I piu ' grandi misteri: che cos'è lo spazio-tempo?

Le Persone prendono sempre spazio per scontato. Alla fine, è semplicemente il vuoto — capacità per tutto il resto. Anche il tempo stringe continuamente. Ma la fisica di queste persone, hanno sempre bisogno di qualcosa di complicato. Regolarmente cercando di unire le loro teorie, hanno scoperto che lo spazio e il tempo si fondono in un sistema così complesso, che da persona normale e non capire.

Albert Einstein capito che ci aspetta, nel novembre del 1916. Un anno prima aveva formulato la teoria generale della relatività, secondo cui la gravità non è una forza che si propaga nello spazio, e la proprietà dello spazio-tempo stesso. Quando si è buttare la palla in aria, si vola in un arco e ritorna sulla terra, perché la Terra deforma lo spazio-tempo intorno a sé, per cui la traccia della palla e la terra si incroceranno di nuovo. In una lettera ad un amico Einstein ha esaminato l'operazione di fusione della teoria della relatività generale con gli altri il suo frutto, la nascente teoria della meccanica quantistica. Ma la sua abilità matematiche semplicemente non è abbastanza. «Come mi ha torturato questo!», ha scritto.

Einstein da nessuna parte e non è venuto in questo senso. Anche oggi l'idea di creare una teoria quantistica della gravità sembra molto lontana. Polemiche nascondono una verità importante: approcci competitivi tutti dicono che lo spazio nasce da qualcosa di più profondo — e questa idea si rompe consolidata per 2500 anni, scientifica e filosofica l'idea di esso.

Giù per il buco nero

Un Normale magnete sul frigorifero illustra perfettamente il problema, affrontato fisica. Può aggiungere un pezzo di carta e resistere di gravità di tutta la Terra. La gravità è più debole magnetismo o altra elettrica o nucleare di potere. Quali effetti quantistici per lei né in piedi, essi saranno più debole. L'unica cosa è la prova tangibile che questi processi si presentano generalmente, questo è un quadro variegato della materia in più dell'Universo primordiale — che, come suggerito, è stata disegnata fluttuazioni quantistiche del campo gravitazionale.

I buchi Neri — il modo migliore per verificare la gravità quantistica. «Questo è il più adatto, che è possibile trovare per la sperimentazione», dice Ted Jacobson dell'Università del Maryland, College Park. Lui e gli altri teorici studiano i buchi neri come teoriche punti di appoggio. Cosa succede quando vengono prese le equazioni che funzionano perfettamente anche in condizioni di laboratorio, e vengono inseriti nel le situazioni più estreme dei immaginabile? Non viene visualizzato se qualcosa di appena percettibile difetti?

La teoria Generale relativamente prevede che la sostanza, che cade in un buco nero, a tempo indeterminato si restringe man mano che si avvicina al centro — matematico тупичку chiamato singolarità. I teorici non possono immaginare la traiettoria di un oggetto al di fuori della singolarità; tutte le linee convergono in esso. Anche parlare di lei come di un posto problematico, perché lo spazio-tempo, definisce местоположенрие singolarità, cessa di esistere. Gli scienziati sperano che la teoria quantistica ci può fornire un microscopio, che consentirà di prendere in considerazione questo infinitamente piccolo punto di densità infinita e capire cosa sta succedendo con cade in esso la materia.

Al confine di un buco nero la sostanza non è ancora così ... ... strangolata con forza, la gravità è più debole e, per quanto ci è noto, tutte le leggi della fisica devono lavorare. E più scoraggia il fatto che non funzionano. Un buco nero è limitato orizzonte degli eventi, il punto di non ritorno: la sostanza, преодолевающее l'orizzonte degli eventi, non tornerà. La discesa irreversibile. Questo è un problema, perché tutte le leggi note della fisica fondamentale, tra cui meccanica quantistica, sono reversibili. Almeno in linea di principio, in teoria, si dovrebbe avere la possibilità di invertire il movimento e ripristinare tutte le particelle che avete avuto.

Con un simile gioco di puzzle di fisica di fronte alla fine del 1800, quando abbiamo esaminato la matematica «corpo nero», idealizzato come una cavità ripiena di radiazione elettromagnetica. La teoria dell'elettromagnetismo di James Clerk Maxwell aveva predetto che un oggetto in grado di assorbire tutta la radiazione che cade, e non arriverà mai in equilibrio con l'materia. «È in grado di assorbire una quantità infinita di calore dal serbatoio, che viene mantenuto a temperatura costante», spiega Rafael Sorkin, dell'Istituto di fisica teorica di Perimetro in Ontario. Con il calore punto di vista sarà la temperatura dello zero assoluto. Questa conclusione in contrasto con le osservazioni di veri corpi neri (come il microonde). Continuando a lavorare sulla teoria di Max Planck, Einstein ha mostrato che un corpo nero può raggiungere l'equilibrio termico, se l'energia della radiazione arriverà in unità discrete, o квантах.

