Mennesker altid tage plads for givet. I sidste ende, det er bare tomhed — kapacitet for noget andet. Tid er også en tikkende løbende. Men fysikerne er mennesker, de altid har brug for noget til at komplicere det. Jævnligt forsøger at kombinere deres teori, som de fandt, at rum og tid smelter sammen til et system, der er så komplekse, at en almindelig person ville ikke forstå.
Albert Einstein indså, at vi var ventet på tilbage i November 1916. Året før han formulerede den Generelle relativitetsteori, hvorefter tyngdekraften er ikke en kraft, der er fordelt i rummet, men en egenskab ved rummet-tiden. Når du kaste bolden op i luften, den flyver i en bue, og vender tilbage til jorden, fordi Jorden forvrider rum og tid omkring sig selv, så styr på bolden og jorden vil krydse igen. I et brev til en ven Einstein betragtes som problemet med at fusionere Generelle relativitetsteori med sit afkom, den spirende teorien om kvantemekanik. Men hans matematiske færdigheder er bare ikke nok. “Jeg har tortureret mig med dette!”, han skrev.
Einstein aldrig kom til denne. Selv i dag, er ideen om at skabe en kvanteteori for gravitation synes meget fjernt. Tvister skjule en vigtig sandhed: en konkurrencepræget tilgang, der alle som én siger, at den plads, der er født et sted dybere — og denne idé bryder den etablerede 2500 år af den videnskabelige og filosofiske opfattelse af det.
Ned i et sort hul
En almindelig magnet på køleskabet perfekt illustrerer det problem i fysik. Han kan fastgøre et stykke papir, og til at modstå tyngdekraften på hele Jorden. Tyngdekraften er svagere end magnetisme eller andre elektriske eller nukleare styrker. Uanset kvantemekaniske effekter det stod, de vil blive svagere. Det eneste håndgribelige bevis på, at disse processer faktisk ske, at dette brogede billede af stof i det tidlige Univers — som menes at have været malet af den kvantemekaniske fluktuationer af det gravitationelle felt.
Sorte huller — den bedste måde at teste kvantegravitation. “Dette er det bedste, som du kan finde for at eksperimentere,” siger Ted Jacobson fra University of Maryland, College Park. Han og andre teoretikere at studere sorte huller som teoretisk omdrejningspunkt. Hvad sker der, når du tager de ligninger, der fungerer perfekt i laboratoriet, og placeres i de mest ekstreme situationer, man kan forestille sig? Ikke, om der vil være nogle knap mærkbar pletter?
Vedrørende den Generelle teori forudsiger, at spørgsmål, der falder ind i et sort hul af uendeligt komprimeret så den nærmer sig midten, den matematiske cul — de-SAC hedder singularity. Teoretikere kan ikke forestille mig, bane af et objekt uden for den singularitet; alle linjer mødes i det. Endda at snakke om det, som er problematisk, fordi den meget rum-tid, der bestemmer, mestopolojenie singularitet ophører med at eksistere. Forskerne håber, at kvante-teori kan give os et mikroskop, som vil give os mulighed for at overveje dette uendeligt lille punkt af uendelig tæthed og til at forstå, hvad der foregår med at komme til hendes spørgsmål.
På grænsen af et sort hul, og sagen ikke er så begrænset, at tyngdekraften er svagere og, så vidt vi ved, alle de af fysikkens love, bør arbejde. Og mere nedslående, at de ikke virker. Et sort hul er begrænset af event horizon, point of no return: det stof, der er kommet fra event horizon, vil ikke vende tilbage. Nedstigningen er irreversibel. Dette er et problem, fordi alle de kendte love om grundlæggende fysik, herunder kvantemekaniske, er reversible. I hvert fald i princippet, i teorien, bør du være i stand til at vende bevægelsen og gendanne alle de partikler, som du har.
Med lignende fysik puslespil kolliderede i slutningen af 1800-tallet, da matematik blev betragtet som “sort legeme”, idealiseret som et hulrum fyldt med elektromagnetisk stråling. Teorien om elektromagnetisme James Clerk Maxwell forudsagt, at sådan et objekt der absorberer al stråling, der falder på det, og vil aldrig komme i ligevægt med den omgivende materiale. “Han kan absorbere uendelige mængde af varme fra et reservoir, der holdes på en konstant temperatur,” forklarer Rafael Sorkin fra Institut for teoretisk fysik Omkreds i Ontario. Fra termisk synspunkt, vil det have en temperatur på det absolutte nulpunkt. Denne konklusion modsiges af observationer af real black organer (såsom ovn). Fortsat arbejde på teori af max Planck, Einstein viste, at den sorte krop kan nå termisk ligevægt, hvis den stråling, energi vil blive leveret i diskrete enheder, eller kvanter.
