общ, изследване, технология

Най-големите мистерии: какво е пространство-време?

Хората винаги вземат място за себе сиза даденост. В крайна сметка това е просто празнота - контейнер за всичко останало. Времето тече непрекъснато. Но физиците са такива хора, те винаги трябва да усложняват нещо. Редовно опитвайки се да комбинират своите теории, те открили, че пространството и времето се сливат в система, толкова сложна, че обикновеният човек не може да разбере.

Визуализация на пространството и времето.

Алберт Айнщайн разбра какво ни очаква, обратноНоември 1916г Година по-рано той формулира общата теория на относителността, според която гравитацията не е сила, която се разпространява в пространството, а свойство на самото пространство-време. Когато хвърлите топката във въздуха, тя лети в дъга и се връща към земята, защото Земята огъва пространството-времето около себе си, така че пътищата на топката и земята отново се пресичат. В писмо до приятел Айнщайн обмисля задачата да обедини общата теория на относителността с другото си дете - зараждащата се теория на квантовата механика. Но математическите му умения просто не бяха достатъчни. „Как се измъчих с това!“, Пише той.

Айнщайн никога не е идвал никъде в това отношение. И до днес идеята за създаване на квантова теория на гравитацията изглежда изключително далечна. Споровете крият важна истина: конкурентните подходи говорят като един, че пространството се ражда някъде по-дълбоко - и тази идея разбива научната и философска идея за нея, която е създадена в продължение на 2500 години.

Долу по черната дупка

Един обикновен магнит за хладилник е страхотенилюстрира проблема, с който физиците са се сблъскали. Той може да закачи лист хартия и да устои на гравитацията на цялата Земя. Гравитацията е по-слаба от магнетизма или друга електрическа или ядрена сила. Каквито и квантови ефекти да стоят зад него, те ще бъдат по-слаби. Единственото осезаемо доказателство, че тези процеси обикновено протичат, е пъстрата картина на материята в най-ранната Вселена - за която се смята, че е изготвена от квантови колебания на гравитационното поле.

Черните дупки са най-добрият начин за тестване на квантитегравитацията. „Това е най-подходящото за експериментиране“, казва Тед Джейкъбсън от Университета в Мериленд Колидж Парк. Той и други теоретици изучават черните дупки като теоретични опорни точки. Какво се случва, когато се вземат уравнения, които работят перфектно в лабораторията и се вписват в най-екстремните ситуации, които могат да се представят? Ще има ли фини недостатъци?

Общата теория сравнително прогнозира товавещество, попадащо в черна дупка, се свива безкрайно, когато се приближава до центъра - математическа задънена улица, наречена сингулярност. Теоретиците не могат да си представят траекторията на обект извън границите на сингулярността; всички линии се сближават в него. Дори да говорим за него като за място е проблематично, защото самото пространство-време, което определя местоположението на сингулярността, престава да съществува. Учените се надяват, че квантовата теория може да ни предостави микроскоп, който ще ни позволи да разгледаме тази безкрайно малка точка на безкрайната плътност и да разберем какво се случва с материята, попадаща в нея.

Абонирайте се за нашия Yandex Zen канал. Там можете да намерите много интересни неща, които дори не са на нашия сайт.

На границата на черната дупка веществото не е такапритиснат, гравитацията е по-слаба и, доколкото знаем, всички закони на физиката трябва да работят. А фактът, че не работят, е още по-обезкуражаващ. Черната дупка е ограничена от хоризонта на събитията, точката на връщане: веществото, което преодолява хоризонта на събитията, няма да се върне. Спускането е необратимо. Това е проблем, защото всички известни закони на фундаменталната физика, включително квантовата механична, са обратими. Поне по принцип на теория би трябвало да можете да обърнете движението и да възстановите всички частици, които сте имали.

Физиците се сблъскаха с подобен пъзел в края1800-те години, когато смятали математиката на „черното тяло“, идеализирана като кухина, пълна с електромагнитно излъчване. Теорията за електромагнетизма от Джеймс Клерк Максуел предсказа, че такъв обект ще абсорбира цялата радиация, която попада върху него и никога няма да влезе в равновесие със заобикалящата материя. "Той може да абсорбира безкрайно количество топлина от резервоар, който се поддържа при постоянна температура", обяснява Рафаел Соркин от Института по теоретична физика в Онтарио в Периметър. От термична гледна точка тя ще има температура абсолютна нула. Този извод противоречи на наблюденията на истински черни тела (като пещ). Продължавайки работата по теорията на Макс Планк, Айнщайн показа, че черно тяло може да постигне топлинно равновесие, ако енергията на излъчване идва в отделни единици или кванти.

