Suurimmat mysteerit: mikä on avaruus-aika?

Ihmiset ottavat aina tilaa itselleenitsestään selvänä. Loppujen lopuksi se on vain tyhjyyttä - säiliö kaikkeen muuhun. Aika tikittää jatkuvasti. Mutta fyysikot ovat sellaisia ​​ihmisiä, joiden on aina tehtävä monimutkaista jotain. Yrittäessään säännöllisesti yhdistää teorioitaan, he huomasivat, että tila ja aika sulautuvat järjestelmään, joka on niin monimutkainen, että tavallinen ihminen ei voi ymmärtää.

Avaruuden ja ajan visualisointi.

Albert Einstein ymmärsi takaisin, mitä meitä odottaaMarraskuu 1916 Vuotta aiemmin hän muotoili yleisen suhteellisuusteorian, jonka mukaan painovoima ei ole avaruudessa leviävä voima, vaan itse avaruus-ajan ominaisuus. Kun heität pallon ilmaan, se lentää kaaressa ja palaa maahan, koska maa taivuttaa avaruus-aikaa itsensä ympärille, joten pallon ja maan polut leikkaavat uudelleen. Ystävälle lähetetyssä kirjeessä Einstein harkitsi tehtävänä yhdistää yleinen suhteellisuusteoria toiseen aivoriiheensä, kvanttimekaniikan syntyvään teoriaan. Mutta hänen matemaattiset taidot eivät yksinkertaisesti riittäneet. ”Kuinka piinain itseäni tällä!” Hän kirjoitti.

Einstein ei koskaan tullut mihinkään tältä osin. Jo tänäänkin ajatus gravitaation kvantiteorian luomisesta vaikuttaa erittäin kaukaiselta. Riidat piilottavat tärkeän totuuden: kaikki kilpailukykyiset lähestymistavat puhuvat yhtenä siitä, että avaruus syntyy jossain syvemmällä - ja tämä ajatus hajottaa sen tieteellisen ja filosofisen näkemyksen, joka on perustettu 2500 vuotta.

Musta aukko alaspäin

Tavallinen jääkaappimagneetti on hienokuvaa ongelman, jonka fyysikot ovat kohdanneet. Hän voi kiinnittää paperin ja vastustaa koko maan painovoimaa. Painovoima on heikompi kuin magnetismi tai muu sähkö- tai ydinvoima. Mitä kvantitehosteita sen takana on, ne ovat heikompia. Ainoa konkreettinen todiste siitä, että nämä prosessit yleensä tapahtuvat, on aikaisimmassa universumissa oleva ainekuva, jonka uskotaan vetäneen gravitaatiokentän kvanttivaihteluista.

Mustat aukot ovat paras tapa testata kvanttipainovoima. "Tämä soveltuu parhaiten kokeiluun", sanoo Ted Jacobson Marylandin yliopiston yliopistopuistosta. Hän ja muut teoreetikot tutkivat mustia aukkoja teoreettisina tukipisteinä. Mitä tapahtuu, kun otetaan yhtälöt, jotka toimivat täydellisesti laboratoriossa ja sopivat äärimmäisiin tilanteisiin, joita kuvitellaan? Onko siellä hienovaraisia ​​virheitä?

Yleinen teoria ennustaa tämän suhteellisenmustaan ​​aukkoon putoava aine supistuu äärettömästi lähestyessään keskustaa - matemaattista umpikujaa, jota kutsutaan singulaarisuudeksi. Teoreetikot eivät voi kuvitella esineen etenemisrataa singulaarisuuden rajojen ulkopuolella; kaikki linjat lähentyvät siihen. Jopa siitä puhuminen paikasta on ongelmallista, koska itse avaruus-aika, joka määrittelee singulaarisuuden sijainnin, lakkaa olemasta. Tutkijat toivovat, että kvantiteoria voi tarjota meille mikroskoopin, jonka avulla voimme tutkia tätä äärettömän tiheyden äärettömän pistettä ja ymmärtää mitä siihen kuuluvalle aineelle tapahtuu.

Tilaa Yandex Zen -kanavamme. Sieltä voit löytää monia mielenkiintoisia asioita, joita ei edes ole sivustollamme.

