Ľudia vždy berú priestor ako samozrejmosť. Je to koniec koncov iba prázdnota - nádoba na všetko ostatné. Čas tiež nepretržite beží. Ale fyzici sú takí ľudia, vždy musia niečo komplikovať. Pravidelne sa pokúšali zjednotiť svoje teórie a zistili, že priestor a čas sa spájajú v systéme tak zložitom, že bežný človek nedokáže pochopiť.
Albert Einstein si uvedomil, čo nás čaká ešte v novembri 1916. O rok skôr formuloval všeobecnú teóriu relativity, podľa ktorej gravitácia nie je sila, ktorá sa šíri v priestore, ale vlastnosť samotného časopriestoru. Keď hodíte loptu do vzduchu, letí oblúkom a vráti sa na zem, pretože Zem okolo nej ohýba časopriestor, takže dráhy lopty a zeme sa budú opäť pretínať. V liste priateľovi Einstein hovoril o probléme spojenia všeobecnej relativity s jeho ďalším duchovným dieťaťom, rodiacej sa teórii kvantovej mechaniky. Ale jeho matematické schopnosti jednoducho nestačili. "Ako som sa s tým mučil!" Napísal.
Einstein sa v tejto súvislosti nikdy nikam nedostal. Aj dnes sa myšlienka vytvorenia kvantovej teórie gravitácie javí ako mimoriadne vzdialená. Spory skrývajú dôležitú pravdu: všetky konkurenčné prístupy hovoria o tom, že priestor sa rodí niekde hlbšie - a táto myšlienka porušuje vedecké a filozofické chápanie tohto problému, ktoré sa zakladá už 2500 rokov.
Dolu čiernou dierou
Obyčajný magnet na chladničku dokonale ilustruje problém, ktorému čelia fyzici. Dokáže pripnúť kúsok papiera a odolávať gravitácii celej Zeme. Gravitácia je slabšia ako magnetizmus alebo iná elektrická alebo jadrová sila. Nech už sú za tým akékoľvek kvantové efekty, budú slabšie. Jediným hmatateľným dôkazom toho, že tieto procesy vôbec prebiehajú, je pestrý obraz hmoty v najranejšom vesmíre - o ktorom sa predpokladá, že ho čerpali kvantové výkyvy v gravitačnom poli.
Čierne diery sú najlepším spôsobom na testovanie kvantovej gravitácie. „Toto je najvhodnejšia vec na experimentovanie,“hovorí Ted Jacobson z Marylandskej univerzity v College Parku. Spolu s ďalšími teoretikmi študuje čierne diery ako teoretické otočné čapy. Čo sa stane, keď vezmete rovnice, ktoré dokonale fungujú v laboratórnych podmienkach, a dáte ich do tých najextrémnejších situácií, aké si môžete predstaviť? Budú nejaké jemné nedostatky?
Všeobecná teória relatívne predpovedá, že hmota padajúca do čiernej diery sa bude nekonečne sťahovať, keď sa bude blížiť k jej stredu - matematickej slepej uličke zvanej singularita. Teoretici si nedokážu predstaviť dráhu objektu presahujúcu singularitu; všetky riadky sa na ňom zbiehajú. Aj rozprávanie o ňom ako o mieste je problematické, pretože prestáva existovať samotný časopriestor, ktorý určuje umiestnenie singularity. Vedci dúfajú, že kvantová teória nám môže poskytnúť mikroskop, ktorý nám umožní preskúmať tento nekonečne malý bod nekonečnej hustoty a pochopiť, čo sa stane s hmotou, ktorá do nej spadá.
Propagačné video:
Na okraji čiernej diery nie je hmota ešte tak stlačená, gravitácia je slabšia a pokiaľ vieme, mali by fungovať všetky fyzikálne zákony. A o to viac ich odrádza, že nepracujú. Čierna diera je obmedzená horizontom udalostí, bodom nevratu: hmota, ktorá pretína horizont udalostí, sa nevráti. Zostup je nezvratný. To je problém, pretože všetky známe zákony základnej fyziky vrátane kvantovo-mechanických sú reverzibilné. Prinajmenšom v zásade by ste teoreticky mali byť schopní reverzovať pohyb a obnoviť všetky častice, ktoré ste mali.
Fyzici čelili podobnému rébusu na konci 19. storočia, keď sa pozreli na matematiku „čierneho tela“, idealizovaného ako dutina naplnená elektromagnetickým žiarením. Teória elektromagnetizmu Jamesa Clerka Maxwella predpovedala, že takýto objekt absorbuje všetko žiarenie, ktoré na neho dopadne, a nikdy sa nedostane do rovnováhy s okolitou hmotou. „Môže absorbovať nekonečné množstvo tepla zo zásobníka udržiavaného pri konštantnej teplote,“vysvetľuje Raphael Sorkin z Perimetrického ústavu pre teoretickú fyziku v Ontáriu. Z tepelného hľadiska bude mať teplotu absolútne nulovú. Toto zistenie je v rozpore s pozorovaniami skutočných čiernych telies (napríklad pecí). Einstein pokračoval v práci na teórii Maxa Plancka a ukázal, že čierne teleso môže dosiahnuť tepelnú rovnováhu,ak bude energia žiarenia prichádzať v diskrétnych jednotkách alebo kvantách.
