"Vanhempana ystävänä minun on varoitettava sinua tästä toiminnasta, koska ensinnäkin et onnistu tässä toiminnassa, ja vaikka onnistuisit, kukaan ei usko sinua."
Max Planckin kirjeestä Albert Einsteinille koskien Einsteinin yritystä ratkaista erityisrelatiivisuuden ja Newtonin painovoiman välinen ristiriita
Muinaisista ajoista lähtien ihmiskunta on aina ollut kiehtonut avaruuden (taivas) ja ajan (alku, muutos ja loppu) käsitteistä. Varhaiset ajattelijat, alkaen Gautama Buddhasta, Lao Tzusta ja Aristotelesista, käsittelivät aktiivisesti näitä käsitteitä. Vuosisatojen ajan näiden ajattelijoiden päättelyjen sisältö on kiteyttänyt ihmiskunnan tietoisuuteen ne mielikuvat, joita käytämme nyt jokapäiväisessä elämässämme. Ajattelemme avaruutta kolmiulotteisena jatkumona, joka ympäröi meidät. Esitämme aikaa minkä tahansa prosessin kestona, johon fyysisessä universumissa vaikuttavat voimat eivät vaikuta. Ja yhdessä ne muodostavat vaiheen, jolla kehittyy koko vuorovaikutuksen draama, jonka toimijoita ovat kaikki muut - tähdet ja planeetat, kentät ja aine, sinä ja minä.
Yli tuhannen vuoden ajan neljä Aristoteleen kirjoittamaa fysiikkakirjaa on luonut perustan luonnontieteille. Vaikka Herakleitos uskoi, että maailmankaikkeus on loputtomassa kehityksessä ja että kaikki sen prosessit eivät koskaan alkaneet eikä koskaan loppu, Parmenides opetti, että liike on täysin ristiriidassa sen kanssa, kuka yksi, jatkuva ja ikuinen on. Aristoteles sisällytti nämä molemmat ajatukset kosmogoniseen järjestelmäänsä. Kaikki muutokset liittyivät nyt maahan ja kuuhun, koska nämä muutokset olivat ilmeisiä. Muuttamattomuus siirrettiin muille planeetoille, auringolle ja tähdille, koska ne olivat kauniita, muuttumattomia ja ikuisia. Nykykielellä puhuen voidaan väittää, että Aristoteles toimi absoluuttisella ajalla, avaruus absoluuttisella rakenteella, ja kaiken tämän tarjosi muuttuva maapallo. Nämä käsitteet ovat todellisen, tuolloin, maailman käsityksen ja kuvauksen taustalla, jota Isaac Newton opiskeli vuosina 1661-1665 Cambridgen opiskelijana.
Kaksikymmentä vuotta myöhemmin Newton kumosi nämä vuosisatoja vanhat dogmat. Julkaistessaan näkemyksensä ympäröivästä maailmasta vuonna 1686 hän tarjosi uuden käsityksen ympärillämme olevasta maailmankaikkeudesta. Hänen periaatteidensa mukaan aika osoittautui ikkunalaudaksi, joka korvattiin ulottuvuuden jatkuvuuden alla. Se oli edelleen ehdoton ja sama kaikille tarkkailijoille. Kaikki samanaikaiset tapahtumat muodostivat kolmiulotteisen spatiaalisen jatkuvuuden. Siksi avaruuden absoluuttinen rakenne katosi hänen päättelystään. Kopernikus-oppituntien ansiosta maa poistettiin etuoikeutetusta asemastaan maailmankaikkeudessa. Galilean suhteellisuusteoria asetti kaikki inertiaaliset tarkkailijat yhdelle fyysiselle alustalle matemaattisella tarkkuudella. Newtonilaiset periaatteet tuhosivat aristoteleisen ortodoksisuuden poistamalla taivaan ja maan välisen eron. Taivas ei ollut enää sama. Ensimmäistä kertaa fysiikassa syntyi yleismaailmallisia periaatteita. Maan päälle putoava omena ja kiertoradoillaan auringon ympäri kiertävät planeetat olivat nyt samojen lakien alaisia. Taivas ei ollut enää niin salaperäinen, koska se oli ihmismielen tietoinen. Jo 1700-luvun alkupuolella Ison-Britannian kuninkaallisen seuran kuulemistilaisuudessa alkoi ilmestyä teoksia, jotka ennustivat paitsi Jupiterin, myös sen kuiden liikkeen! Ei ole yllättävää, että tuolloin asenne Newtoniin oli täynnä skeptisyyttä, mutta myös pelkoa, ei pelkästään ei-ammattilaisten, vaan myös johtavan eurooppalaisen älymystön puolelta. Esimerkiksi markiisi de L'Hôpital, joka nykyajan opiskelijoille tunnetaan sääntöstään rajojen laskemiseksi,kirjoitti Ranskasta John Arbuthnotille Englantiin Newtonista ja hänen periaatteistaan seuraavasti:
- Jumalani! Mitkä tiedon perusteet näyttävät meille tuossa kirjassa? Syökö hän ja juoko ja nukkuuko? Ovatko muut miehet hänen kaltaisiaan?
Kuten Richard Westfold sanoi arvostetussa Newtonin Never Alone -elämäkerrassaan:
- Vuoteen 1687 asti Newton oli tuskin kuuluisa henkilö filosofisissa piireissä. Mikään ei kuitenkaan valmistanut luonnonfilosofian maailmaa sen periaatteiden ilmaantumiselle. Periaatteet, joista tuli käännekohta Newtonille itselleen, joka seurasi 20 vuoden tutkimuksen jälkeen lopulta suorituksesta suoritukseen. Periaatteet, joista tuli käännekohta luonnonfilosofialle.
