Ihmiset ottavat aina tilaa itsestäänselvyytenä. Loppujen lopuksi se on vain tyhjiö - kontti kaikelle muulle. Myös aika tikittää jatkuvasti. Mutta fyysikot ovat sellaisia ihmisiä, heidän täytyy aina vaikeuttaa jotain. Yrittäessään säännöllisesti yhdistää teoriansa he huomasivat, että tila ja aika sulautuvat niin monimutkaiseen järjestelmään, jota tavallinen ihminen ei voi ymmärtää.
Albert Einstein tajusi, mikä odotti meitä jo marraskuussa 1916. Vuotta aiemmin hän muotoili yleisen suhteellisuusteorian, jonka mukaan painovoima ei ole avaruudessa etenevä voima, vaan itse aika-ajan ominaisuus. Kun heität pallon ilmaan, se lentää kaarena ja palaa maahan, koska maa taivuttaa avaruusaikaa sen ympärille, joten pallon ja maan polut leikkaavat jälleen. Kirjeessään ystävälle Einstein keskusteli yleisen suhteellisuusteollisuuden yhdistämisongelmasta toisen aivopoikansa kanssa, syntyvän kvanttimekaniikan teorian kanssa. Mutta hänen matemaattiset taitonsa eivät yksinkertaisesti riitä. "Kuinka kidutin itseäni tällä!" Hän kirjoitti.
Einstein ei koskaan päässyt mihinkään tältä osin. Jopa nykyään ajatus kvanttiteorian luomisesta näyttää erittäin kaukaiselta. Riidat piilottavat tärkeän totuuden: kilpailukykyiset lähestymistavat kaikki sanotaan, että tila syntyy jonnekin syvemmälle - ja tämä ajatus rikkoo tieteellisen ja filosofisen käsityksen siitä, joka on perustettu 2500 vuoden ajan.
Mustaa aukkoa pitkin
Tavallinen jääkaappimagneetti kuvaa täydellisesti fyysikkojen kohtaamaa ongelmaa. Hän voi kiinnittää paperin ja vastustaa koko Maan painovoimaa. Painovoima on heikompaa kuin magnetismi tai muu sähkö- tai ydinvoima. Riippumatta siitä, mitkä kvanttiefektit sen takana ovat, ne ovat heikompia. Ainoa konkreettinen todiste näiden prosessien tapahtumisesta on varhaisessa maailmankaikkeudessa esiintyvä aineen kirjo - jonka uskotaan piirtäneen painovoimakentän kvanttivaihtelut.
Mustat aukot ovat paras tapa testata kvanttipainoa. "Tämä on sopivin asia kokeilla", sanoo Ted Jacobson Marylandin yliopistosta College Parkista. Hän ja muut teoreetikot tutkivat mustia aukkoja teoreettisina kääntöpisteinä. Mitä tapahtuu, kun otat yhtälöt, jotka toimivat täydellisesti laboratorioympäristössä, ja laitat ne äärimmäisiin tilanteisiin, joita vain voi kuvitella? Onko siellä hienovaraisia puutteita?
Yleinen teoria ennustaa suhteellisen, että mustaan aukkoon putoava aine supistuu loputtomasti lähestyessään sen keskustaa - matemaattista umpikujaa, jota kutsutaan singulariteetiksi. Teoreetikot eivät voi kuvitella kohteen liikerataa singulaarisuuden ulkopuolella; kaikki linjat yhtyvät siihen. Jopa puhuminen paikasta on ongelmallista, koska itse aika-aika, joka määrittää singulariteetin sijainnin, lakkaa olemasta. Tutkijat toivovat, että kvanttiteoria voi tarjota meille mikroskoopin, jonka avulla voimme tutkia tätä äärettömän tiheyden äärettömän pistettä ja ymmärtää, mitä tapahtuu siihen kuuluvaan aineeseen.
