Inimesed võtavad ruumi alati iseenesestmõistetavalt. Lõppude lõpuks on see lihtsalt tühjus - konteiner kõige muu jaoks. Ka aeg tiksub pidevalt. Kuid füüsikud on sellised inimesed, neil on alati vaja midagi keeruliseks muuta. Püüdes regulaarselt oma teooriaid ühtlustada, said nad teada, et ruum ja aeg sulavad kokku nii keerulises süsteemis, millest tavainimene aru ei saa.
Albert Einstein sai aru, mis meid ees ootab, veel 1916. aasta novembris. Aasta varem sõnastas ta üldise relatiivsusteooria, mille kohaselt gravitatsioon ei ole ruumis leviv jõud, vaid aegruumi enda omadus. Kui viskate palli õhku, lendab see kaarega ja naaseb maapinnale, sest Maa painutab enda ümber aegruumi, nii et palli ja maa teed ristuvad uuesti. Sõbrale saadetud kirjas käsitles Einstein üldrelatiivsusteooria ühendamise probleemi oma teise ajulapiga, tekkiva kvantmehaanika teooriaga. Kuid tema matemaatikaoskusest lihtsalt ei piisanud. "Kuidas ma ennast sellega piinasin!" Kirjutas ta.
Einstein ei jõudnud selles osas kunagi kuskile. Isegi täna tundub kvantgravitatsiooniteooria loomise idee äärmiselt kauge. Vaidlused varjavad olulist tõde: konkurentsivõimelised lähenemised on kõik, kui üks ütleb, et ruum sünnib kusagil sügavamal - ja see idee rikub selle teadusliku ja filosoofilise arusaama, mis on loodud 2500 aastat.
Mustast august alla
Tavaline külmkapimagnet illustreerib suurepäraselt probleemi, millega füüsikud silmitsi seisavad. Ta saab kinnitada paberitüki ja seista vastu kogu Maa raskusjõule. Raskusjõud on nõrgem kui magnetism või muu elektri- või tuumajõud. Ükskõik, mis kvantefektid selle taga on, on need nõrgemad. Ainus käegakatsutav tõend selle kohta, et need protsessid üldse toimuvad, on varase universumi aine kirev pilt - arvatakse, et selle on joonistanud gravitatsioonivälja kvant kõikumised.
Mustad augud on parim viis kvantgravitatsiooni testimiseks. "See on kõige sobivam asi, millega katsetada," ütleb Ted Jacobson Marylandi ülikoolist College Parkist. Tema ja teised teoreetikud uurivad musti auke teoreetiliste pöördepunktidena. Mis juhtub, kui võtate võrrandid, mis töötavad ideaalselt laboris ja panete need kõige ekstreemsematesse olukordadesse, mida on võimalik ette kujutada? Kas seal on mingeid peent vigu?
Üldine teooria ennustab suhteliselt, et mustasse auku langev aine tõmbub oma keskele lähenedes lõpmatult kokku - matemaatiline tupiktee, mida nimetatakse singulaarsuseks. Teoreetikud ei kujuta ette objekti trajektoori, mis ületaks singulaarsuse; kõik jooned koonduvad sellel. Isegi sellest kui kohast rääkimine on problemaatiline, sest aeg-aeg ise, mis määrab ainsuse asukoha, lakkab olemast. Teadlased loodavad, et kvantteooria võib pakkuda meile mikroskoobi, mis võimaldab meil uurida seda lõpmatu tihedusega lõpmatult väikest punkti ja mõista, mis juhtub selle aine langemisega.
Reklaamvideo:
Musta augu serval pole aine veel nii kokku surutud, gravitatsioon on nõrgem ja teadaolevalt peaksid kõik füüsikaseadused töötama. Ja seda heidutavam on see, et nad ei tööta. Musta auku piirab sündmuste horisont, tagasipöördumise punkt: sündmuse horisondi ületav aine ei tule tagasi. Laskumine on pöördumatu. See on probleem, sest kõik teadaolevad põhifüüsika seadused, sealhulgas kvantmehaanilised, on pöörduvad. Vähemalt põhimõtteliselt peaksite teoreetiliselt suutma liikumise tagasi pöörata ja taastada kõik teie osakesed.
Füüsikud seisid 1800ndate lõpus silmitsi sarnase muredega, kui nad vaatasid elektromagnetkiirgusega täidetud õõnsusena idealiseeritud "musta keha" matemaatikat. James Clerk Maxwelli elektromagnetismi teooria ennustas, et selline objekt neelab kogu talle langeva kiirguse ega jõua kunagi ümbritseva ainega tasakaalu. "See suudab absorbeerida lõpmatu koguse soojust reservuaarist, mida hoitakse konstantsel temperatuuril," selgitab Raphael Sorkin Ontario Perimeetri teoreetilise füüsika instituudist. Termilisest seisukohast on selle temperatuur absoluutne null. See järeldus on vastuolus tõeliste mustade kehade (näiteks ahju) tähelepanekutega. Max Plancki teooria kallal jätkates näitas Einstein, et must keha suudab saavutada termilise tasakaalu,kui kiirgusenergia tuleb diskreetsetes ühikutes või kvantides.
