Die großen Rätsel: was ist das Raum-Zeit?

Die Leute nehmen immer den Raum als eine Selbstverständlichkeit. Am Ende ist es nur die leere — Kapazität für alles andere. Die Zeit tickt auch unaufhörlich. Aber die Physik solche Menschen, Sie brauchen immer etwas erschweren. Regelmäßig versuchen Ihre Theorien zu vereinigen, fanden Sie heraus, dass Raum und Zeit verschmelzen in einem System so Komplex, dass für den normalen Menschen nicht zu verstehen.

Albert Einstein erkannte, was uns erwartet, noch im November 1916. Ein Jahr zuvor hatte er formulierte die Allgemeine Relativitätstheorie, nach der die Gravitation ist keine Kraft, die verteilt im Raum, sondern eine Eigenschaft der Raum-Zeit selbst. Wenn du wirfst den Ball in die Luft, er fliegt in einem Bogen und zurück auf die Erde, weil die Erde biegt der Raum-Zeit um sich herum, daher ist die Spur der Kugel und der Erde wieder kreuzen werden. In einem Brief an einen Freund Einstein betrachtete die Aufgabe, Fusionen, die Allgemeine Relativitätstheorie mit anderen seiner Idee, im entstehen begriffenen Theorie der Quantenmechanik. Aber seine mathematischen Fähigkeiten einfach nicht genug. «Wie ich sich damit gequält!», schrieb er.

Einstein so irgendwohin und kam nicht in dieser Hinsicht. Auch heute ist die Idee der Schaffung der Quantentheorie der Gravitation scheint sehr weit. Streitigkeiten verbergen eine wichtige Wahrheit: wettbewerbsfähige Ansätze ein und alle sagen, dass der Raum entsteht, irgendwo tief drin — und diese Idee bricht abgerechnet vor 2500 Jahren die wissenschaftliche und philosophische Vorstellung von ihm.

Unten auf das schwarze Loch

Normaler Magnet am Kühlschrank ist ein gutes Beispiel für das Problem, mit der Physik konfrontiert. Er kann festzustecken Papierchen und widerstehen der Schwerkraft der ganzen Erde. Die Gravitation schwächer als Magnetismus oder andere elektrische oder nukleare Energie. Welche Quanteneffekte hinter Ihr standen noch, Sie werden schwächer. Der einzige greifbare Beweis dafür, dass diese Prozesse überhaupt stattfinden, ist ein buntes Bild der Materie im frühen Universum — das, wie man glaubt, war gezeichnet von Quanten флуктуациями Gravitationsfeldes.

Schwarze Löcher — die beste Weg, um zu überprüfen Quanten-Gravitation. «Es ist der richtige, die man für Experimente», sagt Ted Jacobson von der University of Maryland, College Park. Er und andere Theoretiker erforschen die schwarzen Löcher wie die theoretischen Stützpunkte. Was passiert, wenn die Gleichungen stammen, die sich perfekt arbeiten im Labor, und werden in die extremsten Situationen aus denkbaren? Nicht ob irgendwelche kaum wahrnehmbaren Verunstaltungen?

Relativ Allgemeine Theorie voraussagt, dass die Substanz fällt in ein Schwarzes Loch, unendlich komprimiert, je näher an der Mitte — mathematischen тупичку namens Singularity. Theoretiker können sich nicht vorstellen, die Flugbahn des Objekts außerhalb der Singularität; alle Linien zusammenlaufen. Auch von Ihr sprechen, als einen Ort, problematisch, weil die Raumzeit selbst, der angibt местоположенрие Singularität, hört auf zu existieren. Die Wissenschaftler hoffen, dass die Quantentheorie uns das Mikroskop, das wird betrachten diese unendlich kleinen Punkt mit unendlicher Dichte und zu verstehen, was passiert, fällt Sie in die Materie.

