Największe zagadki: co to jest czasoprzestrzeń?

Ludzie zawsze biorą przestrzeń za pewnik. W końcu, to jest po prostu pustka — pojemność do reszty. Czas też tyka w sposób ciągły. Ale fizycy tacy ludzie, im zawsze trzeba coś skomplikować. Regularnie stara się łączyć swoje teorie, okazało się, że czas i przestrzeń łączą się w systemie tak skomplikowane, że zwykły człowiek i nie zrozumieć.

Albert Einstein zrozumiał, że czeka nas jeszcze w listopadzie 1916 roku. Rok wcześniej sformułował ogólną teorię względności, według której grawitacja to siła, która porusza się w przestrzeni kosmicznej, a właściwość samego czasu i przestrzeni. Kiedy подбрасываете piłkę w powietrze, leci po łuku i wraca na ziemię, bo Ziemia искривляет przestrzeń-czas wokół siebie, dlatego toru piłki i ziemi przetną. W liście do przyjaciela Einstein uważał zadanie korespondencji ogólnej teorii względności z innymi swoim pomysłem, rodzącej teorią mechaniki kwantowej. Ale jego umiejętności matematycznych po prostu brakowało. "Jak ja grzmotnął w głowę się tym!", pisał on.

Einstein tak, nigdzie nie przyszedł w tym zakresie. Nawet dziś pomysł stworzenia kwantowej teorii grawitacji wydaje się bardzo odległa. Spory ukrywają ważną prawdę: konkurencyjne podejścia wszyscy mówią o tym, że przestrzeń rodzi się gdzieś głębiej — i ten pomysł łamie ustalony za 2500 lat naukowe i filozoficzne pojęcie o nim.

w Dół czarnej dziurze

Zwykły magnes na lodówce doskonale ilustruje problem, z którym do czynienia fizyki. Może przyczepiać papierek i oprzeć się grawitacji całej Ziemi. Grawitacja jest słabsza magnetyzmu lub inny elektrycznej lub nuklearnej siły. Jakie efekty kwantowe za nią ani stały, będą słabsze. Jedyny namacalny dowód na to, że procesy te w ogóle występują, to cętkowane malarstwo materii w bardzo wczesnym Wszechświecie, która, jak się uważa, namalowano kwantowej флуктуациями pola grawitacyjnego.

Czarne dziury — najlepszym sposobem, aby sprawdzić kwantową grawitację. "To jest właściwe, że można znaleźć dla eksperymentów", mówi Ted Jacobson z Uniwersytetu w Maryland, College Park. On i inni teoretycy studiują czarne dziury jako teoretyczne punkty podparcia. Co się dzieje, gdy biorą się równania, które idealnie działają w warunkach laboratoryjnych i są umieszczane w najbardziej ekstremalnych sytuacji z możliwych? Nie czy pojawi się jakiś ledwo widoczne wady?

Ogólna teoria stosunkowo przepowiada, że substancja, spada w czarną dziurę, nieskończenie kurczy się w miarę zbliżania się do środka — математическому тупичку pod nazwą osobliwość. Teoretycy nie mogą sobie wyobrazić trajektorię obiektu poza osobliwości; wszystkie linie zbiegają się w niej. Nawet mówić o niej, jako o miejscu, problematyczne, bo sama przestrzeń-czas, określająca местоположенрие osobliwości, przestaje istnieć. Naukowcy mają nadzieję, że kwantowa teoria może dostarczyć nam mikroskop, który pozwoli rozważyć tę nieskończenie małego punktu o nieskończonej gęstości i zrozumieć, co dzieje się z dostającej się w niej materią.

