„Ako starší priateľ ťa musím od tejto činnosti odradiť, pretože za prvé v tejto činnosti neuspeješ a aj keď uspeješ, aj tak ti nikto neuverí.“
Z listu Maxa Plancka Albertovi Einsteinovi o Einsteinovom pokuse o vyriešenie rozporov medzi špeciálnou relativitou a newtonovskou gravitáciou
Odpradávna ľudstvo vždy fascinovalo pojmy vesmír (nebo) a čas (začiatok, zmena a koniec). Prvotní myslitelia, počnúc Gautamom Budhom, Lao Tzu a Aristotelom, sa aktívne zaoberali týmito konceptmi. V priebehu storočí obsah uvažovania týchto mysliteľov vykryštalizoval v ľudskom vedomí tie mentálne obrazy, ktoré teraz používame v každodennom živote. Myslíme si o vesmíre ako o trojrozmernom kontinuu, ktoré nás obklopuje. Predstavujeme čas ako trvanie každého procesu, ktorý nie je ovplyvnený silami pôsobiacimi vo fyzickom vesmíre. A spolu tvoria scénu, na ktorej sa vyvíja celá dráma interakcií, ktorej aktérmi sú všetko ostatné - hviezdy a planéty, polia a hmota, vy a ja.
Viac ako tisíc rokov poskytli štyri prírodovedné knihy štyri knihy o fyzike, ktoré napísal Aristoteles. Zatiaľ čo Herakleitos veril, že vesmír je v nekonečnom vývoji a všetky procesy v ňom nikdy nezačali a nikdy neskončili, Parmenides učil, že samotný koncept pohybu je nezlučiteľný s tým, kto je Jeden, Nepretržitý a Večný. Aristoteles začlenil obe tieto myšlienky do svojho kozmogonického systému. Všetky zmeny boli teraz spojené so Zemou a Mesiacom, pretože tieto zmeny boli zrejmé. Nezmeniteľnosť sa preniesla na iné planéty, na slnko a hviezdy, pretože boli Krásne, Nezmeniteľné a Večné. V modernom jazyku možno tvrdiť, že Aristoteles operoval s absolútnym časom, priestorom s absolútnou štruktúrou, a to všetko poskytovala meniaca sa Zem. Tieto koncepcie sú základom skutočného vtedajšieho vnímania a opisu sveta, ktorý študoval Isaac Newton v rokoch 1661-1665 ako študent na Cambridge.
O dvadsať rokov neskôr Newton zvrátil tieto storočné dogmy. Publikovaním svojej vízie sveta okolo nás v roku 1686 poskytol nové pochopenie vesmíru okolo nás. Podľa jeho princípov sa čas ukázal ako okenný parapet, ktorý nahradil rozmerné kontinuum. Stále to bolo absolútne a rovnaké pre všetkých pozorovateľov. Všetky simultánne udalosti tvorili trojrozmerné priestorové kontinuum. Absolútna štruktúra priestoru tak v jeho uvažovaní zmizla. Vďaka lekciám z Koperníka bola Zem odstránená z privilegovaného postavenia vo vesmíre. Galileova relativita dala všetkých inerciálnych pozorovateľov na jednu fyzickú platformu s matematickou presnosťou. Newtonovské princípy zničili aristotelovskú ortodoxiu zrušením rozdielov medzi nebom a zemou. Nebo už nebolo také isté. Prvýkrát vo fyzike vznikli univerzálne princípy. Na jablko padajúce na zem a planéty pohybujúce sa na ich obežných dráhach okolo slnka sa teraz vzťahovali rovnaké zákony. Nebo už nebolo také tajomné, pretože podliehalo vedomiu ľudskej mysle. Už začiatkom 17. storočia sa na Vypočutiach Kráľovskej spoločnosti vo Veľkej Británii začali objavovať práce, ktoré predpovedali nielen pohyb Jupitera, ale aj pohyb jeho mesiacov! Niet divu, že v tom čase bol postoj k Newtonovi naplnený nielen skepsou, ale aj strachom, a to nielen zo strany laikov, ale aj zo strany poprednej európskej inteligencie. Napríklad markíz de L'Hôpital, ktorý je moderným študentom známy pre svoje pravidlo pre výpočet limitov,napísal z Francúzska Johnovi Arbuthnotovi v Anglicku ohľadne Newtona a jeho zásad takto:
- Môj Bože! Aké základy poznania sa nám v tejto knihe ukazujú? Jedáva, pije a spí? Sú iní muži ako on?
Ako uviedol Richard Westfold vo svojom vysoko rešpektovanom Newtonovom životopise Never Alone:
- Do roku 1687 nebol Newton vo filozofických kruhoch sotva slávnou osobou. Svet prírodnej filozofie však nič nepripravilo na vznik jej Princípov. Zásady, ktoré sa stali zlomom pre samotného Newtona, ktorý po dvadsiatich rokoch výskumu konečne nasledoval od úspechu k úspechu. Princípy, ktoré sa stali bodom obratu pre prírodnú filozofiu.
