Cilvēki vienmēr vietu uzskata par pašsaprotamu. Galu galā tas ir tikai tukšums - konteiners visam pārējam. Arī laiks nepārtraukti tiek atzīmēts. Bet fiziķi ir tādi cilvēki, viņiem vienmēr kaut kas jāsarežģī. Regulāri mēģinot vienot savas teorijas, viņi uzzināja, ka telpa un laiks saplūst tik sarežģītā sistēmā, kuru parasts cilvēks nevar saprast.
Alberts Einšteins saprata, kas mūs sagaida vēl 1916. gada novembrī. Gadu iepriekš viņš formulēja vispārējo relativitātes teoriju, saskaņā ar kuru gravitācija nav spēks, kas izplatās telpā, bet gan paša laiktelpas īpašums. Metot bumbu gaisā, tā lido lokā un atgriežas zemē, jo Zeme ap to liek laiku un laiku, tāpēc bumbas un zemes ceļi atkal krustosies. Vēstulē draugam Einšteins apsprieda vispārējās relativitātes apvienošanas problēmu ar savu otru ideju - topošo kvantu mehānikas teoriju. Bet ar viņa matemātikas prasmēm vienkārši nepietika. "Kā es sevi spīdzināju ar to!" Viņš rakstīja.
Einšteins šajā ziņā nekad nekur nepaspēja. Pat šodien ideja par gravitācijas kvantu teorijas izveidi šķiet ārkārtīgi tāla. Strīdi slēpj svarīgu patiesību: konkurētspējīga pieeja visiem, kā viens saka, ka telpa dzimst kaut kur dziļāk - un šī ideja pārtrauc zinātnisko un filozofisko izpratni par to, kas ir izveidojusies 2500 gadus.
Lejā pa melno caurumu
Parasts ledusskapja magnēts lieliski ilustrē problēmu, ar kuru saskaras fiziķi. Viņš var piespraust papīra gabalu un pretoties visas Zemes smagumam. Smagums ir vājāks nekā magnētisms vai cits elektriskais vai kodolspēks. Lai kādi kvantu efekti būtu aiz tā, tie būs vājāki. Vienīgais taustāmais pierādījums tam, ka šie procesi vispār notiek, ir raiba matērijas aina agrīnā Visumā - kuru, domājams, ir radījušas kvantu svārstības gravitācijas laukā.
Melnās caurumi ir labākais veids, kā pārbaudīt kvantu gravitāciju. "Šī ir vispiemērotākā lieta, ar kuru eksperimentēt," saka Teds Džeikobsons no Merilendas Universitātes Koledžas parka. Viņš un citi teorētiķi pēta melnos caurumus kā teorētiskus pagriezienus. Kas notiek, ja jūs izmantojat vienādojumus, kas laboratorijas apstākļos darbojas nevainojami, un ievietojat tos vissmagākajās situācijās, kādas vien var iedomāties? Vai būs kādi smalki trūkumi?
Vispārējā teorija salīdzinoši paredz, ka matērija, kas iekrīt melnajā caurumā, bezgalīgi saruks, tuvojoties tās centram - matemātiskam strupceļam, ko sauc par singularitāti. Teorētiķi nevar iedomāties objekta trajektoriju ārpus singularitātes; uz tā saplūst visas līnijas. Pat runāt par to kā par vietu ir problemātiski, jo pats telpas laiks, kas nosaka singularitātes atrašanās vietu, pārstāj pastāvēt. Zinātnieki cer, ka kvantu teorija var nodrošināt mūs ar mikroskopu, kas ļaus mums izpētīt šo bezgalīgā blīvuma bezgalīgi mazo punktu un saprast, kas notiek ar tajā ietilpstošo matēriju.
