Величайшие загадки: что этакое пространство-время?

    Люди все время принимают место как только само собой разумеющееся. Наконец, это же ординарно свободная полость — емкость для всего прочего. Время тоже тикает безпрерывно. Однако физики этакие люди, им же все время надо что-то усложнить. Часто пытаясь соединять воединыжды свои теории, они узнали, что место и время соединяются в системе так сложноватой, что стандартному человеку не осознать.

    Альберт Эйнштейн осознал, что нас ожидает, гораздо в ноябре 1916 года. Годом ранее он определил общую теорию относительности, согласно которой гравитация — это же и не сила, которая распространяется в пространстве, а уж свойство самого пространства-времени. Когда вы подбрасываете мяч в воздух, он летит по дуге и ворачивается на планету земля, так как Планета земля искривляет пространство-время вокруг себя, потому дорожки мяча и почвы пересекутся опять. В письмеце соседу Эйнштейн разглядывал задачку слияния общей теории относительности с иным собственным детищем, зарождающейся теорией квантовой механики. Однако его математических способностей ординарно и не хватало. «Как же я измучил себя сиим!», писал он.

    Эйнштейн эдак никуда не пришел тут. Даже сейчас мысль сотворения квантовой теории гравитации кажется позарез дальней. Споры скрывают важную правду: конкурентноспособные подходы все как только один рассказывают об фолиант, что место рождается кое-где поглубже — и эта мысль разламывает закоренелое за 2500 лет научное и философское представление об нем.

    Вниз по темной прорехе

    Обыкновенный магнитик на холодильнике красиво иллюстрирует неурядицу, с которой столкнулись физики. Он может приколоть бумажку и сопротивляться гравитации всей Почвы. Гравитация слабее магнетизма либо альтернативный электромагнитной либо ядерной силы. Какие бы квантовые спецэффекты за ней ни стояли, они будут слабее. Единственное ощутимое подтверждение тамошнего, что эти процессы вообщем происходят, это же пестрая картинка материи в самой ранешней Вселенной — которая, как только считают, существовала нарисована квантовыми флуктуациями гравитационного поля.

    Темные прорехи — оптимальный метод проверить квантовую гравитацию. «Это самое благоприятное, что можно определить для экспериментов», разговаривает Тед Джейкобсон из Вуза Мэриленда, Колледж-Парк. Он и альтернативные теоретики изучают темные прорехи как только теоретические точки балкы. Что происходит, когда берутся уравнения, кои безупречно ишачят в лабораторных критериях, и помещаются в самые экстремальные ситуации из мыслимых? И не покажется ли какой нить лишь только приметной огрехи?

    Общественная теория относительно предвещает, что вещество, падающее в темную прореху, нескончаемо сжимается по мере приближения к центру — математическому тупичку под заглавием сингулярность. Теоретики и не умеют вообразить линию движения объекта за пределами сингулярности; все полосы сходятся внутри нее. Даже твердить об ней, как только об месте, проблематично, так как само пространство-время, определяющее местоположенрие сингулярности, прекращает существовать. Ученые уповают, что квантовая теория может предоставить нам микроскоп, который дозволит разглядеть эту нескончаемо малую точку нескончаемой герметичности и осознать, что происходит с попадающей в нее материей.

    На границе темной прорехи вещество гораздо и не так сдавлено, гравитация слабее и, как нам понятно, все законы физики обязаны ишачить. И тем самым все больше обескураживает тамошний факт, что они и не ишачят. Темная прореха ограничена горизонтом обстоятельств, точкой невозвращения: вещество, преодолевающее горизонт обстоятельств, уже и не возвратится. Спуск необратим. Это же неполадка, так как все узнаваемые законы базовой физики, включая квантово-механические, обратимы. По последней мере, в принципе, в теории, вы обязаны иметь вероятность направить движение и нормализовать все крупицы, кои у вас были.

    С похожей головоломкой физики столкнулись в финале 1800-х, когда разглядывали арифметику «черного тела», идеализированного как только полость, наполненная электрическим излучением. Теория электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла предвещала, что этакий объект будет всасывать все излучение, которое на него ниспадает, и ни разу и не придет в равновесие с окружающей материей. «Он может поглотить нескончаемое количество тепла от резервуара, который поддерживается при константной температуре», поясняет Рафаэль Соркин из Колледжа теоретической физики Периметра в Онтарио. С термической точки зрения у него будет температура абсолютного нуля. Этот вывод противоречит наблюдениям истинных темных тел (этаких как только печь). Продолжая работу над теорией Макса Планка, Эйнштейн проявил, что темное тело может достигнуть термического равновесия, ежели энергия излучения будет поступать в дискретных единицах, либо квантах.

