"Vanem kamraadina pean teid sellest tegevusest heitma, sest esiteks ei õnnestu teil see tegevus ja isegi kui see õnnestub, ei usu teid keegi nagunii"
Max Plancki kirjast Albert Einsteinile seoses Einsteini katsega lahendada erirelatiivsusteooria ja Newtoni gravitatsiooni vastuolu
Iidsetest aegadest alates on inimkonda alati köitnud ruumi (taevas) ja aja (algus, muutus ja lõpp) mõisted. Varased mõtlejad, alustades Gautama Buddhast, Lao Tzu ja Aristotelesest, tegelesid nende mõistetega aktiivselt. Sajandite jooksul on nende mõtlejate arutluskäikude sisu inimteadvuses kristalliseerunud need vaimsed kujundid, mida me nüüd oma igapäevaelus kasutame. Me mõtleme kosmosest kui meid ümbritsevast kolmemõõtmelisest pidevusest. Me esindame aega kui mis tahes protsessi kestust, mida füüsilises universumis tegutsevad jõud ei mõjuta. Ja koos moodustavad nad lava, millel areneb kogu interaktsioonidraama, mille näitlejateks on kõik muu - tähed ja planeedid, väljad ja mateeria, sina ja mina.
Üle tuhande aasta on neli Aristotelese kirjutatud füüsikaraamatut andnud aluse loodusteadustele. Kui Herakleitos uskus, et Universum on lõputult arenenud ja kõik selles olevad protsessid ei alanud ega lõpe kunagi, õpetas Parmenides, et liikumise kontseptsioon on kokkusobimatu sellega, kes on Üks, Pidev ja Igavene. Aristoteles lõi mõlemad need ideed oma kosmogoonilisse süsteemi. Kõik muutused olid nüüd seotud Maa ja Kuuga, kuna need muutused olid ilmsed. Muutmatus kandus teistele planeetidele, päikesele ja tähtedele, sest need olid ilusad, muutumatud ja igavesed. Kaasaegses keeles võib väita, et Aristoteles tegutses absoluutse ajaga, absoluutse struktuuriga ruum ja seda kõike pakkus muutuv Maa. Need kontseptsioonid on aluseks tõelisele tolleaegsele maailma tajumisele ja kirjeldamisele, mida Isaac Newton õppis aastatel 1661–1665 Cambridge’i õpilasena.
20 aastat hiljem kukutas Newton need sajanditevanused dogmad. Avaldades oma nägemuse meid ümbritsevast maailmast aastal 1686, andis ta uue arusaama meid ümbritsevast universumist. Tema põhimõtete kohaselt osutus aeg aknalauaks, mis asendas mõõtmetega kontiinumi. See oli endiselt absoluutne ja kõigi vaatlejate jaoks sama. Kõik samaaegsed sündmused moodustasid ruumilise ruumilise kontiinumi. Seega kadus tema mõttekäigus ruumi absoluutne struktuur. Tänu Koperniku õppetundidele eemaldati Maa universumi privilegeeritud positsioonilt. Galilea suhtelisus viis kõik inertsiaalsed vaatlejad matemaatilise täpsusega ühele füüsilisele platvormile. Newtoni põhimõtted hävitasid aristotelese õigeusu, kaotades vahe taeva ja maa vahel. Taevas polnud enam endine. Esimest korda füüsikas tekkisid universaalsed põhimõtted. Maa peale kukkunud õun ja orbiidil ümber päikese liikuvad planeedid allusid nüüd samadele seadustele. Taevas ei olnud enam nii salapärane, kui allus inimmeele teadlikkusele. Juba 1700. aastate alguses hakkasid Suurbritannia kuningliku seltsi kuulamistel ilmuma teosed, mis ennustasid mitte ainult Jupiteri, vaid ka tema kuude liikumist! Pole üllatav, et tol ajal täitus suhtumine Newtonisse lisaks skepsisele, vaid ka hirmule ja seda mitte ainult mitteprofessionaalide, vaid ka Euroopa juhtiva intelligendi poolt. Näiteks markii de L'Hôpital, kes on tänapäeva tudengitele tuntud piiride arvutamise reegli poolest,kirjutas Prantsusmaalt John Arbuthnotile Inglismaal Newtoni ja tema põhimõtete kohta järgmiselt:
- Mu Jumal! Millised teadmiste alused meile selles raamatus ilmuvad? Kas ta sööb, joob ja magab? Kas teised mehed on tema moodi?
Nagu Richard Westfold oma väga lugupeetud Newtoni Never Alone biograafias ütles:
- Kuni 1687. aastani polnud Newton vaevalt kuulus inimene filosoofilistes ringkondades. Kuid miski ei valmistanud loodusfilosoofia maailma ette selle põhimõtete tekkeks. Põhimõtted, mis said pöördepunktiks Newtonile endale, kes pärast kahekümneaastast uurimistööd lõpuks järgis saavutusest saavutuseni. Põhimõtted, millest sai loodusfilosoofia pöördepunkt.