Propagačné video:
Newtonovské princípy sa stali novou ortodoxiou a kraľovali viac ako 150 rokov. Prvá výzva pre newtonovské chápanie sveta bola hodená do úplne neočakávanej oblasti fyziky a bola spojená s vývojom porozumenia elektromagnetickým javom. V polovici 19. storočia dosiahol škótsky fyzik James Clark Maxwell úžasnú syntézu všetkých nahromadených poznatkov v tejto oblasti zapísaním svojich štyroch slávnych vektorových rovníc. Tieto rovnice ďalej poskytovali pochopenie zvláštneho významu rýchlosti svetla. Ale v tom čase sa to nedalo pochopiť. Absolútna rýchlosť prenosu interakcií jasne odporovala Galileovmu princípu relativity, ktorý bol základným kameňom Newtonovho modelu časopriestoru. Do tej doby väčšina fyzikov bezpodmienečne verila v pravdu newtonovského sveta, a preto dospela k záveru, že Maxwellove rovnice je možné splniť iba v určitom prostredí zvanom éter. Ale s takýmito vyhláseniami sa nedobrovoľne vrátili späť k Aristotelovi, ktorý tvrdil, že absolútna štruktúra vesmíru je neoddeliteľnou súčasťou prírody. A v tomto stave tento problém trval asi 50 rokov.
A teraz 26-ročný Albert Einstein publikuje svoje slávne dielo „O elektrodynamike pohyblivých médií“. V tejto práci Einstein prijal pravdivosť hodnoty konštánt obsiahnutých v Maxwellových rovniciach a pomocou jednoduchých myšlienkových experimentov jasne ukázal, že rýchlosť svetla je univerzálna konštanta, ktorá zostáva v platnosti pre všetkých inerciálnych pozorovateľov. Ukázal, že koncept absolútnej fyzickej simultánnosti je neudržateľný. Priestorovo oddelené udalosti, ktoré sa zdajú byť simultánne s jedným pozorovateľom, už neplatia pre iného pozorovateľa, ktorý sa pohybuje oproti prvému konštantnou rýchlosťou.
Ukázalo sa, že newtonovský model časopriestoru môže byť iba aproximáciou, platnou v prípade, keď uvažované rýchlosti sú oveľa menšie ako rýchlosť svetla. Vznikol nový model časopriestoru vrátane nového princípu relativity s názvom Špeciálna teória relativity. Táto teória mala vo svojej dobe revolučný význam. Podľa nej čas stratil vo fyzike svoje absolútne postavenie. Štvorrozmerné časopriestorové kontinuum sa stalo absolútnym. Vzdialenosti v štvorrozmernom časopriestore medzi udalosťami sú dobre definované, ale iba časové alebo iba priestorové intervaly medzi udalosťami začali závisieť od voľby referenčného rámca, to znamená od rýchlosti pohybu jedného pozorovateľa voči druhému. Nová teória priniesla neobvyklé, okázalé predpovede,ktoré sa v tom čase ťažko vnímali. Energia a hmotnosť stratili svoju jedinečnosť a mohli sa navzájom transformovať podľa známeho vzorca E = mc2. Tu je potrebné poznamenať, že tento vzťah sa prvýkrát objavil v roku 1895 v diele Henriho Poincarého „O meraní času“, publikovanom v parížskom filozofickom časopise, a preto nepútal pozornosť fyzikov, ale jeho súčasný význam nadobudol po práci Einsteina. Predstavte si, že energia obsiahnutá v grame hmoty môže na rok osvetliť celé mesto. Dvojča, ktoré opustilo svoju sestru na Zemi a pohybovalo sa v kozmickej lodi rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla, by sa vrátilo a zistilo, že jeho sestra bola na porovnanie stará o niekoľko desaťročí. Tieto predpovede boli také neočakávané, že argumentovali mnohí vedci z popredných univerzítže daná teória nemôže byť životaschopná. Všetci sa však mýlili. Jadrové reaktory pracujú na Zemi a hviezdy svietia na oblohe a premieňajú hmotu na energiu presne podľa vzorca E = mc2. Vo vysokoenergetických laboratóriách žijú nestabilné častice zrýchlené na rýchlosť blízku svetlu desaťkrát a stokrát dlhšie ako ich náprotivky spočívajúce na Zemi.
Napriek všetkej revolučnej povahe SRT však jeden aspekt časopriestoru zostal aristotelský. Zostala pasívnou arénou pre všetky udalosti, plátnom, na ktorom maľujú hnacie sily vesmíru svoj obraz. V polovici 19. storočia matematici prišli na to, že geometria Euclida, ktorú sme všetci študovali v škole, je jednou z možných geometrií. To viedlo k myšlienke, ktorú najjasnejšie vyjadril Richard Riemann v roku 1854. Povedal, že geometria fyzického priestoru možno nepodlieha Euklidovým axiómom, ale môže byť zakrivená kvôli prítomnosti hmoty vo vesmíre. Podľa jeho predstáv prestal byť priestor pasívny a zmenila ho hmota. Trvalo ďalších 61 rokov, kým bola táto myšlienka žiadaná.
Takou veľkou udalosťou bolo vydanie Všeobecnej teórie relativity od Einsteina v roku 1915. V tejto teórii mal časopriestor formu štvorrozmerného kontinua. Geometria tohto kontinua je zakrivená a stupeň zakrivenia simuluje gravitačné polia v samotnom kontinuu. Časopriestor prestal byť inertný. Pôsobí na hmotu a hmota na ňu pôsobí. Ako povedal slávny americký fyzik John Wheeler:
- Hmota rozpráva časopriestoru, ako sa má ohýbať, a časopriestoru hovorí, ako sa má hýbať.