Ligi pool sajandit on teoreetilised füüsikud püüdnud saavutada sarnast lahendust mustade aukude jaoks. Cambridge'i ülikooli hiline Stephen Hawking astus 70-ndate keskel olulise sammu, rakendades kvantteooriat mustade aukude ümbruses olevale kiirgusväljale ja näidates, et neil on nullist madalam temperatuur. Seetõttu ei saa nad energiat mitte ainult neelata, vaid ka eraldada. Kuigi tema analüüs kruvis mustad augud termodünaamika valdkonda, süvendas ta ka pöördumatuse probleemi. Väljuv kiirgus eraldub musta augu servast ega kanna siseruumidest teavet. See on juhuslik soojusenergia. Kui pöörate protsessi ümber ja toidate selle energia mustasse auku, ei hüppa midagi: saate lihtsalt veelgi rohkem soojust. Ja on võimatu ette kujutada, et mustasse auku on jäänud midagi lihtsalt kinni jäänud, sest kui must auk kiirgab, tõmbub see kokku jaHawkingi analüüsi järgi see lõpuks kaob.
Seda probleemi nimetatakse infoparadoksiks, sest must auk hävitab sellesse sattunud osakeste kohta teabe, mida võiksite proovida taastada. Kui mustade aukude füüsika on tõepoolest pöördumatu, peab miski teabe tagasi viima ja meie aegruumi kontseptsiooni võidakse selle fakti kohandamiseks muuta.
Ruumi-aegsed aatomid
Kuumus on mikroskoopiliste osakeste nagu gaasimolekulide juhuslik liikumine. Kuna mustad augud võivad kuumeneda ja jahtuda, oleks mõistlik eeldada, et need koosnevad osadest - või üldisemalt mikroskoopilisest struktuurist. Ja kuna must auk on lihtsalt tühi ruum (üldise suhtelisuse järgi läbib mustasse auku kukkunud aine läbi sündmuste horisondi peatumata), peavad musta augu osad olema ruumi enda osad. Ja tasase tühja ruumi petliku lihtsuse all on tohutu keerukus.
Isegi teooriad, mis oleksid pidanud säilitama tavapärase vaate aegruumi, on jõudnud järeldusele, et selle sileda pinna all varitseb midagi. Näiteks 1970. aastate lõpus püüdis Steven Weinberg, nüüd Austini Texase ülikoolis, gravitatsiooni kirjeldada samamoodi, nagu seda kirjeldavad teised loodusjõud. Ja sain teada, et aegruumi on kõige väiksemas ulatuses radikaalselt modifitseeritud.
Füüsikud visualiseerisid mikroskoopilise ruumi algselt väikeste ruumitükkide mosaiigina. Kui suurendate neid Plancki skaalale, mõõtmetult väikesele suurusele 10–35 meetrit, usuvad teadlased, et näete midagi malelaua taolist. Või äkki mitte. Ühelt poolt eelistab selline maleruumi liinide võrk ühte suunda teisele, luues asümmeetriaid, mis on vastuolus relatiivsusteooria eriteooriaga. Näiteks liigub eri värvi valgus erineva kiirusega - nagu klaasprismal, mis jagab valguse põhivärvideks. Ja kuigi väikeste mõõtmetega ilminguid on väga raske märgata, on üldise suhtelisuse rikkumised ausalt öeldes ilmsed.
Mustade aukude termodünaamika seab kahtluse alla ruumi kui lihtsa mosaiigi pildi. Mõõtes mis tahes süsteemi termilist käitumist, saate vähemalt põhimõtteliselt selle osad kokku lugeda. Vabastage energia ja vaadake termomeetrit. Kui kolonn on õhku tõusnud, tuleks energiat jaotada suhteliselt vähestele molekulidele. Tegelikult mõõdate süsteemi entroopiat, mis tähistab selle mikroskoopilist keerukust.
Kui teete seda tavalise ainega, suureneb molekulide arv koos materjali mahuga. Nii et igal juhul peaks see olema: kui suurendate rannapalli raadiust 10 korda, mahutab see selle sisse 1000 korda rohkem molekule. Kuid kui suurendate musta augu raadiust 10 korda, korrutatakse selles olevate molekulide arv ainult 100 korda. Molekulide arv, millest see koosneb, peaks olema proportsionaalne mitte selle mahu, vaid pindalaga. Must auk võib tunduda kolmemõõtmeline, kuid see käitub nagu kahemõõtmeline objekt.
