General, Research, Technology

Найбільші загадки: що таке простір-час?

Люди завжди приймають простір як само собоюзрозуміле. Зрештою, це просто порожнеча - ємність для всього іншого. Час теж цокає безперервно. Але фізики такі люди, їм завжди потрібно щось ускладнити. Регулярно намагаючись об'єднувати свої теорії, вони з'ясували, що простір і час зливаються в системі настільки складною, що звичайній людині і не зрозуміти.

Візуалізація простору і часу.

Альберт Ейнштейн зрозумів, що нас чекає, ще влистопаді 1916 року. Роком раніше він сформулював загальну теорію відносності, згідно з якою гравітація - це не сила, яка поширюється в просторі, а властивість самого простору-часу. Коли ви підкидаєте м'яч в повітря, він летить по дузі і повертається на землю, тому що Земля викривляє простір-час навколо себе, тому доріжки м'яча і землі перетнуться знову. У листі одному Ейнштейн розглядав задачу злиття загальної теорії відносності з іншим своїм дітищем, що зароджується теорією квантової механіки. Але його математичних навичок просто не вистачало. «Як же я змучив себе цим!», Писав він.

Ейнштейн так нікуди і не прийшов в цьому відношенні. Навіть сьогодні ідея створення квантової теорії гравітації здається вкрай далекою. Спори приховують важливу істину: конкурентні підходи все як один говорять про те, що простір народжується десь глибше - і ця ідея ламає усталену за 2500 років наукове і філософське уявлення про нього.

Вниз по чорній дірі

Звичайний магнітик на холодильнику прекрасноілюструє проблему, з якою зіткнулися фізики. Він може приколоти папірець і чинити опір гравітації всій Землі. Гравітація слабкіше магнетизму або інший електричної або ядерної сили. Які б квантові ефекти за нею не стояли, вони будуть слабкіше. Єдине відчутне доказ того, що ці процеси взагалі відбуваються, це строката картина матерії в самій ранній Всесвіту - яка, як вважають, була намальована квантовими флуктуаціями гравітаційного поля.

Чорні діри - кращий спосіб перевірити квантовугравітацію. «Це дуже вдалий, що можна знайти для експериментів», говорить Тед Джейкобсон з Університету Меріленда, Коледж-Парк. Він та інші теоретики вивчають чорні діри як теоретичні точки опори. Що відбувається, коли беруться рівняння, які ідеально працюють в лабораторних умовах, і поміщаються в самі екстремальні ситуації з мислимих? Чи не з'явиться який-небудь ледь помітною огріхи?

Загальна теорія щодо пророкує, щоречовина, падаюче в чорну діру, нескінченно стискається в міру наближення до центру - математичного Тупичке під назвою сингулярність. Теоретики не можуть уявити траєкторію об'єкта за межами сингулярності; всі лінії сходяться в ній. Навіть говорити про неї, як про місце, проблематично, тому що сам простір-час, що визначає местоположенріе сингулярності, припиняє існувати. Вчені сподіваються, що квантова теорія може надати нам мікроскоп, який дозволить розглянути цю нескінченно малу точку нескінченної щільності і зрозуміти, що відбувається з потрапляє в неї матерією.

Підписуйтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можна знайти багато всього цікавого, чого немає навіть на нашому сайті.

На кордоні чорної діри речовина ще не настількиздавлене, гравітація слабкіше і, наскільки нам відомо, всі закони фізики повинні працювати. І тим більше бентежить той факт, що вони не працюють. Чорна діра обмежена горизонтом подій, точкою неповернення: речовина, яке долає горизонт подій, вже не повернеться. Спуск незворотній. Це проблема, тому що всі відомі закони фундаментальної фізики, включаючи квантово-механічні, оборотні. По крайней мере, в принципі, в теорії, ви повинні мати можливість звернути рух і відновити всі частинки, які у вас були.

Зі схожою головоломкою фізики зіткнулися в кінці1800-х, коли розглядали математику «чорного тіла», ідеалізованого як порожнину, заповнена електромагнітним випромінюванням. Теорія електромагнетизму Джеймса Клерка Максвелла передбачала, що такий об'єкт буде поглинати все випромінювання, яке на нього падає, і ніколи не прийде в рівновагу з довколишньою матерією. «Він може поглинути нескінченну кількість тепла від резервуара, який підтримується при постійній температурі», пояснює Рафаель Соркін з Інституту теоретичної фізики Периметра в Онтаріо. З теплової точки зору у нього буде температура абсолютного нуля. Цей висновок суперечить спостереженнями справжніх чорних тіл (таких як піч). Продовжуючи роботу над теорією Макса Планка, Ейнштейн показав, що чорне тіло може досягти теплового рівноваги, якщо енергія випромінювання буде надходити в дискретних одиницях, або кванти.

