"Man kā vecākajam draugam ir jāatbrīvo jūs no šīs aktivitātes, jo, pirmkārt, jums šī darbība neizdosies, un pat tad, ja jums izdosies, neviens tik un tā neticēs."
No Maksa Planka vēstules Albertam Einšteinam par Einšteina mēģinājumu atrisināt pretrunu starp īpašo relativitāti un Ņūtona gravitāciju
Kopš seniem laikiem cilvēci vienmēr fascinē telpas (debesis) un laika (sākums, pārmaiņas un beigas) jēdzieni. Pirmie domātāji, sākot ar Gautama Budu, Lao Czu un Aristoteli, aktīvi pievērsa uzmanību šiem jēdzieniem. Gadsimtu gaitā šo domātāju pamatojuma saturs cilvēka apziņā ir izkristalizējis tos garīgos attēlus, kurus tagad izmantojam ikdienas dzīvē. Mēs domājam par kosmosu kā par trīsdimensiju kontinuumu, kas mūs apņem. Mēs attēlojam laiku kā jebkura procesa ilgumu, kuru fiziskajā Visumā nekādā veidā neietekmē. Un kopā viņi veido skatuvi, kurā attīstās visa mijiedarbības drāma, kuras aktieri ir viss pārējais - zvaigznes un planētas, lauki un matērija, jūs un es.
Vairāk nekā tūkstoš gadu četras fizikas grāmatas, kuras sarakstījis Aristotelis, ir radījušas pamatu dabaszinātnēm. Kamēr Heraklīts uzskatīja, ka Visums ir bezgalīgi attīstīts un visi tajā esošie procesi nekad nav sākušies un nekad nebeidzas, Parmenīds mācīja, ka pats kustības jēdziens nav savienojams ar to, kas ir Vienīgais, Nepārtrauktais un Mūžīgais. Aristotelis abas šīs idejas iekļāva savā kosmogoniskajā sistēmā. Visas izmaiņas tagad bija saistītas ar Zemi un Mēnesi, jo šīs izmaiņas bija acīmredzamas. Nemainīgums tika pārnests uz citām planētām, sauli un zvaigznēm, jo tās bija skaistas, nemainīgas un mūžīgas. Mūsdienu valodā var apgalvot, ka Aristotelis darbojās ar absolūtu laiku, telpa ar absolūtu struktūru, un to visu nodrošināja mainīgā Zeme. Šie jēdzieni veidoja pamatu patiesai, tajā laikā pasaules uztverei un aprakstam, ko Īzaks Ņūtons studēja 1661. - 1665. gadā kā students Kembridžā.
Pēc divdesmit gadiem Ņūtons apgāza šīs gadsimtiem senās dogmas. Publicējot savu redzējumu par apkārtējo pasauli 1686. gadā, viņš sniedza jaunu izpratni par apkārtējo Visumu. Saskaņā ar viņa principiem laiks izrādījās palodze, kas aizstāta ar dimensiju kontinuumu. Tā joprojām bija absolūta un vienāda visiem novērotājiem. Visi vienlaicīgi notikumi veidoja telpisku telpisku kontinuumu. Tādējādi viņa argumentācijā pazuda absolūtā telpas struktūra. Pateicoties Kopernika mācībām, Zeme tika noņemta no tās priviliģētās pozīcijas Visumā. Galilejas relativitāte visus inerciālos novērotājus matemātiski precīzi ievietoja vienā fiziskajā platformā. Ņūtona principi iznīcināja aristotelisko pareizticību, atceļot atšķirību starp debesīm un zemi. Debesis vairs nebija tādas pašas. Pirmo reizi fizikā radās universāli principi. Uz zemi krītošais ābols un planētas, kas pārvietojas orbītā ap sauli, tagad bija pakļauti tiem pašiem likumiem. Debesis vairs nebija tik noslēpumainas, jo tās bija pakļautas cilvēka prāta apziņai. Jau 1700. gadu sākumā Lielbritānijas Karaliskās biedrības uzklausīšanā sāka parādīties darbi, kas paredzēja ne tikai Jupitera, bet arī tā pavadoņu kustību! Nav pārsteidzoši, ka tajā laikā attieksme pret Ņūtonu bija piepildīta ne tikai ar skepsi, bet arī ar bailēm un ne tikai no neprofesionāļu puses, bet arī no vadošās Eiropas inteliģences puses. Piemēram, marķīzs de L'Hôpital, kurš mūsdienu studentiem ir pazīstams ar likumu ierobežojumu aprēķināšanai,no Francijas rakstīja Džonam Ārbutnotam Anglijā par Ņūtonu un viņa principiem šādi:
- Mans Dievs! Kādi zināšanu pamati mums parādās šajā grāmatā? Vai viņš ēd, dzer un guļ? Vai citi vīrieši ir līdzīgi viņam?
Kā Ričards Vestfolds izteicās savā ļoti cienītajā Ņūtona nekad nav bijis biogrāfijā:
- Līdz 1687. gadam Ņūtons diez vai bija slavens cilvēks filozofiskās aprindās. Tomēr nekas nesagatavoja dabas filozofijas pasauli tās Principu parādīšanai. Principi, kas kļuva par pagrieziena punktu pašam Ņūtonam, kurš pēc divdesmit gadu pētījumiem beidzot sekoja no sasnieguma līdz paveiktajam. Principi, kas kļuva par dabas filozofijas pagrieziena punktu.
