Het grootste raadsel: wat is de ruimte-tijd?

Mensen nemen altijd ruimte voor verleend. Op het einde, het is gewoon een leegte - container voor alles. Er wordt ook tijd continu tikt. Maar natuurkundigen zijn zulke mensen, ze altijd iets te compliceren nodig. Regelmatig proberen om hun theorie te combineren, vonden ze dat ruimte en tijd samen te voegen in een systeem zo ingewikkeld dat de gemiddelde persoon en niet begrijpen.

Het grootste raadsel: wat is de ruimte-tijd?

Albert Einstein realiseerde zich dat wij wachten, in november 1916. Een jaar eerder formuleerde hij de algemene relativiteitstheorie, volgens welke de zwaartekracht - het is niet de kracht die door de ruimte en eigendom van tijdruimte reist. Wanneer je de bal in de lucht gooien, vliegt hij in een boog en keert terug naar de grond, omdat de aarde krommingen ruimte-tijd om hen heen, zodat de baan van de bal en de grond zullen opnieuw kruisen. In een brief aan een vriend, Einstein beschouwd als het probleem van het samenvoegen van de algemene relativiteitstheorie met zijn andere kind, een opkomende theorie van de kwantummechanica. Maar zijn wiskundige vaardigheden is gewoon niet genoeg. "Hoe ben ik gekweld mezelf dat!" Hij schreef.

Einstein dus overal en kwam niet in dit verband. Zelfs vandaag de dag, het idee van een kwantumtheorie van de zwaartekracht lijkt erg ver weg. Geschillen verbergen belangrijke waarheid: concurrerende benadert een en al zeggen dat de ruimte ergens dieper geboren - en dit idee breekt geregeld voor 2500 jaar de wetenschappelijke en filosofische begrip ervan.

een zwart gat

Gewone magneet op de koelkast een perfecte illustratie van het probleem van de natuurkunde. Hij kan een stuk papier pen en tegen de zwaartekracht van de gehele aarde. Gravity zwakkere magnetisme of andere elektrische of kernenergie. Wat ook de quantum-effecten ervan niet waren, zullen ze zwakker zijn. Het enige tastbare bewijs dat deze processen in het algemeen voordoen, deze gemengde beeld van de materie in de zeer vroege heelal - die wordt verondersteld te zijn geschilderd door quantum fluctuaties van het zwaartekrachtveld. Zwarte gaten - de beste manier om kwantumgravitatie testen. "Het is een goede die gevonden kunnen worden voor de experimenten", zegt Ted Jacobson van de Universiteit van Maryland, College Park. Hij en andere theoretici bestuderen van zwarte gaten zijn theoretisch draaipunt. Wat gebeurt er als de vergelijkingen worden genomen die perfect werken in het laboratorium, en in de meest extreme situaties denkbaar? Doe wat nauwelijks waarneembare vlekken verschijnen?

De algemene relativiteitstheorie voorspelt dat betreft vallen in een zwart gat, oneindig gecomprimeerd bij het naderen van het centrum - wiskundige steegje genaamd een singulariteit. Theoretici kan voorstellen dat de baan van een object buiten de singulariteit; Alle lijnen komen samen in het. Zelfs van te spreken als een plek, is problematisch, omdat de zeer ruimte-tijd, het bepalen van mestopolozhenrie singulariteit ophoudt te bestaan. Wetenschappers hopen dat de kwantumtheorie kan ons met een microscoop, die het mogelijk maakt om het oneindig klein punt van oneindige dichtheid te overwegen en te begrijpen wat er gaande is aan de materie die in het valt.

Op de grens van het zwarte gat materie niet zo vernauwd, zwaartekracht zwakker is en, voor zover wij weten, moeten alle wetten van de natuurkunde werken. En hoe meer ontmoedigd door het feit dat ze niet werken. Het zwarte gat event horizon is beperkt, een point of no return: de stof, het overwinnen van de event horizon, zal niet terugkeren. De afdaling is onomkeerbaar. Dit is een probleem omdat de bekende wetten van de fundamentele fysica, inbegrip kwantummechanische omkeerbaar. Althans in beginsel, in theorie, moet u in staat om bezoekers aan te trekken en het herstel van alle deeltjes die je hebt gehad. Met een soortgelijke puzzel natuurkunde aangetroffen in de late 1800's, wanneer deze worden beschouwd wiskunde "zwart lichaam" geïdealiseerd als een holte gevuld met elektromagnetische straling. Elektromagnetische theorie van James Clerk Maxwell voorspelde dat een dergelijk object de straling die er op valt zal absorberen, en zal nooit tot evenwicht met de omringende materie. "Het kan oneindig veel warmte uit de tank, die op een constante temperatuur wordt gehouden absorberen" legt Rafael Sorkin van het Institute for Theoretical Physics Perimeter Ontario. Met de thermische oogpunt, is de temperatuur van het absolute nulpunt. Deze conclusie tegenspraak met de opmerkingen van het zwarte lichaam (zoals een oven). Voortzetting van de werkzaamheden op de theorie van Max Planck, Einstein toonde aan dat het zwarte lichaam thermisch evenwicht kan bereiken, als de stralingsenergie zal komen in afzonderlijke eenheden of quanta.