Musta reiän rajalla ainetta ei olepuristettu, painovoima on heikompaa, ja tietojemme mukaan kaikkien fysiikan lakien tulisi toimia. Ja se, että he eivät toimi, on vielä enemmän heikentävää. Mustaa reikää rajoittaa tapahtumahorisontti, josta ei ole paluuta: aine, joka ylittää tapahtumahorisontin, ei palaa. Lasku on peruuttamatonta. Tämä on ongelma, koska kaikki tunnetut fysiikan lait, mukaan lukien kvantmekaaniset, ovat palautuvia. Ainakin periaatteessa teoriassa sinun pitäisi pystyä kääntämään liike ja palauttamaan kaikki hiukkaset, jotka sinulla olivat.

Fyysikot kohtasivat samanlaisen palapelin lopussa1800-luku, kun he pitivät "mustan ruumiin" matematiikkaa, idealisoitiin onkalo, joka oli täytetty sähkömagneettisella säteilyllä. James Clerk Maxwellin sähkömagneettisuuden teoria ennusti, että sellainen esine absorboi kaiken siihen kohdistuvan säteilyn eikä koskaan tule tasapainoon ympäröivän aineen kanssa. "Se voi absorboida äärettömän määrän lämpöä säiliöstä, jota ylläpidetään vakiona lämpötilassa", selittää Rafael Sorkin Ontarion kehän teoreettisen fysiikan instituutista. Lämpötilan kannalta sen lämpötila on absoluuttinen nolla. Tämä johtopäätös on ristiriidassa todellisten mustien kappaleiden (kuten uunin) havaintojen kanssa. Jatkamalla Max Planck -teorian tutkimusta, Einstein osoitti, että musta ruumis voi saavuttaa lämpötasapainon, jos säteilyenergia tulee erillisissä yksiköissä tai kvantteina.

Teoreettiset fyysikot ovat yrittäneet saavuttaa lähes puoli vuosisataasamanlainen ratkaisu mustia reikiä varten. Myöhäinen Stephen Hawking Cambridgen yliopistosta otti tärkeän askeleen 70-luvun puolivälissä soveltaen kvantiteoriaa säteilykenttään mustien reikien ympärillä ja osoittaen, että niiden lämpötila ei ollut nolla. Siksi ne eivät vain absorboi, vaan myös säteilevät energiaa. Vaikka hänen analyysinsä ruuvi mustia reikiä termodynamiikan kenttään, hän pahensi myös peruuttamattomuuden ongelmaa. Lähtevä säteily emittoituu mustan aukon rajalta, eikä se kuljeta tietoa suolistosta. Tämä on satunnaista lämpöenergiaa. Jos käännät prosessin ja syötät tämän energian mustalle aukolle, mikään ei aukea: saat vain vielä enemmän lämpöä. Ja on mahdotonta kuvitella, että mustaan ​​reikään oli jätetty jotain, vain loukkuun, koska kun musta reikä emittoi säteilyä, se supistuu ja Hawkingin analyysin mukaan se lopulta katoaa.

Tätä ongelmaa kutsutaan informatiiviseksi.paradoksi, koska musta aukko tuhoaa tietoa hiukkasista, jotka ovat päässeet siihen, jonka voit yrittää palauttaa. Jos mustien reikien fysiikka on todella peruuttamatonta, jotain täytyy kuljettaa tiedot takaisin, ja ajattelumme avaruus-ajasta voidaan joutua muuttamaan tämän tosiasian sovittamiseksi.

Avaruusajan atomit

Lämpö on mikroskooppisen satunnainen liikehiukkaset, kuten kaasumolekyylit. Koska mustat aukot voivat kuumentua ja jäähtyä, olisi kohtuullista olettaa, että ne koostuvat osista - tai jos yleensä, mikroskooppisesta rakenteesta. Ja koska musta reikä on yksinkertaisesti tyhjä tila (GR: n mukaan mustaan ​​reikään putoava aine kulkee tapahtumahorisontin läpi pysähtymättä), mustan aukon osien on oltava osan itse tilaa. Ja tasaisen tyhjän tilan petollisen yksinkertaisuuden alla on valtava monimutkaisuus.

Jopa teorioita, jotka olisi pitänyt pitääperinteisen avaruus-ajatuksen, päätimme siihen johtopäätökseen, että jotain on piilossa tämän sileän pinnan alla. Esimerkiksi 1970-luvun lopulla Austinissa Teksasin yliopistossa työskentelevä Stephen Weinberg yritti kuvata painovoimaa samalla tavalla kuin muut luonnonvoimat. Ja hän sai selville, että avaruus-aikaa muutetaan radikaalisti pienimmässä mittakaavassa.