Mainosvideo:
Mustan aukon reunalla aine ei ole vielä niin puristunut, painovoima on heikompaa ja sikäli kuin tiedämme, kaikkien fysiikan lakien tulisi toimia. Ja sitäkin masentavampaa on se, että ne eivät toimi. Mustaa aukkoa rajoittaa tapahtumahorisontti, ei paluupistettä: tapahtumahorisontin ylittävä aine ei palaa. Laskeutuminen on peruuttamatonta. Tämä on ongelma, koska kaikki tunnetut perusfysiikan lait, kvanttimekaaniset mukaan lukien, ovat palautuvia. Ainakin periaatteessa, teoriassa, sinun pitäisi pystyä kääntämään liike ja palauttamaan kaikki hiukkasesi.
Fyysikot kohtasivat samanlaisen hämmennyksen 1800-luvun lopulla, kun he tarkastelivat "mustan rungon" matematiikkaa, joka on idealisoitu onteloksi, joka on täynnä sähkömagneettista säteilyä. James Clerk Maxwellin teoria sähkömagneettisuudesta ennusti, että tällainen esine absorboi kaiken siihen putoavan säteilyn eikä koskaan saavuta tasapainoa ympäröivän aineen kanssa. "Se voi absorboida loputtoman määrän lämpöä säiliöstä, jota pidetään vakiolämpötilassa", kertoo Raphael Sorkin Perimeter-teoreettisen fysiikan instituutista Ontariossa. Lämmön kannalta sen lämpötila on absoluuttinen nolla. Tämä johtopäätös on ristiriidassa todellisten mustien kappaleiden (kuten uunin) havaintojen kanssa. Jatkamalla Max Planckin teoriaa, Einstein osoitti, että musta runko voi saavuttaa termisen tasapainon,jos säteilyenergia tulee erillisinä yksikköinä tai kvantteina.
Teoreettiset fyysikot ovat yrittäneet melkein puoli vuosisataa saavuttaa samanlainen ratkaisu mustiin reikiin. Edesmennyt Stephen Hawking Cambridgen yliopistosta otti tärkeän askeleen 70-luvun puolivälissä soveltamalla kvanttiteoriaa mustien aukkojen ympärillä olevaan säteilykenttään ja osoittamalla, että niillä on nollasta poikkeavat lämpötilat. Siksi ne voivat paitsi absorboida myös päästää energiaa. Vaikka hänen analyysinsä ruuvattiin mustia aukkoja termodynamiikan alueeseen, hän myös pahentaa peruuttamattomuuden ongelmaa. Lähtevä säteily säteilee mustan aukon reunalla, eikä se kuljeta tietoa sisätiloista. Tämä on satunnaista lämpöenergiaa. Jos käännät prosessin ja syötät tämän energian mustaan aukkoon, mikään ei tule esiin: saat vain vielä enemmän lämpöä. Ja on mahdotonta kuvitella, että mustaan aukkoon on jäänyt jotain, joka on juuri loukussa, koska kun musta aukko säteilee, se supistuu jaHawkingin analyysin mukaan se lopulta katoaa.
Tätä ongelmaa kutsutaan informaatioparadoksi, koska musta aukko tuhoaa siihen joutuneita hiukkasia koskevia tietoja, joita voit yrittää palauttaa. Jos mustien aukkojen fysiikka on todella peruuttamatonta, jotakin on siirrettävä tieto takaisin, ja aika-ajan käsitystämme saatetaan joutua muuttamaan vastaamaan tätä tosiasiaa.
Aika-ajan atomit
Lämpö on mikroskooppisten hiukkasten, kuten kaasumolekyylien, satunnainen liike. Koska mustat aukot voivat lämmetä ja jäähtyä, olisi järkevää olettaa, että ne koostuvat osista - tai yleisemmin mikroskooppisesta rakenteesta. Ja koska musta aukko on vain tyhjää tilaa (yleisen suhteellisuusteorian mukaan mustaan aukkoon putoava aine kulkee tapahtumahorisontin läpi pysähtymättä), mustan aukon osien on oltava osa tilaa itse. Ja tasaisen, tyhjän tilan petollisen yksinkertaisuuden alla on valtava monimutkaisuus.
Jopa teoriat, joiden piti säilyttää perinteinen näkemys aika-ajasta, ovat tulleet siihen tulokseen, että tämän sileän pinnan alla on jotain. Esimerkiksi 1970-luvun lopulla Steven Weinberg, nykyisin Texasin yliopistossa Austinissa, yritti kuvata painovoimaa samalla tavalla kuin muut luonnonvoimat kuvaavat sitä. Ja sain selville, että aika-aikaa on radikaalisti muokattu pienimmässä mittakaavassa.