Na granicy czarnej dziury substancja jeszcze nie tak сдавлено, grawitacja jest słabsza i, o ile nam wiadomo, wszystkie prawa fizyki muszą pracować. I tym bardziej zniechęca fakt, że one nie działają. Czarna dziura jest ograniczony horyzontem zdarzeń, punkt krytyczny: substancja, преодолевающее horyzont zdarzeń, już nie wróci. Zejście nieodwracalny. To jest problem, bo wszystkie znane prawa fundamentalnej fizyki, w tym kwantowo-mechaniczne, są odwracalne. Przynajmniej w zasadzie, w teorii, powinno mieć możliwość zwrócić ruch i naprawić wszystkie cząstki, które macie.

Z podobnej puzzle fizyki do czynienia pod koniec 1800 roku, kiedy rozważali matematyki "ciała doskonale czarnego", идеализированного jak jamie wypełnionej promieniowania elektromagnetycznego. Teoria elektromagnetyzmu James Clerk Maxwell zapowiedziała, że taki obiekt będzie absorpcji promieniowania, która na niego spada, i nigdy nie przyjdzie w równowadze z otaczającą materią. "On może wchłonąć nieskończoną ilość ciepła od zbiornika, który jest obsługiwany przez w stałej temperaturze", wyjaśnia Rafał Соркин z Instytutu fizyki teoretycznej Obwodu w Ontario. Z termicznego punktu widzenia będzie miał temperatura zera bezwzględnego. Wniosek ten jest sprzeczny z obserwacji prawdziwych czarnych ciał (takich jak mikrofalowa). Kontynuując pracę nad teorią Max Planck, Einstein pokazał, że czarne ciało może osiągnąć równowagi cieplnej, jeśli energia promieniowania będzie zachowywać się w oddzielnych jednostkach, lub квантах.

Fizycy-teoretycy prawie pół wieku starali się osiągnąć podobnego rozwiązania dla czarnych dziur. Zmarły Stephen Hawking z uniwersytetu Cambridge podjęła ważny krok w połowie lat 70-tych, stosując kwantową teorię pola promieniowania wokół czarnych dziur i pokazując, że u nich jest niezerowa temperatura. W związku z tym mogą nie tylko pochłaniają, ale i emitować energię. Choć jego analiza wspomnienie czarne dziury do obszaru termodynamiki, on również pogłębia problem nieodwracalność. Wychodzące promieniowanie emitowane na granicy czarnej dziury i nie przenosi informacje z wnętrza. To przypadkowe energia cieplna. Jeśli odwrócić proces i oddać tę energię czarnej dziurze, nic nie wyjdzie na jaw: po prostu uzyskaj jeszcze więcej ciepła. I nie można sobie wyobrazić, że w czarnej dziurze coś zostało, po prostu w pułapce, bo w miarę jak czarna dziura emituje promieniowanie, ona kurczy się i, według analizy Hawkinga, w końcuznika.

Ten problem otrzymała nazwę paradoksu informacyjnego, ponieważ czarna dziura niszczy informacje na temat tych, którzy znaleźli się w jej cząsteczkach, które można spróbować odzyskać. Jeśli fizyka czarnych dziur naprawdę trwałe, coś musi wynosić informacje z powrotem, i nasze pojęcie czasu i przestrzeni, może trzeba zmienić, aby wpisać ten fakt.

Atomy przestrzeni-czasu

Ciepło — to przypadkowy ruch mikroskopijnych cząstek, takich jak cząsteczki gazu. Ponieważ czarne dziury mogą się nagrzewać i ochładzać, byłoby przypuszczać, że składają się one z części — lub, jeśli w ogóle, z mikroskopowej struktury. A ponieważ czarna dziura — to jest po prostu pusta przestrzeń (zgodnie ZE spadająca na czarną dziurę materia przechodzi przez horyzont zdarzeń, nie zatrzymując się), części czarnej dziury muszą być częściami samego miejsca. I pod zwodnicze prostotą płaskiego pustej przestrzeni kryje się ogromna trudność.

Nawet teorie, które powinny były zachować tradycyjne wyobrażenie o przestrzeni-czasu, doszli do wniosków, że coś kryje się pod tą gładką powierzchnią. Na przykład, pod koniec lat 1970-tych Steven Weinberg, teraz pracujący w uniwersytecie Teksańskim w Austin, postarałem się opisać grawitację, tak samo, jak opisują inne siły natury. I okazało się, że przestrzeń-czas radykalnie zmodyfikowana w swoich najmniejszych skalach.