Reklāmas video:
Ņūtona principi kļuva par jauno pareizticību, un tie valdīja vairāk nekā 150 gadus. Pirmais izaicinājums Ņūtona pasaules izpratnei tika izvirzīts pilnīgi negaidītā fizikas jomā un bija saistīts ar elektromagnētisko parādību izpratnes attīstību. 19. gadsimta vidū skotu fiziķis Džeimss Klarks Maksvels, pierakstot četrus slavenos vektoru vienādojumus, sasniedza pārsteidzošu visu šajā jomā uzkrāto zināšanu sintēzi. Šie vienādojumi vēl vairāk ļāva izprast gaismas ātruma īpašo nozīmi. Bet tajā laikā to nebija iespējams saprast. Mijiedarbības pārraides absolūtais ātrums nepārprotami bija pretrunā ar Galileo relativitātes principu, kas bija Ņūtona telpas-laika modeļa stūrakmens. Līdz tam laikam lielākā daļa fiziķu bez ierunām ticēja Ņūtona pasaules patiesībai un tāpēc nonāca pie secinājuma, ka Maksvela vienādojumus var izpildīt tikai noteiktā vidē, ko sauc par ēteri. Bet, sniedzot šādus apgalvojumus, viņi neviļus atgriezās pie Aristoteļa, kurš apgalvoja, ka dabai ir raksturīga absolūtā telpas struktūra. Un šajā stāvoklī šī problēma ilga apmēram 50 gadus.
Un tagad 26 gadus vecais Alberts Einšteins publicē savu slaveno darbu "Par kustīgu mediju elektrodinamiku". Šajā darbā Einšteins pieņēma Maksvela vienādojumos iekļauto konstanšu vērtību patiesumu un, izmantojot vienkāršus domāšanas eksperimentus, skaidri parādīja, ka gaismas ātrums ir universāla konstante, kas saglabā savu vērtību visiem inerciālajiem novērotājiem. Viņš parādīja, ka absolūtās fiziskās vienlaicības jēdziens nav izturams. Telpiski nošķirti notikumi, kas, šķiet, ir vienlaicīgi vienam novērotājam, nav tā citam novērotājam, kas pārvietojas attiecībā pret pirmo nemainīgā ātrumā.
Kļuva skaidrs, ka ņūtona laiktelpas modelis var būt tikai aptuvens, derīgs gadījumā, ja aplūkotie ātrumi ir daudz mazāki nekā gaismas ātrumi. Ir parādījies jauns laiktelpas modelis, ieskaitot jaunu relativitātes principu, ko sauc par Īpašo relativitātes teoriju. Šai teorijai savā laikā bija revolucionāra nozīme. Pēc viņas teiktā, laiks ir zaudējis absolūto pozīciju fizikā. Četru dimensiju telpa-laika kontinuums ir kļuvis absolūts. Attālumi četrdimensiju laiktelpā starp notikumiem ir labi definēti, bet tikai laika vai tikai telpiskie intervāli starp notikumiem sāka būt atkarīgi no atskaites ietvara izvēles, tas ir, no viena novērotāja pārvietošanās ātruma attiecībā pret otru. Jaunā teorija sniedza neparastas, iespaidīgas prognozes,kuras tajā laikā bija grūti uztveramas. Enerģija un masa zaudēja savu unikalitāti un varēja pārveidoties savā starpā pēc labi zināmās formulas E = mc2. Šeit jāatzīmē, ka šīs attiecības pirmo reizi parādījās 1895. gadā Anrī Poinkarē darbā "Par laika mērīšanu", kas tika publicēts Parīzes filozofiskajā žurnālā un tāpēc nepiesaistīja fiziķu uzmanību, taču pašreizējo nozīmi tas ieguva pēc Einšteina darba. Iedomājieties, kā enerģija, kas atrodas gramā matērijas, gadu varētu apgaismot visu pilsētu. Dvīnis, kurš bija atstājis savu māsu uz Zemes un pārvietojās kosmosa kuģī ar ātrumu, kas tuvu gaismas ātrumam, atgriezīsies, lai uzzinātu, ka viņa māsa ir novecojusi par vairākiem gadu desmitiem. Tik negaidītas bija šīs prognozes, par kurām apgalvoja daudzi vadošo universitāšu zinātniekika dotā teorija nevar būt dzīvotspējīga. Tomēr viņi visi kļūdījās. Kodolreaktori darbojas uz Zemes, un zvaigznes spīd debesīs, pārvēršot masu enerģijā, precīzi atbilstot formulai E = mc2. Augstas enerģijas laboratorijās nestabilas daļiņas, kas paātrinātas līdz gandrīz gaismas ātrumam, dzīvo desmitiem un simtiem reižu ilgāk nekā viņu kolēģi, kas atpūšas uz zemes.
Tomēr, neraugoties uz visu SRT revolucionāro raksturu, viens laiktelpas aspekts palika aristotelisks. Tā palika visu notikumu pasīva arēna, audekls, uz kura Visuma virzītājspēki uzglezno viņu attēlu. 19. gadsimta vidū matemātiķi izdomāja, ka Eiklida ģeometrija, kuru mēs visi mācījāmies skolā, ir viena no iespējamām ģeometrijām. Tas noveda pie idejas, kuru visspilgtāk formulēja Ričards Rīmans 1854. gadā. Viņš teica, ka fiziskās telpas ģeometrija var nepakļauties Eiklida aksiomām, bet var būt izliekta matērijas klātbūtnes dēļ Visumā. Viņa idejās kosmoss pārstāja būt pasīvs, un matērija to mainīja. Pagāja vēl 61 gads, lai šī ideja būtu pieprasīta.
Tik liels notikums bija Einšteina 1915. gadā publicētā viņa Vispārējā relativitātes teorija. Šajā teorijā kosmosa laiks izpaudās četrdimensionāla kontinuuma formā. Šī kontinuuma ģeometrija ir izliekta, un izliekuma pakāpe simulē gravitācijas laukus pašā kontinuumā. Telpas laiks vairs nav inerts. Tas iedarbojas uz matēriju un matērija uz to. Kā teica slavenais amerikāņu fiziķis Džons Vīlers:
- Matērija stāsta laiktelpai, kā saliekties, un telplaiks - matērijai, kā kustēties.