Reklaamvideo:
Newtoni põhimõtted muutusid uueks õigeusuks ja valitsesid kõrgeimana üle 150 aasta. Esimene väljakutse Newtoni arusaamisele maailmast heideti täiesti ootamatusse füüsika valdkonda ja see oli seotud elektromagnetiliste nähtuste mõistmise arenguga. 19. sajandi keskel saavutas Šoti füüsik James Clark Maxwell hämmastava sünteesi kõigist selles valdkonnas kogunenud teadmistest, kirjutades üles oma neli kuulsat vektorvõrrandit. Need võrrandid võimaldasid veelgi mõista valguse kiiruse erilist tähtsust. Kuid tol ajal oli seda võimatu mõista. Koostoime absoluutne ülekandekiirus oli selgelt vastuolus Galilei relatiivsusteooria põhimõttega, mis oli Newtoni aegruumi mudeli nurgakivi. Selleks ajaks uskus enamik füüsikuid tingimusteta Newtoni maailma tõde ja jõudis seetõttu järeldusele, et Maxwelli võrrandeid saab täita ainult teatud keskkonnas, mida nimetatakse eetriks. Kuid selliseid väiteid tehes pöördusid nad tahtmatult tagasi Aristotelese juurde, kes väitis, et kosmose absoluutne struktuur on loodusele omane. Ja selles seisundis kestis see probleem umbes 50 aastat.
Ja nüüd avaldab 26-aastane Albert Einstein oma kuulsa teose "Liikuva meedia elektrodünaamikast". Selles töös aktsepteeris Einstein Maxwelli võrrandites sisalduvate konstantide väärtuse tõesust ja näitas lihtsaid mõttekatseid kasutades selgelt, et valguse kiirus on universaalne konstant, mis kehtib kõigi inertsiaalsete vaatlejate jaoks. Ta näitas, et absoluutse füüsilise üheaegsuse mõiste ei ole vastuvõetav. Ruumiliselt eraldatud sündmused, mis tunduvad ühele vaatlejale samaaegsed, ei ole nii teise vaatleja jaoks, kes liigub esimese suhtes ühtlase kiirusega.
Selgus, et Newtoni aegruumi mudel saab olla ainult ligikaudne väärtus, mis kehtib juhul, kui arvestatavad kiirused on palju väiksemad kui valguskiirused. Kujunenud on aegruumi uus mudel, mis sisaldab uut suhtelisuse printsiipi, mida nimetatakse spetsiaalseks relatiivsusteooriaks. Sellel teoorial oli omal ajal revolutsiooniline tähendus. Tema sõnul on aeg kaotanud füüsikas absoluutse positsiooni. Neljamõõtmeline aegruumi pidevus on muutunud absoluutseks. Nelja mõõtmelise aegruumi kaugused sündmuste vahel on hästi määratletud, kuid ainult ajaline või ainult sündmuste vaheline ruumiline intervall hakkas sõltuma võrdlusraami valikust, see tähendab ühe vaatleja liikumise kiirusest teise suhtes. Uus teooria andis ebatavalisi ja suurejoonelisi ennustusi,mida oli tol ajal raske tajuda. Energia ja mass kaotasid oma ainulaadsuse ja neid sai muundada üksteiseks vastavalt tuntud valemile E = mc2. Siinkohal tuleb märkida, et see suhe ilmus esmakordselt 1895. aastal Pariisi filosoofilises ajakirjas ilmunud Henri Poincaré teoses "Aja mõõtmisest" ja ei pälvinud seetõttu füüsikute tähelepanu, kuid oma praeguse tähenduse omandas see pärast Einsteini tööd. Kujutage ette, kuidas gramm ainet sisaldav energia võib aastaks kogu linna valgustada. Kaksik, kes oli jätnud õe Maale ja liikunud kosmoselaevas valguskiirusele lähedase kiirusega, naaseb tagasi ja leiab, et tema õde oli võrdluseks mitu aastakümmet vananenud. Nii ootamatud olid need ennustused, mille vastu väitsid paljud juhtivate ülikoolide teadlasedet antud teooria ei saa olla elujõuline. Kuid nad kõik eksisid. Maal töötavad tuumareaktorid ja tähed säravad taevas, muundades massi energiaks, mis vastab täpselt valemile E = mc2. Suure energiaga laborites elavad peaaegu valguskiirusele kiirendatud ebastabiilsed osakesed kümneid ja sadu kordi kauem kui nende maa peal puhkavad kolleegid.
Vaatamata SRT revolutsioonilisele olemusele jäi aegruumi üks aspekt siiski aristoteleseks. See jäi kõigi sündmuste passiivseks areeniks, lõuendiks, millele Universumi liikumapanevad jõud oma pildi maalivad. 19. sajandi keskel said matemaatikud aru, et Euclidi geomeetria, mida me kõik koolis õppisime, on üks võimalikest geomeetriatest. See viis idee, mille kõige selgemini sõnastas Richard Riemann 1854. aastal. Ta ütles, et füüsilise ruumi geomeetria ei pruugi kuuletuda Euclidi aksioomidele, kuid võib olla kõver aine olemasolu tõttu Universumis. Tema ideedes lakkas ruum olemast passiivne ja aine muutis seda. Kulus veel 61 aastat, et see idee oleks nõutud.
Nii suur sündmus oli Einsteini 1915. aastal avaldatud tema üldrelatiivsusteooria. Selles teoorias sai aegruum neljamõõtmelise kontiinumi vormi. Selle kontiinumi geomeetria on kõver ja kumerusaste simuleerib gravitatsioonivälju kontiinumis endas. Ruumi-aeg on lakanud olemast inertne. See toimib mateerias ja mateeria toimib selle järgi. Nagu ütles kuulus Ameerika füüsik John Wheeler:
- Mateeria räägib aegruumist, kuidas painutada, ja aegruum, kuidas liikuda.