    Физики-теоретики практически полста лет пробовали достигнуть подобного решения для темных дыр. Покойный Стивен Хокинг из Кембриджского вуза предпринял важнейший этап посреди 70-х, применив квантовую теорию к полю излучения вокруг темных дыр и показав, что у их ненулевая температура. Как следует, они умеют не совсем только всасывать, да и источать энергию. Хотя его анализ ввентил темные прорехи в область термодинамики, он а также ухудшил неурядицу необратимости. Исходящее излучение испускается на границе темной прорехи не переносит информацию из недр. Это же произвольная термическая энергия. Ежели направить процесс и скормить эту энергию темной прорехе, ничего и не выплывет: вы ординарно получите еще более тепла. И нереально вообразить, что в темной прорехе что-то осталось, ординарно в западне, так как по мере тамошнего, как только темная прореха излучает излучение, она сокращается и, согласно анализу Хокинга, в итоге исчезает.

    Эта неполадка получила заглавие информационного феномена, так как темная прореха разрушает информацию об попавших в нее крупицах, кои вы могли бы постараться нормализовать. Ежели физика темных дыр вправду необратимо, что-то обязано выносить информацию назад, и нашу концепцию пространства-времени, может быть, придется сконфигурировать, дабы вписать сей факт.

    Атомы пространства-времени

    Тепло — это же произвольное движение микроскопичных частиц, вроде молекул газа. Так как темные прорехи умеют греться и остывать, существовало бы логично представить, что они состоят из элементов — или, ежели в общем, из микроскопичной структуры. И так как темная прореха — это же ординарно пустое место (согласно ОТО, падающая в темную прореху материя проходит сквозь горизонт обстоятельств, и не останавливаясь), части темной прорехи обязаны быть частями самого места. И под обманчивой простотой плоского пустого места прячется колоссальная сложность.

    Даже теории, кои обязаны были сохранять обычное представление об пространстве-времени, пришли к выводам, что что-то скрывается под данной гладкой поверхностью. К примеру, в финале 1970-х годов Стивен Вайнберг, ныне действующий в Техасском институте в Остине, попробовал обрисовать гравитацию эдак же, как только обрисовывают альтернативные силы природы. И узнал, что пространство-время конструктивно изменено в собственных мелких масштабах.

    Физики вначале визуализировали микроскопичное место как только мозаику из маленьких кусочков места. Ежели прирастить них перед началом планковских масштабах, неизмеримо минимальных объемов в 10-35 погонного метра, ученые полагают, что можно узреть нечто вроде шахматной доски. А уж может и нет. С одной стороны, такова паутину линий шахматного места будет предпочитать одни направления иным, создавая асимметрии, кои противоречат специальной теории относительности. К примеру, свет различных оттенков будет двигаться с разной скоростью — как только в стеклянной призме, которая разбивает свет на компоненты оттенки. И хотя проявления на минимальных масштабах будет очень тяжело заприметить, нарушения ОТО будут откровенно банальными.

    Термодинамика темных дыр ставит под колебание картинку места в образе простейший мозаики. Измеряя термическое поведение хоть какой системы, вы сможете сосчитать ее части, по последней мере в принципе. Скиньте энергию и взгляните на указатель температуры. Ежели столбик взлетел, энергия обязана распространяться на сравнимо малость молекул. Практически, вы измеряете энтропию системы, которая воображает собой ее микроскопичную сложность.

    Ежели сделать это же с обыденным раствором, количество молекул повышается наряду с объемом материала. Эдак, во всяком случае, обязано быть: ежели прирастить радиус пляжного мяча в 10 раз, снутри него поместится в 1000 раз все больше молекул. Однако ежели прирастить радиус темной прорехи в 10 раз, число молекул внутри нее умножится всего в 100 раз. Число молекул, из которых она состоит, обязано быть пропорциональным и не ее размеру, а уж площади поверхности. Темная прореха может казаться трехмерной, однако ведет себя как только двумерный объект.

    Этот странноватый спецэффект получил заглавие голографического принципа, так как припоминает голограмму, которая видится нам как только трехмерный объект, а уж при ближнем рассмотрении оказывается изображением, произведенным двумерной пленкой. Ежели голографический принцип учитывает микроскопичные компоненты места и его содержимого — что физики допускают, хоть не все — для сотворения места будет недостаточно элементарного сопряжения мелких его кусочков.

