Største mysterier: hva er tid-rom?

Folk alltid ta plass for gitt. I slutten, det er bare tomhet — kapasitet for noe annet. Tid er også tikkende kontinuerlig. Men fysikere er folk, har de alltid trenger noe å komplisere det. Regelmessig prøver å kombinere teori, fant de at rom og tid sammen i et system som er så komplisert at en vanlig person ikke ville forstå.

Albert Einstein forstå hva som venter oss i November 1916. Året før han formulerte den Generelle relativitetsteorien i henhold til gravity er ikke en kraft som er fordelt på plass, men en eiendom av rom-tid. Når du kaster ballen i luften, den flyr i en bue og går tilbake til jorden, fordi Jorden fordreier tid-rom rundt seg, så styr på ballen og jorden vil krysse igjen. I et brev til en venn Einstein ansett problemet med sammenslåing Generelle relativitetsteorien med sitt avkom, den gryende teori kvantemekanikk. Men hans matematiske ferdigheter er bare ikke nok. "Jeg torturerte meg med dette!", han skrev.

Einstein aldri kom til dette. Selv i dag, ideen om å lage en kvante-teori om gravitasjon virker svært fjernt. Tvister skjule en viktig sannhet: en konkurrerende tilnærming alle som en si at plassen er født et sted dypere — og denne ideen bryter etablert 2500 år av vitenskapelige og filosofiske syn på det.

Ned i et sort hull

Normal magnet på kjøleskapet perfekt illustrerer problemet møtt av fysikk. Han kan feste et stykke papir, og for å tåle tyngden av hele Jorden. Tyngdekraften er svakere enn magnetisme eller andre elektriske eller kjernefysiske styrker. Hva quantum virkninger det sto, vil de være svakere. Det eneste håndfaste bevis på at disse prosessene faktisk skje, dette broket bilde av saken i de tidlige Universet — som er antatt å ha blitt malt av quantum svingninger i gravitasjonsfelt.

Svart hull er den beste måten å teste quantum gravity. "Dette er den beste som du kan finne for eksperimentering," sier Ted Jacobson fra University of Maryland-College Park. Han og andre teoretikere studere sorte hull som et teoretisk utgangspunkt for støtte. Hva skjer når du tar ligninger som fungerer perfekt i laboratoriet, og plassert i de mest ekstreme situasjoner tenkelig? Ikke om det vil være noen knapt synlige blemmer?

Om den Generelle teorien forutsier at saken faller inn i et sort hull av uendelig komprimert som det nærmer sentrum, det matematisk cul — de-SAC kalt singularitet. Teoretikere kan ikke forestille meg at banen til et objekt utenfor singularitet; alle linjer møtes i det. Selv å snakke om det, så problematisk, fordi svært tid-rom som bestemmer mestopolojenie singularitet opphører å eksistere. Forskere håper at kvante-teori kan gi oss et mikroskop, som vil tillate oss å vurdere dette uendelig lite punkt med uendelig tetthet og for å forstå hva det er som skjer med å komme til hennes rolle.

På grensen av et svart hull saken er ikke så begrenset, tyngdekraften er svakere og, så langt vi vet, er alle fysiske lover skal fungere. Og mer nedslående faktum at de ikke fungerer. Et sort hull er begrenset av event horizon, point of no return: stoff dukker opp fra the event horizon, vil ikke gå tilbake. Nedstigningen er irreversible. Dette er et problem fordi alle de kjente lover og grunnleggende fysikk, blant annet kvantemekaniske, er reversibel. I hvert fall i prinsippet, i teorien, bør du være i stand til å reversere bevegelser og gjenopprette alle partikler som du har.

Med en lignende puslespill fysikk møtt i slutten av 1800-tallet, da matematikken ble ansett som et "svart legeme", idealiserte som et hulrom fylt med elektromagnetisk stråling. Teorien om elektromagnetisme James Clerk Maxwell spådd at et slikt objekt vil absorbere all stråling som faller på det, og vil aldri komme i likevekt med omgivelsene saken. "Han kan absorbere uendelig mengde varme fra et reservoar som er vedlikeholdt på en konstant temperatur, forteller Rafael Sorkin fra Institutt for teoretisk fysikk Omkretsen i Ontario. Fra termisk synspunkt, vil den ha en temperatur på absolutte nullpunkt. Denne konklusjonen er motsagt av observasjoner av ekte sort organer (for eksempel ovn). Vidare arbeidet på teorien om max Planck, Einstein viste at den svarte kroppen kan nå termisk likevekt, hvis stråling energi vil bli levert i diskrete enheter, eller quanta.