Kosmiskajā dejā vairs nav skatītāju, nav fona, uz kura risinās visi notikumi. Pati aina pievienojās dalībniekiem. Tās ir dziļas izmaiņas pasaules uzskatā. Tā kā visas fiziskās sistēmas atrodas laiktelpā, šādas izredžu izmaiņas satricināja visus dabas filozofijas pamatus. Pagāja daudzas desmitgades, lai fiziķi samierinātos ar daudzajiem šīs teorijas pielietojumiem, un filozofi samierinājās ar jaunu pasaules izpratni, kas izaugusi no vispārējās relativitātes.
2. Gravitācija ir ģeometrija
It kā ir sabrukusi siena, kas mūs šķir no patiesības. Acīm tika atvērtas plašākas telpas un dziļumi bez dziļumiem, meklējot zināšanas, par kuru esamību mums nebija ne mazākās nojausmas”
Hermann Weil "Vispārējā relativitātes teorija"
Var pieņemt, ka, rakstot savu darbu, Einšteinu, acīmredzot, iedvesmoja divi diezgan vienkārši fakti. Pirmkārt, gravitācijas universālums, ko Galileo demonstrēja savos slavenajos eksperimentos ar Pizas torni. Smagums ir universāls, jo visi torņa ķermeņi nokrita vienādi, ja tikai uz tiem iedarbojās gravitācijas spēks. Otrkārt, gravitācija vienmēr izpaužas kā pievilcība. Šī tā īpašība to ļoti atšķir, piemēram, no elektrostatiskā spēka, ko likums apraksta tādā pašā formā kā universālās gravitācijas likumu un izpaužas atkarībā no mijiedarbojošos lādiņu veida gan kā pievilcību, gan kā atgrūšanu. Tā rezultātā, lai gan elektrostatisko spēku var pasargāt, un ir pietiekami viegli izveidot apgabalus, kuros tas nedarbosies,smagumu principā nevar pārbaudīt. Tādējādi gravitācija ir visuresoša un vienādi iedarbojas uz visiem ķermeņiem. Šie divi fakti runā par spēcīgu gravitācijas atšķirību no citām fundamentālām mijiedarbībām un liek domāt, ka gravitācija ir kaut kā dziļāka un universālāka izpausme. Tā kā kosmosa laiks ir arī visuresošs un universāls, Einšteins ieteica, ka gravitācija izpaužas nevis kā spēks, bet kā telpas laika ģeometrijas izliekums. Telpas-laiks vispārējā relativitātes teorijā ir kaļams un to var modelēt ar divdimensiju gumijas loksni, kuru saliekušas masīvas ķermeņi. Piemēram, saule, būdama smaga, stipri izliek telpas laiku. Planētas, tāpat kā visi uz Zemes krītošie ķermeņi, pārvietojas pa “taisnām” trajektorijām, bet tikai līknes ģeometrijā. Precīzā matemātiskā nozīmē viņi iet pa īsākajiem ceļiem, kurus sauc par ģeodēziskām līnijām - tie ir Eiklida plaknes ģeometrijas taisnu līniju vispārinājumi līdz Rīmana izliektajai ģeometrijai. Tātad, ja ņemam vērā, piemēram, izliektu kosmosa laiku, Zeme šādā telpā izvēlēsies optimālu trajektoriju, kas ir pilnīgs taisnas līnijas analogs. Bet, tā kā telpas laiks ir izliekts, projekcijā uz Eiklida un Ņūtona plakano telpu šī trajektorija būs eliptiska.tā kā telpas laiks ir izliekts, projekcijā uz Eiklida un Ņūtona plakano telpu šī trajektorija būs eliptiska.tā kā telpas laiks ir izliekts, projekcijā uz Eiklida un Ņūtona plakano telpu šī trajektorija būs eliptiska.
Vispārējās relativitātes teorijas pievilcība ir saistīta ar to, ka tā, izmantojot elegantu matemātiku, pārveidoja šīs konceptuāli vienkāršās idejas konkrētos vienādojumos un izmanto šos vienādojumus, lai veiktu pārsteidzošas prognozes par fiziskās realitātes būtību. Viņa prognozē, ka Katmandu pulkstenim vajadzētu darboties ātrāk nekā Jaltā. Galaktiskajiem kodoliem vajadzētu darboties kā milzu gravitācijas lēcām un mums parādīt iespaidīgus, daudzveidīgus tālu kvazāru attēlus. Divām neitronu zvaigznēm, kas griežas ap kopīgu centru, ir jāzaudē enerģija, pateicoties viļņveidīgajam laiktelpai, ko izraisa to spirālveida kustība, saplūstot vienam centram, kam seko sadursme. Pēdējos gados ir veikti daudzi eksperimenti, lai pārbaudītu šīs un vēl eksotiskākās prognozes. Un katru reizi uzvarēja Vispārējā relativitātes teorija. Dažu eksperimentu precizitāte pārsniedza leģendāro eksperimentu precizitāti elektromagnētiskā lauka kvanta noteikšanā. Šī konceptuālā dziļuma, matemātiskās elegances un novērošanas panākumu kombinācija ir bezprecedenta. Tāpēc vispārējā relativitātes teorija, no vienas puses, tiek uzskatīta par vienu no visaugstākajām fizikālajām teorijām, un, no otras puses, izraisa ievērojamu interesi kā dažādas un ne vienmēr profesionālas kritikas objektu.kāpēc vispārējā relativitātes teorija, no vienas puses, tiek uzskatīta par vienu no visaugstākajām fizikālajām teorijām, un, no otras puses, izraisa ievērojamu interesi kā visa veida objektu un ne vienmēr profesionālu kritiku.kāpēc vispārējā relativitātes teorija, no vienas puses, tiek uzskatīta par vienu no visaugstākajām fizikālajām teorijām, un, no otras puses, izraisa ievērojamu interesi kā visa veida objektu un ne vienmēr profesionālu kritiku.