Teoretiske fysikere i næsten et halvt århundrede har forsøgt at nå disse løsninger til sorte huller. Slutningen af Stephen Hawking fra Cambridge Universitet har taget et vigtigt skridt i midten af 70’erne, at anvende kvanteteori til området for stråling omkring sorte huller og viste, at de har nul temperatur. Det kan derfor ikke kun at absorbere men også udsende energi. Selv om hans analyse var skruet op sorte huller inden for termodynamik, det har også forværret problemet af uigenkaldelighed. Den udgående stråling udsendes ved grænsen af et sort hul og ikke overføre oplysninger fra tarmen. Denne tilfældige termiske energi. Hvis du omvendt processen og fodre denne energi til det sorte hul, intet kommer op: du bliver bare mere og mere varme. Og det er umuligt at forestille sig, at et sort hul er noget tilbage, bare fanget, fordi så hurtigt som det sorte hul udsender stråling, er det reduceret og, ifølge Hawking ‘ s analyse, som i sidste ende forsvinder.
Dette problem kaldes de oplysninger paradoks, som det sorte hul ødelægger oplysninger om den indesluttede partikler, som du kan prøve at gendanne. Hvis den fysik af sorte huller er faktisk irreversibel, noget skal bære oplysninger tilbage, og vores opfattelse af rum-tid kan blive nødt til at ændre til at passe dette faktum.
Atomer af rum-tid
Varme er den tilfældige bevægelse af mikroskopiske partikler, som gasmolekyler. Da sorte huller kan varme op og køle ned, ville det være rimeligt at antage, at de består af dele eller, hvis i Almindelighed, fra den mikroskopiske struktur. Og da et sort hul er blot tomme rum (ifølge den Generelle relativitetsteori, der falder ind i et sort hul, den sag passerer gennem event horizon, ikke at stoppe), en del af det sorte hul bør være en del af selve rummet. Og under den vildledende enkelhed af en flad tomme rum gemmer på enorme kompleksitet.
Endnu teorier, som skulle bevare den traditionelle opfattelse af rum-tid, kom til den konklusion, at noget gemmer sig under, at glat overflade. For eksempel, i slutningen af 1970-erne Steven Weinberg, der nu arbejder på University of Texas i Austin, forsøgte at beskrive tyngdekraften samt beskrive andre kræfter i naturen. Og fandt, at rum-tiden er radikalt ændret i sin mindste skala.
Fysik oprindeligt forestillet sig det mikroskopiske rum som en mosaik af små stykker af plads. Hvis du forhøje dem til Planck skalaen, uendeligt lille størrelse i 10-35 af en meter, mener forskerne, at det er muligt at se noget som et skakbræt. Men måske ikke. På den ene side, og et sådant netværk af linjer, skak plads, vil foretrække nogle andre retninger, hvilket skaber en asymmetri, der modsiger den specielle relativitetsteori. For eksempel, lys i forskellige farver vil bevæge sig i forskellige hastigheder — som i et glas-prisme, der deler lyset ud i dets forskellige farver. Og selv om den manifestation på en lille skala, ville det være vanskeligt at lægge mærke til, krænkelser af den Generelle relativitetsteori vil være åbent indlysende.
Termodynamik af sorte huller, der sætter spørgsmålstegn ved det billede af plads i den simple form for mosaik. Måling af den termiske adfærd i ethvert system, du kan regne en del af det, i hvert fald i princippet. Smid et energi-og kig på termometeret. Hvis kviksølv steg, den energi, der skal gælde for relativt få molekyler. I virkeligheden, du måle entropi af systemet, der repræsenterer dens mikroskopiske kompleksitet.