Kosmilises tantsus pole enam pealtvaatajaid, pole tausta, millel kõik sündmused arenevad. Stseen ise liitus koosseisuga. See on põhjalik maailmavaate muutus. Kuna kõik füüsilised süsteemid asuvad aegruumis, raputas selline väljavaadete muutus kõik loodusfilosoofia alused. Füüsikutel kulus selle teooria paljude rakendustega leppimiseks mitu aastakümmet ja filosoofid leppisid uue arusaamaga maailmast, mis kasvas välja üldrelatiivsusteooriast.
2. Raskusjõud on geomeetria
Tundub, nagu oleks meid tõest eraldav müür varisenud. Laiemad ruumid ja põhjatu sügavus avanesid silmale teadmisi otsides - valdkondadest, millest meil polnud aimugi”
Hermann Weil "Üldrelatiivsusteooria"
Võib arvata, et oma teose kirjutamisel inspireeris Einsteini ilmselt kaks üsna lihtsat fakti. Esiteks raskusjõu universaalsus, mida Galileo demonstreeris oma kuulsates katsetustes Pisa tornil. Raskusjõud on universaalne, kuna tornist kukkusid kõik kehad võrdselt, kui neile mõjuks ainult gravitatsioonijõud. Teiseks avaldub gravitatsioon alati atraktsioonina. Selle omadus eristab seda tugevalt näiteks elektrostaatilisest jõust, mida vormis kirjeldab sama seadus kui universaalse gravitatsiooni seadus ja mis avaldub sõltuvalt vastastikku toimivate laengute tüübist ning ligitõmbamise ja tõrjumisena. Selle tulemusena saab elektrostaatilist jõudu varjestada ja on piisavalt lihtne luua alasid, kus see ei toimi.gravitatsiooni põhimõtteliselt kontrollida ei saa. Seega on gravitatsioon kõikjal olemas ja mõjub kõigile kehadele ühtemoodi. Need kaks fakti räägivad tugevast erinevusest gravitatsiooni ja muude fundamentaalsete vastasmõjude vahel ning viitavad sellele, et gravitatsioon on millegi sügavama ja universaalsema ilming. Kuna ka aegruum on üldlevinud ja universaalne, soovitas Einstein, et gravitatsioon avaldub mitte jõu, vaid aegruumi geomeetria kõverusena. Ruumi-aeg üldises relatiivsusteoorias on vormitav ja seda saab modelleerida kahemõõtmelise kummist lehega, mille massiivsed kehad painutavad. Näiteks painutab päike raskena aegruumi. Planeetid, nagu kõik Maa peale langevad kehad, liiguvad mööda “sirgeid” trajektoore, kuid ainult kõvera geomeetrias. Täpses matemaatilises mõttes lähevad nad kõige lühemat teed, mida nimetatakse geodeetilisteks joonteks - need on Eukleidi tasapinnalise geomeetria sirgjoonte üldistused Riemanni kõvera geomeetriaga. Niisiis, kui arvestada näiteks kõverat aegruumi, valib Maa sellises ruumis optimaalse trajektoori, mis on sirge täielik analoog. Kuid kuna aegruum on kõver, on Eukleidi ja Newtoni tasasele ruumile ulatuvas projektis see trajektoor elliptiline.kuna aegruum on kõver, siis on Euclidi ja Newtoni tasasele ruumile ulatuvas projektsioonis see trajektoor elliptiline.kuna aegruum on kõver, siis on Euclidi ja Newtoni tasasele ruumile ulatuvas projektsioonis see trajektoor elliptiline.
Üldise relatiivsusteooria külgetõmme seisneb selles, et see muutis elegantse matemaatika abil need kontseptuaalselt lihtsad ideed konkreetseteks võrranditeks ja kasutab neid võrrandeid füüsilise reaalsuse olemuse hämmastavate ennustuste tegemiseks. Ta ennustab, et kell peaks Katmandus töötama kiiremini kui Jaltas. Galaktilised tuumad peaksid käituma nagu hiiglaslikud gravitatsiooniläätsed ja näitama meile kaugete kvasaride suurejoonelisi, mitmekordseid pilte. Kaks neutronitähte, mis pöörlevad ühise keskme ümber, peaksid kaotama energia kõvera aegruumi lainetuste tõttu, mis on põhjustatud nende spiraalsest liikumisest, koondudes ühtseks keskuseks, millele järgneb nende kokkupõrge. Viimastel aastatel on nende ja veelgi eksootilisemate ennustuste testimiseks läbi viidud palju katseid. Ja iga kord võitis üldrelatiivsusteooria. Mõne katse täpsus ületas elektromagnetvälja kvandi tuvastamise legendaarsete katsete täpsust. See kontseptuaalse sügavuse, matemaatilise elegantsi ja vaatlusedu kombinatsioon on enneolematu. Sellepärast peetakse üldist relatiivsusteooriat ühelt poolt üheks kõige kõrgemaks füüsikaliseks teooriaks ja teisest küljest tekitab see märkimisväärset huvi kui mitmesuguse ja mitte alati professionaalse kriitika objekti.miks peetakse üldist relatiivsusteooriat ühelt poolt üheks kõige kõrgemaks füüsikaliseks teooriaks ja teiselt poolt äratatakse märkimisväärset huvi kui igasuguse ja mitte alati professionaalse kriitika objekti.miks peetakse üldist relatiivsusteooriat ühelt poolt üheks kõige kõrgemaks füüsikaliseks teooriaks ja teiselt poolt äratatakse märkimisväärset huvi kui igasuguse ja mitte alati professionaalse kriitika objekti.