Теоретичните физици се опитват да постигнат почти половин векподобно решение за черни дупки. Покойният Стивън Хокинг от университета в Кеймбридж предприе важна стъпка в средата на 70-те, прилагайки квантовата теория към радиационното поле около черните дупки и показа, че те имат ненулева температура. Следователно те могат не само да абсорбират, но и да излъчват енергия. Въпреки че анализът му зави черни дупки в областта на термодинамиката, той също изостри проблема с необратимостта. Изходящото лъчение се излъчва на границата на черна дупка и не носи информация от червата. Това е произволна топлинна енергия. Ако обърнете процеса и подадете тази енергия до черна дупка, нищо не се появява: просто получавате още повече топлина. И е невъзможно да си представим, че нещо е останало в черната дупка, просто хванато в капан, тъй като черната дупка излъчва радиация, тя се свива и според анализа на Хокинг в крайна сметка изчезва.

Този проблем се нарича информационен.парадокс, защото черна дупка унищожава информация за попаднали в нея частици, които бихте могли да опитате да възстановите. Ако физиката на черните дупки е наистина необратима, нещо трябва да пренесе информацията назад и нашата концепция за пространство-време може да се наложи да бъде променена, за да отговаря на този факт.

Пространства и време атоми

Топлината е случайното движение на микроскопичничастици, като газови молекули. Тъй като черните дупки могат да се нагряват и охлаждат, би било разумно да се предположи, че те са съставени от части - или, като цяло, от микроскопична структура. И тъй като една черна дупка е просто празно пространство (според GR, материята, попадаща в черна дупка, преминава през хоризонта на събитията, без да спира), части от черната дупка трябва да са части от самото пространство. А под измамната простота на плоско празно пространство е колосална сложност.

Дори теории, които би трябвало да се спазваттрадиционната представа за пространство-време, стигнахме до извода, че нещо се крие под тази гладка повърхност. Например в края на 70-те Стивън Уайнбърг, който сега работи в Тексаския университет в Остин, се опита да опише гравитацията по същия начин, както другите сили на природата. И откри, че пространството-времето е радикално променено в най-малкия си мащаб.

За да не пропуснете нищо интересно от света на високите технологии, абонирайте се за нашия канал за новини в Telegram. Там ще научите много.

Първоначално визуализираха физицитемикроскопично пространство като мозайка от малки парчета пространство. Ако ги увеличите до везни на Планк, неизмеримо малки по размер 10-35 метра, учените смятат, че можете да видите нещо като шахматна дъска. Или може би не. От една страна, такава мрежа от линии на шахматното пространство ще предпочете една посока към друга, създавайки асиметрии, които противоречат на специалната теория на относителността. Например светлината от различни цветове ще се движи с различна скорост - като в стъклена призма, която разчупва светлината на съставните си цветове. Въпреки че проявите в малък мащаб ще бъдат много трудни за забелязване, нарушенията на общата относителност ще бъдат откровено очевидни.

Термодинамиката на черната дупка поставя под съмнениекартина на пространството под формата на обикновена мозайка. Чрез измерване на топлинното поведение на всяка система можете да преброите нейните части, поне по принцип. Освободете енергия и погледнете термометъра. Ако колоната е излетяла, енергията трябва да се простира до сравнително малко молекули. Всъщност измервате ентропията на една система, която е нейната микроскопична сложност.

Ако направите това с обикновена субстанция,броят на молекулите се увеличава с обема на материала. Така че, във всеки случай, трябва да бъде: ако увеличите радиуса на плажната топка с 10 пъти, вътре тя ще се побере 1000 пъти повече молекули. Но ако увеличите радиуса на черна дупка с 10 пъти, броят на молекулите в нея се умножава само 100 пъти. Броят на молекулите, от които се състои, трябва да е пропорционален не на обема му, а на повърхността. Черна дупка може да изглежда триизмерна, но се държи като двуизмерен обект.

Този странен ефект се наричана холографския принцип, тъй като наподобява холограма, която виждаме като триизмерен обект и при по-внимателно разглеждане се оказва изображение, произведено от двуизмерен филм. Ако холографският принцип отчита микроскопичните компоненти на пространството и неговото съдържание - което физиците признават, макар и не всички - за да създаде пространство, няма да е достатъчно просто да сдвои най-малките си парчета.

