Största mysterier: vad är tid?

Människor som alltid tar det utrymme för givet. I slutet, det är bara tomhet — kapacitet för något annat. Tid är tickande kontinuerligt. Men läkare är människor, de behöver alltid något att komplicera det. Regelbundet försöker att kombinera deras teori, fann de att tid och rum smälter samman till ett system som är så komplicerade att en vanlig människa skulle inte förstå.

Albert Einstein för att förstå vad som väntar oss i November 1916. Året innan han formulerade den Allmänna relativitetsteorin, enligt vilken gravitationen inte är en kraft som är fördelad i rymden, men en fastighet av rymd-tiden. När du kastar bollen i luften, den flyger i en båge och återvänder till jorden, eftersom Jorden tänja tid och rum runt sig, så banan för bollen och jorden kommer att korsas igen. I ett brev till en vän Einstein ansåg att problemet av en sammanslagning av den Allmänna relativitetsteorin med sin avkomma, den framväxande teorin om kvantmekaniken. Men hans mattekunskaper är bara inte tillräckligt. "Jag plågade mig själv med det här!", skrev han.

Einstein kom aldrig till detta. Även idag tanken på att skapa en kvantteori för gravitationen verkar mycket avlägsen. Tvister dölja en viktig sanning: en konkurrenskraftig strategi alla som man säger att det utrymme som är född någonstans djupare — och denna idé bryter de etablerade 2500 år av vetenskaplig och filosofisk syn på det.

Ner i ett svart hål

Vanlig magnet på kylskåpet perfekt illustrerar det problem med fysiken. Han kan fästa en bit papper och att motstå gravitationen hela Jorden. Gravitationen är svagare än magnetism eller andra elektriska eller nukleära krafter. Vad kvantmekaniska effekter det stod, de kommer att vara svagare. Det enda konkreta bevis för att dessa processer faktiskt hända, detta brokig bild av materia i Universum — som tros ha målats av den kvantmekaniska fluktuationer av gravitationsfält.

Svart hål är det bästa sättet att testa quantum gravity. "Detta är den bästa som du kan hitta för experiment, säger Ted Jacobson från University of Maryland, College Park. Han och andra teoretiker att studera svarta hål som en teoretisk stödpunkt. Vad händer när man tar de ekvationer som fungerar perfekt i laboratoriet, och placeras i de mest extrema situationer tänkbara? Inte om det kommer att finnas några knappt märkbara fläckar?

När det gäller den Allmänna teorin förutspår att materia som faller in i ett svart hål av oändligt komprimeras när det närmar sig centrum, den matematiska cul — de-SAC som kallas singularitet. Teoretiker kan inte tänka mig att banan för ett objekt utanför singularitet; alla linjer konvergerar i det. Att ens prata om det som problematiskt, eftersom mycket tid som avgör mestopolojenie singularity upphör att existera. Forskarna hoppas att kvantteorin kan förse oss med ett mikroskop, som kommer att tillåta oss att tänka på denna oändligt liten punkt med oändlig densitet och att förstå vad som pågår med att komma till hennes fråga.

På gränsen av ett svart hål frågan är inte så begränsade, gravitationen är svagare och har, såvitt vi vet, alla fysikens lagar borde fungera. Och mer nedslående faktum att de inte fungerar. Ett svart hål är begränsat av event horizon, point of no return: den substans som härrör från de event horizon, kommer inte tillbaka. Nedstigningen är oåterkallelig. Detta är ett problem eftersom alla kända lagar om grundläggande fysik, inklusive kvantmekanisk är reversibla. Åtminstone i princip, i teorin, bör du kunna vända rörelse och återställa alla partiklar som du har.

Med en liknande pussel fysik inför i slutet av 1800-talet, när matematiken ansågs vara en "svart kropp", idealiserade som ett hålrum fyllt med elektromagnetisk strålning. Teorin för elektromagnetism James Clerk Maxwell förutspådde att ett sådant objekt som absorberar all strålning som faller på det, och kommer aldrig att komma i jämvikt med den omgivande materia. "Han kan absorbera oändliga mängd värme från en reservoar som hålls vid en konstant temperatur, förklarar Rafael Sorkin från Institutet för teoretisk fysik i Omkrets i Ontario. Från den termiska synvinkel, det kommer att ha en temperatur över den absoluta nollpunkten. Denna slutsats motsägs av observationer av verkliga svart organ (såsom ugn). Fortsatt arbete på teorin om max Planck, Einstein visade att den svarta kroppen kan uppnå termisk jämvikt, om strålningens energi kommer att levereras i diskreta enheter, eller kvanta.