I Fisici teorici quasi mezzo secolo hanno cercato di raggiungere questo tipo di soluzione per i buchi neri. Il compianto Stephen Hawking dell'università di Cambridge ha intrapreso un importante passo nella metà degli anni ' 70, applicando la teoria quantistica al campo di radiazione intorno a buchi neri e mostrando che hanno diverso da zero la temperatura. Di conseguenza, essi non possono assorbire solo, ma e irradiare energia. Anche se la sua analisi avvitato buchi neri nell'ambito della termodinamica, ha anche aggravato il problema irreversibilità. In uscita la radiazione emessa al confine di un buco nero e non trasferisce le informazioni dal sottosuolo. È casuale l'energia termica. Se invertire il processo e darlo in pasto questa energia di un buco nero, non salta fuori: basta avere ancora più calore. E ' impossibile immaginare che in un buco nero qualcosa è rimasto, solo in trappola, perché, come un buco nero emette radiazioni, si contrae e, secondo l'analisi di Hawking, alla finescompare.

Questo problema ha ricevuto il titolo di informazione paradosso, perché il buco nero distrugge informazioni sul rientrano in esso particelle che si potrebbe provare a recuperare. Se la fisica dei buchi neri davvero irreversibile, qualcosa deve sopportare le informazioni, e il nostro concetto di spazio-tempo, potrebbe essere necessario modificare, per accedere a questo dato di fatto.

gli Atomi dello spazio-tempo

Il Calore è il movimento casuale di particelle microscopiche, come molecole di gas. Perché i buchi neri possono scaldarsi e raffreddarsi, sarebbe ragionevole supporre che essi sono costituiti da parti o, in generale, delle microscopica della struttura. E perché il buco nero è solo uno spazio vuoto (secondo OTO, cade in un buco nero la materia passa attraverso l'orizzonte degli eventi, non fermandosi), parte di un buco nero devono essere le parti più spazio. E sotto l'ingannevole semplicità contatti di spazio vuoto si nasconde un enorme complessità.

Anche la teoria, che avrebbe dovuto salvare il tradizionale concetto di spazio-tempo, giunsero alla conclusione che qualcosa si nasconde sotto quella superficie liscia. Ad esempio, alla fine del 1970 Steven Weinberg, ora lavora presso l'università del Texas a Austin, ha cercato di descrivere la gravità così come descrivono altre forze della natura. E ho scoperto che lo spazio-tempo radicalmente modificato nelle sue minute dimensioni.

Fisica inizialmente previsto microscopico spazio come un mosaico di piccoli pezzi di spazio. Se aumentare la loro prima планковских scala infinitamente piccole dimensioni in 10^-35 metro, gli scienziati ritengono che si può vedere qualcosa di simile a una scacchiera. Ma forse no. Da un lato, una rete di linee di scacchi spazio sarà preferire alcune indicazioni di altri, creando asimmetrie, che contraddicono la teoria della relatività speciale. Ad esempio, la luce di diversi colori si muoverà con velocità diverse — come in un prisma di vetro che divide la luce nei colori. E anche se la manifestazione su piccola scala sarà molto difficile da notare, disturbi OTO sono palesemente evidenti.

La Termodinamica dei buchi neri mette in discussione il quadro di spazio in forma semplice mosaico. Misurazione termica comportamento di qualsiasi sistema, si può considerare la sua parte, almeno in linea di principio. Allevii l'energia e guarda il termometro. Se il decollo, l'energia deve estendersi a relativamente poco molecole. In realtà, si misura l'entropia del sistema, che rappresenta la sua microscopica difficoltà.

Se farlo con la solita sostanza, il numero di molecole aumenta insieme con il volume del materiale. Così, in ogni caso, dovrebbe essere: se aumentare il raggio di spiagge palla 10 volte, all'interno di esso si adatta a 1000 volte più grandi delle molecole. Ma se aumentare il raggio del buco nero di 10 volte il numero delle molecole in essa moltiplicate a soli 100 volte. Il numero delle molecole di cui è costituito, deve essere proporzionale non è il suo volume e di superficie. Un buco nero può sembrare tridimensionale, ma si comporta come l'oggetto bidimensionale.

Questo strano effetto ha ricevuto il nome di principio olografico, perché ricorda un ologramma, che vede noi come un oggetto tridimensionale, e a ben guardare l'immagine, prodotto bidimensionale pellicola. Se il principio olografico considera microscopici componenti dello spazio e il suo contenuto — che della fisica consentono, anche se non tutti — per creare lo spazio non è sufficiente un semplice accoppiamento minimi i suoi pezzi.