Auf der Grenze des schwarzen Lochs Substanz noch nicht so verengt, die Gravitation schwächer und, soweit wir wissen, alle Gesetze der Physik arbeiten müssen. Und desto mehr entmutigend ist die Tatsache, dass Sie nicht funktionieren. Ein Schwarzes Loch begrenzt Ereignishorizont, der point of no return: Stoff, überwindet den Ereignishorizont, nicht schon wieder. Der Abstieg ist unaufhaltsam. Dies ist ein Problem, denn alle bekannten fundamentalen Gesetze der Physik, einschließlich der Quanten-mechanische, reversibel. Zumindest im Prinzip, in der Theorie, Sie sollten die Möglichkeit haben, lenken die Bewegung und reparieren alle Partikel, die Sie waren.

Mit ähnlichen Physik-Puzzle konfrontiert, die in den späten 1800er, wenn die betrachteten Mathematik «schwarzen Körpers», idealisierten wie Hohlraum, mit elektromagnetischer Strahlung. Die Theorie des Elektromagnetismus von James Clerk Maxwell vorhergesagt, dass ein solches Objekt absorbiert alle Strahlung, die auf ihn fällt, und nie kommt wieder ins Gleichgewicht mit der Materie. «Er verschlingen kann eine unendliche Menge von Wärme von einem Reservoir, das Unterstützung bei einer Konstanten Temperatur», erklärt Rafael Sorkin von der Perimeter-Institut für theoretische Physik in Ontario. Unter thermischen Gesichtspunkten wird die Temperatur des absoluten nullpunktes. Dieser Befund widerspricht den Beobachtungen dieser schwarzen Körper (wie ein Ofen). Fortsetzung der Arbeit an der Theorie von max Planck, Einstein zeigte, dass ein schwarzer Körper erreichen kann, das thermische Gleichgewicht, wenn die Energie der Strahlung kommen in diskreten Einheiten, oder квантах.

Physik-Theoretiker fast ein halbes Jahrhundert versucht haben, ähnliches zu erreichen Lösungen für schwarze Löcher. Der verstorbene Stephen Hawking von der University of Cambridge unternahm einen wichtigen Schritt in der Mitte der 70er Jahre, indem Sie die Quantentheorie auf das Feld Strahlung rund um schwarze Löcher und zeigen, dass Sie null verschiedene Temperatur. Damit können Sie nicht nur absorbieren, sondern auch emittieren Energie. Obwohl seine Analyse schraubte schwarze Löcher im Bereich der Thermodynamik, es wird auch noch verschlimmert das Problem der Irreversibilität. Die ausgehende Strahlung emittiert auf der Grenze des schwarzen Lochs und überträgt dann keine Informationen aus dem Erdinneren. Diese zufällige thermische Energie. Wenn man den Prozess und verfüttern diese Energie ein Schwarzes Loch, nichts auftauchen: Sie erhalten nur noch mehr Wärme. Und man kann sich nicht vorstellen, dass in einem schwarzen Loch noch etwas übrig, einfach in der Falle, denn in dem Maße, wie das schwarze Loch emittiert Strahlung, es schrumpft und, nach der Analyse von Hawking, schließlichverschwindet.

Dieses Problem hat den Titel Informations-Paradoxon, da ein Schwarzes Loch zerstört die Informationen über die Teilchen hinein, die Sie könnten versuchen, zu reparieren. Wenn die Physik der schwarzen Löcher wirklich irreversibel, muss etwas aushalten Informationen zurück, und unser Konzept der Raumzeit eventuell zu verändern, um diese Tatsache einzutragen.

die Atome der Raumzeit

Die Hitze — es ist eine zufällige Bewegung mikroskopische Partikel wie Gasmoleküle. Da schwarze Löcher zu heizen und zu kühlen, wäre es vernünftig anzunehmen, dass Sie aus teilen bestehen — oder, wenn in der Regel der mikroskopischen Struktur. Und da das schwarze Loch ist einfach ein leerer Raum (gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie, in das schwarze Loch fallende Materie geht durch den Ereignishorizont, nicht zu stoppen), Teil des schwarzen Lochs sollten Teile des Raumes selbst. Und unter der trügerischen Einfachheit der flachen leeren Raum verbirgt sich eine enorme Komplexität.