Teoretiska Fysiker under nästan ett halvt århundrade försökt att nå dessa lösningar för svarta hål. Sen Stephen Hawking i Cambridge University har tagit ett viktigt steg i mitten av 70-talet, med tillämpning kvantmekaniska teorin till området för strålning runt svarta hål och visade att de har noll temperatur. De kan därför inte bara absorbera men också avge energi. Även om hans analys var skruvad svart hål inom området termodynamik, det har också förvärrat problemet om oåterkallelighet. Den utgående strålningen som avges vid gränsen av ett svart hål och inte överför information från tarmarna. Detta slumpmässiga termisk energi. Om du backa processen och mata energi till det svarta hålet, ingenting kommer upp: du får bara mer värme. Och det är omöjligt att föreställa sig att ett svart hål är något vänster, bara instängd, eftersom så snart svart hål avger strålning, det är nedsatt, och enligt Hawking analys, i slutetförsvinner.

Detta problem kallas information paradox, som svart hål förstör information om det fastnat partiklar, som du kan försöka att återhämta sig. Om fysiken i svarta hål verkligen är bestående, något som måste bära tillbaka informationen och våra begrepp av tid och kan behöva förändras för att passa detta faktum.

Atomer av utrymme-tid

Värme är slumpmässig rörelse av mikroskopiska partiklar, som gas molekyler. Eftersom svarta hål kan värmas upp och kylas ner, skulle det vara rimligt att anta att de består av delar eller om det i Övrigt, från mikroskopiska struktur. Och eftersom ett svart hål är bara tomt utrymme (enligt den Allmänna relativitetsteorin, som faller in i ett svart hål, materia passerar genom event horizon, inte att stoppa), en del av det svarta hålet bör vara en bit av rymden själv. Och under den bedrägliga enkelhet av en platt tomt utrymme döljer sig en enorm komplexitet.

Även den teori som var tänkt att spara den traditionella uppfattningen av tid och rum, kom till slutsatsen att något inte är som gömmer sig under den släta ytan. Till exempel, i slutet av 1970-talet Steven Weinberg, som nu arbetar vid University of Texas i Austin, försökt att beskriva gravitationen samt beskriva andra krafter i naturen. Och finns det utrymme-tid är radikalt ändrat i dess minsta omfattning.

Fysik ursprungligen visualiseras de mikroskopiska utrymme som en mosaik av små bitar av utrymme. Om du ökar dem till Planck skala, oändligt liten storlek i 10^-35 för en mätare, forskarna tror att det är möjligt att se något som ett schackbräde. Men kanske inte. Å ena sidan, till exempel ett nätverk av linjer, schack utrymme, föredrar vissa andra riktningen, vilket skapar en asymmetri som motsäger den speciella relativitetsteorin. Till exempel, ljus av olika färg kommer att gå i olika hastigheter — som i ett glas prismor som delar upp ljuset i dess olika färger. Och även om manifestationen på en liten skala skulle vara svårt att märka, kränkningar av den Allmänna relativitetsteorin kommer att vara öppet uppenbara.

Termodynamik av svarta hål ifrågasätter den bild av rymden i form av enkla mosaik. Att mäta den termiska beteende av alla system, du kan räkna med att en del av det, åtminstone i princip. Kasta en energi och titta på termometern. Om kvicksilver skjutit i höjden, den energi som bör gälla att relativt få molekyler. I själva verket, du mäta entropin i systemet, som utgör dess mikroskopiska komplexitet.

Om du gör det med vanlig materia, antalet molekyler ökar med volymen av materialet. Så, i alla fall, det borde vara: om du ökar radien av stranden bollen 10 gånger inne i det att passa 1000 gånger mer molekyler. Men om du ökar radien av ett svart hål 10 gånger antalet molekyler i det kommer att multipliceras med bara 100 gånger. Antalet molekyler av vilka det består, måste vara proportionellt till dess volym och yta. Ett svart hål kan visas tre-dimensionell, men beter sig som en två-dimensionella objekt.

Denna märkliga effekt är känd som den holografiska principen, eftersom den liknar ett hologram som förefaller oss som en tre-dimensionella objekt, och vid närmare inspektion, bilden fram av två-dimensionell film. Om den holografiska principen tar hänsyn till de mikroskopiska delar av rymden och dess innehåll — vad fysik tillåter, även om inte alla — för att skapa utrymme kommer inte att vara tillräckligt enkel ihopkoppling dess små bitar.