Theoretisch natuurkundigen hebben geprobeerd bijna een halve eeuw een dergelijke oplossing voor de zwarte gaten te bereiken. De late Stephen Hawking van de universiteit van Cambridge heeft een belangrijke stap in het midden van de jaren '70 genomen, de toepassing van de kwantumtheorie om het stralingsveld rond zwarte gaten en laten zien dat ze een niet-nul temperatuur. Zij kunnen dus niet alleen absorberen, maar ook energie uitstralen. Hoewel zijn analyse geschroefd zwarte gat thermodynamica van de omgeving, maar ook verergerd het probleem van onomkeerbaarheid. Uitgaande straling wordt uitgezonden op de grens van het zwarte gat en draagt ​​de informatie uit de ingewanden. Deze willekeurige thermische energie. Als u het proces om te keren en om deze energie zwarte gat voeden, niets opduikt: krijg je alleen maar nog meer warmte. En het is onmogelijk voor te stellen dat een zwart gat iets overblijft, alleen in een val, omdat in zoverre als zwarte gat zendt straling wordt gereduceerd en, volgens een analyse Hawking uiteindelijk verdwijnt. Dit probleem wordt de informatie paradox genoemd, omdat een zwart gat vernietigt informatie over de deeltjes gevangen in het, zou je kunnen proberen om te herstellen. Als de fysica van zwarte gaten echt onomkeerbaar, moet iets van de informatie terug te gaan, en onze ruimte-tijd concept, kan moeten veranderen om dit feit te passen.

De atomen van de ruimte-tijd

Hitte - deze willekeurige beweging van microscopisch kleine deeltjes zoals gasmoleculen. Aangezien zwarte gaten kunnen opwarmen en afkoelen, kan redelijkerwijs worden aangenomen dat zij bestaan ​​uit delen - of in het algemeen van de microscopische structuur. En als zwart gat - het is enkel een lege ruimte (volgens GR, dat in een zwart gat materie passeert de horizon, zonder te stoppen), een deel van de zwarte gaten moeten passen in de ruimte zelf. En onder de bedrieglijke eenvoud van een platte lege ruimte schuilt een enorme complexiteit.

Zelfs theorieën die werden verondersteld om de traditionele concept van de ruimte-tijd bij te houden, kwam tot de conclusie dat er iets te verbergen onder deze glad oppervlak. Bijvoorbeeld, in de late jaren 1970, Steven Weinberg, nu aan de Universiteit van Texas in Austin, geprobeerd om de zwaartekracht te beschrijven op dezelfde manier zoals beschreven door de andere krachten van de natuur. En het bleek dat de ruimte-tijd ingrijpend gewijzigd in de kleinste schaal.

Natuurkundigen oorspronkelijk gevisualiseerd microscopisch kleine ruimte als een mozaïek van kleine stukjes van de ruimte. Als je ze te verhogen tot de Planck schaal, onmeetbaar klein formaat van 10 -35 meter, de wetenschappers geloven dat het mogelijk is om een ​​soort schaakbord te zien. En misschien ook niet. Enerzijds, wordt een dergelijk netwerk schaken ruimtelijnen andere richting de voorkeur, waardoor asymmetrie, die de speciale relativiteitstheorie tegenspraak. Bijvoorbeeld zullen verschillende kleuren licht bewegen met verschillende snelheden - in een glazen prisma, die licht splitst in zijn samenstellende kleuren. Hoewel manifestaties op kleine schaal zeer moeilijk op te merken zou zijn, schending van de algemene relativiteitstheorie zijn openlijk zichtbaar. Zwart gat thermodynamica vraagtekens bij de beeldruimte als een eenvoudige mozaïek. Door het meten van het thermische gedrag van een systeem, kan het aantal onderdelen, althans in principe. Reset de energie en kijk naar de thermometer. Als de kolom trok, moet de energie worden toegepast op relatief weinig moleculen. In feite is de entropie van het systeem, dat is een microscopisch zijn complexiteit te meten u.

Als dit gebeurt met gewone materie, het aantal moleculen toeneemt met het volume van het materiaal. Dus in ieder geval moet zijn: als toenemende straal strandbal 10 keer, zal het passen in een 1000 maal meer moleculen. Maar als je de straal van het zwarte gat 10 keer te verhogen, het aantal moleculen in het gewoon 100 keer vermenigvuldigd. Het aantal moleculen waaruit het bestaat niet evenredig is met het volume en oppervlaktegebied. Het zwarte gat kan verschijnen drie-dimensionale, maar gedraagt ​​zich als een tweedimensionaal object.

Deze vreemde effect staat bekend als het holografisch universum, omdat het lijkt op een hologram dat aan ons verschijnt als een driedimensionaal object, maar bij nadere beschouwing blijkt een beeld gevormd door een tweedimensionaal film. Als het holografisch principe houdt rekening met de microscopische componenten van de ruimte en de inhoud ervan - die natuurkundigen toegeven, maar niet alle - om een ​​ruimte te creëren zal niet voldoende om alleen het koppelen van de mooiste van zijn stukken zijn.