3. Suur pauk ja mustad augud
„Füüsikud on suurepäraselt hakkama saanud, kuid nad on näidanud intuitsiooni piiratust, ilma matemaatika abita. Nad leidsid, et looduse mõistmine on väga keeruline. Teaduse arengu eest tuli tasuda halvustava tõdemusega, et reaalsus ehitati üles nii, et inimese taju seda hõlpsasti ei haaraks”
Edward O. Wilson „Juhus. Teadmiste ühtsus"
Üldise relatiivsusteooria tulekuga algas tänapäeva kosmoloogia ajastu. Väga suures ulatuses näib meid ümbritsev universum homogeenne ja isotroopne. See vaade on Koperniku printsiibi suurim realiseerimine: meie universumis pole valitud punkte ega valitud suunda. 1922. aastal näitas vene matemaatik Aleksander Fridman Einsteini võrrandeid kasutades, et selline universum ei saa olla staatiline. See peab kas laienema või kokku kukkuma. 1929. aastal avastas Ameerika astronoom Edwin Hubble, et universum tõepoolest laienes. See asjaolu tähendab omakorda, et sellel protsessil peab olema algus, kus gravitatsiooni tihedus ja vastavalt aegruumi kõverus peavad olema lõpmata suured. Tekkis Suure Paugu kontseptsioon. Ettevaatlik vaatlus,eriti viimase 20 aasta jooksul, on näidanud, et see sündmus leidis aset tõenäoliselt 14 miljardit aastat tagasi. Sellest ajast alates on galaktikad üksteisest kaugenenud ja keskmine raskusjõud on pidevalt langenud. Kombineerides oma teadmised üldrelatiivsusteooria ja labori füüsikaga, saame teha palju üksikasjalikke ennustusi. Näiteks saame arvutada valguse elementide suhtelise hulga, mille tuumad tekkisid plahvatuse järgsel esimesel kolmel minutil (vt näiteks siin). Me võime ennustada esmase kiirguse olemasolu ja omadusi (reliikvia mikrolaineahi), mis eraldus universumi umbes 400 000 aasta vanusena. Ja võime öelda, et esimesed galaktikad tekkisid siis, kui universum oli miljard aastat vana. Hämmastav ajavahemik ja nähtuste mitmekesisus!toimus 14 miljardit aastat tagasi. Sellest ajast alates on galaktikad üksteisest kaugenenud ja keskmine raskusjõud on pidevalt langenud. Kombineerides oma teadmised üldrelatiivsusteooria ja labori füüsikaga, saame teha palju üksikasjalikke ennustusi. Näiteks saame arvutada valguse elementide suhtelise hulga, mille tuumad tekkisid plahvatuse järgsel esimesel kolmel minutil (vt näiteks siin). Me võime ennustada primaarkiirguse olemasolu (omadused mikrolaineahju taustal), mis eraldus universumi umbes 400 000 aasta vanuselt. Ja võime öelda, et esimesed galaktikad tekkisid siis, kui universum oli miljard aastat vana. Hämmastav ajavahemik ja nähtuste mitmekesisus!toimus 14 miljardit aastat tagasi. Sellest ajast alates on galaktikad üksteisest kaugenenud ja keskmine raskusjõud on pidevalt langenud. Kombineerides oma teadmised üldrelatiivsusteooria ja labori füüsikaga, saame teha palju üksikasjalikke ennustusi. Näiteks saame arvutada valguse elementide suhtelise hulga, mille tuumad tekkisid plahvatuse järgsel esimesel kolmel minutil (vt näiteks siin). Me võime ennustada primaarkiirguse olemasolu (omadused mikrolaineahju taustal), mis eraldus universumi umbes 400 000 aasta vanuselt. Ja võime öelda, et esimesed galaktikad tekkisid siis, kui universum oli miljard aastat vana. Hämmastav ajavahemik ja nähtuste mitmekesisus!Kombineerides oma teadmised üldrelatiivsusteooria ja labori füüsikaga, saame teha palju üksikasjalikke ennustusi. Näiteks saame arvutada valguse elementide suhtelise hulga, mille tuumad tekkisid plahvatuse järgsel esimesel kolmel minutil (vt näiteks siin). Me võime ennustada primaarkiirguse olemasolu (omadused mikrolaineahju taustal), mis eraldus universumi umbes 400 000 aasta vanuselt. Ja võime öelda, et esimesed galaktikad tekkisid siis, kui universum oli miljard aastat vana. Hämmastav ajavahemik ja nähtuste mitmekesisus!Kombineerides oma teadmised üldrelatiivsusteooria ja labori füüsikaga, saame teha palju üksikasjalikke ennustusi. Näiteks saame arvutada valguse elementide suhtelise hulga, mille tuumad tekkisid plahvatuse järgsel esimesel kolmel minutil (vt näiteks siin). Me võime ennustada esmase kiirguse olemasolu ja omadusi (reliikvia mikrolaineahi), mis eraldus universumi umbes 400 000 aasta vanusena. Ja võime öelda, et esimesed galaktikad tekkisid siis, kui universum oli miljard aastat vana. Hämmastav ajavahemik ja nähtuste mitmekesisus!näiteks siin). Me võime ennustada primaarkiirguse (reliikvia mikrolainete taust) olemasolu ja omadusi, mis eraldus universumi umbes 400 000 aasta vanusena. Ja võime öelda, et esimesed galaktikad tekkisid siis, kui universum oli miljard aastat vana. Hämmastav ajavahemik ja nähtuste mitmekesisus!näiteks siin). Me võime ennustada esmase kiirguse olemasolu ja omadusi (reliikvia mikrolaineahi), mis eraldus universumi umbes 400 000 aasta vanusena. Ja võime öelda, et esimesed galaktikad tekkisid siis, kui universum oli miljard aastat vana. Hämmastav ajavahemik ja nähtuste mitmekesisus!
