Certains des plus grands mystères: qu'est-ce que l'espace-temps?

Les Gens prennent toujours de l'espace pour acquis. En fin de compte, c'est simplement le vide — capacité pour tout le reste. Le temps aussi est graduée en permanence. Mais la physique de ces personnes, ils ont toujours besoin de quelque chose de compliquer. Régulièrement en essayant de combiner leurs théories, ils ont découvert que l'espace et le temps se fondre dans un système si complexe que l'homme ordinaire et de ne pas comprendre.

Albert Einstein a compris ce qui nous attend, en novembre 1916. L'année précédente, il a formulé une théorie générale de la relativité, selon laquelle la gravité est une force qui se propage dans l'espace, et la propriété elle-même de l'espace-temps. Quand vous подбрасываете le ballon en l'air, il vole en arc de cercle et revient sur la terre, parce que la Terre déforme l'espace-temps autour de lui, donc la piste de la balle et de la terre se croiseront à nouveau. Dans une lettre à un ami Einstein a examiné la tâche de la fusion de la théorie de la relativité avec les autres le fruit de l', naissante, la théorie de la mécanique quantique. Mais ses compétences en mathématiques tout simplement pas. «Je измучил cette!», écrit-il.

Einstein nulle part et n'est pas venu à cet égard. Même aujourd'hui, l'idée de la création de la théorie quantique de la gravitation semble très lointain. La controverse cachent la vérité est important: concurrentiels approches, tout comme l'un parle, que l'espace est né quelque chose de profond — et cette idée se casse établi pour 2500 ans, scientifique et philosophique de l'idée de lui.

vers le Bas par le trou noir

Normal aimant sur le réfrigérateur illustre parfaitement le problème rencontré physique. Il peut goupiller un morceau de papier et de résister à la gravité de toute la Terre. La gravité est de plus en plus faibles magnétisme ou autre prise ou de la force nucléaire. Quels que soient les effets quantiques elle pas debout, ils seront de plus en plus faibles. La seule chose tangible de la preuve que ces processus se produisent généralement, c'est le pied à l'image de la matière la plus ancienne de l'Univers — ce qui, croit-on, a été dessinée par les fluctuations quantiques du champ de gravité.

Les trous Noirs sont la meilleure façon d'évaluer la gravité quantique. «C'est le bon, que l'on peut trouver pour les expériences», dit Ted Jacobson de l'Université du Maryland, College Park. Lui et d'autres théoriciens étudient les trous noirs théoriques point d'appui. Ce qui arrive, lorsqu'il est pris d'une équation qui fonctionnent parfaitement dans des conditions de laboratoire, et sont placés dans le plus extrême de la situation de l'imaginable? N'apparaîtra-t-il à peine visible défauts?

La théorie Générale concernant prédit que la matière qui tombe dans un trou noir, l'infini se rétrécit à mesure que nous approchons du centre — mathématique de la тупичку sous le nom de la singularité. Les théoriciens ne peuvent pas imaginer la trajectoire d'un objet en dehors de la singularité; toutes les lignes convergent vers elle. Même de parler d'elle comme d'un lieu problématique, parce que l'espace-temps, indiquant местоположенрие singularité, cesse d'exister. Les scientifiques espèrent que la théorie quantique peut nous fournir un microscope, qui permet de le considérer cet infiniment petit point de densité infinie et de comprendre ce qui se passe avec tombant dans le elle de la matière.

À la frontière du trou noir de la substance n'est pas si сдавлено, la gravité est de plus en plus faibles et, à notre connaissance, toutes les lois de la physique doivent travailler. Et le plus décourageant, c'est le fait qu'ils ne travaillent pas. Le trou noir est limitée à l'horizon des événements, un point de non-retour: la substance, surmonter l'horizon des événements, il ne reviendrait pas. La descente est irréversible. C'est un problème, parce que toutes les lois connues de la physique fondamentale, y compris la mécanique quantique, sont réversibles. Au moins, en principe, en théorie, vous devriez avoir la possibilité de renverser le mouvement et de récupérer toutes les particules que vous avez été.

Similaire dans le puzzle de la physique face à la fin des années 1800, quand envisagé de mathématiques «corps noir», идеализированного comme une cavité remplie de rayonnement électromagnétique. La théorie de l'électromagnétisme de James Clerk Maxwell a prévu qu'un tel objet va absorber tout le rayonnement qui lui tombe, et ne viendra jamais en équilibre avec l'environnement de la matière. «Il peut absorber une quantité infinie de chaleur du réservoir, qui est maintenue à une température constante», explique Raphaël Sorkin, de l'Institut de physique théorique du Périmètre de l'Ontario. Avec un point de vue thermique, il aura la température du zéro absolu. Ce résultat contredit l'observation du présent de corps noir (comme les ondes). En poursuivant les travaux sur la théorie de Max Planck, Einstein a montré que le corps noir peut atteindre l'équilibre thermique, si l'énergie du rayonnement est d'agir en unités ou en forme de quants.