Фізики-теоретики майже півстоліття намагалися досягтиподібного рішення для чорних дір. Покійний Стівен Хокінг з Кембриджського університету зробив важливий крок в середині 70-х, застосувавши квантову теорію до поля випромінювання навколо чорних дір і показавши, що у них ненульова температура. Отже, вони можуть не тільки поглинати, а й випромінювати енергію. Хоча його аналіз вставив чорні діри в область термодинаміки, він також посилив проблему незворотності. Вихідні випромінювання випускається на кордоні чорної діри і не переносить інформацію з надр. Це випадкова теплова енергія. Якщо звернути процес і згодувати цю енергію чорній дірі, нічого не спливе: ви просто отримаєте ще більше тепла. І неможливо уявити, що в чорній дірі щось залишилося, просто в пастці, тому що в міру того, як чорна діра випускає випромінювання, вона скорочується і, згідно з аналізом Хокінга, в кінцевому підсумку зникає.

Ця проблема отримала назву інформаційногопарадоксу, оскільки чорна діра руйнує інформацію про потрапили в неї частинках, які ви могли б спробувати відновити. Якщо фізика чорних дір дійсно є незворотнім, що щось має виносити інформацію назад, і нашу концепцію простору-часу, можливо, доведеться змінити, щоб вписати цей факт.

Атоми простору-часу

Тепло - це випадкове рух мікроскопічнихчастинок, на зразок молекул газу. Оскільки чорні діри можуть нагріватися і охолоджуватися, було б розумно припустити, що вони складаються з частин - або, якщо в загальному, з мікроскопічної структури. І оскільки чорна діра - це просто порожній простір (згідно ОТО, падаюча в чорну діру матерія проходить через горизонт подій, не зупиняючись), частини чорної діри повинні бути частинами самого простору. І під оманливою простотою плоского порожнього простору ховається колосальна складність.

Навіть теорії, які повинні були зберігатитрадиційне уявлення про простір-час, прийшли до висновків, що щось ховається під цією гладкою поверхнею. Наприклад, в кінці 1970-х років Стівен Вайнберг, зараз працює в Техаському університеті в Остіні, спробував описати гравітацію так само, як описують інші сили природи. І з'ясував, що простір-час радикально модифіковано в своїх дрібних масштабах.

Щоб не пропустити нічого цікавого зі світу високих технологій, підписуйтесь на наш новинний канал в Telegram. Там ви дізнаєтеся багато нового.

Фізики спочатку візуалізувалимікроскопічне простір як мозаїку з невеликих шматочків простору. Якщо збільшити їх до планківських масштабах, незмірно малих розмірів в 10-35 метра, вчені вважають, що можна побачити щось на зразок шахової дошки. А може й ні. З одного боку, така мережа ліній шахового простору буде віддавати перевагу одним направлення іншим, створюючи асиметрії, які суперечать спеціальної теорії відносності. Наприклад, світло різних кольорів буде рухатися з різною швидкістю - як в скляній призмі, яка розбиває світло на складові кольори. І хоча прояви на малих масштабах буде вельми важко помітити, порушення ОТО будуть відверто очевидними.

Термодинаміка чорних дір ставить під сумнівкартину простору у вигляді простої мозаїки. Вимірюючи теплове поведінка будь-якої системи, ви можете порахувати її частини, по крайней мере в принципі. Скиньте енергію і подивіться на термометр. Якщо стовпчик злетів, енергія повинна поширюватися на порівняно небагато молекул. Фактично, ви вимірюєте ентропію системи, яка являє собою її мікроскопічну складність.

Якщо зробити це з звичайною речовиною,кількість молекул збільшується разом з обсягом матеріалу. Так, у всякому разі, повинно бути: якщо збільшити радіус пляжного м'яча в 10 разів, всередині нього поміститься в 1000 разів більше молекул. Але якщо збільшити радіус чорної діри в 10 разів, число молекул в ній збільшиться всього в 100 раз. Число молекул, з яких вона складається, має бути пропорційним не її обсягу, а площі поверхні. Чорна діра може здаватися тривимірної, але поводиться як двовимірний об'єкт.

Цей дивний ефект отримав назвуголографічного принципу, тому що нагадує голограму, яка бачиться нам як тривимірний об'єкт, а при найближчому розгляді виявляється зображенням, зробленим двовимірної плівкою. Якщо голографічний принцип враховує мікроскопічні складові простору і його вмісту - що фізики допускають, хоч і не всі - для створення простору буде недостатньо простого сполучення найдрібніших його шматочків.