Fyysikot visualisoivat alun perin mikroskooppisen tilan pienien avaruuspalojen mosaiikkina. Jos lisäät ne Planck-asteikkoon, joka on mittaamattoman pieni, kooltaan 10-35 metriä, tutkijat uskovat, että voit nähdä jotain shakkilaudan kaltaista. Tai ehkä ei. Yhtäältä tällainen shakkitilan linjojen verkosto suosii joitain suuntauksia muihin nähden, mikä luo epäsymmetriaa, jotka ovat ristiriidassa erityisen suhteellisuusteorian kanssa. Esimerkiksi erivärinen valo liikkuu eri nopeuksilla - kuten lasiprismassa, joka hajottaa valon sen osaväreiksi. Ja vaikka pienissä mittakaavassa ilmenemismuotoja on erittäin vaikea havaita, yleisen suhteellisuusteorian loukkaukset ovat suoraan sanottuna ilmeisiä.
Mustien aukkojen termodynamiikka asettaa kyseenalaiseksi kuvan avaruudesta yksinkertaisena mosaiikkina. Mittaamalla minkä tahansa järjestelmän lämpökäyttäytymisen, voit laskea sen osat, ainakin periaatteessa. Vapauta energia ja katso lämpömittaria. Jos pylväs on poistunut, energia tulisi jakaa suhteellisen vähän molekyyleihin. Itse asiassa mittaat järjestelmän entropiaa, joka edustaa sen mikroskooppista monimutkaisuutta.
Jos teet tämän tavallisella aineella, molekyylien määrä kasvaa materiaalin tilavuuden mukana. Joten sen pitäisi joka tapauksessa olla: jos lisäät rantapallon sädettä 10 kertaa, se mahtuu 1000 kertaa enemmän molekyylejä sen sisälle. Mutta jos lisäät mustan aukon sädettä 10 kertaa, siinä olevien molekyylien määrä lisääntyy vain 100 kertaa. Sen muodostamien molekyylien lukumäärän ei pitäisi olla verrannollinen sen tilavuuteen, vaan pinta-alaan. Musta aukko voi näyttää kolmiulotteiselta, mutta se käyttäytyy kuin kaksiulotteinen esine.
Tätä outoa vaikutusta kutsutaan holografiseksi periaatteeksi, koska se muistuttaa hologrammia, jota näemme kolmiulotteisena esineenä, mutta tarkemmin tarkasteltuna se osoittautuu kaksiulotteisen elokuvan tuottamaksi kuvaksi. Jos holografinen periaate ottaa huomioon avaruuden ja sen sisällön mikroskooppiset komponentit - minkä fyysikot myöntävät, vaikka eivät kaikki -, se ei riitä luomaan tilaa yksinkertaisesti yhdistämällä sen pienimmät palaset.
Sotkuinen verkko
Viime vuosina tiedemiehet ovat ymmärtäneet, että kvanttitartunnan on oltava mukana. Tämä kvanttimekaniikan syvä ominaisuus, erittäin voimakas yhteys, näyttää paljon primitiivisemmältä kuin avaruus. Esimerkiksi kokeilijat voivat luoda kaksi hiukkasia, jotka lentävät vastakkaisiin suuntiin. Jos ne sotkeutuvat, ne pysyvät yhteydessä riippumatta etäisyydestä, joka erottaa heidät.
Perinteisesti, kun ihmiset puhuivat "kvantti" painovoimasta, he tarkoittivat kvantin erillisyyttä, kvanttivaihteluita ja kaikkia muita kvanttivaikutuksia - ei kvanttitangotusta. Kaikki on muuttunut mustien aukkojen ansiosta. Mustan aukon elinkaaren aikana takertuneet hiukkaset pääsevät siihen, mutta kun musta aukko haihtuu kokonaan, mustan aukon ulkopuoliset kumppanit pysyvät sotkeutuneina - ilman mitään. "Hawkingin olisi pitänyt kutsua sitä takertumisongelmaksi", sanoo Ohion osavaltion yliopiston Samir Mathur.