Les Physiciens théoriciens presque un demi-siècle essayé de parvenir à une telle solution pour les trous noirs. Le regretté Stephen Hawking de l'université de Cambridge a pris une étape importante dans le milieu des années 70, en appliquant la théorie quantique à un champ de rayonnement autour des trous noirs et en montrant qu'ils la température est différente de zéro. Par conséquent, ils ne peuvent pas absorber, mais d'émettre de l'énergie. Bien que son analyse de la visse de trous noirs dans le domaine de la thermodynamique, il a aggravé le problème de l'irréversibilité. Sortante rayonnement est émis sur la frontière du trou noir et ne transfère pas les informations du sous-sol. C'est la chaîne de l'énergie thermique. Si d'inverser le processus et de se nourrir de cette énergie du trou noir, rien ne surgit: il vous suffit d'obtenir encore plus de chaleur. Et il est impossible d'imaginer que, dans le trou noir de quelque chose, juste dans un piège, parce qu'au fur et à mesure, comme un trou noir émet un rayonnement, il diminue et, selon l'analyse de Hawking, finalementdisparaît.

Ce problème a reçu le nom de paradoxe de l'information, comme un trou noir détruit des informations sur les tombée en elle des particules, que vous pourriez essayer de récupérer. Si la physique des trous noirs est vraiment irréversible, quelque chose doit formuler des informations de retour, et notre concept d'espace-temps, peut-être à changer pour écrire ce fait.

les Atomes de l'espace-temps

La Chaleur est un mouvement aléatoire des particules microscopiques, comme les molécules de gaz. Parce que les trous noirs peuvent chauffer et à refroidir, il serait raisonnable de supposer qu'ils sont constitués de pièces ou, si en général, à partir microscopique de la structure. Et puisque le trou noir est juste un espace vide (selon la théorie de la relativité générale, tombant dans un trou noir, la matière passe par l'horizon des événements, sans s'arrêter), d'une partie d'un trou noir doivent être des parties de l'espace lui-même. Et sous la simplicité trompeuse plat de l'espace vide se cache une énorme difficulté.

Même de la théorie, qui avaient pour conserver la vision traditionnelle de l'espace-temps, est venu à la conclusion que quelque chose se cache sous cette surface lisse. Par exemple, à la fin des années 1970 Steven Weinberg, maintenant, travaillant à l'université du Texas à Austin, a tenté de décrire la gravité ainsi que de décrire d'autres forces de la nature. Et j'ai découvert que l'espace-temps radicalement modifié dans leurs moindres échelle.

Physique abord visualisé microscopique de l'espace comme une mosaïque de petits morceaux de l'espace. Si les augmenter à планковских échelle infiniment petite taille 10^-35 d'un mètre, les scientifiques estiment que l'on peut voir quelque chose comme un échiquier. Peut-être pas. D'une part, ce réseau lignes d'échecs de l'espace sera à préférer certains d'orientation, créant une asymétrie, qui contredisent la théorie de la relativité. Par exemple, la lumière de différentes couleurs se déplacer à des vitesses différentes — comme dans un prisme qui décompose la lumière sur les composantes de la couleur. Et alors que les manifestations à petite échelle sera très difficile de le remarquer, la violation de la théorie de la relativité générale sont franchement évident.

La Thermodynamique des trous noirs remet en cause l'image de l'espace dans la forme simple de la mosaïque. En mesurant le comportement thermique de tout le système, vous pouvez compter ses pièces, au moins en principe. Réinitialisez l'énergie et regardez le thermomètre. Si la colonne est montée, l'énergie devrait être relativement peu de molécules. En fait, vous mesurez l'entropie d'un système, qui représente son microscopique de la complexité.

Si le faire avec de la matière ordinaire, le nombre de molécules augmente avec le volume de la matière. Ainsi, dans tous les cas, doit être: si d'augmenter le rayon de la plage de la balle à 10 fois à l'intérieur, il s'adaptera à 1000 fois plus de molécules. Mais si d'augmenter le rayon d'un trou noir à 10 fois le nombre de molécules d'elle augmentera seulement 100 fois. Le nombre de molécules qui le composent, doit être proportionnelle n'est pas de son volume et de la surface. Le trou noir peut sembler en trois dimensions, mais se comporte comme deux dimensions de l'objet.

Cet étrange effet a reçu le nom de holographique principe, parce que le rappelle l'hologramme, ce qui se voit à nous comme un objet en trois dimensions, et un examen plus approfondi, il s'avère image, produite en deux dimensions d'un film. Si le principe holographique tient compte de la microscopiques des composantes de l'espace et de son contenu — que les physiciens admettent, mais pas tous pour la création de l'espace ne suffit pas d'une simple contrainte dans les moindres de ses morceaux.