Fizyka początkowo wizualizowane mikroskopowe przestrzeń jak mozaika z małych kawałków przestrzeni. Jeśli zwiększyć ich do планковских skalę, nieskończenie małych rozmiarach 10^-35 m, naukowcy uważają, że można zobaczyć coś w rodzaju szachownicy. A może i nie. Z jednej strony, taka sieć linii szachowego przestrzeni będzie woleć jedne innym kierunku, tworząc asymetrii, które są sprzeczne z szczególnej teorii względności. Na przykład, światło w różnych kolorach będzie poruszać się z różną prędkością — jak w szklanym pryzmacie, która rozbija światło na składowe kolory. I choć objawy na małą skalę będzie bardzo trudno zauważyć, zaburzenia ZE będą szczerze oczywiste.

Termodynamika czarnych dziur stawia pod znakiem zapytania obraz przestrzeni w postaci prostego mozaiki. Mierząc cieplne zachowanie każdego systemu, można policzyć jej części, przynajmniej w zasadzie. Zresetuj energię i spojrzeć na termometr. Jeśli słupek wystartował, energia powinna rozprzestrzeniać się na stosunkowo niewiele cząsteczek. Faktycznie, mierzysz entropię systemu, który reprezentuje jej mikroskopijną trudności.

Jeśli zrobisz to z normalną substancją, ilość cząsteczek wzrasta wraz z ilością materiału. Tak, w każdym razie, powinno być: jeśli zwiększyć promień plażowej piłki do 10 razy, w środku zmieści się w 1000 razy więcej cząsteczek. Ale jeśli zwiększyć promień czarnej dziury 10 razy, liczba cząsteczek w niej się wam rozmnożą się zaledwie 100 razy. Liczba cząsteczek, z których składa się, musi być proporcjonalny do jej wielkości, a powierzchni. Czarna dziura może się wydawać trójwymiarowej, ale zachowuje się jak obiekt dwuwymiarowy.

Ten dziwny efekt otrzymał nazwę zasady holograficznej, bo przypomina hologram, który wydaje nam jak trójwymiarowy obiekt, a po bliższym przyjrzeniu okazuje się obrazem, produkującym dwuwymiarowej folii. Jeśli holograficzny zasada uwzględnia mikroskopijne elementy przestrzeni i jego zawartości — że fizycy przypuszczają, choć nie wszystkie — do tworzenia przestrzeni będzie za mało prostego wiązania najdrobniejszych jego kawałków.

Splątane sieci

W ostatnich latach naukowcy zdali sobie sprawę, że w tym wszystkim musi być w to zamieszana kwantowa zamieszanie. To głębokie właściwość mechaniki kwantowej, niezwykle potężny typ komunikacji, wydaje się znacznie pierwotny przestrzeni. Na przykład, ci na górze mogą utworzyć dwie cząstki lecące w przeciwnych kierunkach. Jeśli będą one zagmatwane, pozostaną one związane, niezależnie od rozdzielający ich odległości.

Tradycyjnie, gdy ludzie mówili o "kwantowej" grawitacji, mieli na myśli kwantową nieciągłość, kwantowe fluktuacje i wszystkie inne kwantowe efekty — ale nie kwantową zamieszanie. Wszystko się zmieniło, dzięki czarnym ozonową. Za czas życia czarnej dziury w niej trafiają skomplikowane cząsteczki, ale gdy czarna dziura całkowicie odparowuje, partnerzy spoza czarnej dziury pozostają skomplikowane — z niczym. "Хокингу warto nazwać to problemem zaangażowania", mówi Samir Mathur z Uniwersytetu stanowego w Ohio.