Mainosvideo:
Newtonilaisista periaatteista tuli uusi ortodoksisuus, ja ne hallitsivat korkeinta yli 150 vuoden ajan. Ensimmäinen haaste Newtonin ymmärrykselle maailmasta heitettiin täysin odottamattomalle fysiikan alueelle, ja se liittyi sähkömagneettisten ilmiöiden ymmärtämisen kehittymiseen. Skotlantilainen fyysikko James Clark Maxwell saavutti 1800-luvun puolivälissä hämmästyttävän synteesin kaikesta tällä alalla kertyneestä tiedosta kirjoittamalla muistiin neljä kuuluisaa vektoriyhtälöään. Nämä yhtälöt antoivat lisäksi ymmärryksen valon nopeuden erityisestä merkityksestä. Mutta tuolloin sitä oli mahdotonta ymmärtää. Vuorovaikutusten absoluuttinen siirtonopeus oli selvästi ristiriidassa Galileon suhteellisuusperiaatteen kanssa, joka oli Newtonin aika-ajan mallin kulmakivi. Siihen mennessä suurin osa fyysikoista uskoi ehdoitta Newtonin maailman totuuteen ja päätyi siksi johtopäätökseen, että Maxwellin yhtälöt voidaan toteuttaa vain tietyssä ympäristössä, jota kutsutaan eetteriksi. Mutta antaessaan tällaisia lausuntoja he palasivat tahattomasti takaisin Aristoteleen luokse, joka väitti, että avaruuden absoluuttinen rakenne on luonnostaan luontainen. Ja tässä tilassa tämä ongelma kesti noin 50 vuotta.
Ja nyt 26-vuotias Albert Einstein julkaisee kuuluisan teoksensa "Liikkuvan median elektrodynamiikasta". Tässä työssä Einstein hyväksyi Maxwellin yhtälöihin sisältyvien vakioiden arvojen totuuden ja osoitti yksinkertaisilla ajatuskokeilla selvästi, että valon nopeus on universaali vakio, joka säilyttää arvonsa kaikille inertiahavaitsijoille. Hän osoitti, että absoluuttisen fyysisen samanaikaisuuden käsite on kestämätön. Spatiaalisesti erotetut tapahtumat, jotka näyttävät olevan samanaikaisia yhdelle tarkkailijalle, eivät ole niin toiselle tarkkailijalle, joka liikkuu suhteessa ensimmäiseen vakionopeudella.
Kävi selväksi, että Newtonin aika-aika-malli voi olla vain arvio, pätevä siinä tapauksessa, että tarkastellut nopeudet ovat paljon pienempiä kuin valon nopeus. Uusi aika-aika-malli on syntynyt, mukaan lukien uusi suhteellisuusteoria, jota kutsutaan erityiseksi suhteellisuusteoriaksi. Tämä teoria oli aikanaan vallankumouksellinen merkitys. Hänen mukaansa aika on menettänyt absoluuttisen asemansa fysiikassa. Neliulotteisesta avaruus-aikajaksosta on tullut absoluuttinen. Neljän ulottuvuuden aika-ajan etäisyydet tapahtumien välillä ovat hyvin määriteltyjä, mutta vain ajalliset tai vain tapahtumien väliset tilavälit alkoivat riippua viitekehyksen valinnasta eli yhden tarkkailijan liikkumisnopeudesta toiseen nähden. Uusi teoria antoi epätavallisia, näyttäviä ennusteita,joita oli tuolloin vaikea havaita. Energia ja massa menettivät ainutlaatuisuutensa ja ne voidaan muuntaa toisilleen tunnetun kaavan E = mc2 mukaisesti. Tässä yhteydessä on huomattava, että tämä suhde ilmestyi ensimmäisen kerran vuonna 1895 Henri Poincarén teoksessa "Ajan mittaamisesta", joka julkaistiin Pariisin filosofisessa lehdessä, eikä siksi herättänyt fyysikkojen huomiota, mutta se sai nykyisen merkityksensä Einsteinin työn jälkeen. Kuvittele, että gramma ainetta sisältävä energia voisi valaista koko kaupungin vuodeksi. Kaksoset, jotka jättivät sisarensa Maan päälle ja liikkuivat avaruusaluksella lähellä valon nopeutta, palaisivat huomaamaan, että hänen sisarensa oli ikääntynyt useita vuosikymmeniä verrattuna. Nämä ennusteet olivat niin odottamattomia, että monet johtavien yliopistojen tutkijat väittivätettä annettu teoria ei voi olla elinkelpoinen. Ne olivat kuitenkin kaikki väärässä. Ydinreaktorit toimivat maapallolla ja tähdet loistavat taivaalla muuttamalla massa energiaksi, täsmälleen kaavan E = mc2 kanssa. Suurenergisissä laboratorioissa epävakaat hiukkaset, jotka kiihtyvät lähes valonopeuteen, elävät kymmeniä ja satoja kertoja kauemmin kuin maan päällä lepäävät kollegansa.
SRT: n kaikesta vallankumouksellisuudesta huolimatta yksi aika-ajan osa säilyi aristoteleisena. Se pysyi kaikkien tapahtumien passiivisena areenana, kangas, jolle maailmankaikkeuden liikkeellepanevat voimat maalaisivat kuvan. 1800-luvun puolivälissä matemaatikot tajusivat, että Euclidin geometria, jota me kaikki opiskelemme koulussa, on yksi mahdollisista geometriaista. Tämä johti ajatukseen, jonka Richard Riemann esitti selkeimmin vuonna 1854. Hän sanoi, että fyysisen avaruuden geometria ei välttämättä tottele Euclidin aksiomia, mutta se voi olla kaareva aineen läsnäolon vuoksi maailmankaikkeudessa. Hänen ajatuksissaan tila ei enää ollut passiivinen ja aine muutti sitä. Kesti vielä 61 vuotta, ennen kuin tämä idea oli kysytty.
Tällainen suuri tapahtuma oli Einsteinin vuonna 1915 julkaisema yleinen suhteellisuusteoria. Tässä teoriassa avaruusaika oli neliulotteisen jatkumon muodossa. Tämän jatkuvuuden geometria on kaareva, ja kaarevuusaste simuloi itse jatkuvuuden painovoimakenttiä. Aika-aika on lakannut olemasta inertti. Se toimii aineessa ja aine vaikuttaa siihen. Kuten kuuluisa amerikkalainen fyysikko John Wheeler sanoi:
- Aine kertoo avaruusajalle, kuinka taivutetaan, ja aika-aika kertoo aineelle, kuinka liikkua.