Už takmer pol storočia sa teoretickí fyzici pokúšajú dosiahnuť podobné riešenie pre čierne diery. Zosnulý Stephen Hawking z University of Cambridge urobil v polovici 70. rokov dôležitý krok uplatnením kvantovej teórie na radiačné pole okolo čiernych dier a preukázaním, že majú nenulové teploty. Preto môžu nielen absorbovať, ale aj emitovať energiu. Aj keď jeho analýza zaskrutkovala čierne diery do oblasti termodynamiky, prehĺbil aj problém nezvratnosti. Odchádzajúce žiarenie je emitované na okraji čiernej diery a neprenáša informácie z interiéru. Toto je náhodná tepelná energia. Ak zvrátite proces a dodáte túto energiu čiernej diere, nič sa neobjaví: iba získate ešte viac tepla. A je nemožné si predstaviť, že v čiernej diere niečo zostane, iba uväznené, pretože keď čierna diera emituje žiarenie, sťahuje sa apodľa Hawkingovej analýzy nakoniec zmizne.
Tento problém sa nazýva informačný paradox, pretože čierna diera ničí informácie o časticiach, ktoré sa do nej dostali, ktoré by ste sa mohli pokúsiť obnoviť. Ak je fyzika čiernych dier skutočne nezvratná, niečo musí vynášať informácie späť a možno bude potrebné upraviť našu koncepciu časopriestoru tak, aby vyhovovala tejto skutočnosti.
Atómy v časopriestore
Teplo je náhodný pohyb mikroskopických častíc, ako sú molekuly plynu. Pretože sa čierne diery môžu zahriať a ochladiť, bolo by rozumné predpokladať, že sú zložené z častí - alebo všeobecnejšie - z mikroskopickej štruktúry. A keďže čierna diera je iba prázdny priestor (podľa všeobecnej teórie relativity prepadáva hmota padajúca do čiernej diery horizontom udalostí bez zastavenia), časti čiernej diery musia byť časťami samotného vesmíru. A pod klamlivou jednoduchosťou plochého prázdneho priestoru je obrovská zložitosť.
Aj teórie, ktoré mali zachovať tradičný pohľad na časopriestor, prišli na to, že pod týmto hladkým povrchom číha niečo. Napríklad na konci 70. rokov sa Steven Weinberg, ktorý je teraz na texaskej univerzite v Austine, pokúsil opísať gravitáciu rovnakým spôsobom, ako to popisujú iné sily prírody. A zistil som, že časopriestor bol radikálne upravený v najmenšej mierke.
Fyzici pôvodne vizualizovali mikroskopický priestor ako mozaiku malých kúskov vesmíru. Ak ich zvýšite na Planckovu stupnicu, ktorá je nesmierne malá s veľkosťou 10 - 35 metrov, vedci sa domnievajú, že môžete vidieť niečo ako šachovnicu. Alebo možno nie. Na jednej strane bude takáto sieť línií šachového priestoru uprednostňovať jeden smer pred druhým, čím vzniknú asymetrie, ktoré sú v rozpore so špeciálnou teóriou relativity. Napríklad svetlo rôznych farieb sa bude pohybovať rôznymi rýchlosťami - ako napríklad v sklenenom hranole, ktorý rozdeľuje svetlo na jednotlivé farby. A aj keď bude veľmi ťažké spozorovať prejavy v malom meradle, bude zrejmé, že dôjde k porušeniu všeobecnej relativity.
Termodynamika čiernych dier spochybňuje obraz vesmíru ako jednoduchej mozaiky. Meraním tepelného správania ľubovoľného systému môžete aspoň v princípe spočítať jeho časti. Uvoľnite energiu a pozrite sa na teplomer. Ak sa kolóna vzniesla, energia by sa mala rozdeliť na relatívne málo molekúl. V skutočnosti meriate entropiu systému, ktorá predstavuje jeho mikroskopickú zložitosť.
Ak to urobíte s bežnou látkou, počet molekúl sa zvyšuje s objemom materiálu. Teda, malo by to byť: ak polomer plážovej lopty zvýšite 10-krát, zmestí sa do nej 1 000-krát viac molekúl. Ale ak 10-krát zvýšite polomer čiernej diery, počet molekúl v nej sa znásobí iba 100-krát. Počet molekúl, z ktorých sa skladá, by nemal byť úmerný ich objemu, ale povrchovej ploche. Čierna diera sa môže javiť ako trojrozmerná, správa sa však ako dvojrozmerný objekt.
Tento zvláštny efekt sa nazýva holografický princíp, pretože pripomína hologram, ktorý vidíme ako trojrozmerný objekt, ale pri bližšom skúmaní sa ukáže, že ide o obraz produkovaný dvojrozmerným filmom. Ak holografický princíp zohľadňuje mikroskopické zložky priestoru a jeho obsah - čo fyzici pripúšťajú, aj keď nie všetky - nebude stačiť na vytvorenie priestoru jednoduchým spárovaním jeho najmenších častí.