3. Lielais sprādziens un melnie caurumi
“Fiziķiem ir veicies labi, taču viņi ir parādījuši intuīcijas ierobežojumus, bez matemātikas palīdzības. Viņi atklāja, ka saprast dabu ir ļoti grūti. Zinātniskais progress bija jāmaksā ar nicinošu atziņu, ka realitāte tika veidota tā, lai to cilvēka uztvere viegli neuztvertu”
Edvards O. Vilsons “Sakritība. Zināšanu vienotība"
Vispārējās relativitātes teorijas parādīšanās aizsāka mūsdienu kosmoloģijas laikmetu. Ļoti plašā mērogā visums ap mums šķiet viendabīgs un izotropisks. Šis uzskats ir vislielākā Kopernikāna principa realizācija: mūsu Visumā nav izvēlētu punktu, nav izvēlēta virziena. 1922. gadā, izmantojot Einšteina vienādojumus, krievu matemātiķis Aleksandrs Fridmans parādīja, ka šāds Visums nevar būt statisks. Tai ir vai nu jāpaplašinās, vai jāsabrūk. 1929. gadā amerikāņu astronoms Edvīns Habls atklāja, ka Visums patiešām paplašinās. Šis fakts savukārt nozīmē, ka šim procesam ir jāsākas ar sākumu, kurā gravitācijas blīvumam un attiecīgi arī telpas-laika izliekumam jābūt bezgalīgi lielam. Radās Lielā sprādziena koncepcija. Rūpīga novērošana,īpaši pēdējos 20 gados ir parādījuši, ka šis notikums, iespējams, notika pirms 14 miljardiem gadu. Kopš tā laika galaktikas ir pārvietojušās viena no otras, un vidējais gravitācijas stabils kritums. Apvienojot savas zināšanas par vispārējo relativitātes teoriju ar laboratorijas fiziku, mēs varam izdarīt daudz detalizētu pareģojumu. Piemēram, mēs varam aprēķināt gaismas elementu relatīvo daudzumu, kuru kodoli izveidojās pirmajās trīs minūtēs pēc sprādziena (skat., Piemēram, šeit). Mēs varam paredzēt primārā starojuma (relikvijas mikroviļņu fona) esamību un īpašības, kas tika izstarots, kad Visumam bija aptuveni 400 000 gadu. Un mēs varam teikt, ka pirmās galaktikas izveidojās, kad Visumam bija miljards gadu. Apbrīnojams laika diapazons un dažādu parādību klāsts!notika pirms 14 miljardiem gadu. Kopš tā laika galaktikas ir pārvietojušās viena no otras, un vidējais gravitācijas stabils kritums. Apvienojot mūsu zināšanas par vispārējo relativitātes teoriju un laboratorijas fiziku, mēs varam izdarīt daudz detalizētu pareģojumu. Piemēram, mēs varam aprēķināt gaismas elementu relatīvo daudzumu, kuru kodoli izveidojās pirmajās trīs minūtēs pēc sprādziena (skat., Piemēram, šeit). Mēs varam paredzēt primārā starojuma (reliktā mikroviļņu fona) esamību un īpašības, kas tika izstarots, kad Visumam bija aptuveni 400 000 gadu. Un mēs varam teikt, ka pirmās galaktikas izveidojās, kad Visumam bija miljards gadu. Apbrīnojams laika diapazons un dažādu parādību klāsts!notika pirms 14 miljardiem gadu. Kopš tā laika galaktikas ir pārvietojušās viena no otras, un vidējais gravitācijas stabils kritums. Apvienojot savas zināšanas par vispārējo relativitātes teoriju ar laboratorijas fiziku, mēs varam izdarīt daudz detalizētu pareģojumu. Piemēram, mēs varam aprēķināt gaismas elementu relatīvo daudzumu, kuru kodoli izveidojās pirmajās trīs minūtēs pēc sprādziena (skat., Piemēram, šeit). Mēs varam paredzēt primārā starojuma (reliktā mikroviļņu fona) esamību un īpašības, kas tika izstarots, kad Visumam bija aptuveni 400 000 gadu. Un mēs varam teikt, ka pirmās galaktikas izveidojās, kad Visumam bija miljards gadu. Apbrīnojams laika diapazons un dažādu parādību klāsts!Apvienojot savas zināšanas par vispārējo relativitātes teoriju ar laboratorijas fiziku, mēs varam izdarīt daudz detalizētu pareģojumu. Piemēram, mēs varam aprēķināt gaismas elementu relatīvo daudzumu, kuru kodoli izveidojās pirmajās trīs minūtēs pēc sprādziena (skat., Piemēram, šeit). Mēs varam paredzēt primārā starojuma (relikvijas mikroviļņu fona) esamību un īpašības, kas tika izstarots, kad Visumam bija aptuveni 400 000 gadu. Un mēs varam teikt, ka pirmās galaktikas izveidojās, kad Visumam bija miljards gadu. Apbrīnojams laika diapazons un dažādu parādību klāsts!Apvienojot savas zināšanas par vispārējo relativitātes teoriju ar laboratorijas fiziku, mēs varam izdarīt daudz detalizētu pareģojumu. Piemēram, mēs varam aprēķināt gaismas elementu relatīvo daudzumu, kuru kodoli izveidojās pirmajās trīs minūtēs pēc sprādziena (skat., Piemēram, šeit). Mēs varam paredzēt primārā starojuma (reliktā mikroviļņu fona) esamību un īpašības, kas tika izstarots, kad Visumam bija aptuveni 400 000 gadu. Un mēs varam teikt, ka pirmās galaktikas izveidojās, kad Visumam bija miljards gadu. Apbrīnojams laika diapazons un dažādu parādību klāsts!piemēram šeit). Mēs varam paredzēt primārā starojuma (reliktā mikroviļņu fona) esamību un īpašības, kas tika izstarots, kad Visumam bija aptuveni 400 000 gadu. Un mēs varam teikt, ka pirmās galaktikas izveidojās, kad Visumam bija miljards gadu. Apbrīnojams laika diapazons un dažādu parādību klāsts!piemēram šeit). Mēs varam paredzēt primārā starojuma (relikvijas mikroviļņu fona) esamību un īpašības, kas tika izstarots, kad Visumam bija aptuveni 400 000 gadu. Un mēs varam teikt, ka pirmās galaktikas izveidojās, kad Visumam bija miljards gadu. Apbrīnojams laika diapazons un dažādu parādību klāsts!