V kozmickom tanci už niet divákov, pozadia, na ktorom sa odvíjajú všetky udalosti. Samotná scéna sa pripojila k hereckému obsadeniu. Toto je hlboká zmena svetonázoru. Pretože všetky fyzické systémy sú umiestnené v časopriestore, takáto zmena výhľadu otriasla všetkými základmi prírodnej filozofie. Fyzikom trvalo mnoho desaťročí, kým sa vyrovnali s mnohými aplikáciami tejto teórie, a filozofi sa zmierili s novým chápaním sveta, ktoré vyrastalo zo všeobecnej relativity.
2. Gravitácia je geometria
"Je to, akoby sa múr, ktorý nás oddeľuje od pravdy, zrútil." Širšie priestory a bezodné hĺbky sa otvárali oku hľadajúcim vedomosti, oblasti, o ktorých sme vôbec netušili “
Hermann Weil "Všeobecná teória relativity"
Dá sa predpokladať, že pri písaní svojej práce sa Einstein zjavne inšpiroval dvoma dosť jednoduchými faktami. Po prvé, univerzálnosť gravitácie, ktorú preukázal Galileo vo svojich slávnych experimentoch na šikmej veži v Pise. Gravitácia je univerzálna, pretože všetky telá z veže padali rovnako, keby na ne pôsobila iba gravitačná sila. Po druhé, gravitácia sa vždy prejavuje ako príťažlivosť. Táto jeho vlastnosť ju silne odlišuje napríklad od elektrostatickej sily, ktorú zákon popisuje v rovnakej podobe ako zákon univerzálnej gravitácie a ktorá sa prejavuje v závislosti od typu vzájomne pôsobiacich nábojov a ako príťažlivosť a odpor. Výsledkom je, že zatiaľ čo elektrostatická sila môže byť tienená a je ľahké vytvoriť oblasti, v ktorých nebude pôsobiť,gravitácia sa v zásade nedá skontrolovať. Gravitácia je teda všadeprítomná a pôsobí na všetky telá rovnako. Tieto dva fakty hovoria o silnom rozdiele medzi gravitáciou a inými základnými interakciami a naznačujú, že gravitácia je prejavom niečoho hlbšieho a univerzálnejšieho. Pretože časopriestor je rovnako všadeprítomný a univerzálny, Einstein navrhol, aby sa gravitácia neprejavovala ako sila, ale ako zakrivenie geometrie časopriestoru. Časopriestor vo všeobecnej teórii relativity je tvárny a je možné ho modelovať pomocou dvojrozmerného gumového plechu ohnutého masívnymi telesami. Napríklad slnko, ktoré je ťažké, silno ohýba časopriestor. Planéty sa rovnako ako všetky telesá padajúce na Zem pohybujú po „priamych“trajektóriách, ale iba v geometrii krivky. V presnom matematickom zmysle idú po najkratších cestách nazývaných geodetické čiary - ide o zovšeobecnenie priamych čiar rovinnej geometrie Euclida k zakrivenej Riemannovej geometrii. Takže ak vezmeme do úvahy napríklad zakrivený časopriestor, Zem si v takom priestore vyberie optimálnu trajektóriu, ktorá je úplným analógom priamky. Ale pretože je časopočet zakrivený, bude v projekcii na plochý priestor Euklida a Newtona táto trajektória eliptická.pretože časopočet je zakrivený, bude v projekcii na plochý priestor Euclida a Newtona táto trajektória eliptická.pretože časopočet je zakrivený, bude v projekcii na plochý priestor Euclida a Newtona táto trajektória eliptická.
Príťažlivosť všeobecnej teórie relativity spočíva v tom, že pomocou elegantnej matematiky transformovala tieto koncepčne jednoduché myšlienky do konkrétnych rovníc a pomocou týchto rovníc vytvára úžasné predpovede o povahe fyzickej reality. Predpovedá, že v Káthmandu by mali hodiny bežať rýchlejšie ako v Jalte. Galaktické jadrá by mali pôsobiť ako obrovské gravitačné šošovky a ukazovať nám veľkolepé rozmanité obrazy vzdialených kvazarov. Dve neutrónové hviezdy otáčajúce sa okolo spoločného stredu musia stratiť energiu v dôsledku vlnenia v zakrivenom časopriestore spôsobeného ich špirálovým pohybom, ktoré sa zbiehajú do jedného stredu, po ktorom nasleduje ich zrážka. V posledných rokoch sa uskutočnilo veľa experimentov, ktoré mali otestovať tieto a ešte exotickejšie predpovede. A zakaždým zvíťazila Všeobecná teória relativity. Presnosť niektorých experimentov presiahla presnosť legendárnych experimentov o detekcii kvanta elektromagnetického poľa. Táto kombinácia koncepčnej hĺbky, matematickej elegancie a úspechu v pozorovaní je bezprecedentná. Preto sa všeobecná teória relativity na jednej strane považuje za jednu z najodvážnejších fyzických teórií a na druhej strane vzbudzuje značný záujem ako predmet rôznych a nie vždy profesionálnych kritík.prečo sa všeobecná teória relativity na jednej strane považuje za jednu z najodvážnejších fyzikálnych teórií a na druhej strane vzbudzuje značný záujem ako objekt všetkého druhu a nie vždy profesionálnej kritiky.prečo sa všeobecná teória relativity na jednej strane považuje za jednu z najodvážnejších fyzikálnych teórií a na druhej strane vzbudzuje značný záujem ako objekt všetkého druhu a nie vždy profesionálnej kritiky.