Tilaa uutiskanavamme Telegramissa, jotta et menetä mitään mielenkiintoista korkean teknologian maailmasta. Siellä opit paljon.

Fyysikot visualisoivat alun perinmikroskooppinen tila mosaiikina pienistä tilapalasista. Jos nostat ne Planck-asteikkoon, joka on mittaamattoman pieni 10–35 metriä, tutkijat uskovat näkevänsä shakkilaudan kaltaisen. Tai ehkä ei. Yhtäältä tällainen shakkitilajohtoverkko suosii suuntaa toiseen, jolloin syntyy epäsymmetrioita, jotka ovat ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa. Esimerkiksi eri väreillä oleva valo liikkuu eri nopeuksilla - kuten lasiprismassa, joka hajottaa valon sen väreiksi. Vaikka pienessä mittakaavassa tapahtuvia ilmenemismuotoja on hyvin vaikea huomata, yleisen suhteellisuussuhteen rikkomukset ovat rehellisesti ilmeisiä.

Mustareiän termodynamiikka asetti kyseenalaiseksikuva avaruudesta yksinkertaisen mosaiikin muodossa. Mittaamalla minkä tahansa järjestelmän lämpökäyttäytymistä, voit laskea ainakin periaatteessa sen osat. Vapauta energia ja katso lämpömittaria. Jos pylväs on poistunut, energian tulisi ulottua suhteellisen harvoihin molekyyleihin. Itse asiassa mittaat järjestelmän entropian, joka on sen mikroskooppinen monimutkaisuus.

Jos teet tämän tavallisella aineella,molekyylien lukumäärä kasvaa materiaalin tilavuuden kanssa. Joten joka tapauksessa sen pitäisi olla: jos lisäät rantapallojen sädettä 10 kertaa, sen sisälle mahtuu 1000 kertaa enemmän molekyylejä. Mutta jos lisäät mustan reiän sädettä 10 kertaa, siinä olevien molekyylien lukumäärä kerrotaan vain 100 kertaa. Sen muodostamien molekyylien lukumäärän tulisi olla verrannollinen tilavuuteensa, mutta pinta-alaan. Musta reikä voi vaikuttaa kolmiulotteiselta, mutta se käyttäytyy kuin kaksiulotteinen esine.

Tätä outoa vaikutusta kutsutaanholografisen periaatteen kohdalla, koska se muistuttaa hologrammaa, jota näemme kolmiulotteisena esineenä, ja tarkemmassa tutkimuksessa se osoittautuu kaksiulotteisen elokuvan tuottamaksi kuvaksi. Jos holografinen periaate ottaa huomioon avaruuden mikroskooppiset komponentit ja sen sisällön - jonka fyysikot myöntävät, vaikkakaan eivät kaikki, avaruuden luomiseksi, ei riitä, että yksinkertaisesti paritellaan pienimmät palat.

Monimutkaiset verkot

Viime vuosina tutkijat ovat huomanneet, että tämä on kaikkikvantti-takertuminen on saatava aikaan. Tämä kvanttimekaniikan syvä ominaisuus, erittäin voimakas yhteyden tyyppi, näyttää paljon primitiivisemmältä kuin avaruus. Esimerkiksi kokeilijat voivat luoda kaksi hiukkasia, jotka lentävät vastakkaisiin suuntiin. Jos ne sekoitetaan, ne pysyvät yhteydessä riippumatta etäisyydestä, joka erottaa ne.

Aika on suhteellinen, älä unohda sitä

Perinteisesti, kun ihmiset puhuivat "kvantista"gravitaatiot, heillä oli mielessä kvantti diskreetti, kvanttivaihtelu ja kaikki muut kvanttehosteet - mutta ei kvantti takertuminen. Kaikki on muuttunut mustien reikien ansiosta. Mustan aukon elinaikana takertuneet hiukkaset putoavat siihen, mutta kun musta reikä kokonaan haihtuu, mustan aukon ulkopuolella olevat kumppanit pysyvät takertuina - ilman mitään. "Haastamisen pitäisi kutsua sitä takertumisen ongelmaksi", sanoo Samir Matur Ohion osavaltion yliopistosta.