Lisaks muutis üldrelatiivsusteooria filosoofilist lähenemist Alguseküsimusele. Kuni 1915. aastani võis selle teema üle vaielda, kui Emmanuel Kant väitis, et universumil ei pruugi olla lõplikku algust. Siis võiks esitada küsimuse: mis seal enne oli? Kuid see küsimus eeldab kaudselt, et ruum ja aeg on alati olemas olnud ning universum tekkis koos ainega. Üldises relatiivsusteoorias pole mõtet sellist küsimust esitada, kuna aegruum sünnib koos mateeriaga Suures Paugus. Küsimus "Mis seal enne oli?" ei tähenda enam midagi. Täpses mõttes on Suur Pauk piir, kus aegruum lõpeb, kus aegruumi pidevus ise puruneb. Üldise relatiivsusteooria Suure Paugu ajal seadis füüsikale loomuliku piiri, mis ei võimaldanud kaugemale vaadata.
Mustade aukude osas avastas üldrelatiivsusteooria ka muid ettenägematuid olukordi. Esimese lahenduse musta auku kirjeldavale Einsteini võrrandile leidis juba aastal 1916 Saksa astrofüüsik Karl Schwarzschild, kes sõdis Saksa armees Esimese maailmasõja rindel. Selle otsuse füüsilise tähenduse mõistmine võttis aga kaua aega. Kõige loomulikum viis mustade aukude tekkeks on tähtede surm. Tuumakütust põleva tähe sära ajal võib väljapoole suunatud radiaalrõhk tasakaalustada raskusjõu. Kuid pärast kogu kütuse põletamist on ainus jõud, mis suudab gravitatsioonilise atraktsiooniga konkureerida, Pauli kvantmehaanilise välistamise printsiibi tekitatud tõukejõud. Kuulsa Cambridge'i reisi ajal20-aastane Subrahmanyan Chandrasekhar ühendas erirelatiivsusteooria ja kvantmehaanika põhimõtted, näidates, et kui täht on piisavalt massiivne, suudab gravitatsioon ületada Pauli tõrjutuse printsiibi tekitatud tõukejõud. Ja selle tulemusena lõpetab täht oma evolutsiooni musta aukuna. Kolmekümnendate aastate jooksul parandas ja täiendas ta oma arvutusi ning esitas ümberlükkamatuid argumente sellise staariõnnetuse stsenaariumi kasuks. Toonane silmapaistev Briti astrofüüsik Arthur Eddington ei nõustunud sellise stsenaariumi ideega ja väitis, et “õigete” arvutuste korral pole relatiivsusteooria eriteooria lihtsalt rakendatav. Täna kukuks isegi õpilane eksamil läbi, kui ta üritaks oma põhjendustes sellist põhjendust tuua. Selle aja juhtivad kvantfüüsikud Borovskaja ja Dirac nõustusid Chandrasekhari tulemustega hõlpsalt, kuid tegid seda isiklikes kirjades, mõtlemata Eddingtoni vigadele avalikult tähelepanu juhtida. Seda parandati alles 1983. aastal, kui Chandrasekharile anti Nobeli preemia. Seetõttu lükkas see arusaamatus mitukümmend aastat edasi mitte ainult Chandrasekhari töö tunnustamise, vaid ka mustade aukude tajumise reaalsete objektidena.reaalsete objektidena.reaalsete objektidena.
Kummalisel kombel, kuid isegi Einstein ise ei tajunud musti auke. Juba 1939. aastal avaldas ta ajakirjas Annals of Mathematics artikli, milles väitis, et tähtede varisemisega ei saa musti auke tekkida. Ta väitis, et arvutused olid õiged, kuid järeldus oli ebareaalse oletuse tulemus. Vaid mõni kuu hiljem avaldasid Ameerika füüsikud Robert Oppenheimer ja Hartland Snyder oma nüüdseks klassikalise teose, tõestades vaieldamatult, et massiivsed tähed viivad oma evolutsiooni lõpule musta augu tekkimisega. On näidatud, et must auk on piirkond, kus aegruumi kõverus on nii tugev, et isegi valgus ei suuda sellest lahkuda. Seetõttu tunduvad üldise suhtelisuse teooria kohaselt need alad väljastpoolt vaatlejatele kottpimedad. Kui pöörduda kahemõõtmelise kummipinna analoogia poole, selgub, et aegruumi läbipaine mustas augus on nii suur, et see tegelikult puruneb, moodustades ainsuse. Nagu Suure Paugu puhul, muutub kaarus lõpmatuks. Ruumi-aeg moodustab sündmuste horisondi ja füüsika lihtsalt peatub sellel silmapiiril.