Reklāmas video:
Melnā cauruma malā matērija vēl nav tik saspiesta, gravitācija ir vājāka, un, cik mēs zinām, visiem fizikas likumiem vajadzētu darboties. Un vēl jo vairāk atturīgi ir tas, ka viņi nedarbojas. Melno caurumu ierobežo notikumu horizonts, neatgriešanās punkts: matērija, kas šķērso notikumu horizontu, nekad neatgriezīsies. Nolaišanās ir neatgriezeniska. Tā ir problēma, jo visi zināmie fundamentālās fizikas likumi, ieskaitot kvantu mehāniskos, ir atgriezeniski. Vismaz principā, teorētiski, jums vajadzētu būt iespējai mainīt kustību un atjaunot visas jūsu daļiņas.
Fiziķi 1800. gadu beigās saskārās ar līdzīgu mīkla, kad viņi aplūkoja "melnā ķermeņa" matemātiku, kas idealizēta kā dobums, kas piepildīts ar elektromagnētisko starojumu. Džeimsa Klerka Maksvela elektromagnētisma teorija paredzēja, ka šāds objekts absorbē visu starojumu, kas uz to nokrīt, un nekad nenonāk līdzsvarā ar apkārtējo vielu. "Tas var absorbēt bezgalīgu daudzumu siltuma no rezervuāra, kas tiek turēts nemainīgā temperatūrā," skaidro Rafaels Sorkins no Perimetra teorētiskās fizikas institūta Ontārio. No termiskā viedokļa tā temperatūra būs absolūta nulle. Šis secinājums ir pretrunā ar reālu melnu ķermeņu (piemēram, krāsns) novērojumiem. Turpinot darbu pie Maksa Planka teorijas, Einšteins parādīja, ka melns ķermenis var sasniegt termisko līdzsvaru,ja starojuma enerģija nāks atsevišķās vienībās vai kvantos.
Gandrīz pusgadsimtu teorētiskie fiziķi ir mēģinājuši panākt līdzīgu risinājumu melnajiem caurumiem. Mirušais Stīvens Hokings no Kembridžas universitātes 70. gadu vidū spēra svarīgu soli, pielietojot kvantu teoriju radiācijas laukam ap melnajiem caurumiem un parādot, ka tiem ir nulles temperatūra. Tāpēc viņi var ne tikai absorbēt, bet arī izstarot enerģiju. Lai gan viņa analīze ieskrēja melnos caurumus termodinamikas sfērā, viņš arī saasināja neatgriezeniskuma problēmu. Izejošais starojums tiek izstarots melnā cauruma malā, un tas nesniedz informāciju no iekšpuses. Tā ir nejauša siltuma enerģija. Ja jūs maināt procesu un barojat šo enerģiju ar melno caurumu, nekas neatklājas: jūs vienkārši iegūstat vēl vairāk siltuma. Un nav iespējams iedomāties, ka melnajā caurumā ir kaut kas palicis, tikai ieslodzīts, jo, melnajam caurumam izstarojot starojumu, tas saraujas un,galu galā pazūd saskaņā ar Hokinga analīzi.
Šo problēmu sauc par informācijas paradoksu, jo melnais caurums iznīcina informāciju par tajā iekļuvušajām daļiņām, kuras jūs varētu mēģināt atgūt. Ja melno caurumu fizika ir patiešām neatgriezeniska, kaut kas ir jāsniedz informācijai atpakaļ, un mūsu telpas laika koncepcija var būt jāmaina, lai ņemtu vērā šo faktu.
Telpas-laika atomi
Siltums ir mikroskopisko daļiņu, piemēram, gāzes molekulu, nejauša kustība. Tā kā melnie caurumi var sakarst un atdzist, būtu saprātīgi pieņemt, ka tos veido daļas - vai vispārīgāk - mikroskopiska struktūra. Tā kā melnā caurums ir tikai tukša telpa (saskaņā ar vispārējo relativitāti matērija, kas iekrīt melnajā caurumā, bez apstājas iziet cauri notikumu horizontam), melnās cauruma daļām jābūt pašas kosmosa daļām. Un zem plakanas, tukšas vietas maldinošās vienkāršības valda milzīga sarežģītība.