Kosmisessa tanssissa ei ole enää katsojia, ei taustaa, jota kaikki tapahtumat tapahtuvat. Kohtaus itse liittyi näyttelijöihin. Tämä on syvällinen muutos maailmankatsomuksessa. Koska kaikki fyysiset järjestelmät sijaitsevat aika-ajassa, tällainen näkymän muutos ravisti kaikki luonnonfilosofian perustan. Kesti vuosikymmeniä, ennen kuin fyysikot tulivat sovittamaan tämän teorian lukuisiin sovelluksiin, ja filosofit pääsivät uudelle käsitykselle maailmasta, joka kasvoi yleisestä suhteellisuudesta.
2. Painovoima on geometria
”On kuin seinä, joka erottaa meidät totuudesta, olisi romahtanut. Laajempi tila ja pohjaton syvyys avautui silmälle etsimään tietoa, alueita, joista meillä ei ollut aavistustakaan”
Hermann Weil "Yleinen suhteellisuusteoria"
Voidaan olettaa, että kirjoittaessaan Einsteinia ilmeisesti inspiroi kaksi melko yksinkertaista tosiasiaa. Ensinnäkin painovoiman universaalisuus, jonka Galileo osoitti kuuluisissa kokeissaan Pisan kaltevassa tornissa. Painovoima on yleismaailmallinen, koska kaikki tornin kappaleet putosivat tasaisesti, jos vain painovoima vaikutti niihin. Toiseksi painovoima ilmenee aina vetovoimana. Tämä sen ominaisuus erottaa sen voimakkaasti esimerkiksi sähköstaattisesta voimasta, jonka laki kuvaa samassa muodossa kuin yleisen painovoiman laki ja joka ilmenee vuorovaikutuksessa olevien varausten tyypistä riippuen sekä vetovoimana että vastenmielisenä. Tämän seurauksena, vaikka sähköstaattinen voima voidaan suojata ja on tarpeeksi helppoa luoda alueita, joissa se ei toimi,painovoimaa ei voida periaatteessa seuloa. Siten painovoima on läsnä kaikkialla ja vaikuttaa kaikkiin kehoihin samalla tavalla. Nämä kaksi tosiasiaa puhuvat voimakkaasta erosta painovoiman ja muiden perustavien vuorovaikutusten välillä ja viittaavat siihen, että painovoima on osoitus jostakin syvemmästä ja yleisemmästä. Koska avaruusaika on myös läsnä kaikkialla ja yleismaailmallinen, Einstein ehdotti, että painovoima ei ilmene voimana, vaan aika-ajan geometrian kaarevuutena. Aika-aika yleisessä suhteellisuusteoriassa on muokattavissa ja se voidaan mallintaa kaksiulotteisella kumilevyllä, jonka taivuttavat massiiviset kappaleet. Esimerkiksi raskas aurinko taipuu voimakkaasti aika-aikaa. Planeetat, kuten kaikki maapallolle putoavat kappaleet, liikkuvat "suoria" reittejä pitkin, mutta vain käyrän geometriassa. Tarkassa matemaattisessa mielessä he seuraavat lyhyimpiä polkuja, joita kutsutaan geodeettisiksi viivoiksi - nämä ovat yleistyksiä Eukleidesin tasogeometrian suorista viivoista Riemannin kaarevaan geometriaan. Joten jos tarkastellaan esimerkiksi kaarevaa avaruusaikaa, maa valitsee optimaalisen liikeradan sellaisessa tilassa, joka on suoran suoran täydellinen analogi. Mutta koska aika-aika on kaareva, projektiossa Euclidin ja Newtonin tasaiselle avaruudelle tämä polku on elliptinen.koska aika-aika on kaareva, projektiossa Euclidin ja Newtonin tasaiselle avaruudelle tämä polku on elliptinen.koska aika-aika on kaareva, projektiossa Euclidin ja Newtonin tasaiselle avaruudelle tämä polku on elliptinen.
Yleisen suhteellisuusteorian vetovoima on siinä, että se muutti tyylikkään matematiikan avulla nämä käsitteellisesti yksinkertaiset ideat konkreettisiksi yhtälöiksi ja käyttää näitä yhtälöitä hämmästyttäviin ennusteisiin fyysisen todellisuuden luonteesta. Hän ennustaa, että kellon pitäisi toimia nopeammin Kathmandussa kuin Jaltassa. Galaktisten ytimien tulisi toimia kuin jättiläiset painovoimalinssit ja näyttää meille näyttäviä, useita kuvia kaukaisista kvasaareista. Kahden neutronitähden, jotka pyörivät yhteisen keskipisteen ympärillä, täytyy menettää energiaa kaarevan aika-ajan väreiden takia, jotka johtuvat niiden spiraaliliikkeestä, lähentymisestä yhteen keskukseen ja sen jälkeen törmäykseen. Viime vuosina on tehty monia kokeita näiden ja vielä eksoottisempien ennusteiden testaamiseksi. Ja joka kerta yleinen suhteellisuusteoria vallitsi. Joidenkin kokeiden tarkkuus ylitti legendaaristen kokeiden tarkkuuden sähkömagneettisen kentän kvantin havaitsemiseksi. Tämä käsitteellisen syvyyden, matemaattisen tyylikkyyden ja havainnointimenestyksen yhdistelmä on ennennäkemätön. Siksi yleistä suhteellisuusteoriaa pidetään toisaalta yhtenä korkeimmista fysikaalisista teorioista, ja toisaalta se herättää huomattavaa kiinnostusta erilaisten ja ei aina ammattikritiikkien kohteena.miksi toisaalta yleistä suhteellisuusteoriaa pidetään yhtenä korkeimmista fysikaalisista teorioista ja toisaalta herättää huomattavaa kiinnostusta kaikenlaisena kohteena eikä aina ammatillisena kritiikkinä.miksi toisaalta yleistä suhteellisuusteoriaa pidetään yhtenä korkeimmista fysikaalisista teorioista ja toisaalta se herättää huomattavaa kiinnostusta kaikenlaisena kohteena eikä aina ammatillisena kritiikkinä.