Sogar der Theorie, die zu bewahren die traditionelle Vorstellung von Raum und Zeit, kamen zu dem Schluss, dass etwas versteckt unter einer glatten Oberfläche. Zum Beispiel, in den späten 1970er Jahren Steven Weinberg, jetzt arbeitet an der University of Texas in Austin, versuchte, die Gravitation ebenso, wie andere Kräfte der Natur beschreiben. Und fand heraus, dass die Raum-Zeit radikal verändert in seinen kleinsten Maßstab.

Physik zunächst visualisiert mikroskopische Raum wie ein Mosaik aus kleinen Stücken Raum. Wenn erhöhen bis Sie планковских Maßstab, unendlich kleine Größen in 10^-35 Meter, Wissenschaftler glauben, dass man so etwas wie ein Schachbrett. Vielleicht aber auch nicht. Einerseits, ein solches Netz von Linien Schach-Raum lieber eine andere Richtung, wodurch eine Asymmetrie, die im Widerspruch mit der speziellen Relativitätstheorie. Zum Beispiel, das Licht verschiedener Farben wird fahren mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten — wie in der Glas-PRISMA, das Licht bricht auf die Grundfarben. Und obwohl die Symptome auf einem kleinen Maßstab wird sehr schwer zu bemerken, der ART der Verletzung wird offensichtlich offen.

Die Thermodynamik der schwarzen Löcher in Frage stellt das Bild im Raum als ein einfaches Mosaik. Messende thermische Verhalten eines Systems, Sie können zählen Sie die Teile, zumindest im Prinzip. Setzen Sie die Energie und schauen Sie auf das Thermometer. Wenn Whisker abhob, Energie muss sich auf relativ wenige Moleküle. In der Tat, Loten Sie die Entropie des Systems, die eine Ihrer mikroskopischen Komplexität.

Wenn das makro mit gewöhnlicher Materie, die Zahl der Moleküle erhöht sich zusammen mit dem Volumen des Materials. So jedenfalls sollte es sein: wenn der Radius zu erhöhen Beach-Ball 10-mal, innerhalb der ihm passt 1000 mal mehr Moleküle. Aber wenn Sie den Radius eines schwarzen Lochs im 10-fache, die Anzahl der Moleküle in Ihr umnozhytsya nur 100 mal. Die Anzahl der Moleküle, aus denen es zusammengesetzt ist, muss nicht proportional Ihrem Volumen und Fläche. Das schwarze Loch scheint eine dreidimensionale, sondern verhält sich wie ein zweidimensionales Objekt.

Diese seltsame Effekt bekam den Namen eines holografischen Prinzips, weil erinnert an ein Hologramm, das erscheint uns als ein dreidimensionales Objekt, und bei genauerem hinsehen entpuppt sich das Bild, produziert zweidimensionalen Film. Wenn das holographische Prinzip berücksichtigt die mikroskopischen Bestandteile des Raumes und seines Inhalts — dass die Physik zulassen, wenn auch nicht alle — Räume zu schaffen wird nicht einfach für die Kopplung kleinsten Stücke.

Verworrenen Netz

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler erkannt, dass in diesem ganzen sollte drin Quanten-Verwirrung. Es ist eine Tiefe Eigenschaft der Quantenmechanik, eine extrem leistungsfähige Art der Kommunikation scheint viel primitiver Raum. Z. B. Experimentatoren schaffen können zwei Teilchen Fliegen in entgegengesetzte Richtungen. Wenn Sie exotisch sind, Sie bleiben gebunden, unabhängig von deren Abstand trennt.

Traditionell, wenn die Leute reden über die «Quanten» der Gravitation, Sie meinten Quanten-Diskontinuität, Quanten-Fluktuationen und alle anderen Quanteneffekte — aber keine die Quanten-Verwirrung. Alles verändert, durch schwarze Löcher. Über die Lebensdauer der schwarzen Löcher hinein fallen komplizierte Teilchen, aber wenn das schwarze Loch vollständig verdampft, die Partner außerhalb des schwarzen Lochs bleiben kompliziert — mit nichts. «Хокингу kostete nennen es das Problem der Verstrickung», sagt Samir matur von der Ohio State University.