3. Veľký tresk a čierne diery
"Fyzici si počínali bravúrne, ukázali však obmedzenia intuície bez pomoci matematiky." Zistili, že porozumenie prírode je veľmi ťažké napredovať. Vedecký pokrok sa musel zaplatiť hanlivým priznaním, že realita je konštruovaná tak, že ju ľudská percepcia nedokáže ľahko zachytiť. “
Edward O. Wilson „Zhoda okolností. Jednota vedomostí “
Príchod všeobecnej teórie relativity priniesol éru modernej kozmológie. Vo veľmi veľkom meradle sa vesmír okolo nás javí ako homogénny a izotropný. Tento pohľad je najväčšou realizáciou Koperníkovho princípu: v našom vesmíre nie sú žiadne vybrané body, žiadny zvolený smer. V roku 1922 ruský matematik Alexander Fridman pomocou Einsteinových rovníc ukázal, že taký vesmír nemôže byť statický. Musí sa buď zväčšiť, alebo zbaliť. V roku 1929 americký astronóm Edwin Hubble zistil, že vesmír sa skutočne rozpína. Táto skutočnosť zase naznačuje, že tento proces musí mať svoj začiatok, v ktorom musí byť nekonečne veľká hustota gravitácie a teda aj zakrivenie časopriestoru. Vznikol koncept Veľkého tresku. Starostlivé pozorovanie,najmä za posledných 20 rokov ukázali, že k tejto udalosti pravdepodobne došlo pred 14 miliardami rokov. Od tej doby sa galaxie vzďaľujú a priemerná gravitácia neustále klesá. Spojením našich znalostí všeobecnej teórie relativity s laboratórnou fyzikou môžeme urobiť veľa podrobných predpovedí. Napríklad môžeme vypočítať relatívne množstvo ľahkých prvkov, ktorých jadrá sa vytvorili v prvých troch minútach po výbuchu (pozri napríklad tu). Môžeme predpovedať existenciu a vlastnosti primárneho žiarenia (reliktné mikrovlnné pozadie), ktoré bolo emitované, keď bol vesmír starý približne 400 000 rokov. A môžeme povedať, že prvé galaxie sa sformovali, keď bol vesmír starý miliardu rokov. Úžasný rozsah časov a rozmanitosť javov!sa uskutočnilo pred 14 miliardami rokov. Od tej doby sa galaxie vzďaľujú a priemerná gravitácia neustále klesá. Kombináciou našich znalostí všeobecnej teórie relativity s laboratórnou fyzikou môžeme urobiť veľa podrobných predpovedí. Napríklad môžeme vypočítať relatívne množstvo svetelných prvkov, ktorých jadrá sa vytvorili v prvých troch minútach po výbuchu (pozri napríklad tu). Môžeme predpovedať existenciu a vlastnosti primárneho žiarenia (pozostatkové mikrovlnné pozadie), ktoré bolo emitované, keď bol vesmír starý približne 400 000 rokov. A môžeme povedať, že prvé galaxie sa sformovali, keď bol vesmír starý miliardu rokov. Úžasný rozsah časov a rozmanitosť javov!sa uskutočnilo pred 14 miliardami rokov. Od tej doby sa galaxie vzďaľujú a priemerná gravitácia neustále klesá. Spojením našich znalostí všeobecnej teórie relativity s laboratórnou fyzikou môžeme urobiť veľa podrobných predpovedí. Napríklad môžeme vypočítať relatívne množstvo svetelných prvkov, ktorých jadrá sa vytvorili v prvých troch minútach po výbuchu (pozri napríklad tu). Môžeme predpovedať existenciu a vlastnosti primárneho žiarenia (pozostatkové mikrovlnné pozadie), ktoré bolo emitované, keď bol vesmír starý približne 400 000 rokov. A môžeme povedať, že prvé galaxie sa sformovali, keď bol vesmír starý miliardu rokov. Úžasný rozsah časov a rozmanitosť javov!Kombináciou našich znalostí všeobecnej teórie relativity s laboratórnou fyzikou môžeme urobiť veľa podrobných predpovedí. Napríklad môžeme vypočítať relatívne množstvo ľahkých prvkov, ktorých jadrá sa vytvorili v prvých troch minútach po výbuchu (pozri napríklad tu). Môžeme predpovedať existenciu a vlastnosti primárneho žiarenia (reliktné mikrovlnné pozadie), ktoré bolo emitované, keď bol vesmír starý približne 400 000 rokov. A môžeme povedať, že prvé galaxie sa sformovali, keď bol vesmír starý miliardu rokov. Úžasný rozsah časov a rozmanitosť javov!Spojením našich znalostí všeobecnej teórie relativity s laboratórnou fyzikou môžeme urobiť veľa podrobných predpovedí. Napríklad môžeme vypočítať relatívne množstvo svetelných prvkov, ktorých jadrá sa vytvorili v prvých troch minútach po výbuchu (pozri napríklad tu). Môžeme predpovedať existenciu a vlastnosti primárneho žiarenia (reliktné mikrovlnné pozadie), ktoré bolo emitované, keď bol vesmír starý približne 400 000 rokov. A môžeme povedať, že prvé galaxie sa sformovali, keď bol vesmír starý miliardu rokov. Úžasný rozsah časov a rozmanitosť javov!napríklad tu). Môžeme predpovedať existenciu a vlastnosti primárneho žiarenia (pozostatkové mikrovlnné pozadie), ktoré bolo emitované, keď bol vesmír starý približne 400 000 rokov. A môžeme povedať, že prvé galaxie sa sformovali, keď bol vesmír starý miliardu rokov. Úžasný rozsah časov a rozmanitosť javov!napríklad tu). Môžeme predpovedať existenciu a vlastnosti primárneho žiarenia (reliktné mikrovlnné pozadie), ktoré bolo emitované, keď bol vesmír starý približne 400 000 rokov. A môžeme povedať, že prvé galaxie sa sformovali, keď bol vesmír starý miliardu rokov. Úžasný rozsah časov a rozmanitosť javov!