3. Iso räjähdys ja mustat aukot
”Fyysikot ovat pärjänneet hyvin, mutta he ovat osoittaneet intuition rajoitukset ilman matematiikan apua. He havaitsivat, että luonnon ymmärtämistä on erittäin vaikea edetä. Tieteellinen kehitys oli maksettava halveksivalla tavalla myöntämällä, että todellisuus rakennettiin siten, että ihmisen käsitys ei tarttuisi siihen helposti”
Edward O. Wilson”Sattuma. Tiedon yhtenäisyys"
Yleisen suhteellisuusteorian tulo aloitti modernin kosmologian aikakauden. Hyvin suuressa mittakaavassa ympärillämme oleva universumi näyttää homogeeniselta ja isotrooppiselta. Tämä näkemys on Copernican-periaatteen suurin oivallus: maailmankaikkeumassamme ei ole valittuja pisteitä, ei valittu suunta. Vuonna 1922 venäläinen matemaatikko Alexander Fridman osoitti Einsteinin yhtälöitä käyttäen, ettei tällainen maailmankaikkeus voi olla staattinen. Sen täytyy joko laajentua tai romahtaa. Vuonna 1929 amerikkalainen tähtitieteilijä Edwin Hubble huomasi, että maailmankaikkeus todellakin laajenee. Tämä tosiasia puolestaan merkitsee, että prosessilla on oltava alku, jossa painovoiman tiheyden ja vastaavasti aika-ajan kaarevuuden on oltava äärettömän suuri. Suuren räjähdyksen käsite syntyi. Huolellinen tarkkailu,erityisesti viimeisten 20 vuoden aikana, ovat osoittaneet, että tämä tapahtuma tapahtui todennäköisesti 14 miljardia vuotta sitten. Sittemmin galaksit ovat liikkuneet toisistaan ja keskimääräinen painovoima on pudonnut tasaisesti. Yhdistämällä yleisen suhteellisuusteorian tietomme laboratoriofysiikkaan voimme tehdä monia yksityiskohtaisia ennusteita. Voimme esimerkiksi laskea suhteellisen määrän valoelementtejä, joiden ytimet muodostuivat kolmen ensimmäisen minuutin aikana räjähdyksen jälkeen (katso esimerkiksi täältä). Voimme ennustaa primäärisäteilyn olemassaolon ja ominaisuudet (reliktinen mikroaaltotausta), joka säteili, kun maailmankaikkeus oli noin 400 000 vuotta vanha. Ja voimme sanoa, että ensimmäiset galaksit muodostuivat maailmankaikkeuden ollessa miljardi vuotta vanha. Hämmästyttävä valikoima aikoja ja erilaisia ilmiöitä!tapahtui 14 miljardia vuotta sitten. Sittemmin galaksit ovat liikkuneet toisistaan ja keskimääräinen painovoima on pudonnut tasaisesti. Yhdistämällä yleisen suhteellisuusteorian ja laboratoriofysiikan tietämyksemme voimme tehdä monia yksityiskohtaisia ennusteita. Voimme esimerkiksi laskea niiden elementtien suhteellisen määrän, joiden ytimet muodostuivat räjähdyksen jälkeisissä kolmessa minuutissa (katso esimerkiksi täällä). Voimme ennustaa primäärisäteilyn olemassaolon ja ominaisuudet (reliktinen mikroaaltotausta), joka säteili, kun maailmankaikkeus oli noin 400 000 vuotta vanha. Ja voimme sanoa, että ensimmäiset galaksit muodostuivat maailmankaikkeuden ollessa miljardi vuotta vanha. Hämmästyttävä valikoima aikoja ja erilaisia ilmiöitä!tapahtui 14 miljardia vuotta sitten. Sittemmin galaksit ovat liikkuneet toisistaan ja keskimääräinen painovoima on pudonnut tasaisesti. Yhdistämällä yleisen suhteellisuusteorian ja laboratoriofysiikan tietämyksemme voimme tehdä monia yksityiskohtaisia ennusteita. Voimme esimerkiksi laskea niiden elementtien suhteellisen määrän, joiden ytimet muodostuivat räjähdyksen jälkeisissä kolmessa minuutissa (katso esimerkiksi täällä). Voimme ennustaa primäärisäteilyn olemassaolon ja ominaisuudet (jäänne-mikroaaltotausta), joka säteili, kun maailmankaikkeus oli noin 400 000 vuotta vanha. Ja voimme sanoa, että ensimmäiset galaksit muodostuivat maailmankaikkeuden ollessa miljardi vuotta vanha. Hämmästyttävä valikoima aikoja ja erilaisia ilmiöitä!Yhdistämällä yleisen suhteellisuusteorian tietomme laboratoriofysiikkaan voimme tehdä monia yksityiskohtaisia ennusteita. Voimme esimerkiksi laskea suhteellisen määrän valoelementtejä, joiden ytimet muodostuivat kolmen ensimmäisen minuutin aikana räjähdyksen jälkeen (katso esimerkiksi täältä). Voimme ennustaa primäärisäteilyn olemassaolon ja ominaisuudet (reliktinen mikroaaltotausta), joka säteili, kun maailmankaikkeus oli noin 400 000 vuotta vanha. Ja voimme sanoa, että ensimmäiset galaksit muodostuivat maailmankaikkeuden ollessa miljardi vuotta vanha. Hämmästyttävä valikoima aikoja ja erilaisia ilmiöitä!Yhdistämällä yleisen suhteellisuusteorian tietomme laboratoriofysiikkaan voimme tehdä monia yksityiskohtaisia ennusteita. Voimme esimerkiksi laskea suhteellisen määrän valoelementtejä, joiden ytimet muodostuivat kolmen ensimmäisen minuutin aikana räjähdyksen jälkeen (katso esimerkiksi täältä). Voimme ennustaa primäärisäteilyn olemassaolon ja ominaisuudet (jäänne-mikroaaltotausta), joka säteili, kun maailmankaikkeus oli noin 400 000 vuotta vanha. Ja voimme sanoa, että ensimmäiset galaksit muodostuivat maailmankaikkeuden ollessa miljardi vuotta vanha. Hämmästyttävä valikoima aikoja ja erilaisia ilmiöitä!esimerkiksi täällä). Voimme ennustaa primäärisäteilyn olemassaolon ja ominaisuudet (reliktinen mikroaaltotausta), joka säteili, kun maailmankaikkeus oli noin 400 000 vuotta vanha. Ja voimme sanoa, että ensimmäiset galaksit muodostuivat maailmankaikkeuden ollessa miljardi vuotta vanha. Hämmästyttävä valikoima aikoja ja erilaisia ilmiöitä!esimerkiksi täällä). Voimme ennustaa primäärisäteilyn olemassaolon ja ominaisuudet (reliktinen mikroaaltotausta), joka säteili, kun maailmankaikkeus oli noin 400 000 vuotta vanha. Ja voimme sanoa, että ensimmäiset galaksit muodostuivat maailmankaikkeuden ollessa miljardi vuotta vanha. Hämmästyttävä valikoima aikoja ja erilaisia ilmiöitä!