Jopa tyhjiössä, jossa ei ole hiukkasia,sähkömagneettiset ja muut kentät ovat sisäisesti sekoitettuja. Jos mittaat kentän kahdessa eri paikassa, lukemat vaihtelevat hieman, mutta pysyvät koordinaatiossa. Jos jaat alueen kahteen osaan, nämä osat ovat korrelaatiossa, ja korrelaatioaste riippuu niiden geometrisistä ominaisuuksista: rajapinta-alue. Vuonna 1995 Jacobson totesi, että takertuminen tarjoaa yhteyden aineen läsnäolon ja avaruus-ajan geometrian välille - ja siksi se voisi selittää painovoimalain. "Lisää sekaannusta - painovoima on heikompaa", hän sanoi.

Jotkut lähestymistavat kvanttipainoon - ennenKaiken kaikkiaan joustoteoria - näen takertumisen tärkeänä kulmakivenä. Jousteteoria soveltaa holografista periaatetta paitsi mustiin reikiin, myös koko maailmankaikkeuteen tarjoamalla resepti avaruuden - tai ainakin jonkin sen osan - luomiseksi. Alkuperäinen kaksiulotteinen tila toimii suuremman tilavuustilan rajana. Ja takertuminen yhdistää tilavuustilan yhdeksi ja jatkuvaksi kokonaisuudeksi.

Vuonna 2009 Mark Van Raamsdonck yliopistostaBritish Columbia antoi tyylikkään selityksen tähän prosessiin. Oletetaan, että rajan kentät eivät ole takertuneet - ne muodostavat parin järjestelmiä korrelaatiosta. Ne vastaavat kahta erillistä maailmankaikkeutta, joiden välillä ei ole viestintätapaa. Kun järjestelmät takertuvat, muodostuu tunneli, madonreikä, ikään kuin näiden universumien ja avaruusalusten välillä voisi liikkua. Mitä korkeampi takertumisaste, sitä lyhyempi madonreiän pituus on. Universumit sulautuvat yhdeksi eikä ole enää kaksi erillistä. "Suurten avaruusaikojen tulo liittyy suoraan kiinni näihin kenttäteoriavapauden asteisiin", sanoo Van Raamsdonk. Kun havaitsemme korrelaatioita sähkömagneettisissa ja muissa kentissä, ne ovat loppuosa koheesiosta, joka sitoo tilaa yhdessä.

Lisäksi monia muita avaruuden piirteitäsen yhteys voi heijastaa myös sekaannusta. Van Raamsdonck ja Brian Swingle, työskentelevät Marylandin yliopistossa, väittävät, että takertumisen yleisyys selittää painovoiman universaalisuuden - että se vaikuttaa kaikkiin esineisiin ja tunkeutuu kaikkialle. Mitä tulee mustiin reikiin, Leonard Sasskind ja Juan Maldacena uskovat, että mustan aukon ja sen lähettämän säteilyn välinen takertuminen luo madonreiän - mustan sisäänkäynnin mustaan ​​reikään. Tällä tavalla tiedot tallennetaan ja mustan aukon fysiikka on peruuttamatonta.

Tule erityiseen Telegram-chattiin. Aina on joku keskustelemaan korkean teknologian maailman uutisista.

Vaikka nämä joustoteorian ideat toimivat vain tietyille geometrioille ja rekonstruoivat vain yhden avaruuden ulottuvuuden, jotkut tutkijat yrittävät selittää tilan ulkonäköä tyhjästä.

Fysiikassa ja luonnontieteissätila ja aika ovat kaikkien teorioiden perusta. Mutta emme koskaan huomaa tilaa-aikaa suoraan. Pikemminkin päättelemme sen olemassaolosta päivittäisestä kokemuksestamme. Oletetaan, että näkemämme ilmiöiden loogisin selitys on jokin mekanismi, joka toimii avaruusajassa. Mutta kvanttigravitaatio kertoo meille, että kaikki ilmiöt eivät sovi täydellisesti sellaiseen maailmankuvaan. Fyysikkojen on ymmärrettävä mikä on vielä syvempää, tilan tausta, sileän peilin takaosa. Jos ne onnistuvat, lopetamme vallankumouksen, jonka Einstein aloitti yli vuosisadan sitten.