Ja siiski on mustad augud nähtavasti universumis tavalised objektid. Üldine relatiivsusteooria koos teadmistega tähe evolutsiooni protsessi kohta ennustab, et Universumil peaks olema tohutu hulk musti auke massidega suurusjärgus 10–50 päikesemassi, mis on massiliste tähtede elutegevuse saadused. Tõepoolest, mustad augud on kaasaegses astronoomias ja astrofüüsikas silmapaistvad tegijad. Need on universumi kõige energeetilisemate nähtuste võimsad allikad, nagu kuulus gammakiir, mida kiirgab tohutu must auk. See kiir kannab energiat, mida 1000 päikest kogu elu jooksul kiirgab. Must auk tekib supernoova plahvatuse tagajärjel, mis viib massiivse tähe elu lõpule. Ja sellist plahvatust registreeritakse iga päev. Kõigi elliptiliste galaktikate keskpunktid näivad olevatsisaldavad supermassiivseid musti auke, mille mass on suurusjärgus miljonites päikesemassides. Meie enda galaktika, Linnutee, keskel on must auk, mille mass on 3,2 miljonit päikesemassi.
4. Einsteini järel
„Tõepoolest, meie kogemuste uued valdkonnad viivad alati uue teaduslike teadmiste ja seaduste süsteemi kristalliseerumiseni. Seistes silmitsi uute ja erakordsete intellektuaalsete väljakutsetega, järgime pidevalt Kolumbuse eeskuju, kes julges lahkuda tuntud maailmast peaaegu hullumeelses lootuses avastada maad teises mere otsas."
V. Geisenberg "Värsked muutused täppisteadustes"
Üldine relatiivsusteooria on parim gravitatsiooni ja aegruumi struktuuri teooria, mis meil täna on. See võib kirjeldada muljetavaldavat hulka nähtusi, ulatudes suurest kosmilisest laienemisest kuni ülemaailmse positsioneerimissüsteemi toimimiseni Maal. Kuid see teooria on puudulik, kuna see eirab subatoomilist maailma valitsevaid kvantefekte. Pealegi on need kaks teooriat põhimõtteliselt erinevad. Üldise relatiivsusteooria maailm omab geomeetrilist täpsust, see on deterministlik. Vastupidiselt sellele maailmale on kvantmehaanika maailm kahtluse all, see on tõenäosuslik. Füüsikud säilitavad selle õnneliku, peaaegu skisofreenilise seisundi, kasutades üldrelatiivsusteooriat astronoomia ja kosmoloogia suuremahuliste nähtuste kirjeldamiseks.ning kvantteooria aatomite ja elementaarosakeste omaduste kirjeldamiseks. Pange tähele, et see on üsna elujõuline strateegia, kuna need kaks maailma on väga haruldased. Kuid sellegipoolest on see strateegia kontseptuaalselt väga ebarahuldav. Kõik, mis on meie füüsilises kogemuses, ütleb meile, et peab olema suurem ja terviklikum teooria, millest peavad nii üldiste relatiivsusteooria kui ka kvantteooriad tulema eriliste, piiratud juhtudel. Sellise teooria asemel väidab gravitatsiooni kvantteooria. See on pakiline probleem, järgides absoluutselt loogiliselt Einsteini tööd. Vastupidiselt üldtunnustatud seisukohale, mis kujunes Einsteini hilisemate kvantmehaanika mittetäielikkuse kohta tehtud märkuste tulemusena, oli ta selgelt teadlik sellest üldrelatiivsusteooria piirangust. Imeline,kuid Einstein juhtis tähelepanu vajadusele luua gravitatsiooni kvantteooria juba 1916. aastal! Preussische Akademie Sitzungsberichte avaldatud artiklis kirjutas ta:
- Kuid elektronide aatomisisese liikumise tõttu pidid aatomid emiteerima mitte ainult elektromagnetilist, vaid ka gravitatsioonienergiat, vaid ainult väikestes kogustes. Kuna looduses on kõik üks, näib, et kvantteooria oleks pidanud muutma lisaks Maxwelli elektrodünaamikale ka uut gravitatsiooniteooriat.
Suures paugus ja musta augu singulaarsuses kohtuvad väga suured ja väga väikesed maailmad. Seega, kuigi praegusel ajal on see kohtumine meie jaoks saladus, mis on pitseeritud seitsme pitseriga, on värav aga see, mille kaudu saame üldisest relatiivsusteooriast kaugemale minna. Praegu arvatakse, et tõeline füüsika ei saa peatuda sündmuste horisondi lävel. Tõenäoliselt on see üldrelatiivsusteooria ebaõnnestumine. On selge, et teoreetiline füüsika peab veel kord üle vaatama meie arusaama aegruumist. Vajame uut keelt, mis saaks üle nende tundmatute väravate piiluda.
Selle keele loomist peetakse tänapäeval kõige tõsisemaks ja olulisemaks väljakutseks, mille ees seisab põhifüüsika. Selles suunas on tänapäeval mitu lähenemist. Üks neist on seotud stringiteooriaga, kuid keskendume silmuse kvantgravitatsiooni mõistele. See on lähenemine kvantteooria ülesehitamisele, mis ilmnes rohkem kui 20 aastat tagasi India füüsiku Abhay Ashtekari töös ja arvatakse praegu olevat selle probleemi lahendamisel stringi lähenemisviisi alternatiiv.
Üldises relatiivsusteoorias on aegruum pidevus. Kvantkontuurgravitatsiooni põhiidee on väide, et see kontiinum on ainult liginatsioon, mis on purustatud nn Plancki kaugustel. Plancki pikkus on ainulaadne suurus, mille saab konstrueerida gravitatsioonikonstandi, Plancki konstandi kvantfüüsikas ja valguse kiiruse põhjal. See pikkus on 3,10-33 cm, mis on 20 suurusjärku väiksem kui prootoni raadius. Seetõttu saate isegi Maa kõige võimsamatel osakeste kiirenditel ohutult töötada aegruumi kontiinumiga. Kuid see olukord muutub dramaatiliselt, eriti Suure Paugu lähedal ja mustades aukudes. Sellistel juhtudel peate kasutama kvantiseeritud aegruumi, mille kvant on raskusjõu kontuurkvant.