Turklāt vispārējā relativitātes teorija mainīja filozofisko pieeju jautājumam Sākums. Līdz 1915. gadam par šo tēmu varēja debatēt, kad Emanuels Kants apgalvoja, ka Visumam, iespējams, nav bijis galīgs sākums. Tad varēja uzdot jautājumu: Kas tur bija agrāk? Bet šis jautājums netieši pieņem, ka telpa un laiks vienmēr ir bijuši, un Visums radās kopā ar matēriju. Vispārējā relativitātes teorijā nav jēgas uzdot šādu jautājumu, jo telpas laiks ir radīts kopā ar matēriju Lielajā sprādzienā. Jautājums "Kas tur bija agrāk?" neko vairs nenozīmē. Precīzā nozīmē Lielais sprādziens ir robeža, kur beidzas telpas-laiks, kur pats laiktelpas kontinuums saplīst. Vispārējā relativitātes teorija Lielā sprādziena laikā fizikai noteica dabisku robežu, kas neļāva skatīties tālāk.
Runājot par melnajiem caurumiem, vispārējā relativitāte atklāja arī citus neparedzētus gadījumus. Pirmo melnā cauruma raksturojošā Einšteina vienādojuma risinājumu jau 1916. gadā ieguva vācu astrofiziķis Karls Švarcilds, kurš karoja vācu armijā Pirmā pasaules kara frontēs. Tomēr šī lēmuma fiziskās nozīmes izpratne aizņēma daudz laika. Dabiskākais melno caurumu veidošanās veids ir zvaigžņu nāve. Kodoldegvielu degošas zvaigznes mirdzuma laikā ārējais radiālais spiediens var līdzsvarot gravitāciju. Bet pēc tam, kad visa degviela ir sadedzināta, vienīgais spēks, kas var konkurēt ar gravitācijas pievilcību, ir atgrūšanās spēks, ko rada Pauli kvantu mehāniskās izslēgšanas princips. Slavenā Kembridžas ceļojuma laikāDivdesmit gadus vecais Subrahmanyan Chandrasekhar apvienoja īpašās relativitātes un kvantu mehānikas principus, lai parādītu, ka, ja zvaigzne ir pietiekami masīva, gravitācija var pārvarēt atstumtos spēkus, ko rada Pauli izslēgšanas princips. Rezultātā zvaigzne savu evolūciju pabeidz kā melno caurumu. Trīsdesmitajos gados viņš laboja un papildināja savus aprēķinus un sniedza neapgāžamus argumentus par labu šādam zvaigžņu avārijas scenārijam. Tomēr izcilais tā laika britu astrofiziķis Artūrs Eddingtons nepieņēma šāda scenārija ideju un paziņoja, ka ar “pareiziem” aprēķiniem īpaša relativitāte vienkārši nav piemērojama. Šodien pat students neizturētu eksāmenu, ja mēģinātu pamatot šādus argumentus. Tā laika vadošie kvantu fiziķi Borovskaja un Diraks viegli piekrita Čandrasekhara rezultātiem, taču darīja to personīgās vēstulēs, nedomājot publiski norādīt uz Eddingtona kļūdām. Tas tika izlabots tikai 1983. gadā, kad Čandraseharam tika piešķirta Nobela prēmija. Rezultātā šī nesaprašana vairākus gadu desmitus aizkavēja ne tikai Čandrasekhara darba atzīšanu, bet arī melno caurumu kā reālu objektu uztveri.kā reāli objekti.kā reāli objekti.
Dīvainā kārtā pat pats Einšteins neuztvēra melnos caurumus. Jau 1939. gadā viņš publicēja rakstu matemātikas laikrakstā, kurā viņš apgalvoja, ka, sabrūkot zvaigznēm, melnos caurumus nevar izveidot. Viņš apgalvoja, ka aprēķini bija pareizi, bet secinājums bija nereāla pieņēmuma rezultāts. Tikai dažus mēnešus vēlāk amerikāņu fiziķi Roberts Oppenheimers un Hārtlends Snaiders publicēja savu tagad klasisko darbu, neapgāžami pierādot, ka masīvas zvaigznes savu evolūciju pabeidz ar melnā cauruma izveidošanos. Ir pierādīts, ka melnā caurums ir reģions, kurā telpas-laika izliekums ir tik spēcīgs, ka pat gaisma nespēj to atstāt. Tāpēc saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju šie laukumi ārējiem novērotājiem šķiet piķa melni. Ja mēs pievēršamies divdimensiju gumijas virsmas analoģijai, izrādās, ka laiktelpas novirze melnajā caurumā ir tik liela, ka tā faktiski saplīst, veidojot singularitāti. Tāpat kā Lielajā sprādzienā, izliekums kļūst bezgalīgs. Telpa-laiks veido notikumu horizontu, un fizika vienkārši apstājas pie šī horizonta.