De ingewikkelde netwerken

In de afgelopen jaren hebben wetenschappers dat dit moet allemaal worden betrokken quantum entanglement gerealiseerd. Dit is een grote eigenschap van de quantummechanica is een zeer krachtige vorm van communicatie lijkt te veel primitiever ruimte. Bijvoorbeeld kunnen de onderzoekers twee deeltjes bewegen in tegengestelde richtingen te creëren. Als ze in de war, blijven ze verbonden zijn, ongeacht de afstand die hen scheidt. Traditioneel, wanneer mensen sprak over de "quantum" van de zwaartekracht, dat ze een quantum discontinuïteit, de quantum fluctuaties en alle andere quantum-effecten - maar niet de quantum entanglement. Dat veranderde allemaal dankzij de zwarte gaten. Gedurende de levensduur van een zwart gat erin verstrikt raken deeltjes, maar als het zwarte gat volledig is verdampt, worden partners buiten het zwarte gat verstrikt - met niets. "Hawking kosten te noemen het een probleem van verstrengeling", zegt Samir Mathur van Ohio State University.

Zelfs in het vacuüm, waarbij geen deeltjes, en andere elektromagnetische velden intern verward. Als de gemeten veld op twee verschillende plaatsen, zal uw lezingen enigszins variëren, maar in de coördinatie zal blijven. Als we het gebied te verdelen in twee delen, zijn deze onderdelen gecorreleerd, en de correlatie mate zal afhangen van de geometrische eigenschap dat ze hebben: de interface gebied. In 1995, Jacobson zei dat de verstrengeling vormt de verbinding tussen de aanwezigheid van materie en ruimte-tijd geometrie - en dus zou de wet van de zwaartekracht uit te leggen. "Meer verwarring - zwaartekracht zwakker is," zei hij.

Sommige benaderingen van quantum zwaartekracht - in de eerste plaats, de snaartheorie - gezien de verwarring als een belangrijke pijler. Snaartheorie holografisch principe geldt niet alleen voor zwarte gaten, maar het universum als geheel, die een recept voor het maken van een ruimte - of op zijn minst een deel ervan. De oorspronkelijke tweedimensionale ruimte wordt de begrenzing van een groter volume van ruimte. Een verwarring zal het volume ruimte en in één enkele ononderbroken geheel te associëren.

In 2009 heeft Mark Van Raamsdonk van de University of British Columbia een elegante verklaring van dit proces verstrekt. Stel, op de grens van het veld niet in de war - ze vormen een paar van de systemen is een correlatie. Zij corresponderen met twee afzonderlijke werelden, waartussen geen communicatie. Als systeem verstrikt, gevormd als een tunnel wormgat tussen universes ruimteschepen en beweegbaar is tussen hen. De hogere mate van verstrengeling, hoe korter de lengte van wormgaten. Heelal fuseren tot één en niet meer twee gescheiden. "De opkomst van een grote ruimte-tijd direct verbindt betrokkenheid bij deze vrijheidsgraden van het veld theorie", zegt Van Raamsdonk. Toen we de correlatie in de elektromagnetische en andere gebieden te observeren, ze zijn het overblijfsel van de koppeling, die de ruimte met elkaar verbindt. Vele andere kenmerken van het gebied, in aanvulling op de connectiviteit, kan ook reflecteren verwarring. Van Raamsdonk Svingl en Brian, die werkt aan de Universiteit van Maryland, stelt dat de alomtegenwoordigheid verklaart de fijne kneepjes van de universele zwaartekracht - het invloed op alle objecten en dringt overal. Met betrekking tot het zwarte gat, Leonard Susskind en Juan Maldacena geloven dat de verwarring tussen het zwarte gat en het uitgezonden straling creëert een wormhole - de achterdeur in een zwart gat. Op deze wijze zijn opgeslagen, en de fysica van het zwarte gat is onomkeerbaar.

Hoewel deze ideeën van de snaartheorie werkt alleen voor bepaalde geometrieën en reconstrueren slechts één dimensie van de ruimte, zijn sommige wetenschappers proberen om het uiterlijk van de ruimte van de grond af te leggen.

In de natuurkunde, en in het algemeen, in de wetenschap, ruimte en tijd - de basis voor alle theorieën. Maar we nooit let op de ruimte-tijd direct. In plaats daarvan afleiden we het bestaan ​​ervan uit onze dagelijkse ervaring. We nemen aan dat de meest logische verklaring voor de verschijnselen die we zien, is er een mechanisme dat functioneert in de ruimte-tijd. Maar quantumernst vertelt ons dat niet alle gebeurtenissen zijn bij uitstek geschikt om deze foto van de wereld. Natuurkundigen moeten begrijpen wat nog dieper in het verhaal van de ruimte, de keerzijde van een gladde spiegel. Als ze daarin slagen, zullen we de revolutie die meer dan een eeuw geleden gestart zijn door Einstein af te maken.