Lisäksi yleinen suhteellisuusteoria muutti filosofista lähestymistapaa Alkuun liittyvään kysymykseen. Vuoteen 1915 asti tästä aiheesta voitiin keskustella, kun Emmanuel Kant väitti, että maailmankaikkeudella ei ehkä ollut rajallista alkua. Sitten voitiin kysyä: Mitä siellä oli ennen? Mutta tässä kysymyksessä oletetaan implisiittisesti, että tilaa ja aikaa on aina ollut olemassa, ja maailmankaikkeus syntyi aineen mukana. Suhteellisuusteoriassa tällaista kysymystä ei ole mitään syytä kysyä, koska aika-aika syntyy yhdessä aineen kanssa suuressa paukussa. Kysymys "Mitä siellä oli ennen?" ei tarkoita enää mitään. Tarkassa merkityksessä, Big Bang on raja, jolla aika-aika loppuu, missä aika-aika-jatkumo itse rikkoutuu. Suuren räjähdyksen aikaan yleinen suhteellisuusteoria asetti fysiikalle luonnollisen rajan, joka ei sallinut katsomista pidemmälle.
Kun on kyse mustista aukoista, yleinen suhteellisuusteoria löysi myös muita varautumisia. Ensimmäisen ratkaisun mustaa aukkoa kuvaavaan Einstein-yhtälöön sai jo vuonna 1916 saksalainen astrofyysikko Karl Schwarzschild, joka taisteli Saksan armeijassa ensimmäisen maailmansodan rintamilla. Tämän päätöksen fyysisen merkityksen ymmärtäminen kesti kuitenkin kauan. Luonnollisin tapa mustien aukkojen muodostumiselle on tähtien kuolema. Ydinpolttoainetta polttavan tähden hehkun aikana ulospäin suuntautuva paine voi tasapainottaa painovoimaa. Mutta kun kaikki polttoaine on poltettu, ainoa voima, joka voi kilpailla painovoiman vetovoiman kanssa, on Paulin kvanttimekaanisen poissulkemisperiaatteen tuottama vastavoima. Hänen kuuluisan matkansa Cambridge,Kaksikymmentä vuotta vanha Subrahmanyan Chandrasekhar yhdisti erityisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan periaatteet osoittaakseen, että jos tähti on riittävän massiivinen, painovoima voi voittaa Paulin poissulkemisperiaatteen tuottamat vastenmieliset voimat. Tämän seurauksena tähti täydentää evoluutionsa mustana aukkona. Kolmekymmentäluvulla hän korjasi ja täydennti laskelmiaan ja antoi kiistämättömät perustelut tällaisen tähtionnettomuuden skenaarion hyväksi. Tuon ajan merkittävä brittiläinen astrofyysikko Arthur Eddington ei kuitenkaan hyväksynyt ajatusta tällaisesta skenaariosta ja totesi, että "oikeilla" laskelmilla erityinen suhteellisuusteoria ei yksinkertaisesti ole sovellettavissa. Nykyään jopa opiskelija epäonnistuu tentissä, jos hän yrittää antaa tällaisen perustelun perusteluissaan. Tuon ajan johtavat kvanttifyysikot, Borovskaja ja Dirac, olivat helposti samaa mieltä Chandrasekharin tulosten kanssa, mutta tekivät niin henkilökohtaisissa kirjeissä ajattelematta julkisesti huomauttamasta Eddingtonin virheitä. Tämä korjattiin vasta vuonna 1983, kun Chandrasekhar sai Nobelin palkinnon. Tämän seurauksena tämä väärinkäsitys viivästyi useita vuosikymmeniä paitsi Chandrasekharin työn tunnustamisen myös mustien aukkojen käsityksen todellisina esineinä.todellisina esineinä.todellisina esineinä.
Kumma kyllä, edes Einstein itse ei havainnut mustia aukkoja. Jo vuonna 1939 hän julkaisi artikkelin Annals of Mathematics -lehdessä, jossa hän väitti, että tähtien romahtaminen ei voi muodostaa mustia aukkoja. Hän väitti, että laskelmat olivat oikeita, mutta johtopäätös oli epärealistisen oletuksen tulos. Vain muutama kuukausi myöhemmin amerikkalaiset fyysikot Robert Oppenheimer ja Hartland Snyder julkaisivat nyt klassisen teoksensa, osoittaen kiistattomasti, että massiiviset tähdet täydentävät evoluutionsa muodostamalla musta aukko. On osoitettu, että musta aukko on alue, jolla aika-ajan kaarevuus on niin voimakas, että edes valo ei pysty poistumaan siitä. Siksi yleisen suhteellisuusteorian mukaan nämä alueet näyttävät korvan mustilta ulkopuolisille tarkkailijoille. Jos tarkastelemme kaksiulotteisen kumipinnan analogiaa, käy ilmi, että aika-ajan taipuma mustassa aukossa osoittautuu niin suureksi, että se todella rikkoutuu muodostaen singulariteetin. Kuten Suuressa Bangissa, kaarevuudesta tulee ääretön. Aika-aika muodostaa tapahtumahorisontin, ja fysiikka vain pysähtyy tällä horisontilla.