Un tomēr acīmredzot melnās caurumi ir izplatīti objekti Visumā. Vispārējā relativitātes teorija apvienojumā ar mūsu zināšanām par zvaigžņu evolūcijas procesu paredz, ka Visumā vajadzētu būt milzīgam skaitam melno caurumu ar masām apmēram 10-50 saules masu, kas ir masīvu zvaigžņu vitālās aktivitātes produkti. Patiešām, melnie caurumi ir nozīmīgi mūsdienu astronomijas un astrofizikas spēlētāji. Tie ir spēcīgi avoti dažām visenerģētiskākajām parādībām, piemēram, slavenajam gamma staram, ko izstaro masīvs melnais caurums. Šis stars aiznes enerģiju, ko izstaro 1000 saules visā dzīves laikā. Melnais caurums rodas supernovas eksplozijas rezultātā, kas pabeidz masīvas zvaigznes dzīvi. Un šāds sprādziens tiek reģistrēts katru dienu. Šķiet, ka visu elipsveida galaktiku centri irsatur supermasīvus melnos caurumus ar masām apmēram miljoniem saules masu. Mūsu pašu galaktikas, Piena Ceļa, centrā ir melna caurums, kura masa ir 3,2 miljoni Saules masu.
4. Pēc Einšteina
“Patiešām, jaunas mūsu pieredzes jomas vienmēr novedīs pie jaunas zinātnisko zināšanu un likumu sistēmas izkristalizēšanās. Saskaroties ar jauniem un neparastiem intelektuāliem izaicinājumiem, mēs nepārtraukti sekojam Kolumba piemēram, kuram bija drosme pamest zināmo pasauli gandrīz neprātīgajā cerībā atklāt zemi otrā jūras galā."
V. Geisenberg "Nesenās izmaiņas eksaktajās zinātnēs"
Vispārējā relativitātes teorija ir labākā gravitācijas un telpas-laika struktūras teorija, kāda mums ir šodien. Tas var aprakstīt iespaidīgu parādību klāstu, sākot no lielās kosmiskās ekspansijas līdz pasaules pozicionēšanas sistēmas darbībai uz Zemes. Bet šī teorija ir nepilnīga, jo tā ignorē kvantu efektus, kas pārvalda subatomisko pasauli. Turklāt šīs divas teorijas ir būtībā atšķirīgas. Vispārējās relativitātes teorijas pasaulei piemīt ģeometriskā precizitāte, tā ir deterministiska. Pretstatā šai pasaulei kvantu mehānikas pasaule ir pakļauta šaubām, tā ir varbūtība. Fiziķi uztur šo laimīgo, gandrīz šizofrēnisko stāvokli, izmantojot vispārējo relativitāti, lai aprakstītu liela mēroga parādības astronomijā un kosmoloģijā.un kvantu teorija atomu un elementārdaļiņu īpašību aprakstīšanai. Ņemiet vērā, ka šī ir diezgan dzīvotspējīga stratēģija, jo šīs divas pasaules ir ļoti reti sastopamas. Tomēr šī stratēģija no konceptuālā viedokļa ir ļoti neapmierinoša. Viss, kas ir mūsu fiziskajā pieredzē, mums saka, ka ir jābūt lielākai, pilnīgākai teorijai, no kuras gan īpašai, ierobežotai lietai, gan vispārējai relativitātes teorijai, gan kvantu teorijai ir jāizriet. Šādas teorijas vietā apgalvo gravitācijas kvantu teorija. Šī ir aktuāla problēma, kas absolūti loģiski seko Einšteina darbam. Pretēji vispārpieņemtajam viedoklim, kas izveidojās Einšteina vēlāk izteikto piezīmju par kvantu mehānikas nepilnīgumu rezultātā, viņš skaidri apzinājās šo vispārējās relativitātes ierobežojumu. Brīnišķīgi,bet Einšteins jau 1916. gadā norādīja uz nepieciešamību izveidot kvantu gravitācijas teoriju! Rakstā, kas publicēts Preussische Akademie Sitzungsberichte, viņš rakstīja:
- Tomēr elektronu atomu iekšējās kustības dēļ atomiem bija jāstaro ne tikai elektromagnētiskā, bet arī gravitācijas enerģija, bet tikai nelielos daudzumos. Tā kā Dabā viss ir viens, šķiet, ka kvantu teorijai būtu jāmaina ne tikai Maksvela elektrodinamika, bet arī jaunā gravitācijas teorija.
Lielajā sprādzienā un melnās cauruma īpatnībās sastopas ļoti lielā un ļoti mazā pasaule. Tāpēc, lai arī šobrīd šī tikšanās mums ir noslēpums, kas apzīmogots ar septiņiem zīmogiem, bet tieši tie ir vārti, pa kuriem mēs varam iziet ārpus vispārējās relativitātes teorijas. Pašlaik tiek uzskatīts, ka reālā fizika nevar apstāties pie notikumu horizonta sliekšņa. Visticamāk, ka tur neizdodas vispārējā relativitātes teorija. Ir skaidrs, ka teorētiskajai fizikai vēlreiz jāpārskata mūsu izpratne par laiktelpu. Mums ir vajadzīga jauna valoda, kas var skatīties pāri šiem nezināmā vārtiem.
Šīs valodas radīšana tiek uzskatīta par visnopietnāko un vissvarīgāko izaicinājumu, ar kuru mūsdienās saskaras fundamentālā fizika. Šajā virzienā šodien ir vairākas pieejas. Viens no tiem ir saistīts ar stīgu teoriju, bet mēs pievērsīsimies cilpas kvantu gravitācijas jēdzienam. Šī ir pieeja kvantu teorijas veidošanai, kas parādījās vairāk nekā pirms 20 gadiem Indijas fiziķa Abhay Ashtekar darbos un pašlaik tiek uzskatīts par alternatīvu virknes pieejai šīs problēmas risināšanā.
Vispārējā relativitātes teorijā telpas laiks ir kontinuums. Kvantu cilpu gravitācijas pamatideja ir apgalvojums, ka šis kontinuums ir tikai tuvinājums, kas ir salauzts tā sauktajos Plankas attālumos. Plankas garums ir unikāls lielums, ko var konstruēt no gravitācijas konstantes, Plankas konstantes kvantu fizikā un gaismas ātruma. Šis garums ir 3,10-33 cm, kas ir par 20 pakāpēm mazāks par protona rādiusu. Tāpēc pat uz jaudīgākajiem daļiņu paātrinātājiem uz Zemes jūs varat droši strādāt ar telpas-laika kontinuumu. Bet šī situācija krasi mainās, jo īpaši Lielā sprādziena tuvumā un melnos caurumos. Šādos gadījumos ir jāizmanto kvantēts telpas laiks, kura kvants ir gravitācijas cilpas kvants.