Všeobecná teória relativity navyše zmenila filozofický prístup k otázke Počiatku. Do roku 1915 sa o tejto téme mohlo diskutovať, keď Emmanuel Kant tvrdil, že vesmír nemusel mať konečný začiatok. Potom by sa dalo položiť otázku: Čo tam bolo predtým? Táto otázka ale implicitne predpokladá, že priestor a čas vždy existovali a Vesmír vznikol s hmotou. Vo Všeobecnej teórii relativity nemá zmysel si klásť takúto otázku, pretože časopriestor sa rodí spolu s hmotou vo Veľkom tresku. Otázka „Čo tam bolo predtým?“už nič neznamená. V presnom zmysle slova je Veľký tresk hranica, kde končí časopriestor, kde sa pretrhne samotné časopriestorové kontinuum. Všeobecná teória relativity v čase Veľkého tresku stanovila prirodzenú hranicu fyziky, ktorá neumožňovala hľadať ďalej.
Pokiaľ ide o čierne diery, generálna relativita zistila aj ďalšie udalosti. Prvé riešenie Einsteinovej rovnice popisujúcej čiernu dieru získal už v roku 1916 nemecký astrofyzik Karl Schwarzschild, ktorý bojoval v nemeckej armáde na frontoch prvej svetovej vojny. Pochopenie fyzického významu tohto rozhodnutia však trvalo dlho. Najprirodzenejším spôsobom vzniku čiernych dier je smrť hviezd. Počas žiarenia hviezdy spaľujúceho jadrové palivo môže radiálny tlak smerom von vyvážiť gravitáciu. Ale po spálení všetkého paliva je jedinou silou, ktorá môže konkurovať gravitačnej príťažlivosti, odpudivá sila generovaná Pauliho princípom kvantovej mechanickej exklúzie. Počas svojej slávnej cesty do CambridgeDvadsaťročný Subrahmanyan Chandrasekhar spojil princípy špeciálnej relativity a kvantovej mechaniky, aby ukázal, že ak je hviezda dostatočne hmotná, gravitácia dokáže prekonať odpudivé sily generované Pauliho vylučovacím princípom. Vďaka tomu hviezda dokončuje svoj vývoj ako čierna diera. V priebehu tridsiatych rokov opravil a rozšíril svoje výpočty a poskytol nezvratné argumenty v prospech takého scenára zrútenia hviezdy. Avšak významný britský astrofyzik tej doby, Arthur Eddington, neprijal myšlienku takéhoto scenára a uviedol, že pri „správnych“výpočtoch nie je špeciálna teória relativity jednoducho použiteľná. Dnes by ani študent neuspel na skúške, ak by sa vo svojom uvažovaní pokúsil uviesť takéto zdôvodnenie. Vedúci vtedajší kvantoví fyzici, Borovskaja a Dirac, ochotne súhlasili s výsledkami Chandrasekhara, ale učinili tak osobnými listami bez toho, aby mysleli na to, že by verejne poukázali na Eddingtonove chyby. To sa napravilo až v roku 1983, keď bol Chandrasekhar ocenený Nobelovou cenou. Výsledkom bolo, že toto nedorozumenie sa o niekoľko desaťročí oneskorilo nielen s uznaním Chandrasekharovej práce, ale aj s vnímaním čiernych dier ako skutočných objektov.ako skutočné predmety.ako skutočné predmety.
Zvláštne je, že ani samotný Einstein nevnímal čierne diery. Už v roku 1939 publikoval článok v Annals of Mathematics, v ktorom tvrdil, že čierne diery nemôžu vzniknúť rozpadom hviezd. Tvrdil, že výpočty boli správne, ale záver bol výsledkom nereálneho predpokladu. Iba o niekoľko mesiacov neskôr zverejnili americkí fyzici Robert Oppenheimer a Hartland Snyder svoje dnes už klasické dielo, ktoré nezvratne dokazuje, že hmotné hviezdy dokončili svoj vývoj vytvorením čiernej diery. Ukázalo sa, že čierna diera je oblasť, v ktorej je zakrivenie časopriestoru také silné, že ju nedokáže opustiť ani svetlo. Podľa Všeobecnej teórie relativity sa preto tieto oblasti vonkajším pozorovateľom javia ako čierne. Ak sa obrátime na obdobu dvojrozmerného gumového povrchu, ukáže sa, že vychýlenie časopriestoru v čiernej diere je také veľké, že sa skutočne zlomí a vytvorí singularitu. Rovnako ako v prípade Veľkého tresku sa zakrivenie stáva nekonečným. Časopriestor vytvára horizont udalostí a fyzika sa na tomto horizonte zastaví.