Zamotaný web
V posledných rokoch si vedci uvedomili, že musí ísť o kvantové zapletenie. Táto hlboká vlastnosť kvantovej mechaniky, mimoriadne silný typ spojenia, sa zdá byť oveľa primitívnejšia ako vesmír. Napríklad experimentátori môžu vytvoriť dve častice letiace opačným smerom. Ak sa zamotajú, zostanú spojení bez ohľadu na vzdialenosť, ktorá ich oddeľuje.
Keď ľudia tradične hovorili o „kvantovej“gravitácii, mysleli to na kvantovú diskrétnosť, kvantové výkyvy a všetky ďalšie kvantové efekty - nie na kvantové zapletenie. Všetko sa zmenilo vďaka čiernym dieram. Počas života čiernej diery do nej vstupujú zapletené častice, ale keď sa čierna diera úplne vyparí, partneri mimo čiernej diery zostanú zapletení - bez ničoho. „Hawking to mal nazvať problémom zapletenia,“hovorí Samir Mathur z Ohio State University.
Aj vo vákuu, kde nie sú žiadne častice, sú elektromagnetické a iné polia vnútorne zamotané. Ak zmeriate pole na dvoch rôznych miestach, vaše namerané hodnoty budú mierne kolísať, ale budú naďalej koordinované. Ak rozdelíte oblasť na dve časti, budú tieto časti korelovať a stupeň korelácie bude závisieť od ich geometrických vlastností: oblasť rozhrania. V roku 1995 Jacobson uviedol, že zapletenie poskytuje spojenie medzi prítomnosťou hmoty a geometriou časopriestoru - čo znamená, že by mohlo vysvetliť gravitačný zákon. „Viac zapletenia znamená menšiu gravitáciu,“uviedol.
Niektoré prístupy ku kvantovej gravitácii - predovšetkým teória strún - vidia zapletenie ako dôležitý základný kameň. Teória strún uplatňuje holografický princíp nielen na čierne diery, ale aj na vesmír ako celok, poskytuje recept na vytvorenie vesmíru - alebo aspoň jeho časti. Pôvodný dvojrozmerný priestor bude slúžiť ako hranica väčšieho objemového priestoru. A zapletenie spojí objemový priestor do jedného a súvislého celku.
V roku 2009 poskytol elegantné vysvetlenie tohto procesu Mark Van Raamsdonk z University of British Columbia. Predpokladajme, že polia na hranici nie sú zamotané - tvoria dvojicu systémov z korelácie. Zodpovedajú dvom samostatným vesmírom, medzi ktorými neexistuje žiadny spôsob komunikácie. Keď sa systémy zamotajú, medzi týmito vesmírmi sa vytvorí akýsi tunel, červia diera, medzi ktorými sa môžu pohybovať vesmírne lode. Čím vyšší je stupeň zapletenia, tým kratšia je dĺžka červej diery. Vesmíry sa spájajú do jedného a už nie sú dva samostatné. „Príchod veľkého časopriestoru priamo spája zapletenie s týmito stupňami teórie voľnosti poľa,“hovorí Van Raamsdonck. Keď vidíme korelácie v elektromagnetických a iných poliach, sú to pozostatok súdržnosti, ktorá spája priestor dohromady.
Zapletenie môže odrážať aj veľa ďalších znakov vesmíru, ktoré sú okrem toho spojené. Van Raamsdonk a Brian Swingle z Marylandskej univerzity tvrdia, že všadeprítomnosť zapletenia vysvetľuje univerzálnosť gravitácie - že ovplyvňuje všetky objekty a preniká všade. Pokiaľ ide o čierne diery, Leonard Susskind a Juan Maldacena sa domnievajú, že spletenie medzi čiernou dierou a žiarením, ktoré emituje, vytvára červiu dieru - čierny vstup do čiernej diery. Takto sú informácie zachované a fyzika čiernej diery je nezvratná.
Aj keď tieto myšlienky teórie strún fungujú iba pre konkrétne geometrie a rekonštruujú iba jednu dimenziu vesmíru, niektorí vedci sa pokúsili vysvetliť vesmír od nuly.
Vo fyzike a všeobecne v prírodných vedách je priestor a čas základom pre všetky teórie. Ale nikdy si priamo nevšimneme časopriestor. Jeho existenciu skôr odvodzujeme z našej každodennej skúsenosti. Predpokladáme, že najlogickejším vysvetlením javov, ktoré vidíme, bude nejaký mechanizmus fungujúci v časopriestore. Ale kvantová gravitácia nám hovorí, že nie všetky javy dokonale zapadajú do takého obrazu sveta. Fyzici musia pochopiť, čo je ešte hlbšie, zákryty vesmíru, zadná strana hladkého zrkadla. Ak sa im to podarí, ukončíme revolúciu, ktorú začal Einstein pred viac ako storočím.
Iľja Khel