    Запутанные паутине

    В крайние годы ученые поняли, что в этом всем обязана быть замешана квантовая запутанность. Это же глубочайшее свойство квантовой механики, очень массивный тип взаимосвязи, кажется намного примитивнее места. К примеру, экспериментаторы умеют сделать две крупицы, парящие в обратные направления. Ежели они будут запутаны, они останутся связанными вне зависимости от разделяющего них расстояния.

    Классически, когда люди разговаривали об «квантовой» гравитации, они имели в образу квантовую дискретность, квантовые флуктуации и все другие квантовые спецэффекты — но и не квантовую запутанность. Все поменялось, благодаря черным прорехам. За время жизни темной прорехи в нее проникают запутанные крупицы, однако когда темная прореха целиком испаряется, партнеры за пределами темной прорехи остаются запутанными — ни с чем. «Хокингу стоило именовать это же неувязкой запутанности», разговаривает Самир Матур из Вуза штата Огайо.

    Даже в вакууме, где нет никаких частиц, электрические и альтернативные поля внутренне запутаны. Ежели измерить поле в двух различных пространства, ваши показания будут немного сомневаться, однако останутся в координации. Ежели поделить область на две части, эти части будут в корреляции, а уж степень корреляции будет зависеть от геометрического свойство, которое у их существуют: площадь интерфейса. В 1995 году Якобсон заявил, что запутанность обеспечивает взаимосвязь меж присутствием материи и геометрией пространства-времени — а означает, могла бы растолковать и закон гравитации. «Больше запутанности — гравитация слабее», рассказывал он.

    Некие подходы к квантовой гравитации — прежде всего, теория струн — рассматриваю запутанность как только важнейший краеугольный валун. Теория струн применяет голографический принцип не совсем только к черным прорехам, да и вселенной в целом, обеспечивая рецепт сотворения места — или, по последней мере, некой его части. Оригинальное двумерное место будет служить границей наиболее необъятного большого места. А уж запутанность будет связывать объемное место в единое и непрерывное целое.

    В 2009 году Марк Ван Раамсдонк из Вуза Английской Колумбии предоставил стильное разъяснение этому процессу. Представим, поля на границе и не запутаны — они образуют пару систем вне корреляции. Они соответствуют двум отдельным вселенным, меж которыми нет никакого метода взаимосвязи. Когда системы стают запутанными, появляется вроде бы туннель, червоточина, меж этими вселенными и галлактические корабли умеют меж ними передвигаться. Чем свыше степень запутанности, тем самым все меньше длина червоточины. Вселенные соединяются в одну и все больше и не являются двумя отдельными. «Появление немалого пространства-времени впрямую связывает запутанность с этими степенями свободы теории поля», разговаривает Ван Раамсдонк. Когда мы смотрим корреляции в электрическом и остальных полях, они являются остатком сцепления, которое связывает место воедино.

    Почти все альтернативные индивидуальности места, кроме его связанности, а также умеют отражать запутанность. Ван Раамсдонк и Брайан Свингл, действующий в Институте Мэриленда, утверждает, что вездесущность запутанности поясняет универсальность гравитации — что она повлияет на все про все объекты и просачивается всюду. Что касается темных дыр, Леонард Сасскинд и Хуан Малдасена полагают, что запутанность меж темной прорехой и испускаемым ей же излучением образовывает червоточину — черный вход в темную прореху. Таким макаром сохраняется информация и физика темной прорехи оказывается необратимой.

    Хотя эти идеи теории струн ишачят лишь для заядлых геометрий и реконструируют лишь одно измерение места, некие ученые пробуют растолковать возникновение места с нуля.

    В физике, но и в целом, в естественных науках, место и время — база для любых теорий. Однако мы ни разу и не замечаем пространства-времени впрямую. Быстрее, выводим его существование из нашего ежедневного эксперимента. Мы предполагаем, что более логичным разъяснением явлений, кои мы лицезреем, будет некий механизм, который работает в пространстве-времени. Однако квантовая гравитация разговаривает нам, что и не все явления безупречно вписываются в этакую картинку мира. Физикам надо осознать, что присутствует гораздо поглубже, подноготную места, противоположную сторону гладкого зеркала. Ежели им же получится, мы закончим революцию, начатую все больше века обратно Эйнштейном.