أكبر أسرار: ما هو الفضاء ؟

الناس دائما تأخذ مساحة من المسلمات. في النهاية انها مجرد الفراغ — القدرة على أي شيء آخر. الوقت هو أيضا تدق باستمرار. ولكن علماء الفيزياء الناس دائما تحتاج إلى شيء من تعقيد. بانتظام محاولة الجمع بين نظرية ، وجدوا أن المكان والزمان يندمجان في نظام معقد بحيث الشخص العادي لن يفهم.

ألبرت أينشتاين فهم ما ينتظرنا في تشرين الثاني / نوفمبر 1916. قبل عام من صاغ نظرية النسبية العامة وفقا الجاذبية ليست قوة التي يتم توزيعها في الفضاء ، ولكن خاصية الفضاء-الزمن. عندما كنت رمي الكرة في الهواء ، فإنه يطير في قوس و يعود إلى الأرض لأن الأرض الإعوجاج الزمكان حول نفسها ، وبالتالي فإن مسار الكرة و الأرض عبر مرة أخرى. في رسالة إلى صديق أينشتاين يعتبر مشكلة دمج النسبية العامة مع أبنائه ، وليدة نظرية ميكانيكا الكم. ولكن له مهارات الرياضيات فقط لا يكفي. "لقد عذبت نفسي مع هذا!" ، كما كتب.

اينشتاين لم يأت إلى هذا. حتى اليوم فكرة إنشاء نظرية الكم من الجاذبية تبدو بعيدة للغاية. المنازعات إخفاء حقيقة مهمة: تنافسية نهج كل واحدة تقول أن المساحة ولد في مكان ما أعمق هذه الفكرة يكسر إنشاء 2500 سنة العلمية والفلسفية عرض من ذلك.

أسفل ثقب أسود

المغناطيس العادي في الثلاجة يوضح تماما المشكلة التي تواجهها الفيزياء. وقال انه يمكن دبوس قطعة من الورق على مقاومة الجاذبية من الأرض كلها. الجاذبية أضعف من المغناطيسية أو الكهربائية الأخرى أو القوى النووية. ما آثار الكم وقفت عليه, أنها سوف تكون أضعف. إلا دليلا ملموسا على أن هذه العمليات تحدث في الواقع, هذا متنافرة صورة المسألة في بداية الكون — الذي يعتقد أنه قد تم رسمها التقلبات الكمومية من مجال الجاذبية.

الثقوب السوداء هي أفضل طريقة لاختبار الجاذبية الكمية. "هذا هو أفضل ما يمكنك أن تجد للتجريب ،" تيد جاكوبسون من جامعة ماريلاند في كوليدج بارك. هو وغيره من المنظرين دراسة الثقوب السوداء نظريا ارتكاز. ماذا يحدث عندما تأخذ المعادلات التي تعمل تماما في المختبر ووضعها في معظم الحالات القصوى يمكن تخيلها ؟ لا ما إذا كان سيكون هناك بعض بالكاد العيوب?

وفيما يتعلق النظرية العامة يتوقع أن مسألة السقوط في ثقب أسود من حدود مضغوط اقتراب المركز الرياضي cul — de-SAC يسمى التفرد. المنظرين لا يمكن تخيل مسار كائن خارج التفرد ؛ كل خطوط تلتقي في ذلك. حتى أن الحديث عن ذلك ، إشكالية ، لأن الفضاء في الوقت الذي يحدد mestopolojenie التفرد تزول من الوجود. ويأمل العلماء أن نظرية الكم قد توفر لنا مع المجهر ، والتي سوف تسمح لنا النظر في هذا متناه في الصغر نقطة لا نهائية الكثافة وفهم ما يجري مع الوصول إلى هذه المسألة.

على حدود الثقب الأسود المسألة ليست مقيدة ، فإن الجاذبية هي الأضعف ، بقدر ما نعلم ، كل قوانين الفيزياء يجب أن تعمل. وأكثر تثبيط حقيقة أنها لا تعمل. ثقب أسود محدودة من أفق الحدث نقطة اللاعودة: المادة الخارجة من أفق الحدث لن يعود. النسب لا رجعة فيه. هذه مشكلة لأن كل القوانين المعروفة في الفيزياء الأساسية ، بما في ذلك الكم الميكانيكية هي عكسها. على الأقل من حيث المبدأ ، من الناحية النظرية ، يجب أن تكون قادرة على عكس حركة واستعادة جميع الجسيمات التي لديك.