Ja silti ilmeisesti mustat aukot ovat yleisiä esineitä maailmankaikkeudessa. Yleinen suhteellisuusteoria yhdistettynä tietämykseemme tähtien evoluutioprosessista ennustaa, että maailmankaikkeudessa pitäisi olla valtava määrä mustia aukkoja, joiden massa on luokkaa 10-50 aurinkomassaa, jotka ovat massiivisten tähtien elintoiminnan tuotteita. Mustat aukot ovat todellakin merkittäviä toimijoita modernissa tähtitieteessä ja astrofysiikassa. Ne ovat voimakkaita lähteitä maailmankaikkeuden energisimmistä ilmiöistä, kuten massiivisen mustan aukon lähettämä kuuluisa gammasäde. Tämä säde kuljettaa energiaa, jota 1000 aurinkoa säteilee koko elämänsä ajan. Musta aukko johtuu supernovan räjähdyksestä, joka täydentää massiivisen tähden elämää. Ja tällainen räjähdys kirjataan joka päivä. Kaikkien elliptisten galaksien keskukset näyttävät olevansisältää supermassiivisia mustia aukkoja, joiden massa on luokkaa miljoonia aurinkomassoja. Oman galaksimme, Linnunradan, keskellä on musta aukko, jonka massa on 3,2 miljoonaa aurinkomassaa.
4. Einsteinin jälkeen
”Kokemuksemme uudet alueet todellakin johtavat aina uuden tieteellisen tiedon ja lakien järjestelmän kiteytymiseen. Uusien ja poikkeuksellisten henkisten haasteiden edessä seuraamme jatkuvasti Kolumbuksen esimerkkiä, jolla oli rohkeutta lähteä tunnetusta maailmasta melkein mielettömässä toivossa löytää maa meren toisesta päästä."
V. Geisenberg "Viimeaikaiset muutokset tarkoissa tiedeissä"
Suhteellisuusteoria on paras painovoiman ja aika-ajan rakenteen teoria. Se voi kuvata vaikuttavan joukon ilmiöitä aina suuresta kosmisesta laajenemisesta maailmanlaajuisen paikannusjärjestelmän toimintaan maapallolla. Mutta tämä teoria on epätäydellinen, koska se jättää huomiotta kvanttivaikutukset, jotka hallitsevat subatomista maailmaa. Lisäksi nämä kaksi teoriaa ovat pohjimmiltaan erilaisia. Yleisen suhteellisuusteorian maailmalla on geometrinen tarkkuus, se on deterministinen. Toisin kuin tässä maailmassa, kvanttimekaniikan maailma on epäilyttävä, se on todennäköisyyspohjainen. Fyysikot ylläpitävät tätä onnellista, melkein skitsofreenista tilaa käyttämällä yleistä suhteellisuusteoria kuvaamaan tähtitieteen ja kosmologian laajamittaisia ilmiöitä.ja kvanttiteoria atomien ja alkeishiukkasten ominaisuuksien kuvaamiseksi. Huomaa, että tämä on melko toimiva strategia, koska nämä kaksi maailmaa ovat hyvin harvinaisia. Mutta tämä strategia on kuitenkin käsitteellisesti erittäin epätyydyttävä. Kaikki fyysisessä kokemuksessamme kertoo meille, että on oltava suurempi, täydellisempi teoria, josta sekä yleisen suhteellisuusteorian että kvanttiteorian on oltava erityisiä, rajoitettuja tapauksia. Tällaisen teorian sijaan painovoiman kvanttiteoria väittää. Tämä on kiireellinen ongelma, joka seuraa täysin loogisesti Einsteinin työtä. Vastoin yleisesti hyväksyttyä näkemystä, joka muodostui Einsteinin myöhempien huomautusten seurauksena kvanttimekaniikan epätäydellisyydestä, hän tiesi selvästi tästä yleisen suhteellisuusteorian rajoituksesta. Ihana,mutta Einstein korosti tarvetta luoda kvanttiteoria painovoimasta jo vuonna 1916! Preussische Akademie Sitzungsberichte -lehdessä julkaistussa artikkelissa hän kirjoitti:
- Elektronien atomien sisäisen liikkeen takia atomien oli kuitenkin lähetettävä paitsi sähkömagneettista myös gravitaatioenergiaa, mutta vain pieninä määrinä. Koska kaikki on luonnossa yhtä, näyttää siltä, että kvanttiteorian olisi muutettava paitsi Maxwellin elektrodynamiikkaa myös uutta gravitaatioteoriaa.
Suuressa räjähdyksessä ja mustan aukon singulariteetissa kohtaavat hyvin suuret ja hyvin pienet maailmat. Siksi, vaikka tällä hetkellä tämä tapaaminen on meille salaisuus, joka on sinetöity seitsemällä sinetillä, mutta se on portti, jonka kautta voimme ylittää yleisen suhteellisuusteorian. Tällä hetkellä uskotaan, että todellinen fysiikka ei voi pysähtyä tapahtumahorisontin kynnyksellä. Todennäköisesti se on yleisen suhteellisuusteorian epäonnistuminen. On selvää, että teoreettisen fysiikan on jälleen tarkistettava käsityksemme avaruudesta. Tarvitsemme uuden kielen, joka voi kurkistaa näiden tuntemattomien porttien ulkopuolelle.
Tämän kielen luomista pidetään vakavimpana ja tärkeimpänä haasteena perusfysiikan edessä. Tähän suuntaan on nykyään useita lähestymistapoja. Yksi niistä liittyy merkkijonoteoriaan, mutta keskitymme silmukakvanttigravitaation käsitteeseen. Tämä on lähestymistapa kvanttiteorian rakentamiseen, joka syntyi yli 20 vuotta sitten intialaisen fyysikon Abhay Ashtekarin teoksissa ja jonka uskotaan tällä hetkellä olevan vaihtoehto merkkijonon lähestymistavalle tämän ongelman ratkaisemisessa.
Suhteellisuusteoriassa avaruus-aika on jatkumo. Kvanttisilmukan painovoiman perusidea on väite, että tämä jatkumo on vain likiarvo, joka on rikki niin sanotuilla Planck-etäisyyksillä. Planckin pituus on ainutlaatuinen määrä, joka voidaan muodostaa painovoiman vakiosta, Planckin vakiosta kvanttifysiikassa ja valon nopeudesta. Tämä pituus on 3,10-33 cm, mikä on 20 suuruusluokkaa pienempi kuin protonin säde. Siksi jopa maapallon tehokkaimmilla hiukkaskiihdyttimillä voit työskennellä turvallisesti avaruus-ajan jatkumon kanssa. Mutta tämä tilanne muuttuu dramaattisesti, erityisesti Suuren räjähdyksen lähellä ja mustissa aukoissa. Tällaisissa tapauksissa sinun on käytettävä kvantisoitua aika-aikaa, jonka kvantti on silmukan painovoimakvantti.