Proovime mõista, mis on aegruumi kvant. Pöördume enda ees oleva paberilehe poole. Meie jaoks tundub see kindel kahemõõtmeline kontiinum. Kuid me teame ka, et see koosneb aatomitest. Sellel lehel on diskreetne struktuur, mis saab lihtsalt deklaratsiooniks, kui me seda ei vaata näiteks elektronmikroskoobiga. Nüüd edasi. Einstein väitis, et aegruumi geomeetria pole vähem füüsiline kui mateeria. Ja seetõttu peab sellel olema ka aatomstruktuur. See oletus võimaldas 90ndate keskel ühendada üldise relatiivsusteooria põhimõtted kvantfüüsikaga ja luua kvantgeomeetria. Nii nagu pidev geomeetria annab matemaatilise keele üldise relatiivsusteooria sõnastamiseks,nii et kvantgeomeetria annab matemaatilise tööriista ja loob uued füüsikalised mõisted kvant kosmiliste aegade kirjeldamiseks.
Kvantgeomeetrias on primaarsed rõngasgeomeetrilistes ergastustes suletud põhiosad, mis on ühemõõtmelised. Tavaline kangas näib olevat sile kahemõõtmeline kontiinum, kuid see põhineb ühemõõtmelistel niitidel. Sarnase oletuse saab teha ka kõrgema mõõtmega kontiinumi suhtes. Puhtalt intuitiivsel tasandil võib mõelda põhilistest geomeetrilistest ergastustest kui kvantniitidest, mida saab kududa, et luua aegruumi kangas. Mis juhtub, kui oleme aegruumi singulaarsuse lähedal. On selge, et selles piirkonnas lihtsalt aegruumi kontinuumi mõiste lihtsalt ei kehti. Kvantlikud kõikumised selles piirkonnas on nii suured, et kvantniite lihtsalt ei saa aeg-ajalisse kontiinumi “külmutada”. Aegruumi kangas on rebenenud. Ruumi-aegse kontiinumi füüsika on “fikseeritud” aegruumi koe jäänustele. Samal ajal saab selgeks, et niidid ise, mis moodustavad universumi kanga aluse, omandavad erilise tähenduse. Einsteini kvantvõrrandit kasutades saab ikkagi õppida füüsikat, kirjeldada kvantmaailmas toimuvaid protsesse. Kuid siin on oluline punkt. Asi on selles, et aegruumi jätkumise puudumisel muutuvad paljud füüsikas tavaliselt kasutatavad mõisted lihtsalt valeks. Tuleb arvestada uute mõistetega, mis asendavad või täiendavad kõrvalejäetud mõisteid, ja see nõuab uut füüsilist intuitsiooni. Ja sellistes dramaatilistes tingimustes on tee Einsteini kvantvõrrandite jaoks sillutatud. Ruumi-aegse kontiinumi füüsika on "fikseeritud" aegruumi koe jäänustele. Samal ajal saab selgeks, et niidid ise, mis moodustavad universumi kanga aluse, omandavad erilise tähenduse. Einsteini kvantvõrrandit kasutades saab ikkagi õppida füüsikat, kirjeldada kvantmaailmas toimuvaid protsesse. Kuid siin on oluline punkt. Asi on selles, et aegruumi jätkumise puudumisel muutuvad paljud füüsikas tavaliselt kasutatavad mõisted lihtsalt valeks. Tuleb arvestada uute mõistetega, mis asendavad või täiendavad kõrvalejäetud inimesi, ja see nõuab uut füüsilist intuitsiooni. Ja sellistes dramaatilistes tingimustes on tee Einsteini kvantvõrrandite jaoks sillutatud. Ruumi-aegse kontiinumi füüsika on “fikseeritud” aegruumi koe jäänustele. Samal ajal saab selgeks, et niidid ise, mis moodustavad universumi kanga aluse, omandavad erilise tähenduse. Einsteini kvantvõrrandit kasutades saab ikkagi õppida füüsikat, kirjeldada kvantmaailmas toimuvaid protsesse. Kuid siin on oluline punkt. Fakt on see, et aegruumi jätkumise puudumisel muutuvad paljud füüsikas tavaliselt kasutatavad mõisted lihtsalt valeks. Tuleb arvestada uute mõistetega, mis asendavad või täiendavad kõrvalejäetud inimesi, ja see nõuab uut füüsilist intuitsiooni. Ja sellistes dramaatilistes tingimustes on tee Einsteini kvantvõrrandite jaoks sillutatud.omandama erilise tähenduse. Einsteini kvantvõrrandit kasutades saab ikkagi õppida füüsikat, kirjeldada kvantmaailmas toimuvaid protsesse. Kuid siin on oluline punkt. Asi on selles, et aegruumi jätkumise puudumisel muutuvad paljud füüsikas tavaliselt kasutatavad mõisted lihtsalt valeks. Tuleb arvestada uute mõistetega, mis asendavad või täiendavad kõrvalejäetud mõisteid, ja see nõuab uut füüsilist intuitsiooni. Ja sellistes dramaatilistes tingimustes on tee Einsteini kvantvõrrandite jaoks sillutatud.omandama erilise tähenduse. Einsteini kvantvõrrandit kasutades saab ikkagi õppida füüsikat, kirjeldada kvantmaailmas toimuvaid protsesse. Kuid siin on oluline punkt. Fakt on see, et aegruumi jätkumise puudumisel muutuvad paljud füüsikas tavaliselt kasutatavad mõisted lihtsalt valeks. Vaja on võtta kasutusele uued mõisted, mis asendavad või täiendavad kõrvalejäetud, ja see nõuab uut füüsilist intuitsiooni. Ja sellistes dramaatilistes tingimustes on tee Einsteini kvantvõrrandite jaoks sillutatud. Vaja on võtta kasutusele uued mõisted, mis asendavad või täiendavad kõrvalejäetud, ja see nõuab uut füüsilist intuitsiooni. Ja sellistes dramaatilistes tingimustes on tee Einsteini kvantvõrrandite jaoks sillutatud. Vaja on võtta kasutusele uued mõisted, mis asendavad või täiendavad kõrvalejäetud, ja see nõuab uut füüsilist intuitsiooni. Ja sellistes dramaatilistes tingimustes on tee Einsteini kvantvõrrandite jaoks sillutatud.