A napriek tomu sú zjavne čierne diery bežnými objektmi vo vesmíre. Všeobecná teória relativity v kombinácii s našimi poznatkami o procese hviezdnej evolúcie predpovedá, že vesmír by mal mať obrovské množstvo čiernych dier s hmotnosťou rádovo 10 - 50 solárnych hmôt, ktoré sú produktom vitálnej aktivity hmotných hviezd. Čierne diery sú skutočne významnými hráčmi v modernej astronómii a astrofyzike. Sú silným zdrojom niektorých z najenergetickejších javov vesmíru, napríklad slávneho gama lúča emitovaného masívnou čiernou dierou. Tento lúč prenáša energiu, ktorú vyžaruje 1 000 slnka počas celého ich života. Čierna diera nastáva v dôsledku výbuchu supernovy, ktorý dokončí život hmotnej hviezdy. A takáto explózia sa zaznamenáva každý deň. Zdá sa, že centrá všetkých eliptických galaxií súobsahujú supermasívne čierne diery s hmotnosťou rádovo miliónov solárnych hmôt. Naša vlastná galaxia, Mliečna cesta, má v strede čiernu dieru s hmotnosťou 3,2 milióna slnečných hmôt.
4. Po Einsteinovi
„Nové oblasti našich skúseností budú vždy viesť ku kryštalizácii nového systému vedeckých poznatkov a zákonov. Zoči-voči novým a mimoriadnym intelektuálnym výzvam neustále sledujeme príklad Kolumbusa, ktorý mal odvahu opustiť známy svet v takmer šialenej nádeji na objavenie pevniny na druhom konci mora. ““
V. Geisenberg „Posledné zmeny v exaktných vedách“
Všeobecná teória relativity je najlepšia teória gravitácie a časopriestorovej štruktúry, ktorú dnes máme. Môže opísať pôsobivú škálu javov od veľkej kozmickej expanzie po fungovanie globálneho pozičného systému na Zemi. Táto teória je ale neúplná, pretože ignoruje kvantové efekty, ktoré riadia subatomárny svet. Navyše sa tieto dve teórie zásadne líšia. Svet všeobecnej teórie relativity má geometrickú presnosť, je deterministický. Na rozdiel od tohto sveta je svet kvantovej mechaniky predmetom pochybností, je pravdepodobný. Fyzici udržiavajú tento šťastný, takmer schizofrenický stav pomocou všeobecnej relativity na popísanie rozsiahlych javov v astronómii a kozmológii.a kvantová teória na opis vlastností atómov a elementárnych častíc. Toto je celkom životaschopná stratégia, pretože tieto dva svety sú veľmi zriedkavé. Táto stratégia je však z koncepčného hľadiska veľmi neuspokojivá. Všetko, čo je v našich fyzikálnych skúsenostiach, nám hovorí, že musí existovať väčšia a úplnejšia teória, z ktorej ako špeciálna obmedzená časť musí vzniknúť všeobecná teória relativity aj kvantová teória. Namiesto takejto teórie tvrdí kvantová teória gravitácie. Toto je naliehavý problém, ktorý absolútne logicky sleduje prácu Einsteina. Na rozdiel od všeobecne prijatého uhla pohľadu, ktorý vznikol v dôsledku neskorších Einsteinových poznámok o neúplnosti kvantovej mechaniky, jasne vedel o tomto obmedzení všeobecnej teórie relativity. Úžasné,ale Einstein poukázal na potrebu vytvorenia kvantovej teórie gravitácie už v roku 1916! V článku publikovanom v Preussische Akademie Sitzungsberichte napísal:
- Kvôli intraatomickému pohybu elektrónov však museli atómy emitovať nielen elektromagnetickú, ale aj gravitačnú energiu, ale iba v malom množstve. Keďže v prírode je všetko jedno, zdá sa, že kvantová teória mala zmeniť nielen Maxwellovu elektrodynamiku, ale aj novú teóriu gravitácie.
Vo Veľkom tresku a v jedinečnosti čiernej diery sa stretávajú veľmi veľké a veľmi malé svety. Preto aj keď je v súčasnosti toto stretnutie pre nás tajomstvom zapečateným siedmimi pečaťami, je to však brána, cez ktorú môžeme ísť za všeobecnú teóriu relativity. V súčasnosti sa verí, že skutočná fyzika sa nemôže zastaviť na prahu horizontu udalostí. Je pravdepodobné, že tam zlyháva všeobecná teória relativity. Je zrejmé, že teoretická fyzika musí opäť prehodnotiť naše chápanie časopriestoru. Potrebujeme nový jazyk, ktorý by mohol preniknúť za tieto brány neznáma.
Vytvorenie tohto jazyka sa považuje za najvážnejšiu a najdôležitejšiu výzvu, ktorej dnes čelí základná fyzika. V tomto smere existuje dnes niekoľko prístupov. Jeden z nich súvisí s teóriou strún, ale zameriame sa na koncept slučky kvantovej gravitácie. Jedná sa o prístup k budovaniu kvantovej teórie, ktorý sa objavil pred viac ako 20 rokmi v práci indického fyzika Abhaya Ashtekara a v súčasnosti sa považuje za alternatívu k strunovému prístupu pri riešení tohto problému.
Vo všeobecnej teórii relativity je časopriestor kontinuum. Základnou myšlienkou gravitácie kvantovej slučky je tvrdenie, že toto kontinuum je iba aproximáciou, ktorá je prerušená v takzvaných Planckových vzdialenostiach. Planckova dĺžka je jedinečné množstvo, ktoré je možné zostrojiť z gravitačnej konštanty, Planckovej konštanty v kvantovej fyzike a rýchlosti svetla. Táto dĺžka je 3,10 - 33 cm, čo je o 20 rádov menej ako polomer protónu. Preto aj na najsilnejších urýchľovačoch častíc na Zemi môžete bezpečne pracovať s časopriestorovým kontinuom. Táto situácia sa ale dramaticky mení, najmä v blízkosti Veľkého tresku a čiernych dier. V takýchto prípadoch je potrebné použiť kvantovaný časopriestor, ktorého kvantom je slučkové kvantum gravitácie.
