Ljudi prostor uvijek uzimaju zdravo za gotovo. Napokon, to je samo praznina - spremnik za sve ostalo. Vrijeme također kontinuirano otkucava. Ali fizičari su takvi ljudi, uvijek trebaju nešto zakomplicirati. Redovito pokušavajući objediniti svoje teorije, otkrili su da se prostor i vrijeme stapaju u sustavu toliko složenom da obična osoba ne može razumjeti.
Albert Einstein shvatio je što nas čeka još u studenom 1916. godine. Godinu dana ranije formulirao je opću teoriju relativnosti prema kojoj gravitacija nije sila koja se širi u svemiru, već svojstvo samog prostora-vremena. Kada bacite loptu u zrak, ona leti u luku i vraća se na zemlju, jer Zemlja savija prostor-vrijeme oko sebe, pa će se putovi lopte i tla ponovno presijecati. U pismu prijatelju, Einstein je razgovarao o problemu spajanja opće relativnosti sa svojim drugim umovima, novonastalom teorijom kvantne mehanike. Ali njegove matematičke vještine jednostavno nisu bile dovoljne. "Kako sam se mučio s ovim!", Napisao je.
Einstein nikada nigdje nije stigao u tom pogledu. I danas se ideja o stvaranju kvantne teorije gravitacije čini krajnje dalekom. U sporovima se krije važna istina: kompetitivni pristupi, kao što se kaže da se prostor rađa negdje dublje - i ta ideja ruši njegovo znanstveno i filozofsko shvaćanje koje je uspostavljeno već 2500 godina.
Dolje po crnoj rupi
Obični magnet za hladnjak savršeno ilustrira problem s kojim se suočavaju fizičari. Može prikvačiti papir i oduprijeti se gravitaciji cijele Zemlje. Gravitacija je slabija od magnetizma ili drugih električnih ili nuklearnih sila. Kakvi god kvantni efekti bili iza toga, oni će biti slabiji. Jedini opipljivi dokaz da se ti procesi uopće događaju je šarolika slika materije u najranijem svemiru - za koju se vjeruje da su je izvukle kvantne fluktuacije u gravitacijskom polju.
Crne rupe najbolji su način za ispitivanje kvantne gravitacije. "Ovo je najprikladnija stvar za eksperimentiranje", kaže Ted Jacobson sa Sveučilišta Maryland, College Park. On i drugi teoretičari proučavaju crne rupe kao teorijske osnove. Što se događa kad uzmete jednadžbe koje savršeno rade u laboratoriju i stavite ih u najekstremnije situacije koje su zamislive? Hoće li biti nekih suptilnih mana?
Opća teorija relativno predviđa da će materija koja upada u crnu rupu beskrajno stezati kako se približava svom središtu - matematičkoj slijepoj ulici koja se naziva singularitet. Teoretičari ne mogu zamisliti putanju predmeta izvan singularnosti; sve se crte konvergiraju na njemu. Čak je i razgovor o njemu kao o mjestu problematičan, jer sam prostor-vrijeme, koji određuje mjesto singularnosti, prestaje postojati. Znanstvenici se nadaju da nam kvantna teorija može pružiti mikroskop koji će nam omogućiti da ispitamo ovu beskonačno malu točku beskonačne gustoće i shvatimo što se događa s materijom koja u nju pada.
Promotivni video:
Na rubu crne rupe materija još nije toliko stlačena, gravitacija je slabija i, koliko znamo, svi zakoni fizike trebali bi funkcionirati. A utoliko je obeshrabrujuće što ne rade. Crna rupa ograničena je horizontom događaja, točkom bez povratka: materija koja pređe horizont događaja neće se vratiti. Spust je nepovratan. To je problem jer su svi poznati zakoni temeljne fizike, uključujući kvantno-mehaničke, reverzibilni. Barem u principu, u teoriji biste trebali biti u mogućnosti okretati gibanje unatrag i vraćati sve čestice koje ste imali.
Fizičari su se suočili sa sličnom zagonetkom u kasnim 1800-ima kada su razmatrali matematiku "crnog tijela", idealiziranog kao šupljina ispunjena elektromagnetskim zračenjem. Teorija elektromagnetizma Jamesa Clerka Maxwella predviđala je da će takav objekt apsorbirati sve zračenje koje na njega padne i nikada neće doći u ravnotežu s okolnom materijom. "Može apsorbirati beskonačnu količinu topline iz rezervoara koji se održava na konstantnoj temperaturi", objašnjava Raphael Sorkin s Instituta za teorijsku fiziku Perimeter iz Ontarija. S toplinske točke gledišta, imat će temperaturu apsolutne nule. Ovaj je zaključak u suprotnosti s opažanjima stvarnih crnih tijela (poput peći). Nastavljajući rad na teoriji Maxa Plancka, Einstein je pokazao da crno tijelo može postići toplinsku ravnotežu,ako će energija zračenja dolaziti u diskretnim jedinicama ili kvantima.