Teoretiske Fysikere i nesten et halvt århundre prøvde å nå disse løsningene for sorte hull. Den avdøde Stephen Hawking av Cambridge University har tatt et viktig skritt i midten av 70-tallet, søker kvante-teori til feltet av stråling rundt sorte hull og viste at de har ikke-null temperatur. De kan derfor ikke bare absorbere men også avgir energi. Selv om hans analyse var skrudd opp sorte hull i området av termodynamikk, det har også forverret problemet med irreversibility. Utgående stråling som avgis på grensen av et svart hull, og ikke overføre informasjon fra det indre. Dette tilfeldig termisk energi. Hvis du reversere prosessen og mate denne energien til det sorte hullet, er det ingenting som kommer opp: du bare får mer varme. Og det er umulig å forestille seg at i et svart hull er noe igjen, bare fanget, fordi så snart det sorte hullet avgir stråling, det er redusert, og ifølge Hawking er analyse, på sluttenforsvinner.

Dette problemet kalles informasjon paradoks, som black hole ødelegger informasjon om fanget partikler, som du kan prøve å gjenopprette. Hvis fysikk for sorte hull er faktisk irreversible, noe som må bære den tilbake informasjon og vårt konsept av tid-rom kan ha til å endre seg for å passe på dette faktum.

Atomer av rom-tid

Varme er tilfeldig bevegelse av mikroskopiske partikler, som gass molekyler. Siden sorte hull kan varme opp og kjøle ned, ville det være rimelig å anta at de består av deler eller, hvis Generelt, fra mikroskopiske struktur. Og siden et sort hull er bare tomme rommet (i henhold til Generelle relativitetsteorien å falle inn i et sort hull, saken går gjennom event horizon, ikke stoppe), som er en del av det sorte hullet bør være en del av plassen i seg selv. Og under villedende enkelhet av en flat tomt rom skjuler en enorm kompleksitet.

Selv den teorien som var ment for å spare den tradisjonelle ideen om tid-rom, kom til den konklusjon at noe er gjemt under den glatte overflaten. For eksempel, i slutten av 1970-tallet Steven Weinberg, som nå jobber ved University of Texas i Austin, prøvd å beskrive tyngdekraften, samt beskrive andre naturkreftene. Og fant ut at rom-tid er radikalt endret i sin minste skala.

Fysikk i utgangspunktet visualisert den mikroskopiske plass som en mosaikk av små biter av plass. Hvis du øke dem til Planck-skalaen, uendelig liten størrelse i 10^-35 på en meter, forskere tror at det er mulig å se noe sånt som et sjakkbrett. Men kanskje ikke. På den ene siden, slik at et nettverk av linjer, chess plass, vil foretrekke noen andre retningen, og skaper en asymmetri som motsier den spesielle relativitetsteorien. For eksempel, lys i forskjellige farger vil flytte på forskjellige hastigheter som i et glass og prisme som splitter lyset i sine enkelte farger. Og selv om det manifestasjon på en liten skala, ville være vanskelig å legge merke til, brudd på den Generelle relativitetsteorien vil være åpent opplagt.

Den Termodynamikk for sorte hull setter spørsmålstegn bildet på plass i form av enkle mosaikk. Måling av termiske egenskaper ved systemet, kan du telle en del av det, i hvert fall i prinsippet. Kast en energi og se på termometeret. Hvis kvikksølv steg, energi bør gjelde for relativt få molekyler. Faktisk, du måle entropien til systemet, som representerer sin mikroskopiske kompleksitet.

Hvis du gjør dette med vanlig materie, antall molekyler øker med volumet av materialet. Så, i alle fall, det skal være: hvis du øke radius på stranden ballen 10 ganger inne i det passer 1000 ganger mer molekyler. Men hvis du øke radius av et svart hull 10 ganger antallet molekyler i det vil bli multiplisert med bare 100 ganger. Antall molekyler som er sammensatt, må være proporsjonal ikke til sitt volum og areal. Et sort hull kan vises tre-dimensjonal, men oppfører seg som et to-dimensjonalt objekt.

Denne merkelige effekten er kjent som den holografiske prinsipp fordi det ligner et hologram som virker for oss som en tre-dimensjonalt objekt, og ved nærmere ettersyn, bildet er produsert av den to-dimensjonale film. Hvis holografiske prinsipp tar hensyn til de mikroskopiske komponenter på plass og dens innhold — hva fysikk tillater det, selv om ikke alle — for å skape rom vil ikke være tilstrekkelig for enkel sammenkobling sine små biter.