Intricata rete

Negli ultimi anni, gli scienziati hanno capito che in tutto questo deve essere coinvolta entanglement quantistico. Questa proprietà profondo della meccanica quantistica, estremamente potente tipo di comunicazione, sembra molto più semplice di spazio. Ad esempio, gli sperimentatori possono creare due particelle che viaggiano in direzioni opposte. Se essi saranno confusi, rimarranno legati a prescindere dalla separazione di loro distanza.

Tradizionalmente, quando la gente ha parlato di un «quantum» di gravità, avevano in mente quantistica discrezione, le fluttuazioni quantistiche e tutti gli altri effetti quantistici — ma non entanglement quantistico. Tutto è cambiato, grazie buchi neri. Per il tempo di vita di un buco nero in esso rientrano particelle correlate, ma quando il buco nero evapora completamente, i partner al di fuori del buco nero rimane impigliato — con niente. «Hawking dovuto chiamare un problema di confusione», dice Samir Mathur della Ohio state University.

Anche nel vuoto, dove non ci sono particelle elettromagnetiche e altri campi internamente aggrovigliato. Se misurare il campo in due posti diversi, le letture saranno leggermente variare, ma rimarranno in coordinamento. Se si divide l'area in due parti, queste parti sono in correlazione, e il grado di correlazione dipenderà dalla geometrica proprietà che hanno: l'area di interfaccia. Nel 1995 Jacobson ha detto che la partecipazione prevede il collegamento tra la presenza di materia e geometria dello spazio-tempo — e, quindi, potrebbe spiegare la legge di gravità. «Più partecipazione — la gravità è più debole», ha detto.

Alcuni approcci della gravità quantistica — prima di tutto, la teoria delle stringhe — guardo la partecipazione come un importante pilastro. La teoria delle stringhe si applica il principio olografico non solo ai buchi neri, ma anche dell'universo nel suo complesso, fornendo la ricetta di creare uno spazio — o, almeno, una certa parte di esso. Originale spazio bidimensionale servirà all'estero per più di vastosurround spazio. E la partecipazione di comunicare volumetrico spazio in un unico e continuo intero.

Nel 2009, Mark Van Раамсдонк della University of British Columbia ha fornito elegante spiegazione di questo processo. Supponiamo, campi sul confine non aggrovigliato — formano un paio di sistemi al di fuori di correlazione. Essi corrispondono a due distinti universi, tra i quali non c'è modo di comunicazione. Quando il sistema si sovrappongono, si forma come un tunnel, il tunnel, tra questi universi e navi spaziali possono tra di loro di muoversi. Più alto è il grado di partecipazione, minore è la lunghezza del tunnel. Gli universi si fondono in una sola e non sono più due letti singoli. «L'emergere di un gran spazio-tempo si collega direttamente confusione con questi gradi di libertà teoria dei campi», dice Wang Раамсдонк. Quando osserviamo la correlazione elettromagnetico e in altri campi, sono il resto della frizione, che lega lo spazio insieme.

Molte altre caratteristiche dello spazio, oltre alla sua connessione, possono riflettere la confusione. Wang Раамсдонк e Brian Свингл, che lavora presso l'Università del Maryland afferma che l'onnipresenza di confusione spiega la versatilità di gravità che agisce su tutti gli oggetti e penetra ovunque. Per quanto riguarda i buchi neri, Leonard Susskind e Juan Малдасена ritengono che la confusione tra il buco nero e rilasciate da lei radiazione crea un tunnel nero ingresso in un buco nero. In questo modo vengono salvate le informazioni e fisica di un buco nero diventa irreversibile.

Anche se queste idee della teoria delle stringhe funzionano solo per particolari geometrie e ristrutturazione solo una dimensione di spazio, alcuni scienziati cercano di spiegare l'emergere di uno spazio da zero.

In fisica, e in generale, nelle scienze naturali, lo spazio e il tempo — la base di tutte le teorie. Ma noi non ce ne accorgiamo dello spazio-tempo direttamente. Piuttosto, portando la sua esistenza dalla nostra esperienza quotidiana. Partiamo dal presupposto che la spiegazione più logica fenomeni che vediamo, è un meccanismo che funziona nello spazio-tempo. Ma la gravita ' quantistica ci dice che non tutti i fenomeni si inseriscono in un quadro del genere nel mondo. I fisici hanno bisogno di capire, che si trova ancora più a fondo, la storia interna dello spazio, retro liscio specchio. Se riescono, abbiamo finito la rivoluzione, iniziata più di un secolo fa Einstein.