Teoretski fizičari gotovo su pola stoljeća pokušavali postići slično rješenje za crne rupe. Pokojni Stephen Hawking sa Sveučilišta Cambridge poduzeo je važan korak sredinom 70-ih primjenjujući kvantnu teoriju na polje zračenja oko crnih rupa i pokazujući da oni imaju nula temperature. Stoga oni mogu ne samo apsorbirati već i emitirati energiju. Iako je njegova analiza uvrnula crne rupe u područje termodinamike, on je također pogoršao problem nepovratnosti. Odlazno zračenje emitira se na rubu crne rupe i ne prenosi informacije iz unutrašnjosti. Ovo je slučajna toplinska energija. Ako obrnete postupak i napajate tu energiju crnom rupom, ništa se neće pojaviti: jednostavno dobijete još više topline. I nemoguće je zamisliti da je u crnoj rupi ostalo nešto, upravo zarobljeno, jer kako crna rupa emitira zračenje, ona se skuplja i,na kraju nestaje prema Hawkingovoj analizi.
Taj se problem naziva informacijskim paradoksom, jer crna rupa uništava informacije o česticama koje su u nju pale, a koje biste mogli pokušati oporaviti. Ako je fizika crnih rupa doista nepovratna, nešto mora prenijeti informacije natrag, a naš će se koncept prostornog vremena možda morati izmijeniti kako bi se prilagodio toj činjenici.
Prostori-vremenski atomi
Toplina je slučajno kretanje mikroskopskih čestica poput molekula plina. Budući da se crne rupe mogu zagrijati i ohladiti, bilo bi razumno pretpostaviti da se sastoje od dijelova - ili, općenito, od mikroskopske strukture. A budući da je crna rupa samo prazan prostor (prema općoj relativnosti, materija koja pada u crnu rupu prolazi kroz horizont događaja bez zaustavljanja), dijelovi crne rupe moraju biti dijelovi samog prostora. I ispod varljive jednostavnosti ravnog praznog prostora, nalazi se ogromna složenost.
Čak su i teorije koje su trebale održavati tradicionalni pogled na prostor-vrijeme zaključile da se nešto skriva ispod ove glatke površine. Primjerice, krajem sedamdesetih godina Steven Weinberg, sada na Sveučilištu Texas u Austinu, pokušao je opisati gravitaciju na isti način na koji je opisuju i druge prirodne sile. I otkrio sam da je prostor-vrijeme radikalno modificiran u svojoj najmanjoj mjeri.
Fizičari su mikroskopski prostor izvorno vizualizirali kao mozaik malih dijelova prostora. Ako ih povećate na Planckovu ljestvicu, nemjerljivo male veličine 10-35 metara, znanstvenici vjeruju da možete vidjeti nešto poput šahovske ploče. Ili možda ne. S jedne strane, takva mreža linija šahovskog prostora radije će usmjeravati jedan smjer u drugi, stvarajući asimetrije koje proturječe posebnoj teoriji relativnosti. Na primjer, svjetlost različitih boja kretat će se različitim brzinama - kao u staklenoj prizmi koja svjetlost razbija u sastavne boje. Iako će manifestacije na malim razmjerima biti vrlo teško primijetiti, kršenja opće relativnosti bit će iskreno očita.
Termodinamika crnih rupa dovodi u pitanje sliku prostora kao jednostavnog mozaika. Mjereći toplinsko ponašanje bilo kojeg sustava, možete barem u principu izbrojati njegove dijelove. Oslobodite energiju i pogledajte termometar. Ako je kolona poletjela, energija bi se trebala rasporediti na relativno malo molekula. Zapravo, mjerite entropiju sustava, koja predstavlja njegovu mikroskopsku složenost.
Ako to učinite s običnom tvari, broj molekula se povećava s volumenom materijala. Dakle, svejedno, trebalo bi biti: ako povećate polumjer lopte na plaži za 10 puta, u nju će stati 1000 puta više molekula. Ali ako povećate polumjer crne rupe 10 puta, broj molekula u njoj umnožit će se samo 100 puta. Broj molekula od kojih se sastoji trebao bi biti proporcionalan ne njihovom volumenu, već površini. Čini se da je crna rupa trodimenzionalna, ali ponaša se poput dvodimenzionalnog objekta.
Taj se neobični efekt naziva holografskim principom, jer podsjeća na hologram, koji vidimo kao trodimenzionalni objekt, ali nakon detaljnijeg pregleda ispada da je to slika koju stvara dvodimenzionalni film. Ako holografski princip uzima u obzir mikroskopske sastojke prostora i njegov sadržaj - što fizičari priznaju, iako ne sve - neće biti dovoljno za stvaranje prostora jednostavnim uparivanjem njegovih najmanjih dijelova.