Sogar im Vakuum, wo es keine Teilchen, elektromagnetische und andere Felder innerlich verworren. Wenn man das Feld in zwei verschiedenen Orten, Ihre Messwerte werden geringfügig schwanken, sind aber immer noch in der Koordination. Wenn teilen das Gebiet in zwei Teile, diese Teile werden in Korrelation und der Grad der Korrelation hängt von der geometrischen Eigenschaft, die Sie haben: die Fläche der Schnittstelle. Im Jahr 1995 Jacobson erklärte, dass die Beteiligung stellt eine Verbindung zwischen der Präsenz der Materie und die geometrie der Raumzeit — und damit erklären konnte und das Gesetz der Schwerkraft. «Mehr Beteiligung — die Gravitation schwächer», sagte er.

Einige Ansätze zur Quantengravitation — vor allem die String-Theorie — betrachte Verwirrung als ein wichtiger Eckpfeiler. Die String-Theorie wendet das holographische Prinzip nicht nur zu den schwarzen Löchern, sondern auch das Universum als ganzes, wodurch ein Rezept, einen Raum — oder zumindest einen Teil davon. Original zweidimensionalen Raum wird dazu dienen, einer breiteren RandSurround-Raum. Und die Verwirrung wird die Bündelung in einem einzigen voluminösen Raum und kontinuierliche Einheit.

Im Jahr 2009 Mark Van Раамсдонк von der University of British Columbia hat eine elegante Erklärung für diesen Prozess. Angenommen, die Felder an der Grenze nicht verwirrend — Sie bilden ein paar Systeme außerhalb der Korrelationen. Sie entsprechen zwei separaten Universen, zwischen denen es keine Möglichkeit der Kommunikation. Wenn das System kompliziert sind, gebildet, wie einem Tunnel, ein Wurmloch zwischen diesen Universen und Raumschiffe können zwischen Ihnen navigieren. Je höher die Beteiligung, desto geringer ist die Länge des Wurmlochs. Die Universen zu einer Einheit verschmelzen und mehr sind nicht zwei getrennte. «Die Entstehung einer großen Raum-Zeit verbindet direkt die Beteiligung mit diesen Freiheitsgraden Feldtheorie», sagt Van Раамсдонк. Wenn wir sehen, in Korrelation elektromagnetische und andere Felder, Sie sind der Rest von der Kupplung, das bindet den Raum zusammen.

Viele andere Eigenschaften des Raumes, abgesehen von seiner Gebundenheit kann auch reflektieren Verwirrung. Van Раамсдонк und Brian Свингл, arbeitet an der Universität von Maryland, sagt, dass die Allgegenwart der Beteiligung erklärt die Universalität der Gravitation — dass es wirkt sich auf alle Objekte und dringt überall. Bezüglich der schwarzen Löcher provozierte., Leonard Susskind und Juan Малдасена glauben, dass die Verwirrung zwischen schwarzem Loch und испускаемым Strahlung Ihr schafft das Wurmloch — schwarz Eingang in ein Schwarzes Loch. So werden die Informationen und die Physik der schwarzen Löcher irreversibel.

Obwohl diese Ideen der Stringtheorie funktionieren nur für bestimmte Geometrien und umgestalten nur eine Dimension des Raumes, einige Wissenschaftler versuchen zu erklären, die Entstehung von Raum von Grund auf.

In der Physik, und im Allgemeinen, in den Naturwissenschaften, Raum und Zeit sind die Basis für alle Theorien. Aber wir werden nie bemerken Raumzeit direkt. Vielmehr leiten Ihre Existenz aus unseren täglichen Erfahrungen. Wir gehen davon aus, dass die logische Erklärung der Erscheinungen, die wir sehen, wird irgendein Mechanismus, der die Funktion in der Raumzeit. Aber Quanten-Gravitation sagt uns, dass nicht alle Phänomene, die sich perfekt in dieses Bild der Welt. Physiker müssen erkennen, was noch tiefer, Geschichte von Raum, wird die Rückseite mit einem glatten Spiegel. Wenn es Ihnen gelingt, beenden wir die Revolution, mehr als ein Jahrhundert begonnene Einstein zurück.