Vridd nettverk

I de senere år har forskere innså at denne alle trenger å bli involvert quantum forviklinger. Det er en dyp holderen for quantum mechanics, en svært kraftig type kommunikasjon, det virker mye mer primitive plass. For eksempel, forskere kan opprette to partikler flyr i motsatte retninger. Hvis de er forvirret, vil de forbli knyttet uavhengig av avstand som skiller dem.

Tradisjonelt, når folk snakket om "quantum" gravity, de betyr quantum discreteness, quantum svingninger, og alle andre quantum effekter — men ikke quantum forviklinger. Alt forandret seg for sorte hull. Over levetiden av det sorte hullet faller på det tette partikler, men når det sorte hullet fordamper helt, partnere utenfor det sorte hullet være forvirrende — med ingenting. "Hawking burde ha kalt det et problem av forvirring," sier Samir Mathur av Ohio state University.

Selv i vakuum, hvor ingen partikler av elektromagnetiske og andre felt internt forvirrende. Hvis du måle-feltet i to forskjellige steder, målingene vil svinge litt, men er fortsatt i koordinering. Hvis du deler området i to deler, disse delene vil bli i sammenheng, og grad av korrelasjon, vil avhenge av geometrisk egenskap at de har: området av grensesnittet. I 1995, Jacobson sa at engasjement gir en kobling mellom tilstedeværelse av saken og geometri av rom-tid — og dermed kunne forklare loven om gravitasjon. "Mer forvirring — tyngdekraften er svakere," sa han.

Noen tilnærminger til quantum gravity — spesielt streng teori — anser engasjement som en viktig hjørnestein. Strengteori holografiske prinsippet gjelder ikke bare svart hull, men det universet som helhet, og gir en oppskrift for å lage plass — eller i det minste en del av det. Den originale to-dimensjonale rommet vil tjene som en grense mer omfattendevolumetrisk plass. Og forvirringen er å knytte tre-dimensjonale rommet i én enkelt og sammenhengende hele.

I 2009, mark van Raamsdonk fra University of British Columbia har gitt en elegant forklaring på denne prosessen. Anta at et felt på grensen til ikke forvirrende — de danner et par av systemer ut av sammenheng. De svarer til de to forskjellige universer, mellom hvilke det er ingen metode for kommunikasjon. Når systemene blir viklet inn, formet som en tunnel, et ormebol, mellom universer og romskip kan bevege seg mellom dem. Jo høyere grad av forviklinger, jo mindre lengden på ormebol. Universer slå sammen i én og ikke lenger to separate. "Fremveksten av en stor plass-tid direkte koblinger forviklinger av disse grader av frihet i feltet teori," sier van Raamsdonk. Når vi observere sammenhenger i det elektromagnetiske og andre felt, de er en levning vedheft som binder rommet sammen.

Mange andre funksjoner på plass, i tillegg til sine tilkoblingsmuligheter, kan også reflektere forvirring. Van Raamsdonk og Brian spille inn laget, som arbeider ved University of Maryland, hevder at allestedsnærvær av forviklinger forklarer universalitet av tyngdekraften at det påvirker alle objekter og trenger inn overalt. Som for sorte hull, Leonard Susskind og Juan Maldacena tror at forviklinger mellom det sorte hullet, og hun slippes ut stråling skaper et ormebol tilbake inn i et sort hull. Dermed informasjon som er lagret og fysikk for et svart hull er irreversible.

Selv om disse ideene strengteori virke bare for bestemte geometrier og rekonstruiruet bare én dimensjon på plass, noen forskere forsøker å forklare fremveksten av plass fra bunnen av.

I fysikk, og Generelt i Naturfag, rom og tid er grunnlaget for alle teorier. Men vi har aldri varsel space-time direkte. Rettere sagt, vi utlede sin eksistens fra vår hverdag. Vi antar at det mest logiske forklaring på fenomener som vi ser, er noen mekanisme som opererer i rom-tid. Men quantum gravity forteller oss at ikke alle fenomener passer perfekt i dette bildet av verden. Fysikere trenger å forstå at det er enda dypere ins og outs av plass, baksiden av en glatt speil. Hvis de lykkes, vil vi fullføre revolusjonen startet mer enn et århundre siden av Einstein.