заплутані мережі

В останні роки вчені усвідомили, що в цьому всьомуповинна бути замішана квантова заплутаність. Це глибоке властивість квантової механіки, надзвичайно потужний тип зв'язку, здається набагато примітивніше простору. Наприклад, експериментатори можуть створити дві частинки, що летять в протилежні напрямки. Якщо вони будуть заплутані, вони залишаться пов'язаними незалежно від розділяє їх відстані.

Час щодо, не варто про це забувати

Традиційно, коли люди говорили про «квантової»гравітації, вони мали на увазі квантову дискретність, квантові флуктуації і всі інші квантові ефекти - але не квантову заплутаність. Все змінилося, завдяки чорних дірок. За час життя чорної діри в неї потрапляють заплутані частки, але коли чорна діра повністю випаровується, партнери за межами чорної діри залишаються заплутаними - ні з чим. «Хокингу коштувало назвати це проблемою заплутаності», говорить Самір Матура з Університету штату Огайо.

Навіть у вакуумі, де немає ніяких часток,електромагнітні та інші поля внутрішньо заплутані. Якщо виміряти поле в двох різних місця, ваші свідчення будуть незначно коливатися, але залишаться в координації. Якщо розділити область на дві частини, ці частини будуть в кореляції, а ступінь кореляції буде залежати від геометричного властивість, яке у них є: площа інтерфейсу. У 1995 році Якобсон заявив, що заплутаність забезпечує зв'язок між присутністю матерії і геометрією простору-часу - а значить, могла б пояснити і закон гравітації. «Більше заплутаності - гравітація слабкіше», говорив він.

Деякі підходи до квантової гравітації - першза все, теорія струн - розглядаю заплутаність як важливий наріжний камінь. Теорія струн застосовує голографічний принцип не тільки до чорних дірок, а й всесвіту в цілому, забезпечуючи рецепт створення простору - або, принаймні, деякої його частини. Оригінальна двовимірне простір буде служити кордоном ширшого об'ємного простору. А заплутаність буде пов'язувати об'ємний простір в єдине і безперервне ціле.

У 2009 році Марк Ван Раамсдонк з УніверситетуБританської Колумбії надав елегантне пояснення цього процесу. Припустимо, поля на кордоні не заплутані - вони утворюють пару систем поза кореляції. Вони відповідають двом окремим всесвітам, між якими немає ніякого способу зв'язку. Коли системи стають заплутаними, утворюється як би тунель, червоточина, між цими вселеними і космічні кораблі можуть між ними переміщатися. Чим вище ступінь заплутаності, тим менше довжина червоточини. Всесвіти зливаються в одну і більше не є двома окремими. «Поява великого простору-часу безпосередньо пов'язує заплутаність з цими ступенями свободи теорії поля», говорить Ван Раамсдонк. Коли ми спостерігаємо кореляції в електромагнітному і інших полях, вони є залишком зчеплення, яке пов'язує простір воєдино.

Багато інші особливості простору, крімйого пов'язаності, також можуть відображати заплутаність. Ван Раамсдонк і Брайан Свінгл, що працює в Університеті Меріленда, стверджує, що всюдисущість заплутаності пояснює універсальність гравітації - що вона впливає на всі об'єкти і проникає всюди. Що стосується чорних дір, Леонард Сасскінд і Хуан Малдасена вважають, що заплутаність між чорною дірою і що випускаються їй випромінюванням створює червоточину - чорний вхід в чорну діру. Таким чином зберігається інформація і фізика чорної діри виявляється незворотною.

Заходьте в наш спеціальний Telegram-чат. Там завжди є з ким обговорити новини зі світу високих технологій.

Хоча ці ідеї теорії струн працюють тільки для конкретних геометрій і реконструюють тільки один вимір простору, деякі вчені намагаються пояснити появу простору з нуля.

У фізиці, так і в цілому, в природничих науках,простір і час - основа для всіх теорій. Але ми ніколи не помічаємо простору-часу безпосередньо. Швидше, виводимо його існування з нашого повсякденного досвіду. Ми припускаємо, що найбільш логічним поясненням явищ, які ми бачимо, буде деякий механізм, який функціонує в просторі-часі. Але квантова гравітація говорить нам, що не всі явища ідеально вписуються в таку картину світу. Фізикам потрібно зрозуміти, що знаходиться ще глибше, таємницю простору, зворотний бік гладкого дзеркала. Якщо їм вдасться, ми закінчимо революцію, розпочату більше століття тому Ейнштейном.

Facebook Notice for EU! You need to login to view and post FB Comments!