Zamršena mreža
Posljednjih godina znanstvenici su shvatili da kvantno zapletanje mora biti uključeno. Ovo duboko svojstvo kvantne mehanike, izuzetno moćan tip veze, čini se puno primitivnijim od svemira. Na primjer, eksperimentatori mogu stvoriti dvije čestice koje lete u suprotnim smjerovima. Ako se zaplete, ostat će povezani bez obzira na udaljenost koja ih razdvaja.
Tradicionalno, kad su ljudi govorili o "kvantnoj" gravitaciji, mislili su na kvantnu diskretnost, kvantne fluktuacije i sve ostale kvantne učinke - a ne na kvantno zapletanje. Sve se promijenilo zahvaljujući crnim rupama. Tijekom života crne rupe zapletene čestice ulaze u nju, ali kad crna rupa potpuno ispari, partneri izvan crne rupe ostaju zapleteni - ni sa čim. "Hawking je to trebao nazvati problemom zapletenosti", kaže Samir Mathur sa sveučilišta Ohio.
Čak i u vakuumu, gdje nema čestica, elektromagnetska i druga polja su interno zapletena. Ako izmjerite polje na dva različita mjesta, očitanja će lagano oscilirati, ali ostat će u koordinaciji. Ako područje podijelite na dva dijela, ti će dijelovi biti u korelaciji, a stupanj korelacije ovisit će o geometrijskim svojstvima koja imaju: područje sučelja. 1995. Jacobson je izjavio da zapletenost pruža vezu između prisutnosti materije i geometrije prostora-vremena - što znači da bi mogla objasniti zakon gravitacije. "Više zapletenosti znači manje gravitacije", rekao je.
Neki pristupi kvantnoj gravitaciji - ponajviše teorija struna - vide zapletenost kao važan kamen temeljac. Teorija struna primjenjuje holografski princip ne samo na crne rupe, već i na svemir u cjelini, pružajući recept za stvaranje prostora - ili barem dijela njega. Izvorni dvodimenzionalni prostor služit će kao granica većeg volumetrijskog prostora. I isprepletenost će povezati volumetrijski prostor u jedinstvenu i kontinuiranu cjelinu.
2009. godine, Mark Van Raamsdonk sa Sveučilišta Britanske Kolumbije pružio je elegantno objašnjenje ovog postupka. Pretpostavimo da polja na granici nisu zapletena - oni čine par sustava izvan korelacije. Oni odgovaraju dvama odvojenim svemirima, između kojih ne postoji način komunikacije. Kad se sustavi zaplete, između tih svemira nastaje neka vrsta tunela, crvotočine, a svemirski brodovi se mogu kretati između njih. Što je veći stupanj zapletenosti, kraća je duljina crvotočine. Svemiri se stapaju u jedno i više nisu dva odvojena. "Pojava velikog svemirskog vremena izravno povezuje zapletanje s tim stupnjevima teorije slobode polja", kaže Van Raamsdonck. Kad vidimo korelacije u elektromagnetskim i drugim poljima, oni su ostatak kohezije koja povezuje prostor.
Mnoge druge značajke prostora, osim što su povezane, također mogu odražavati zapletenost. Van Raamsdonk i Brian Swingle sa Sveučilišta Maryland tvrde da sveprisutnost zapletenosti objašnjava univerzalnost gravitacije - da ona utječe na sve predmete i prožima se posvuda. Za crne rupe Leonard Susskind i Juan Maldacena vjeruju da zaplet između crne rupe i zračenja koje zrači stvara crvotočinu - crni ulaz u crnu rupu. Dakle, podaci se čuvaju, a fizika crne rupe je nepovratna.
Iako ove ideje o teoriji struna rade samo za određene geometrije i rekonstruiraju samo jednu dimenziju prostora, neki su znanstvenici pokušali objasniti prostor od nule.
U fizici i općenito u prirodnim znanostima prostor i vrijeme su osnova svih teorija. Ali nikad ne primjećujemo izravno prostor-vrijeme. Umjesto toga, njegovo postojanje zaključujemo iz svakodnevnog iskustva. Pretpostavljamo da će najlogičnije objašnjenje pojava koje vidimo biti neki mehanizam koji funkcionira u prostor-vremenu. Ali kvantna gravitacija govori nam da se svi fenomeni ne uklapaju savršeno u takvu sliku svijeta. Fizičari moraju shvatiti što je još dublje, ulaze i izlaze iz svemira, stražnji dio glatkog zrcala. Ako uspiju, završit ćemo revoluciju koju je Einstein započeo prije više od jednog stoljeća.
Ilja Khel