Inextricable réseau

Au cours des dernières années, les scientifiques ont compris que dans tout cela doit être pétri quantum de confusion. C'est une profonde propriété de la mécanique quantique, est extrêmement puissant type de communication, il semble beaucoup plus примитивнее de l'espace. Par exemple, les expérimentateurs peuvent créer deux particules, volant dans la direction opposée. Si ils sont confus, ils resteront connectés à l'extérieur selon les séparant de leur distance.

Traditionnellement, quand les gens parlaient de «quantique» de la gravité, ils ont à l'esprit quantique discontinuité, des fluctuations quantiques et tous les autres effets quantiques, mais ne quantique de confusion. Tout a changé, grâce à des trous noirs. Au cours de la vie d'un trou noir y entrer intrication des particules, mais quand un trou noir s'évapore complètement, les partenaires à l'extérieur du trou noir restent compliqués rien. «Hawking à accomplir son valait la peine d'appeler cela un problème de confusion», dit Samir Mathur, de l'Université d'état de l'Ohio.

Même dans le vide, où il n'y a pas de particules électromagnétiques et d'autres champs interne embrouilles. Si vous mesurez le terrain en deux endroits différents, votre témoignage sera légèrement fluctuer, mais de rester dans la coordination. Si diviser la zone en deux parties, ces pièces seront en corrélation, et le degré de corrélation dépendra de la géométrie et de la propriété qu'ils ont: la place de l'interface. En 1995, Jacobson a déclaré que la participation d'un assure le lien entre la présence de la matière et de la géométrie de l'espace-temps — et, par conséquent, pourrait l'expliquer et la loi de la gravité. «Plus de confusion — la gravité est plus faible», dit-il.

Quelques approches de la gravité quantique — tout d'abord, la théorie des cordes — considère la confusion comme une importante pierre angulaire. La théorie des cordes a applique le principe holographique, non seulement aux trous noirs, mais l'univers dans son ensemble, en fournissant une recette pour créer de l'espace — ou, au moins, une partie. Original matricielle de l'espace servira à l'étranger plus vastesurround de l'espace. Et la confusion va associer un espace dans un seul ensemble continu.

En 2009, Mark Van Раамсдонк de l'Université de la Colombie-Britannique a fourni un élégant explication de ce processus. Supposons, par exemple, les champs à la frontière n'est pas confus — ils forment un couple hors de la corrélation. Ils correspondent à deux groupes distincts d'univers, entre lesquels il n'existe aucun moyen de communication. Lorsque les systèmes sont complexes, résulte à la fois de se tunnel, un trou de ver, entre ces univers et les vaisseaux spatiaux peuvent entre eux de se déplacer. Plus le degré de participation, moins la longueur de trou de ver. Les univers se fondent en un seul, et ne sont plus deux lits. «L'émergence d'un grand espace-temps est directement lie la participation à ces degrés de liberté de la théorie des champs», dit Wang Раамсдонк. Quand nous observons une corrélation électromagnétique et d'autres champs, ils sont un vestige de l'embrayage, qui se lie à l'espace ensemble.

Beaucoup d'autres caractéristiques de l'espace, en plus de son emprisonnement, peuvent également refléter la confusion. Wang Раамсдонк et Brian Свингл, travaillant à l'Université de Maryland, affirme que l'omniprésence de la confusion explique la polyvalence de gravité — qu'il travaille sur tous les objets et pénètre partout. En ce qui concerne les trous noirs, Leonard Сасскинд et Juan Малдасена estiment qu'il y a confusion entre un trou noir et испускаемым lui rayonnement crée un trou de ver — noir entrée dans le trou noir. Ce qui permet de conserver l'information et de la physique dans le trou noir s'avère irréversible.

Bien que ces idées de la théorie des cordes travaillent pour certaines géométries et de remodeler la seule dimension de l'espace, certains chercheurs tentent d'expliquer l'émergence de l'espace à partir de zéro.

Dans la physique, et en général, dans les sciences naturelles, l'espace et le temps — la base de toutes les théories. Mais jamais nous ne remarquons pas l'espace-temps directement. Plutôt, nous affichons son existence à partir de notre expérience quotidienne. Nous supposons que la plus logique à l'explication des phénomènes que nous voyons, il y a un certain mécanisme, qui fonctionne dans l'espace-temps. Mais la gravité quantique nous dit que tous les phénomènes s'inscrivent parfaitement dans cette vision du monde. Les physiciens ont besoin de comprendre qui est encore plus profond, le fonds et le tréfonds de l'espace, verso lisse du miroir. Si ils y parviennent, nous terminons la révolution, commencée plus d'un siècle d'Einstein.