Сочетание этих методов позволило исследователям выявить внутреннее зональное строение кристаллов. Затем, используя луч лазера, ученые испаряли вещество кристаллов и анализировали его с помощью масс-спектрометра (рис. 3).
Рис. 3. Зерна циркона — изображения, полученные с помощью катодолюминесцентного микроскопа. Темные круги — полости, оставленные лазером. Фото с сайта eurekalert.org
Результаты такого анализа сразу позволяют получить возраст и точный химический состав каждого циркона. Абсолютный возраст зерен определяли уран-свинцовым методом по соотношению изотопов 207Pb/206Pb. Кроме того, авторы установили, что начиная с отметки примерно 3,6 млрд лет в составе цирконов существенно возросла доля алюминия (рис. 4).
Рис. 4. Содержание алюминия (в ppm) в зернах циркона в зависимости от возраста (в млн лет). Рисунок из обсуждаемой статьи в Geochemical Perspectives Letters
Элементы-примеси, встраивающиеся в решетку циркона (ZrSiO4), традиционно используются петрологами для определения составов силикатных магм. Цирконы, кристаллизующиеся из глиноземистых (обогащенных алюминием) расплавов, образующихся при плавлении пород земной коры, имеют в своем составе около 10 ppm Al по сравнению с 0,88–1,6 ppm для первичных мантийных магм.
Существует несколько вариантов обогащения магм алюминием: 1) дифференциация (расслоение) кремнистых гранитных расплавов на поздней стадии; 2) контаминация (загрязнение) магм за счет ассимиляции вмещающих осадочных пород; 3) фракционирование (разделение на фракции) первичного мафического (железо-магнезиального) расплава с обогащением одной из фракций водой и алюминием при умеренно высоком давлении (выше 7 кбар).
В первом случае обогащения циркона не происходит, так как он выделяется из расплава на ранней стадии. Второй сценарий более вероятен. Известно, что цирконы, в которых содержание алюминия превышает 4 ppm, кристаллизуются из высокоглиноземистых (с высокой долей Al2O3) гранитных расплавов с большой примесью переплавленных осадочных пород земной коры (D. Trail et al., 2017. Aluminum in zircon as evidence for peraluminous and metaluminous melts from the Hadean to present). Поэтому авторы приняли значение 4 ppm за пороговое значение глиноземистости, позволяющее отделить цирконы, образующиеся из коровых расплавов, от мантийных (рис. 4).
Таким образом, если принимать за базовый второй сценарий, то получается, что примерно 3,6 млрд лет назад на глубину, в зону магмообразования, начало попадать большое количество осадочного материала с поверхности, а для этого, по мнению авторов, должна заработать тектоника плит и механизм погружения одной литосферной плиты под другую — субдукция.
Теоретически возможно возникновение глиноземистых магм и обогащения алюминием цирконом и по третьему сценарию. В частности, в Исландии ученые в режиме реального времени фиксируют образование сиалических (богатых кремнием и алюминием) пород континентальной коры непосредственно из базальтовых магм (J. Reimink et al., 2014. Earth's earliest evolved crust generated in an Iceland-like setting). Но для возникновения тектонических условий растяжения, наблюдаемых на океанических плато типа Исландии тоже нужны горизонтальные движения плит. То есть и в том, и в другом случае, чтобы объяснить присутствие алюминия в цирконах, надо допустить наличие значительных горизонтальных подвижек, которые говорят о действии тектоники плит.
Ранее считалось, что механизм тектоники плит заработал в конце архея, примерно 2,7 млрд лет назад. Но в 2019 году геологи из России, Франции, Германии и ЮАР опубликовали результаты исследований состава коматиитов — древних ультраосновных вулканических пород возрастом 3,3 млрд лет из зеленокаменного пояса Барбертон в Южной Африке (A. Sobolev et al., 2019. Deep hydrous mantle reservoir provides evidence for crustal recycling before 3.3 billion years ago, подробно об этом исследовании рассказано в новости «Подземный океан» в переходной зоне мантии образовался более 3,3 млрд лет назад, «Элементы», 29.07.2019).
В расплавных включениях в оливине — минерале, составляющем до 50% массы коматиитов, — были обнаружены изотопные сигнатуры водорода, указывающие на то, что в глубинный мантийный резервуар, где формировалась коматиитовая магма, уже в палеоархее (3,2–3,6 млрд лет назад) попадала морская вода. Отношение дейтерия к водороду в этих расплавных включениях аналогично изотопным параметрам океанической коры, которая первоначально была изменена морской водой, а затем обезвожена во время субдукции.
А в январе 2021 года в журнале Precambrian Research вышла статья, в которой ученые из Китая, Великобритании и Канады на основе анализа геологических данных доказывают, что один из элементов тектоники плит, а именно механизм аккреции (приращения континентальной коры по окраинам протоконтинентов), функционировал уже в эоархее (4,0–3,6 млрд лет назад, см. B. Windley et al., 2021. Onset of plate tectonics by the Eoarchean). Однако авторы этой работы оговаривают, что классический цикл Уилсона (см. Wilson Cycle), объясняющий периодическое образование и схлопывание океанов, и связанный с ним цикл возникновения и разрушения суперконитентов (суперконтинентальный цикл), заработал только 2,7–2,5 млрд лет назад, после появления достаточно крупных континентов (рис. 5; подробнее о суперконтинентальных циклах см. новость Суперконтинентальные циклы синхронизированы с периодами активности суперплюмов, «Элементы», 10.01.2020).
Рис. 5. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая два типа тектоники плит. Слева — древняя аккреционная тектоника, действовавшая в архее, 4,0–2,7 млрд лет назад (показана гипотетическая ситуация на момент 3,0 млрд лет назад). Основные ее элементы: внутриокеанские дуги (intra-oceanic arcs) и аккреционные орогены (складчатые пояса, образующиеся в местах столкновения микроплит). Справа — современный вариант тектоники плит, заработавший с начала протерозоя (2,7–2,5 млрд лет назад), в котором образование аккреционных орогенов сочетается с циклом Уилсона, предусматривающим образование и распад крупных континентов (large emergent continents). L — литосфера; UM — верхняя мантия; MTZ — переходная зона мантии (см. Transition zone), находящаяся на глубине 410–660 км сегодня, и 430–640 км 3,0 млрд лет назад; LM- нижняя мантия, D» — граница «ядро — мантия». Рисунок из статьи B. Windley et al., 2021. Onset of plate tectonics by the Eoarchean
Результаты нового исследования позволяют более детально восстановить последовательность становления главного тектонического механизма планеты. Получается, что 4,0 млрд лет назад начались первые горизонтальные движения микроплит, которые постепенно собирались в более крупные образования — протоконтиненты, а в местах их столкновения формировались первые горные сооружения — аккреционные орогены. Примерно 3,6 млрд лет назад возникла субдукция — затягивание поверхностного материала в мантию — и выплавление первых сиалических магм. А 2,7–2,5 млрд лет назад, после появления первых крупных континентов, заработал уже полномасштабный механизм тектоники плит, действующий и поныне.
Источник: M. R. Ackerson, D. Trail, J. Buettner. Emergence of peraluminous crustal magmas and implications for the early Earth // Geochemical Perspectives Letters. 2021. DOI: 10.7185/geochemlet.2114.
Владислав Стрекопытов
https://elementy.ru/novosti_nauki/43381 … _let_nazad