Seda kummalist efekti nimetatakse holograafiliseks printsiibiks, kuna see sarnaneb hologrammiga, mida näeme kolmemõõtmelisena, kuid lähemal uurimisel osutub see kahemõõtmelise filmi tekitatud pildiks. Kui holograafiline põhimõte võtab arvesse kosmose ja selle sisu mikroskoopilisi komponente - mida füüsikud tunnistavad, ehkki mitte kõik -, ei piisa ruumi loomisest, ühendades selle kõige väiksemad tükid.
Sassis veeb
Viimastel aastatel on teadlased mõistnud, et kvantpõimumine peab olema kaasatud. See kvantmehaanika sügav omadus, äärmiselt võimas ühenduse tüüp, näib palju primitiivsem kui ruum. Näiteks saavad katsetajad luua kaks vastassuunas lendavat osakest. Kui nad takerduvad, jäävad nad ühendatuks, olenemata neid eraldavast kaugusest.
Traditsiooniliselt tähendasid inimesed, kui nad rääkisid "kvant" raskusjõust, kvantide diskreetsust, kvantide kõikumisi ja kõiki muid kvantmõjusid - mitte kvantide takerdumist. Kõik on tänu mustadele aukudele muutunud. Musta augu elu jooksul satuvad sinna sisse segunenud osakesed, kuid kui must auk täielikult aurustub, jäävad mustast august väljaspool olevad partnerid kinni - ilma millegagi. "Hawking oleks pidanud seda nimetama takerdumisprobleemiks," ütleb Ohio osariigi ülikooli Samir Mathur.
Isegi vaakumis, kus osakesi pole, on elektromagnetilised ja muud väljad sisemiselt takerdunud. Kui mõõdate välja kahes erinevas kohas, kõiguvad teie näidud veidi, kuid jäävad kooskõlla. Kui jagate ala kaheks osaks, on need osad korrelatsioonis ja korrelatsiooniaste sõltub nende geomeetrilisest omadusest: liidese alast. 1995. aastal teatas Jacobson, et takerdumine loob seose aine olemasolu ja aegruumi geomeetria vahel - mis tähendab, et see võib seletada raskusjõu seadust. "Rohkem takerdumist tähendab vähem raskust," ütles ta.
Mõni lähenemine kvantgravitatsioonile - eriti stringiteooria - näeb takerdumist olulise nurgakivina. Stringiteooria rakendab holograafilist printsiipi mitte ainult mustade aukude, vaid ka universumi kui terviku suhtes, pakkudes retsepti ruumi loomiseks - või vähemalt osa sellest. Algne kahemõõtmeline ruum toimib suurema mahulise ruumi piirina. Ja takerdumine seob mahtruumi ühtseks ja pidevaks tervikuks.
2009. aastal andis Mark Van Raamsdonk Briti Columbia ülikoolist sellele protsessile elegantse selgituse. Oletame, et piiril olevad väljad ei ole takerdunud - need moodustavad korrelatsioonist süsteemipaari. Need vastavad kahele eraldi universumile, mille vahel puudub suhtlemisviis. Kui süsteemid takerduvad, tekib nende universumite vahel mingi tunnel, ussiauk ja kosmoselaevad saavad nende vahel liikuda. Mida suurem on takerdumise aste, seda lühem on ussiaugu pikkus. Universumid ühinevad üheks ja ei ole enam kaks eraldi. "Suure aegruumi tulek seob põimumise otseselt nende välivabaduse teooria astmetega," ütleb Van Raamsdonck. Kui näeme korrelatsioone elektromagnetilistes ja muudes väljades, on need ruumi siduvate sidususte jäänused.
Paljud teised ruumi omadused võivad lisaks ühendusele kajastada ka takerdumist. Van Raamsdonk ja Brian Swingle Marylandi ülikoolist väidavad, et takerdumise kõikjalolek seletab raskusjõu universaalsust - et see mõjutab kõiki objekte ja tungib kõikjale. Mustade aukude jaoks usuvad Leonard Susskind ja Juan Maldacena, et musta augu ja selle kiiratava kiirguse vahele takerdumine loob ussiaugu - musta sissepääsu musta auku. Seega säilib teave ja musta augu füüsika on pöördumatu.
Kui need stringiteooria ideed töötavad ainult konkreetsete geomeetriate korral ja rekonstrueerivad ainult ühte ruumi mõõdet, on mõned teadlased proovinud ruumi seletada nullist.
Füüsikas ja üldiselt loodusteadustes on kõigi teooriate aluseks ruum ja aeg. Kuid me ei märka kunagi aegruumi otseselt. Pigem järeldame selle olemasolu oma igapäevasest kogemusest. Eeldame, et kõige loogilisem seletus nähtustele, mida näeme, on mingi aegruumis toimiv mehhanism. Kuid kvantgravitatsioon ütleb meile, et mitte kõik nähtused ei sobi sellisesse maailmapilti ideaalselt. Füüsikud peavad mõistma seda, mis on veelgi sügavam, ruumi tühjuseid, sileda peegli tagakülge. Kui neil see õnnestub, lõpetame revolutsiooni, mida Einstein alustas üle sajandi tagasi.
Ilja Khel