مع مماثلة اللغز الفيزياء التي تواجهها في أواخر 1800s ، عندما الرياضيات كان يعتبر "الجسم الأسود", المثالية تجويف مليئة الإشعاع الكهرومغناطيسي. نظرية الكهرومغناطيسية جيمس كلارك ماكسويل وتوقع أن مثل هذا الكائن سوف تمتص كل الإشعاع الذي يقع على ذلك ، سوف لا تأتي أبدا في حالة توازن مع المحيط المسألة. "كان يمكن أن تمتص كمية لا حصر له من الحرارة من الخزان الذي هو الحفاظ على درجة حرارة ثابتة" ، ويوضح رافائيل سوركين من معهد الفيزياء النظرية في محيط أونتاريو. الحرارية من وجهة نظر ، درجة الحرارة من الصفر المطلق. هذا الاستنتاج يتناقض مع ملاحظات الأسود الحقيقي الهيئات (مثل فرن). استمرار العمل على نظرية ماكس بلانك واينشتاين أظهرت أن الجسم الأسود يمكن أن تصل إلى التوازن الحراري ، إذا كان الإشعاع وسيتم تزويد الطاقة في وحدات منفصلة ، أو الكميات.

علماء الفيزياء النظرية منذ ما يقرب من نصف قرن حاولت الوصول إلى هذه الحلول الثقوب السوداء. الراحل ستيفن هوكينغ من جامعة كامبريدج قد اتخذت خطوة هامة في منتصف 70s, تطبيق نظرية الكم في مجال الإشعاع حول الثقوب السوداء و أظهرت أن لديهم غير صفرية في درجة الحرارة. وبالتالي فإنها لا يمكن أن تمتص فقط ولكن أيضا تنبعث منها الطاقة. على الرغم من أن تحليله كان ثمل الثقوب السوداء في مجال الديناميكا الحرارية, كما أن تفاقم مشكلة عدم الرجعة. الصادرة الإشعاع المنبعث في حدود الثقب الأسود ولا نقل المعلومات من الأمعاء. هذا عشوائية الطاقة الحرارية. إذا كنت عكس عملية تغذية هذه الطاقة إلى ثقب أسود ، لا شيء يأتي: يمكنك فقط الحصول على المزيد من الحرارة. وأنه من المستحيل أن نتصور أن في الثقب الأسود هو شيء اليسرى فقط المحاصرين ، لأن أقرب ثقب أسود تنبعث من الإشعاع ، يتم تخفيضها وفقا هوكينغ التحليل في النهايةيختفي.

هذه المشكلة تسمى المعلومات مفارقة ، كما الثقب الأسود يدمر المعلومات عن المحاصرين الجسيمات التي يمكنك محاولة استرداد. إذا فيزياء الثقوب السوداء هي في الواقع لا رجعة فيه ، شيء يجب أن تحمل المعلومات لدينا مفهوم الزمكان قد تضطر إلى تغيير لتناسب هذه الحقيقة.

ذرات الزمكان

الحرارة هي حركة عشوائية من الجسيمات المجهرية مثل جزيئات الغاز. منذ الثقوب السوداء يمكن أن تصل الحرارة و يبرد ، سيكون من المعقول أن نفترض أنها تتكون من أجزاء أو ، إذا كان في العامة ، من البنية المجهرية. و منذ الثقب الأسود هو مجرد مساحة فارغة (حسب النسبية العامة السقوط في ثقب أسود ، الأمر يمر عبر أفق الحدث لا يتوقف) ، وهي جزء من الثقب الأسود يجب أن تكون قطعة من الفضاء نفسه. وتحت خادعة بساطة شقة مساحة فارغة يخفي ضخمة التعقيد.

حتى النظرية التي كان من المفترض أن حفظ التقليدية فكرة الزمكان ، وجاء إلى استنتاج مفاده أن شيئا يختبئ تحت هذا السطح على نحو سلس. على سبيل المثال ، في أواخر 1970 المنشأ ستيفن واينبرغ, يعمل الآن في جامعة تكساس في أوستن ، حاولت أن تصف الجاذبية وكذلك تصف غيرها من قوى الطبيعة. وجدت أن الزمكان هو تعديل جذري في أصغر الحجم.