Twisted nätverk

Under de senaste åren har forskare insett att detta måste alla vara delaktiga quantum entanglement. Det är en djup egendom av kvantmekaniken, en extremt kraftfull typ av kommunikation, det verkar mycket mer primitiva utrymme. Till exempel, praktiker kan skapa två partiklar som flyger i motsatt riktning. Om de är förvirrade, de kommer att förbli länkade oavsett avståndet mellan dem.

Traditionellt, när folk pratade om "quantum" allvar, de menar quantum diskretion, kvantmekaniska fluktuationer, och alla andra kvantmekaniska effekter — men inte quantum entanglement. Allt förändrades för svarta hål. Under livstiden av det svarta hålet faller i det intrasslad partiklar, men när det svarta hålet avdunstar helt partners utanför det svarta hålet fortfarande förvirrande — med ingenting. "Hawking skulle ha kallat det ett problem för förväxling, säger Samir Mathur av Ohio state University.

Även i vakuum, där inga partiklar i elektromagnetiska fält internt förvirrande. Om du mäter fältet på två olika ställen, dina behandlingar kommer att variera något, men är fortfarande i samordning. Om du delar upp området i två delar, dessa delar kommer att vara i korrelation, och graden av korrelation kommer att bero på de geometriska egendom som de har: det område av gränssnittet. I 1995, Jacobson säger att delaktighet ger en koppling mellan förekomsten av materia och geometri i rymd-tid — och därmed skulle kunna förklara tyngdlagen. "Mer förvirring — gravitationen är svagare", sade han.

Vissa förhållningssätt till quantum gravity — särskilt sträng teori — överväga delaktighet som en viktig hörnsten. Strängteorin är den holografiska principen gäller inte bara svart hål, men universum som en helhet, som ger en recept för att skapa utrymme — eller åtminstone en del av det. De ursprungliga två-dimensionella rymden kommer att fungera som en avgränsning mer omfattandevolymetrisk utrymme. Och förvirringen är att associera tre-dimensionell rymd i en enda och sammanhängande helhet.

I 2009, mark van Raamsdonk från University of British Columbia har gett en elegant förklaring av denna process. Antag att ett område på gränsen till att inte förvirrande — de utgör ett par av system av korrelation. De motsvarar två separata universum, mellan vilka det finns ingen metod för kommunikation. När systemen blir intrasslad, som bildas som en tunnel, ett maskhål, mellan universum och utrymme fartyg kan röra sig mellan dem. Den högre graden av sammanflätning, den mindre med en längd av maskhål. De universum samman i en och inte längre två separata. "Framväxten av ett stort utrymme-tid direkt länkar sammanflätning av dessa grader av frihet i field theory", säger van Raamsdonk. När vi observerar korrelationer i den elektromagnetiska och andra områden, de är en kvarleva vidhäftning som binder rymden tillsammans.

Många andra funktioner i rymden, förutom att dess anslutningar, kan också återspegla förvirring. Van Raamsdonk och Brian posten lager, som arbetar vid University of Maryland, hävdar att det faktum att fastna förklarar den universella gravitationen — att det påverkar alla objekt och tränger in överallt. Som för svarta hål, Leonard Susskind och Juan Maldacena tror att fastna mellan det svarta hålet och hon släpps ut strålning skapar ett maskhål tillbaka in i ett svart hål. Således är information som lagras och fysik i ett svart hål är oåterkallelig.

Även om dessa idéer i string-teorin fungerar endast för särskilda geometrier och rekonstruiruet bara en dimension av utrymme, vissa forskare har försökt att förklara uppkomsten av utrymme från början.

I fysik, och i Allmänhet, i Naturvetenskap, plats och tid är grunden för alla teorier. Men vi har aldrig märka utrymme-tid direkt. Snarare, vi härleda dess existens från vår vardagliga erfarenhet. Vi antar att det mest logiska förklaring av de fenomen som vi ser, är en mekanism som verkar i tid och rum. Men quantum gravity berättar för oss att det inte är alla företeelser som passar perfekt in i denna bild av världen. Fysiker måste förstå att det är ännu djupare ins och outs av utrymme, baksidan av en slät spegel. Om de lyckas, kommer vi att avsluta revolutionen börjat mer än ett sekel sedan av Einstein.