Pat teorijas, kurām bija jāsaglabā tradicionālais telpas-laika skatījums, ir secinājušas, ka zem šīs gludās virsmas kaut kas slēpjas. Piemēram, pagājušā gadsimta 70. gadu beigās Stīvens Veinbergs, tagad Teksasas Universitātē Ostinā, mēģināja gravitāciju aprakstīt tāpat kā citi dabas spēki. Un es uzzināju, ka laiks-laiks ir radikāli pārveidots mazākajā mērogā.
Fiziķi sākotnēji vizualizēja mikroskopisko telpu kā nelielu kosmosa gabalu mozaīku. Ja jūs tos palielināsiet līdz Planck skalai, kas ir neizmērojami maza, izmērs ir 10-35 metri, zinātnieki uzskata, ka jūs varat redzēt kaut ko līdzīgu šaha galdam. Vai varbūt nē. No vienas puses, šāds šaha telpas līniju tīkls priekšroku dos vienam virzienam citam, radot asimetriju, kas ir pretrunā ar īpašo relativitātes teoriju. Piemēram, dažādu krāsu gaisma pārvietosies ar dažādu ātrumu - piemēram, stikla prizmā, kas sadala gaismu tās sastāvā esošajās krāsās. Kaut arī izpausmes mazos mērogos būs ļoti grūti pamanāmas, vispārējās relativitātes pārkāpumi būs atklāti atklāti.
Melno caurumu termodinamika liek apšaubīt telpas kā vienkāršas mozaīkas ainu. Mērot jebkuras sistēmas siltuma uzvedību, jūs vismaz principā varat saskaitīt tās daļas. Atlaidiet enerģiju un paskatieties uz termometru. Ja kolonna ir pacēlusies, enerģija jāsadala relatīvi mazām molekulām. Patiesībā jūs mērāt sistēmas entropiju, kas atspoguļo tās mikroskopisko sarežģītību.
Ja jūs to darāt ar parasto vielu, molekulu skaits palielinās līdz ar materiāla tilpumu. Tātad, jebkurā gadījumā tam vajadzētu būt: ja jūs 10 reizes palielināsiet pludmales bumbas rādiusu, tajā būs 1000 reizes vairāk molekulu. Bet, palielinot melnās cauruma rādiusu 10 reizes, tajā esošo molekulu skaits reizināsies tikai 100 reizes. Molekulu, no kurām tas sastāv, skaitam jābūt proporcionālam nevis tā tilpumam, bet gan virsmas laukumam. Melnā caurums var parādīties trīsdimensiju, bet tas izturas kā divdimensiju objekts.
Šo dīvaino efektu sauc par hologrāfisko principu, jo tas atgādina hologrammu, kuru mēs redzam kā trīsdimensiju objektu, bet, rūpīgāk pārbaudot, izrādās, ka to rada divdimensiju filma. Ja hologrāfiskais princips ņem vērā kosmosa un tā satura mikroskopiskos komponentus - ko atzīst fiziķi, lai arī ne visi - ar to nepietiks, lai izveidotu telpu, vienkārši sapārojot tās mazākos gabaliņus.
Sapinies tīmeklis
Pēdējos gados zinātnieki ir sapratuši, ka ir jāiesaista kvantu sapīšanās. Šis kvantu mehānikas dziļais īpašums, ārkārtīgi spēcīgs savienojuma veids, šķiet daudz primitīvāks nekā telpa. Piemēram, eksperimentētāji var radīt divas daļiņas, kas lido pretējos virzienos. Ja viņi sapinās, viņi paliks saistīti neatkarīgi no attāluma, kas tos šķir.
Tradicionāli, kad cilvēki runāja par "kvantu" gravitāciju, tie domāja kvantu diskrētumu, kvantu svārstības un visus citus kvantu efektus, nevis kvantu sapīšanos. Pateicoties melnajiem caurumiem, viss ir mainījies. Melnās cauruma dzīves laikā tajā iepinušās daļiņas, bet, kad melnā caurums pilnībā iztvaiko, partneri ārpus melnā cauruma paliek sapinušies - bez nekā. "Hokingam to vajadzēja saukt par sapīšanās problēmu," saka Ohaio štata universitātes Samirs Maturs.