الفيزياء في البداية تصور المجهرية الفضاء بمثابة فسيفساء من قطعة صغيرة من الفضاء. إذا قمت بزيادة لهم بلانك نطاق حدود حجم صغير في 10^-35 من متر ، ويعتقد العلماء أنه من الممكن أن نرى شيئا مثل لوحة الشطرنج. ولكن ربما لا. من ناحية ، مثل هذه الشبكة من الخطوط, الشطرنج الفضاء ، تفضل بعض الاتجاه الآخر ، وخلق التباين يتعارض مع النظرية النسبية الخاصة. على سبيل المثال, نسيم من ألوان مختلفة سوف تتحرك بسرعات مختلفة — كما في كوب المنشور الذي يقسم الضوء إلى ألوان المكونة لها. وعلى الرغم من أن مظاهر على نطاق صغير سيكون من الصعب أن نلاحظ انتهاكات النسبية العامة سوف يكون علنا واضحة.

الديناميكا الحرارية من الثقوب السوداء يشكك في الصورة من الفضاء في شكل فسيفساء بسيطة. قياس السلوك الحراري أي نظام ، يمكنك الاعتماد جزء منه ، على الأقل من حيث المبدأ. تجاهل الطاقة والبحث في الحرارة. إذا كان الزئبق ارتفعت الطاقة ينبغي أن تنطبق على عدد قليل نسبيا من الجزيئات. في الواقع ، يمكن قياس الكون من النظام الذي يمثل المجهرية التعقيد.

إذا كنت تفعل هذا مع المادة العادية ، فإن عدد جزيئات يزيد مع حجم المواد. لذلك ، في أي حال ، ينبغي أن يكون: إذا قمت بزيادة نصف قطر الكرة الشاطئية 10 مرات داخل تناسب 1000 مرة أكثر من الجزيئات. ولكن إذا قمت بزيادة نصف قطر الثقب الأسود 10 مرات عدد الجزيئات في أنها سوف تكون مضروبة فقط 100 مرة. عدد الجزيئات التي يتكون منها ، يجب أن يكون متناسبا مع عدم حجمه و مساحة السطح. ثقب أسود يمكن أن تظهر ثلاثية الأبعاد ، ولكن يتصرف كما ثنائية الأبعاد الكائن.

هذا غريب الأثر المعروف الثلاثية الأبعاد المبدأ لأنه يشبه صورة ثلاثية الأبعاد يبدو لنا وكأنه كائن ثلاثي الأبعاد ، على توثيق التفتيش ، الصورة التي تنتجها two-dimensional. إذا كان مبدأ الثلاثية الأبعاد تأخذ بعين الاعتبار المكونات المجهرية الفضاء ومحتواه ماذا الفيزياء تسمح ، على الرغم من أن ليس كل خلق الفضاء لن يكون كافيا بسيطة الاقتران به قطع صغيرة.

الملتوية الشبكة

في السنوات الأخيرة ، العلماء أدركت أن كل هذا يحتاج إلى أن يشارك التشابك الكمي. بل هو عميق الملكية ميكانيكا الكم, قوية للغاية النوع من الاتصالات ، يبدو أكثر بدائية الفضاء. على سبيل المثال ، المجربون يمكن إنشاء اثنين من جزيئات تحلق في اتجاهين متعاكسين. إذا كان يتم الخلط ، فإنها تظل مرتبطة بغض النظر عن المسافة التي تفصل بينها.

تقليديا عندما يتحدث الناس عن "الكم" الجاذبية لا تعني الكم discreteness, التقلبات الكمومية ، وسائر الآثار الكمومية — ولكن ليس تشابك الكم. كل شيء تغير عن الثقوب السوداء. على مدى عمر من الثقب الأسود تقع في شرك الجسيمات ، ولكن عند الثقب الأسود يتبخر تماما ، الشركاء خارج الثقب الأسود لا تزال مربكة — مع أي شيء. "هوكينج يجب أن يطلق عليه مشكلة من الارتباك" ، يقول سمير ماتور من جامعة ولاية أوهايو.