Yritetään ymmärtää, mikä on aika-ajan kvantti. Käännyn eteenpäin olevalle paperiarkille. Meille se näyttää vankalta kaksiulotteiselta jatkuvuudelta. Mutta tiedämme myös, että se koostuu atomista. Tällä arkilla on erillinen rakenne, josta tulee vain julistus, jos emme katso sitä esimerkiksi elektronimikroskoopilla. Nyt pidemmälle. Einstein väitti, että aika-ajan geometria ei ole vähemmän fyysinen kuin aine. Ja siksi sillä on oltava myös "atomirakenne". Tämä oletus mahdollisti 90-luvun puolivälissä yhdistää yleisen suhteellisuusteorian periaatteet kvanttifysiikkaan ja luoda kvanttigeometrian. Aivan kuten jatkuva geometria tarjoaa matemaattisen kielen yleisen suhteellisuusteorian muotoilemiseksi,joten kvanttigeometria tarjoaa matemaattisen työkalun ja luo uusia fyysisiä käsitteitä kvanttisten kosmisten aikojen kuvaamiseksi.
Kvanttigeometriassa ensisijaiset ovat renkaan geometrisissa virityksissä suljetut perustiedot, jotka ovat yksiulotteisia. Tavallinen kangas näyttää olevan sileä kaksiulotteinen jatkumo, mutta se perustuu yksiulotteisiin lankoihin. Samanlainen oletus voidaan tehdä korkeamman ulottuvuuden jatkumosta. Puhtaasti intuitiivisella tasolla voidaan ajatella perustavanlaatuisia geometrisia herätteitä kvanttilangoina, jotka voidaan kutoa luomaan avaruusajan kangas. Mitä tapahtuu, kun olemme lähellä aika-aika-singulariteettia. On selvää, että tällä alueella vain aika-aika-jatkuvuuden käsitettä ei yksinkertaisesti voida soveltaa. Kvanttivaihtelut tällä alueella ovat niin suuria, että kvanttilankoja ei yksinkertaisesti voida "jäädyttää" aika-aikajaksoon. Aika-ajan kangas on repeytynyt. Aika-aikajakson fysiikka on "kiinnitetty" aika-aika kudoksen jäännöksiin. Samalla käy selväksi, että itse langat, jotka muodostavat maailmankaikkeuden kudoksen perustan, saavat erityisen merkityksen. Einsteinin kvanttiyhtälön avulla voidaan edelleen tutkia fysiikkaa, kuvata kvanttimaailmassa tapahtuvia prosesseja. Mutta tässä on tärkeä asia. Tosiasia on, että aika-aikajakson puuttuessa monet fysiikassa yleisesti käytetyt käsitteet muuttuvat yksinkertaisesti vääriksi. On tarpeen ottaa huomioon uudet käsitteet, jotka korvaavat tai täydentävät hylättyjä, ja tämä edellyttää uutta fyysistä intuitiota. Ja tällaisissa dramaattisissa olosuhteissa polku on päällystetty Einsteinin kvanttiyhtälöille. Aika-aikajakson fysiikka on "kiinnitetty" aika-aika kudoksen jäännöksiin. Samalla käy selväksi, että itse säikeet, jotka muodostavat maailmankaikkeuden kudoksen perustan, saavat erityisen merkityksen. Einsteinin kvanttiyhtälön avulla voidaan edelleen tutkia fysiikkaa, kuvata kvanttimaailmassa tapahtuvia prosesseja. Mutta tässä on tärkeä asia. Asia on, että jos aika-aikajaksoa ei ole, monet fysiikassa yleisesti käytetyt käsitteet muuttuvat yksinkertaisesti vääriksi. On tarpeen ottaa huomioon uudet käsitteet, jotka korvaavat tai täydentävät hylättyjä, ja tämä edellyttää uutta fyysistä intuitiota. Ja tällaisissa dramaattisissa olosuhteissa polku on päällystetty Einsteinin kvanttiyhtälöille. Aika-aikajakson fysiikka on "kiinnitetty" aika-aika kudoksen jäännöksiin. Samalla käy selväksi, että itse säikeet, jotka muodostavat maailmankaikkeuden kudoksen perustan, saavat erityisen merkityksen. Einsteinin kvanttiyhtälön avulla voidaan edelleen tutkia fysiikkaa, kuvata kvanttimaailmassa tapahtuvia prosesseja. Mutta tässä on tärkeä asia. Tosiasia on, että aika-aikajakson puuttuessa monet fysiikassa yleisesti käytetyt käsitteet muuttuvat yksinkertaisesti vääriksi. On tarpeen ottaa huomioon uudet käsitteet, jotka korvaavat tai täydentävät hylättyjä, ja tämä edellyttää uutta fyysistä intuitiota. Ja tällaisissa dramaattisissa olosuhteissa polku on päällystetty Einsteinin kvanttiyhtälöille.ottaa erityisen merkityksen. Einsteinin kvanttiyhtälön avulla voidaan edelleen tutkia fysiikkaa, kuvata kvanttimaailmassa tapahtuvia prosesseja. Mutta tässä on tärkeä asia. Tosiasia on, että aika-aikajakson puuttuessa monet fysiikassa yleisesti käytetyt käsitteet muuttuvat yksinkertaisesti vääriksi. On tarpeen ottaa huomioon uudet käsitteet, jotka korvaavat tai täydentävät hylättyjä, ja tämä edellyttää uutta fyysistä intuitiota. Ja tällaisissa dramaattisissa olosuhteissa polku on päällystetty Einsteinin kvanttiyhtälöille.ottaa erityisen merkityksen. Einsteinin kvanttiyhtälön avulla voidaan edelleen tutkia fysiikkaa, kuvata kvanttimaailmassa tapahtuvia prosesseja. Mutta tässä on tärkeä asia. Asia on, että jos aika-aikajaksoa ei ole, monet fysiikassa yleisesti käytetyt käsitteet muuttuvat yksinkertaisesti vääriksi. On tarpeen ottaa huomioon uudet käsitteet, jotka korvaavat tai täydentävät hylättyjä, ja tämä edellyttää uutta fyysistä intuitiota. Ja tällaisissa dramaattisissa olosuhteissa polku on päällystetty Einsteinin kvanttiyhtälöille. On tarpeen ottaa huomioon uudet käsitteet, jotka korvaavat tai täydentävät hylättyjä, ja tämä edellyttää uutta fyysistä intuitiota. Ja tällaisissa dramaattisissa olosuhteissa polku on päällystetty Einsteinin kvanttiyhtälöille. On tarpeen ottaa huomioon uudet käsitteet, jotka korvaavat tai täydentävät hylättyjä, ja tämä edellyttää uutta fyysistä intuitiota. Ja tällaisissa dramaattisissa olosuhteissa polku on päällystetty Einsteinin kvanttiyhtälöille.