Сложни мрежи

През последните години учените разбраха, че това е всичкоквантовото заплитане трябва да бъде замесено. Това дълбоко свойство на квантовата механика, изключително мощен тип връзка, изглежда много по-примитивно от космоса. Например експериментаторите могат да създадат две частици, които летят в противоположни посоки. Ако са объркани, те ще останат свързани независимо от разстоянието, което ги разделя.

Времето е относително, не забравяйте за това

Традиционно, когато хората говореха за "квантово"гравитации, те имаха предвид квантовата дискретност, квантовите колебания и всички други квантови ефекти - но не и квантовото сплитане. Всичко се е променило благодарение на черните дупки. По време на живота на черната дупка, заплетени частици попадат в нея, но когато черната дупка напълно се изпари, партньорите извън черната дупка остават заплетени - без нищо. „Хокингът трябва да го нарече проблем на заплитането“, казва Самир Матур от Държавния университет в Охайо.

Дори във вакуум, където няма частици,електромагнитните и други полета са вътрешно объркани. Ако измерите полето на две различни места, показанията ви ще се колебаят леко, но ще останат в координация. Ако разделите региона на две части, тези части ще бъдат в корелация и степента на корелация ще зависи от геометричното свойство, което имат: площта на интерфейса. През 1995 г. Джейкъбсън заявява, че заплитането осигурява връзка между присъствието на материята и геометрията на пространството-времето - и следователно може да обясни закона на гравитацията. „Повече объркване - гравитацията е по-слаба“, каза той.

Някои подходи към квантовата гравитация - предиКато цяло теорията на струните - виждам заплитането като важен крайъгълен камък. Теорията на струните прилага холографския принцип не само за черните дупки, но и за вселената като цяло, като предоставя рецепта за създаване на пространство - или поне някаква част от него. Оригиналното двуизмерно пространство ще служи като граница на по-голямо обемно пространство. И заплитането ще свърже обемното пространство в едно цяло и непрекъснато цяло.

През 2009 г. Марк Ван Реймсдок от университетаБританска Колумбия предостави елегантно обяснение на този процес. Да предположим, че полетата на границата не са заплетени - те образуват двойка системи извън корелация. Те съответстват на две отделни вселени, между които няма начин за комуникация. Когато системите се заплитат, се образува тунел, червейна дупка, сякаш между тези вселени и космически кораби могат да се движат между тях. Колкото по-висока е степента на заплитане, толкова по-къса е дължината на червейната дупка. Вселените се сливат в едно и вече не са две отделни. „Появата на голямо пространство-време директно свързва заплитането с тези степени на теорията за свободата на полето“, казва Ван Рамсднок. Когато наблюдаваме корелации в електромагнитните и други полета, те са останалата част от кохезията, която свързва пространството заедно.

Освен това много други функции на пространствотосвързаността му също може да отразява объркване. Van Raamsdonck и Brian Swingle, работещи в Университета в Мериленд, твърдят, че повсеместността на заплитането обяснява универсалността на гравитацията - че тя засяга всички обекти и прониква навсякъде. Що се отнася до черните дупки, Леонард Саскинд и Хуан Малдацена смятат, че заплитането между черна дупка и излъчваното от нея излъчване създава червей - черен вход в черна дупка. По този начин се спестява информация и физиката на черната дупка е необратима.

Елате в нашия специален чат на Telegram. Винаги има с кого да обсъждаме новини от света на високите технологии.

Въпреки че тези идеи на теорията на струните работят само за конкретни геометрии и реконструират само едно измерение на пространството, някои учени се опитват да обяснят появата на космоса от нулата.

Във физиката и наистина в естествените науки,пространството и времето са основата на всички теории. Но никога не забелязваме пряко пространство-време. По-скоро извеждаме неговото съществуване от ежедневния ни опит. Предполагаме, че най-логичното обяснение на явленията, които виждаме, ще бъде някакъв механизъм, който функционира в пространството-времето. Но квантовата гравитация ни казва, че не всички явления се вписват перфектно в такава картина на света. Физиците трябва да разберат какво е още по-дълбоко, вътрешността и недостатъците на пространството, гърба на гладкото огледало. Ако успеят, ще прекратим революцията, започнала преди повече от век от Айнщайн.