Mēģināsim saprast, kas ir laiktelpas kvants. Pievērsīsimies mums priekšā esošajai papīra lapai. Mums tas šķiet ciets divdimensiju kontinuums. Bet mēs arī zinām, ka tas sastāv no atomiem. Šai lapai ir diskrēta struktūra, kas kļūst tikai par deklarāciju, ja mēs to neskatāmies, piemēram, ar elektronu mikroskopu. Tagad tālāk. Einšteins apgalvoja, ka telpas laika ģeometrija ir ne mazāk fiziska nekā matērija. Tāpēc tam jābūt arī “atomu” struktūrai. Šis pieņēmums 90. gadu vidū ļāva apvienot Vispārējās relativitātes teorijas principus ar kvantu fiziku un radīt kvantu ģeometriju. Tāpat kā nepārtrauktā ģeometrija nodrošina matemātisko valodu vispārējās relativitātes teorijas formulēšanai,tātad kvantu ģeometrija nodrošina matemātisku rīku un ģenerē jaunus fiziskus jēdzienus kvantu kosmisko laiku aprakstīšanai.
Kvantu ģeometrijā primārie ir gredzena ģeometriskajos ierosinājumos slēgtie pamati, kas ir viendimensionāli. Parastais audums, šķiet, ir gluds divdimensiju kontinuums, bet tā pamatā ir viendimensiju pavedieni. Līdzīgu pieņēmumu var izdarīt attiecībā uz augstākas dimensijas kontinuumu. Tīri intuitīvā līmenī fundamentālus ģeometriskus ierosinājumus var uzskatīt par kvantu pavedieniem, kurus var aust, lai izveidotu pašu telpas laika audumu. Kas notiek, kad esam tuvu laiktelpas singularitātei. Ir skaidrs, ka šajā jomā pats telpas-laika kontinuuma jēdziens vienkārši nav piemērojams. Kvantu svārstības šajā apgabalā ir tik milzīgas, ka kvantu pavedienus vienkārši nevar “iesaldēt” telpas-laika kontinuumā. Telplaika audums ir saplēsts. Telpas-laika kontinuuma fizika ir “fiksēta” uz telpas-laika audu paliekām. Tajā pašā laikā kļūst skaidrs, ka paši pavedieni, kas veido Visuma auduma pamatu, iegūst īpašu nozīmi. Izmantojot Einšteina kvantu vienādojumu, joprojām var pētīt fiziku, aprakstīt kvantu pasaulē notiekošos procesus. Bet šeit ir svarīgs punkts. Lieta ir tāda, ka, ja nav telpas-laika kontinuuma, daudzi fizikā parasti izmantotie jēdzieni kļūst vienkārši nepareizi. Jāņem vērā jauni jēdzieni, kas aizstāj vai papildina izmestos, un tas prasa jaunu fizisko intuīciju. Un šādos dramatiskos apstākļos ceļš tiek bruģēts Einšteina kvantu vienādojumiem. Telpas-laika kontinuuma fizika ir “fiksēta” uz telpas-laika audu paliekām. Tajā pašā laikā kļūst skaidrs, ka paši pavedieni, kas veido Visuma auduma pamatu, iegūst īpašu nozīmi. Izmantojot Einšteina kvantu vienādojumu, joprojām var pētīt fiziku, aprakstīt kvantu pasaulē notiekošos procesus. Bet šeit ir svarīgs punkts. Fakts ir tāds, ka, ja nav laika un laika nepārtrauktības, daudzi fizikā parasti izmantotie jēdzieni kļūst vienkārši nepareizi. Jāņem vērā jauni jēdzieni, kas aizstāj vai papildina izmestos, un tam nepieciešama jauna fiziskā intuīcija. Un šādos dramatiskos apstākļos ceļš tiek bruģēts Einšteina kvantu vienādojumiem. Telpas-laika kontinuuma fizika ir “fiksēta” uz telpas-laika audu paliekām. Tajā pašā laikā kļūst skaidrs, ka paši pavedieni, kas veido Visuma auduma pamatu, iegūst īpašu nozīmi. Izmantojot Einšteina kvantu vienādojumu, joprojām var pētīt fiziku, aprakstīt kvantu pasaulē notiekošos procesus. Bet šeit ir svarīgs punkts. Lieta ir tāda, ka, ja nav telpas-laika kontinuuma, daudzi fizikā parasti izmantotie jēdzieni kļūst vienkārši nepareizi. Jāņem vērā jauni jēdzieni, kas aizstāj vai papildina izmestos, un tas prasa jaunu fizisko intuīciju. Un šādos dramatiskos apstākļos ceļš tiek bruģēts Einšteina kvantu vienādojumiem.uzņemties īpašu nozīmi. Izmantojot Einšteina kvantu vienādojumu, joprojām var pētīt fiziku, aprakstīt kvantu pasaulē notiekošos procesus. Bet šeit ir svarīgs punkts. Lieta ir tāda, ka, ja nav telpas-laika kontinuuma, daudzi fizikā parasti izmantotie jēdzieni kļūst vienkārši nepareizi. Jāņem vērā jauni jēdzieni, kas aizstāj vai papildina izmestos, un tam nepieciešama jauna fiziskā intuīcija. Un šādos dramatiskos apstākļos ceļš tiek bruģēts Einšteina kvantu vienādojumiem.uzņemties īpašu nozīmi. Izmantojot Einšteina kvantu vienādojumu, joprojām var pētīt fiziku, aprakstīt kvantu pasaulē notiekošos procesus. Bet šeit ir svarīgs punkts. Fakts ir tāds, ka, ja nav laika un laika nepārtrauktības, daudzi fizikā parasti izmantotie jēdzieni kļūst vienkārši nepareizi. Jāņem vērā jauni jēdzieni, kas aizstāj vai papildina izmestos, un tam nepieciešama jauna fiziskā intuīcija. Un šādos dramatiskos apstākļos ceļš tiek bruģēts Einšteina kvantu vienādojumiem. Jāņem vērā jauni jēdzieni, kas aizstāj vai papildina izmestos, un tam nepieciešama jauna fiziskā intuīcija. Un šādos dramatiskos apstākļos ceļš tiek bruģēts Einšteina kvantu vienādojumiem. Jāņem vērā jauni jēdzieni, kas aizstāj vai papildina izmestos, un tam nepieciešama jauna fiziskā intuīcija. Un šādos dramatiskos apstākļos ceļš tiek bruģēts Einšteina kvantu vienādojumiem.