Pokúsme sa pochopiť, čo je to kvantum časopriestoru. Otočme sa k listu papiera, ktorý leží pred nami. Pre nás sa to javí ako pevné dvojrozmerné kontinuum. Ale tiež vieme, že sa skladá z atómov. Tento list má diskrétnu štruktúru, ktorá sa stane iba deklaráciou, ak sa na ňu nepozeráme napríklad pomocou elektrónového mikroskopu. Teraz ďalej. Einstein tvrdil, že geometria časopriestoru nie je o nič menej fyzická ako hmota. Preto musí mať aj „atómovú“štruktúru. Tento predpoklad umožnil v polovici 90. rokov spojiť princípy všeobecnej teórie relativity s kvantovou fyzikou a vytvoriť kvantovú geometriu. Rovnako ako spojitá geometria poskytuje matematický jazyk pre formulovanie všeobecnej teórie relativity,takže kvantová geometria poskytuje matematický nástroj a generuje nové fyzikálne koncepty na opis kvantových kozmických časov.
V kvantovej geometrii sú primárne základné geometrické excitácie uzavreté v kruhu, ktoré sú jednorozmerné. Bežná tkanina sa javí ako hladké dvojrozmerné kontinuum, ale je založená na jednorozmerných vláknach. Podobný predpoklad možno urobiť aj v súvislosti s trojrozmerným kontinuom. Na čisto intuitívnej úrovni možno vidieť základné geometrické excitácie ako kvantové vlákna, ktoré je možné pretkať tak, aby vytvorili úplnú štruktúru časopriestoru. Čo sa stane, keď sme blízko časopriestorovej singularity. Je zrejmé, že v tejto oblasti samotný koncept časopriestorového kontinua jednoducho nie je použiteľný. Kvantové výkyvy v tejto oblasti sú také obrovské, že kvantové vlákna jednoducho nemožno „zmraziť“do časopriestorového kontinua. Tkanina časopriestoru je roztrhaná. Fyzika časopriestorového kontinua je „fixovaná“na zvyšky časopriestorového tkaniva. Zároveň je zrejmé, že samotné vlákna, ktoré tvoria základ štruktúry vesmíru, získavajú osobitný význam. Pomocou Einsteinovej kvantovej rovnice je možné študovať fyziku a popísať procesy prebiehajúce v kvantovom svete. Ale je tu dôležitý bod. Jedná sa o to, že pri absencii časopriestorového kontinua sa mnohé pojmy bežne používané vo fyzike stávajú jednoducho nesprávnymi. Je potrebné zohľadniť nové koncepty, ktoré nahrádzajú alebo dopĺňajú vyradené, a to si vyžaduje novú fyzickú intuíciu. A v takýchto dramatických podmienkach je cesta vydláždená pre Einsteinove kvantové rovnice. Fyzika časopriestorového kontinua je „fixovaná“na zvyšky časopriestorového tkaniva. Zároveň je zrejmé, že samotné vlákna, ktoré tvoria základ štruktúry vesmíru, získavajú osobitný význam. Pomocou Einsteinovej kvantovej rovnice je možné študovať fyziku a popísať procesy prebiehajúce v kvantovom svete. Ale je tu dôležitý bod. Faktom je, že pri absencii časopriestorového kontinua sa mnohé pojmy bežne používané vo fyzike stávajú jednoducho nesprávnymi. Je potrebné zvážiť nové koncepty, ktoré nahradia alebo doplnia vyradené, a to si vyžaduje novú fyzickú intuíciu. A v takýchto dramatických podmienkach je cesta vydláždená pre Einsteinove kvantové rovnice. Fyzika časopriestorového kontinua je „fixovaná“na zvyšky časopriestorového tkaniva. Zároveň je zrejmé, že samotné vlákna, ktoré tvoria základ štruktúry vesmíru, získavajú osobitný význam. Pomocou Einsteinovej kvantovej rovnice je možné študovať fyziku a popísať procesy prebiehajúce v kvantovom svete. Ale je tu dôležitý bod. Jedná sa o to, že pri absencii časopriestorového kontinua sa mnohé pojmy bežne používané vo fyzike stávajú jednoducho nesprávnymi. Je potrebné zohľadniť nové koncepty, ktoré nahrádzajú alebo dopĺňajú vyradené, a to si vyžaduje novú fyzickú intuíciu. A v takýchto dramatických podmienkach je cesta vydláždená pre Einsteinove kvantové rovnice.nadobudnú osobitný význam. Pomocou Einsteinovej kvantovej rovnice je možné študovať fyziku a popísať procesy prebiehajúce v kvantovom svete. Ale je tu dôležitý bod. Jedná sa o to, že pri absencii časopriestorového kontinua sa mnohé pojmy bežne používané vo fyzike stávajú jednoducho nesprávnymi. Je potrebné zvážiť nové koncepty, ktoré nahradia alebo doplnia vyradené, a to si vyžaduje novú fyzickú intuíciu. A v takýchto dramatických podmienkach je cesta vydláždená pre Einsteinove kvantové rovnice.nadobudnú osobitný význam. Pomocou Einsteinovej kvantovej rovnice je možné študovať fyziku a popísať procesy prebiehajúce v kvantovom svete. Ale je tu dôležitý bod. Jedná sa o to, že pri absencii časopriestorového kontinua sa veľa konceptov bežne používaných vo fyzike stáva jednoducho nesprávnymi. Je potrebné zohľadniť nové koncepty, ktoré nahrádzajú alebo dopĺňajú vyradené, a to si vyžaduje novú fyzickú intuíciu. A v takýchto dramatických podmienkach je cesta vydláždená pre Einsteinove kvantové rovnice. Je potrebné zvážiť nové koncepty, ktoré nahradia alebo doplnia vyradené, a to si vyžaduje novú fyzickú intuíciu. A v takýchto dramatických podmienkach je cesta vydláždená pre Einsteinove kvantové rovnice. Je potrebné zohľadniť nové koncepty, ktoré nahrádzajú alebo dopĺňajú vyradené, a to si vyžaduje novú fyzickú intuíciu. A v takýchto dramatických podmienkach je cesta vydláždená pre Einsteinove kvantové rovnice.