Näiden yhtälöiden perusteella oli mahdollista selventää joitain alkuräjähdyksen yksityiskohtia. Kävi ilmi, että Einsteinin aika-aikajaksolle kirjoitetut differentiaaliyhtälöt tulisi korvata kvanttigeometrian diskreetin rakenteen kielellä kirjoitetuilla differentiaaliyhtälöillä. Ongelmana on, että standardit Einstein-yhtälöt, jotka kuvaavat täydellisesti klassista aika-aikaa, lakkaavat toimimasta lähestyessään Suurta Bangta, kun aineen tiheys lähestyy Planckin tiheyttä 1094 g / cm3 suuruusluokassa. Kvanttigeometriassa aika-ajan kaarevuudesta Planckin järjestelmässä tulee hyvin suuri, mutta rajallinen. Yllättäen kvanttigeometrian vaikutukset tuottavat uuden, niin suuren vastaisen voimanjoka voittaa helposti painovoiman. Yleinen suhteellisuusteoria lakkaa toimimasta. Universumi laajenee. Einsteinin kvanttiyhtälöt antavat mahdollisuuden kehittää kvanttigeometriaa ja rakentaa oikea kuvaus aineesta Planckin hallinnossa, jättäen tilaa sellaiselle ei-fyysiselle käsitteelle kuin singulariteetti. Big Bang korvataan voimakkaalla kvanttishokilla.
Prosessin numeerinen laskeminen spatiaalisesti homogeenisessa isotrooppisessa tapauksessa suoritettiin kvantti-Einstein-yhtälöiden perusteella. Aika-aikajakso laskettiin Planckin hallinnon ulkopuolella ja Ison Bangin "toisella" puolella. Niin kutsutun "pre-big" -räjähdyksen oksalla. Kävi ilmi, että tämä supistumisjakso on hyvin kuvattu myös yleisessä suhteellisuusteoriassa. Kuitenkin, kun aineen tiheys on yhtä suuri kuin 0,8 Planckin tiheydestä, kvanttigeometrian tuottama vastenmuutosvoima, joka oli aiemmin merkityksetön, tulee hallitsevaksi. Ja sen sijaan, että romahtaisi pisteeseen, maailmankaikkeus kokee voimakkaan kvanttivaikutuksen, joka muuttaa prosessin laajenevaksi haaraksi "post-big" -pommissa, jossa nyt elämme. Klassinen yleinen suhteellisuusteoria kuvaa molempia haaroja hyvin, paitsi milloin
Kvanttisen luonteen vastaisen voiman esiintymisellä kvanttivaikutuksen hetkellä on mielenkiintoinen analogia tähtäimen kuolemassa olevan vastenmielisen voiman kanssa. Siinä tapauksessa, että hylkivä voima alkaa vallita painovoiman yli, kun tähtiydin saavuttaa kriittisen tiheyden 6x1016 g / cm3, se voi estää tähtiä romahtamasta mustaksi aukoksi ja muuttamaan sen vakaana neutronitähtinä. Tämä hylkivä voima syntyy Paulin poissulkemisperiaatteesta, ja se liittyy suoraan meneillään olevan prosessin kvanttiseen luonteeseen. Jos kuitenkin kuolevan tähden massa osoittautuu suuremmaksi kuin viisi kertaa Auringon massa, painovoima voittaa tämän voiman ja tähti romahtaa mustaksi aukoksi. Yksittäisyys syntyy. Kvanttigeometrian tuottama hylkivä voima tulee voimaan suuremmilla aineen tiheyksillä,mutta samalla se voittaa painovoiman puristuksen riippumatta siitä, kuinka massiivinen romahtava runko oli. Todellakin, tämä ruumis voi olla koko maailmankaikkeus! Kvanttisilmukan painovoima houkuttelee sitä, että ennustamalla tämän vaikutuksen se estää singulariteettien muodostumisen reaalimaailmassa laajentamalla avaruusaikamme "elämää" kvantisillan kautta.
Einsteinin ansiosta 1900-luvulla tilan ja ajan ymmärtäminen kävi läpi radikaalin tarkistuksen. Aika-aikajakson geometriasta on tullut yhtä fyysinen kuin aine ennen. Tämä ymmärrys avasi uusia näkökulmia kosmologiassa ja tähtitieteessä. Mutta vuosisadallamme, aika-ajan ymmärtämisessä odottaa meitä yhtä dramaattisia muutoksia. Kvanttigeometrian ansiosta suurta räjähdystä ja fysiikan mustia aukkoja ei enää ympäröi esteiden rajat. Fyysinen kvanttitila-aika on paljon suurempi kuin yleinen suhteellisuusteoria. Näiden teorioiden välisen yhteyden olemassaolo antaa meille mahdollisuuden puhua kvanttisilmukan painovoiman yhdenmukaisuudesta. Tämän johdonmukaisuuden avulla voimme tehdä varsin selvät johtopäätökset maailmankaikkeutemme alkuperän fysiikasta ja mustien aukkojen fysiikasta. Tämän teorian jatkokehityksen seurauksena voi syntyä vielä jännittävämpiä mahdollisuuksia.