Pamatojoties uz šiem vienādojumiem, kļuva iespējams precizēt dažas Lielā sprādziena detaļas. Izrādījās, ka Einšteina diferenciālvienādojumi, kas rakstīti telpas-laika kontinuumam, jāaizstāj ar diferenciālvienādojumiem, kas rakstīti kvantu ģeometrijas diskrētās struktūras valodā. Problēma ir tā, ka Einšteina standarta vienādojumi, kas lieliski raksturo klasisko laiktelpu, pilnībā pārstāj darboties, tuvojoties Lielajam sprādzienam, kad vielas blīvums pēc lieluma tuvojas Plankas blīvumam 1094 g / cm3. Kvantu ģeometrijā laiktelpas izliekums Plankas režīmā kļūst ļoti liels, bet ierobežots. Pārsteidzoši, ka kvantu ģeometrijas ietekme rada jaunu, tik lielu pretestības spēkukas viegli pārvar smaguma spēku. Vispārējā relativitātes teorija pārstāj darboties. Visums paplašinās. Einšteina kvantu vienādojumi ļauj attīstīt kvantu ģeometriju un konstruēt pareizu vielas aprakstu Plankas režīmā, kas neatstāj vietu tādam nefiziskam jēdzienam kā vienskaitlis. Lielo sprādzienu aizstāj spēcīgs kvantu šoks.
Procesa skaitliskais aprēķins telpiski viendabīgajā izotropiskajā gadījumā tika veikts, pamatojoties uz kvantu Einšteina vienādojumiem. Telpas-laika kontinuums tika aprēķināts ārpus Plankas režīma un Lielā sprādziena “otrā” pusē. Uz tā sauktā “pirms lielā” sprādziena atzara. Izrādījās, ka šo sarūkošo kontinuumu labi raksturo arī Vispārējā relativitātes teorija. Tomēr, kad vielas blīvums kļūst vienāds ar 0,8 no Planck blīvuma, dominējošais kļūst kvantu ģeometrijas radītais atgrūšanās spēks, kas iepriekš bija nenozīmīgs. Un tā vietā, lai sabruktu punktā, Visums piedzīvo spēcīgu kvantu ietekmi, pārveidojot procesu par paplašinošos “post-big” sprādziena zaru, kurā mēs tagad dzīvojam. Klasiskā vispārējā relativitātes teorija ļoti labi raksturo abas nozares, izņemot gadījumus, kad
Kvantu rakstura atgrūdoša spēka parādīšanās kvantu trieciena brīdī ir interesanta līdzība ar atgrūšanas spēka parādīšanos zvaigznes miršanas procesā. Gadījumā, ja atgrūdošais spēks sāk dominēt pār gravitācijas spēku, kad zvaigznes kodols sasniedz kritisko blīvumu 6x1016 g / cm3, tas var novērst zvaigznes sabrukšanu melnajā caurumā un padarīt to par stabilu neitronu zvaigzni. Šo atgrūdošo spēku rada Pauli izslēgšanas princips, un tas ir tieši saistīts ar notiekošā procesa kvantu raksturu. Tomēr, ja mirstošās zvaigznes masa izrādās lielāka nekā 5 reizes lielāka par Saules masu, gravitācija pārvar šo spēku un zvaigzne sabrūk melnajā caurumā. Rodas vienskaitlis. Kvantu ģeometrijas radītais atgrūšanas spēks spēlē ar lielāku matērijas blīvumu,bet tajā pašā laikā tas pārvar gravitācijas saspiešanu neatkarīgi no tā, cik masīvs bija sabrukušais ķermenis. Patiešām, šis ķermenis var būt viss Visums! Kvantu cilpu gravitācijas pievilcība ir tāda, ka, paredzot šo efektu, tas novērš īpatnību veidošanos reālajā pasaulē, pagarinot mūsu laiktelpas “dzīvi” caur kvantu tiltu.
Pateicoties Einšteinam, 20. gadsimtā telpas un laika izpratne tika radikāli pārskatīta. Telpas-laika kontinuuma ģeometrija ir kļuvusi tikpat fiziska kā matērija iepriekš. Šī izpratne pavēra jaunas perspektīvas kosmoloģijā un astronomijā. Bet mūsu gadsimtā mūs gaida ne mazāk dramatiskas pārmaiņas laika-laika izpratnē. Pateicoties kvantu ģeometrijai, Lielo sprādzienu un fizikas melnos caurumus vairs neaptver nepieejamības robežas. Fiziskais kvantu telpas laiks ir daudz lielāks nekā vispārējā relativitāte. Saiknes esamība starp šīm teorijām ļauj runāt par kvantu cilpu gravitācijas konsekvenci. Šī konsekvence ļauj mums izdarīt diezgan noteiktus secinājumus par mūsu Visuma rašanās fiziku un par melno caurumu fiziku. Šīs teorijas turpmākās attīstības rezultātā var rasties vēl aizraujošākas iespējas.