Nende võrrandite põhjal sai võimalikuks selgitada Suure Paugu mõningaid üksikasju. Selgus, et aegruumi kontiinumi jaoks kirjutatud Einsteini diferentsiaalvõrrandid tuleb asendada kvantgeomeetria diskreetse struktuuri keeles kirjutatud diferentsiaalvõrranditega. Probleem on selles, et Einsteini standardvõrrandid, mis kirjeldavad suurepäraselt klassikalist aegruumi, lakkavad täielikult töötamast, kui lähenevad Suurele Paugule, kui aine tihedus läheneb suurusjärgus Plancki tihedusele 1094 g / cm3. Kvantgeomeetrias muutub aegruumi kõverus Plancki režiimis väga suureks, kuid lõplikuks. Üllatuslikult tekitavad kvantgeomeetria mõjud uue tõukejõu, mis on nii suurmis raskusjõu kergesti ületab. Üldrelatiivsusteooria lakkab töötamast. Universum laieneb. Einsteini kvantvõrrandid võimaldavad arendada kvantgeomeetriat ja konstrueerida aine õige kirjelduse Plancki režiimis, mis ei jäta ruumi sellisele mittefüüsilisele mõistele nagu singulaarsus. Suure Paugu asendab võimas kvantšokk.
Protsessi arvuline arvutamine ruumiliselt homogeenses isotroopses juhtumis viidi läbi kvant Einsteini võrrandite põhjal. Aegruumi pidevus arvutati väljaspool Plancki režiimi ja Suure Paugu „teisel” küljel. “Enne suurt” plahvatuse nn harul. Selgus, et seda lepingulist pidevust kirjeldab hästi ka üldrelatiivsusteooria. Kui aga aine tihedus võrdub 0,8 Plancki tihedusega, saab kvantgeomeetria tekitatud tõukejõud, mis oli varem ebaoluline, domineerivaks. Ja selle asemel, et punktiks kokku kukkuda, kogeb Universum tugevat kvantmõju, muutes selle protsessi "suure postijärgse" paugu laienevaks haruks, milles me nüüd elame. Klassikaline üldrelatiivsusteooria kirjeldab mõlemat haru väga hästi, välja arvatud millal
Kvantlaadi tõukejõu ilmnemisel kvantmõju hetkel on huvitav analoogia tõukejõu ilmnemisega tähe suremise protsessis. Juhul, kui tõukejõud hakkab gravitatsioonijõu üle domineerima, võib tähe südamiku kriitiline tihedus 6x1016 g / cm3 saavutades takistada tähe varisemist musta auku ja muuta see stabiilseks neutronitäheks. Selle tõrjuva jõu tekitab Pauli tõrjutuse põhimõte ja see on otseselt seotud toimuva protsessi kvantolemusega. Kui aga sureva tähe mass osutub Päikese massist suuremaks kui 5 korda, ületab gravitatsioon selle jõu ja täht variseb mustaks auguks. Tekib singulaarsus. Kvantgeomeetria tekitatud tõukejõud tuleb mängu suurema aine tihedusega,kuid samal ajal ületab see gravitatsioonilise kokkusurumise, ükskõik kui massiivne oli varisev keha. Tõepoolest, see keha võib olla kogu Universum! Kvanttsükli gravitatsiooni ligitõmbavus seisneb selles, et selle efekti ennustades takistab see singulaarsuste tekkimist reaalses maailmas, pikendades meie aegruumi „elu” läbi kvantsilla.
Tänu Einsteinile käis 20. sajandil ruumi ja aja mõistmine radikaalselt ümber. Ruumi-aegse kontiinumi geomeetria on muutunud sama füüsiliseks kui mateeria varem. See arusaam avas kosmoloogia ja astronoomia valdkonnas uusi vaatenurki. Kuid meie sajandil ootavad meid aegruumi mõistmises mitte vähem dramaatilised muutused. Tänu kvantgeomeetriale ei ümbritse Suur Pauk ja füüsika mustad augud ligipääsmatuse piire. Füüsiline kvantruum on palju suurem kui üldrelatiivsusteooria. Nende teooriate vahelise seose olemasolu võimaldab meil rääkida kvanttsükli gravitatsiooni järjepidevusest. See järjepidevus võimaldab meil teha üsna kindlaid järeldusi meie Universumi tekkimise füüsika ja mustade aukude füüsika kohta. Selle teooria edasiarendamise tulemusena võivad tekkida veelgi põnevamad võimalused.