Jopa tyhjiössä, jossa ei ole hiukkasia, sähkömagneettiset kentät ja muut kentät sekoittuvat sisäisesti. Jos mitat kentän kahdessa eri paikassa, lukemasi vaihtelevat hieman, mutta pysyvät koordinaatiossa. Jos jaat alueen kahteen osaan, nämä osat ovat korrelaatiossa, ja korrelaation aste riippuu niiden geometrisesta ominaisuudesta: liitäntäalueesta. Vuonna 1995 Jacobson totesi, että takertuminen tarjoaa yhteyden aineen läsnäolon ja aika-ajan geometrian välillä - mikä tarkoittaa, että se voisi selittää painovoiman lain. "Enemmän takertumista tarkoittaa vähemmän painovoimaa", hän sanoi.
Jotkut kvanttigravitaation lähestymistavat - etenkin merkkijonoteoria - pitävät takertumista tärkeänä kulmakivenä. Jousiteoria soveltaa holografista periaatetta paitsi mustiin aukkoihin myös koko maailmankaikkeuteen tarjoten reseptin avaruuden luomiseen - tai ainakin osan siitä. Alkuperäinen kaksiulotteinen tila toimii suuremman tilavuuden rajana. Ja takertuminen sitoo tilavuuden yhtenäiseksi ja jatkuvaksi kokonaisuudeksi.
Vuonna 2009 Mark Van Raamsdonk British Columbian yliopistosta antoi tyylikkään selityksen tälle prosessille. Oletetaan, että rajalla olevat kentät eivät ole sotkeutuneet - ne muodostavat korrelaatiosta parin järjestelmiä. Ne vastaavat kahta erillistä universumia, joiden välillä ei ole tietoliikennetapaa. Kun järjestelmät sotkeutuvat, näiden universumien välille muodostuu eräänlainen tunneli, madonreikä, ja avaruusalukset voivat liikkua niiden välillä. Mitä korkeampi takertumisaste on, sitä lyhyempi madonreiän pituus. Universumit sulautuvat yhdeksi eivätkä ole enää kahta erillistä. "Suuren avaruusajan tulo yhdistää sotkeutumisen suoraan näihin kenttävapauden teoriaan", sanoo Van Raamsdonck. Kun näemme korrelaatioita sähkömagneettisissa ja muissa kentissä, ne ovat jäännös koheesiosta, joka sitoo tilan yhteen.
Monet muut avaruuden piirteet voivat yhdistämisen lisäksi heijastaa myös takertumista. Van Raamsdonk ja Brian Swingle Marylandin yliopistosta väittävät, että sotkeutumisen kaikkialla läsnäolo selittää painovoiman universaalisuuden - että se vaikuttaa kaikkiin esineisiin ja tunkeutuu kaikkialle. Mustia aukkoja varten Leonard Susskind ja Juan Maldacena uskovat, että mustan aukon ja sen säteilyn välinen takertuminen luo madonreiän - mustan aukon mustan sisäänkäynnin. Siten tiedot säilyvät ja mustan aukon fysiikka on peruuttamatonta.
Vaikka nämä merkkijonoteoriat ovat vain tietyn geometrian mukaisia ja rekonstruoivat vain yhden avaruuden ulottuvuuden, jotkut tutkijat ovat yrittäneet selittää tilaa alusta alkaen.
Fysiikassa ja yleensä luonnontieteissä avaruus ja aika ovat kaikkien teorioiden perusta. Mutta emme koskaan huomaa aika-aikaa. Pikemminkin päätämme sen olemassaolon jokapäiväisestä kokemuksestamme. Oletamme, että loogisin selitys näkemiemme ilmiöille on jokin aika-ajassa toimiva mekanismi. Mutta kvanttipainovoima kertoo meille, että kaikki ilmiöt eivät sovi täydellisesti tällaiseen maailmankuvaan. Fyysikoiden on ymmärrettävä, mikä on vielä syvempää, avaruuden sisään- ja ulospäin, sileän peilin kääntöpuoli. Jos ne onnistuvat, lopetamme vallankumouksen, jonka Einstein aloitti yli sata vuotta sitten.
Ilya Khel