Na základe týchto rovníc bolo možné objasniť niektoré podrobnosti Veľkého tresku. Ukázalo sa, že Einsteinove diferenciálne rovnice, napísané pre časopriestorové kontinuum, by mali byť nahradené diferenciálnymi rovnicami napísanými v jazyku diskrétnej štruktúry kvantovej geometrie. Problém je v tom, že štandardné Einsteinove rovnice, ktoré dokonale popisujú klasický časopriestor, úplne prestanú pracovať, keď sa blížia k Veľkému tresku, keď sa hustota hmoty blíži k Planckovej hustote 1094 g / cm3 rádovo. V kvantovej geometrii sa zakrivenie časopriestoru v Planckovom režime stáva veľmi veľkým, ale konečným. Účinky kvantovej geometrie prekvapivo generujú novú odpudivú silu, ktorá je taká veľkáktorá ľahko prekoná gravitačnú silu. Všeobecná teória relativity prestáva fungovať. Vesmír sa rozpína. Einsteinove kvantové rovnice umožňujú človeku rozvíjať kvantovú geometriu a zostaviť správny popis hmoty v Planckovom režime, pričom nenecháva priestor pre taký nefyzický koncept ako singularita. Veľký tresk je nahradený silným kvantovým šokom.
Na základe kvantových Einsteinových rovníc sa uskutočnil numerický výpočet procesu v priestorovo homogénnom izotropnom prípade. Časopriestorové kontinuum sa počítalo mimo Planckovho režimu a na „druhej“strane Veľkého tresku. O takzvanej vetve „veľkej“explózie. Ukázalo sa, že toto kontraktačné kontinuum je dobre popísané aj všeobecnou teóriou relativity. Keď sa však hustota hmoty rovná 0,8 Planckovej hustoty, stáva sa dominantnou odpudivá sila generovaná kvantovou geometriou, ktorá bola predtým nevýznamná. A namiesto toho, aby sa vesmír zrútil do bodu, zažíva silný kvantový dopad a transformuje tento proces na rozširujúcu sa vetvu „post-veľkého“tresku, v ktorej teraz žijeme. Klasická všeobecná teória relativity popisuje obe vetvy veľmi dobre, až na prípady, keď
Objavenie sa odpudivej sily kvantovej povahy v okamihu kvantového dopadu má zaujímavú analógiu so vznikom odpudivej sily v procese umierania hviezd. V prípade, že odpudivá sila začne prevládať nad gravitačnou, keď jadro hviezdy dosiahne kritickú hustotu 6x1016 g / cm3, môže zabrániť zrúteniu hviezdy do čiernej diery a zmeniť ju na stabilnú neutrónovú hviezdu. Táto odpudivá sila je generovaná Pauliho vylučovacím princípom a priamo súvisí s kvantovou povahou prebiehajúceho procesu. Ak sa však ukáže, že hmotnosť zomierajúcej hviezdy je vyššia ako 5-násobok hmotnosti Slnka, gravitácia túto silu prekoná a hviezda sa zrúti do čiernej diery. Vzniká jedinečnosť. Odpudivá sila generovaná kvantovou geometriou vstupuje do hry pri vyšších hustotách hmoty,ale zároveň prekonáva gravitačné stlačenie bez ohľadu na to, aké mohutné bolo zrútiace sa teleso. Toto telo môže byť v skutočnosti celý Vesmír! Príťažlivosť gravitácie kvantovej slučky spočíva v tom, že predpovedaním tohto efektu zabraňuje formovaniu singularít v reálnom svete predĺžením „života“nášho časopriestoru kvantovým mostom.
Vďaka Einsteinovi v 20. storočí prešlo chápanie priestoru a času radikálnou revíziou. Geometria časopriestorového kontinua sa stala takou fyzickou, ako bola hmota predtým. Toto porozumenie otvorilo nové perspektívy v kozmológii a astronómii. Ale v našom storočí nás čakajú nemenej dramatické zmeny v chápaní časopriestoru. Vďaka kvantovej geometrii už Veľký tresk a čierne diery pre fyziku nie sú obklopené hranicami neprístupnosti. Fyzický kvantový časopriestor je oveľa väčší ako všeobecná relativita. Existencia spojenia medzi týmito teóriami nám umožňuje hovoriť o konzistencii gravitácie kvantovej slučky. Táto dôslednosť nám umožňuje robiť celkom konečné závery o fyzike vzniku nášho vesmíru a o fyzike čiernych dier. V dôsledku ďalšieho vývoja tejto teórie môžu vzniknúť ešte vzrušujúcejšie možnosti.