حتى في فراغ حيث لا الجزيئات الكهرومغناطيسية وغيرها من المجالات داخليا مربكا. إذا كنت قياس الحقل في مكانين مختلفين ، قراءات تتقلب قليلا, ولكن تبقى في التنسيق. إذا كنت تقسيم المنطقة إلى قسمين ، هذه الأجزاء سوف يكون في الارتباط ، ودرجة ارتباط تعتمد على هندسي الممتلكات التي لديهم: منطقة من واجهة. في عام 1995 ، جاكوبسون إن إشراك يوفر وجود صلة بين وجود المسألة هندسة الزمكان — وبالتالي يمكن أن يفسر قانون الجاذبية. "المزيد من الارتباك الجاذبية هي الأضعف," قال.

بعض النهج الجاذبية الكمية — وخاصة نظرية الأوتار — النظر في مشاركة هامة حجر الزاوية. سلسلة نظرية الثلاثية الأبعاد المبدأ لا ينطبق فقط على الثقوب السوداء ، ولكن الكون ككل ، وتوفير وصفة لخلق مساحة — أو على الأقل جزء منه. الأصلي الفضاء ثنائي الأبعاد سوف تكون بمثابة حدود أكثر اتساعاالحجمي الفضاء. وارتباك لربط الفضاء ثلاثي الأبعاد في واحدة ومستمرة كله.

في عام 2009 ، مارك فان Raamsdonk من جامعة كولومبيا البريطانية قدمت أنيقة شرح هذه العملية. لنفترض الميدانية على الحدود من غير مربكة — أنها تشكل عدة أنظمة من الارتباط. أنها تتوافق مع عالمين منفصلين ، وبين التي لا يوجد طريقة الاتصال. عندما تصبح أنظمة متشابكا ، شكلت مثل نفق الثقب بين الأكوان و سفن الفضاء يمكن أن تتحرك بينهما. وارتفاع درجة من التشابك ، وأقل طول الثقب. الأكوان تندمج واحد و لم تعد منفصلة اثنين. "ظهور مساحة كبيرة من الوقت مباشرة روابط تشابك هذه درجة من الحرية في مجال نظرية" يقول فان Raamsdonk. عندما نلاحظ الارتباط في الكهرومغناطيسية وغيرها من المجالات ، هم بقايا التصاق التي تربط الفضاء معا.

العديد من الميزات الأخرى من الفضاء ، بالإضافة إلى الربط ، كما يمكن أن تعكس الارتباك. فان Raamsdonk و براين سجل الطبقة العاملة في جامعة ميريلاند ، يرى أن الزمان والمكان من التشابك يفسر عالمية الجاذبية التي تؤثر على جميع الكائنات و يتغلغل في كل مكان. أما الثقوب السوداء ، ليونارد سسكيند خوان Maldacena نعتقد أن التشابك بين الثقب الأسود وهي تنبعث من الإشعاع يخلق الثقب مرة أخرى إلى ثقب أسود. وبالتالي يتم تخزين المعلومات و فيزياء الثقب الأسود لا رجعة فيه.

على الرغم من أن هذه الأفكار من نظرية الأوتار العمل فقط لمدة محددة هندستها rekonstruiruet واحد فقط من أبعاد الفضاء ، بعض العلماء يحاولون تفسير ظهور مساحة من الصفر.

في الفيزياء ، بشكل عام ، في العلوم الطبيعية, المكان والزمان هي أساس كل النظريات. ولكن نحن لم تلاحظ الزمكان مباشرة. بل تستمد وجودها من خبرتنا اليومية. ونحن نفترض أن التفسير الأكثر منطقية من الظواهر التي نراها هي بعض الآليات التي تعمل في الفضاء-الزمن. ولكن الجاذبية الكمية يخبرنا أن ليس كل الظواهر تناسب تماما في هذه الصورة من العالم. علماء الفيزياء تحتاج إلى فهم أنه هو أعمق وعموميات من الفضاء الجانب العكسي من مرآة على نحو سلس. إذا نجحوا في ذلك, ونحن سوف تنتهي الثورة بدأت قبل أكثر من قرن من قبل أينشتاين.