Nawet w próżni, gdzie nie ma żadnych cząstek, elektromagnetyczne i inne pola wewnętrznie zagmatwane. Jeśli mierzyć pole w dwóch różnych miejscach, twój stan będzie się nieznacznie wahać, ale pozostaną w koordynacji. Jeśli podzielić obszar na dwie części, części te będą w korelacji, a stopień korelacji zależy od geometrycznego właściwości, które mają: powierzchnia interfejsu. W 1995 roku Jacobson powiedział, że zaangażowanie zapewnia komunikację między obecnością materii i geometrią przestrzeni-czasu — a to znaczy, że mogłaby wyjaśnić i prawo grawitacji. "Więcej zaangażowania — grawitacja jest słabsza", mówił.

Niektóre podejścia do kwantowej grawitacji — przede wszystkim teoria strun — rozważa zaangażowanie jako ważny kamień węgielny. Teoria strun stosuje holograficzny zasada nie tylko do czarnych ozonową, ale i wszechświata w ogóle, zapewniając przepis tworzenia przestrzeni — lub przynajmniej pewnej jego części. Oryginalny dwuwymiarowy przestrzeń będzie służyć granicą szerokiegoprzestrzennego przestrzeni. A zamieszanie będzie komunikować obszerna przestrzeń w spójną i ciągłą całość.

W 2009 roku Marc Van Раамсдонк z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej dostarczył eleganckie wyjaśnienie tego procesu. Załóżmy, pola na granicy nie zagmatwane — tworzą kilka systemów poza korelacji. Spełniają one dwa oddzielne wszechświaty, między którymi nie ma sposobu komunikacji. Gdy system staje się skomplikowane, powstaje jakby tunel, tunel, między tymi wszechświatami i statki kosmiczne mogą się między nimi przemieszczać. Im wyższy stopień zaangażowania, tym mniejsza długość korytarza. Światy łączą się w jedną i więcej nie są dwoma oddzielnymi. "Pojawienie się dużej przestrzeni-czasu bezpośrednio łączy się zamieszanie z tymi stopniami swobody teorii pola", mówi Van Раамсдонк. Kiedy obserwujemy korelacji w emisji i innych polach, są one pozostałością sprzęgła, który łączy przestrzeń razem.

Wiele innych cech przestrzeni, oprócz jego spójności, mogą również odzwierciedlać zaangażowanie. Van Раамсдонк i Brian Свингл, pracujący na Uniwersytecie w Maryland, twierdzi, że wszechobecność zaangażowanie wyjaśnia wszechstronność grawitacji — co ona wpływa na wszystkie obiekty i przenika wszędzie. Co do czarnych dziur, Leonard Сасскинд i Juan Малдасена uważa, że zamieszanie pomiędzy czarną dziurą i испускаемым jej promieniowanie tworzy tunel — czarny wlot w czarną dziurę. W ten sposób są zapisywane informacje i fizyka czarnej dziury okazuje się nieodwracalne.

Chociaż te pomysły teorii strun pracują tylko dla konkretnych geometrii i przebudowy tylko jeden wymiar przestrzeni, niektórzy naukowcy starają się wyjaśnić pojawienie się przestrzeni od podstaw.

W fizyce, tak i w ogóle, w naukach przyrodniczych, czas i przestrzeń — podstawa dla wszystkich teorii. Ale nie widzimy przestrzeni-czasu bezpośrednio. Raczej wyprowadzać jego istnienie z naszego codziennego doświadczenia. Zakładamy, że najbardziej logicznym wyjaśnieniem zjawisk, które widzimy, nie będzie jakiś mechanizm, który funkcjonuje w przestrzeni-czasu. Ale kwantowa grawitacja mówi nam, że nie wszystkie zjawiska idealnie wpisują się w taki obraz świata. Fizykom trzeba zrozumieć, że znajduje się jeszcze głębiej, kulisy przestrzeni, w odwrotną stronę gładkiego lustra. Jeśli im się uda, skończymy rewolucję, rozpoczętą już wieku temu Einsteina.