Pat vakuumā, kur nav daļiņu, iekšēji sapinušies elektromagnētiskie un citi lauki. Ja jūs izmērīsit lauku divās dažādās vietās, jūsu rādījumi nedaudz svārstīsies, bet paliks saskaņoti. Ja jūs sadalāt laukumu divās daļās, šīs daļas būs savstarpēji saistītas, un korelācijas pakāpe būs atkarīga no ģeometriskā rekvizīta, kas viņiem ir: saskarnes laukums. 1995. gadā Džeikobsons paziņoja, ka sapīšanās nodrošina saikni starp vielas klātbūtni un telpas laika ģeometriju - tas nozīmē, ka tas varētu izskaidrot gravitācijas likumu. "Vairāk sapīšanās nozīmē mazāku smagumu," viņš teica.
Dažas pieejas kvantu gravitācijai - it īpaši stīgu teorijai - sapīšanos uzskata par svarīgu stūrakmeni. Stīgu teorija holografisko principu piemēro ne tikai melnajiem caurumiem, bet arī Visumam kopumā, sniedzot receptes kosmosa radīšanai - vai vismaz daļai no tā. Sākotnējā divdimensiju telpa kalpos kā lielākas tilpuma robežas. Un sapinums sasaistīs tilpuma telpu vienotā un nepārtrauktā veselumā.
2009. gadā Marks Van Raamsdons no Britu Kolumbijas universitātes sniedza elegantu skaidrojumu šim procesam. Pieņemsim, ka lauki pie robežas nav sapinušies - no korelācijas tie veido sistēmu pāri. Tie atbilst diviem atsevišķiem Visumiem, starp kuriem nav saziņas veida. Kad sistēmas sapinas, starp šiem Visumiem izveidojas sava veida tunelis, tārpa caurums, un starp tiem var pārvietoties kosmosa kuģi. Jo augstāka ir sapīšanās pakāpe, jo īsāks ir tārpa cauruma garums. Visumi saplūst vienā un vairs nav divi atsevišķi. "Liela laiktelpas iestāšanās tieši saista sapīšanos ar šīm lauka brīvības teorijas pakāpēm," saka Van Ramsdonks. Kad mēs redzam korelācijas elektromagnētiskajos un citos laukos, tie ir kohēzijas paliekas, kas saista telpu.
Daudzas citas kosmosa pazīmes papildus savienošanai var atspoguļot arī sapīšanos. Van Raamsdonks un Braiens Svingls no Merilendas universitātes apgalvo, ka sapīšanās visuresamība izskaidro gravitācijas universālumu - ka tas ietekmē visus objektus un caurstrāvo visur. Attiecībā uz melnajiem caurumiem Leonards Susskinds un Huans Maldacena uzskata, ka sapīšanās starp melno caurumu un tā izstaroto starojumu rada tārpa atveri - melnu ieeju melnajā caurumā. Tādējādi informācija tiek saglabāta, un melnās cauruma fizika ir neatgriezeniska.
Lai gan šīs stīgu teorijas idejas darbojas tikai noteiktām ģeometrijām un rekonstruē tikai vienu telpas dimensiju, daži zinātnieki ir mēģinājuši izskaidrot telpu no nulles.
Fizikā un kopumā dabaszinātnēs telpa un laiks ir visu teoriju pamats. Bet mēs nekad tieši nepamana telpas laiku. Drīzāk mēs secinām tā esamību no ikdienas pieredzes. Mēs pieņemam, ka visloģiskākais fenomenu izskaidrojums, ko mēs redzam, būs kaut kāds mehānisms, kas darbojas telpā-laikā. Bet kvantu gravitācija mums saka, ka ne visas parādības lieliski iekļaujas šādā pasaules attēlā. Fiziķiem ir jāsaprot, kas ir vēl dziļāk, telpas trūkumi, gluda spoguļa aizmugure. Ja viņiem tas izdosies, mēs beigsim revolūciju, kuru Einšteins sāka pirms vairāk nekā gadsimta.
Iļja Khels