Hvis du gør det med almindeligt stof, antallet af molekyler, der stiger med mængden af materiale. Så, i hvert fald, bør det være: hvis du øger radius af stranden bolden 10 gange inde i det til at passe til 1000 gange flere molekyler. Men hvis du øger radius for et sort hul 10 gange antallet af molekyler i, at det vil blive ganget med bare 100 gange. Antallet af molekyler, hvoraf den er sammensat, skal stå i rimeligt forhold til dets volumen og overfladeareal. Et sort hul kan vises tre-dimensionelle, men opfører sig som et to dimensionelt objekt.
Denne mærkelige effekt er kendt som den holografiske princip, fordi det ligner et hologram, der forekommer os som et tredimensionelt objekt, og ved nærmere eftersyn, er det billede, der produceres af to-dimensionelle film. Hvis det holografiske princip, der tager hensyn til de mikroskopiske dele af rummet og dets indhold — hvad fysik muligt, selv om ikke alle — at skabe rum, vil ikke være nok simpel parring sine små stykker.
De indviklede netværk
I de seneste år, har forskerne indså, at dette behov for at være involveret quantum entanglement. Det er en dybt ejendom af kvantemekanikken, som er en meget kraftfuld form for kommunikation, forekommer det langt mere primitive plads. For eksempel, eksperimentatorer kan oprette to partikler, der flyver i modsatte retninger. Hvis de er forvirret, vil de forblive forbundet, uanset den afstand, der adskiller dem.
Traditionelt, når folk talte om “quantum” grovhed, de betyder quantum discreteness, quantum udsving, og alle andre kvantemekaniske effekter — men ikke quantum entanglement. Alt ændrede sig for sorte huller. I løbet af det sorte hul falde i det sammenfiltrede partikler, men når det sorte hul fordamper helt, partnere uden for det sorte hul forblive forvirrende — med ingenting. “Hawking skulle have kaldt det et problem, forvirring,” siger Samir Mathur af Ohio state University.
Selv i vakuum, hvor der ikke er partikler, elektromagnetiske og andre områder internt forvirrende. Hvis du måle felt i to forskellige steder, dine aflæsninger vil svinge lidt, men er stadig i koordinering. Hvis du opdeler området i to dele, og disse dele vil være i korrelation, og graden af korrelation, vil afhænge af den geometriske ejendom, som de har: det område af brugergrænsefladen. I 1995, Jacobson sagde, at deltagelse er en sammenhæng mellem forekomsten af materiale og geometri af rum-tid — og dermed kunne forklare loven om tyngdekraften. “Mere forvirring — tyngdekraften er svagere,” sagde han.
Nogle indfaldsvinkler til kvantegravitation — især strengteori — overveje deltagelse som en vigtig hjørnesten. Strengteori det holografiske princip gælder ikke kun for sorte huller, men universet som en helhed, der giver en opskrift på at skabe rum — eller i det mindste en del af det. De oprindelige to-dimensionelle rum vil tjene som grænsen af den enorme mængde af plads. Og den forvirring, der er til at knytte tre-dimensionelle rum i et enkelt og kontinuerlig helhed.
I 2009, mark van Raamsdonk fra University of British Columbia har givet en elegant forklaring på denne proces. Antag, at et felt på grænsen af ikke forvirrende — de danner et par af systemer ude af sammenhæng. De svarer til de to separate universer, mellem hvilke der er ingen metode til kommunikation. Når systemer bliver viklet ind, dannet som en tunnel, et ormehul, mellem universer og plads skibe kan bevæge sig mellem dem. Jo højere grad af entanglement, mindre længden af ormehullet. De universer, der smelter sammen til ét og ikke længere to separate. “Fremkomsten af et stort rum-tid direkte links entanglement af disse grader af frihed i felt-teori,” siger van Raamsdonk. Når vi kan se sammenhænge i det elektromagnetiske og andre områder, de er en rest vedhæftning, der binder rummet sammen.
Mange andre elementer af den plads, i tillæg til sin tilslutning, kan også afspejle forvirring. Van Raamsdonk og Brian optage lag, der arbejder på University of Maryland, siger, at den store udbredelse af entanglement forklarer den universelle tyngdekraft, at det påvirker alle objekter og trænger ind overalt. Som for sorte huller, Leonard Susskind og Juan Maldacena mener, at entanglement mellem det sorte hul og hun udsendte stråling skaber et ormehul tilbage i et sort hul. Således oplysninger er gemt, og fysik af et sort hul er irreversibel.
Selv om disse ideer strengteori arbejde kun for specifikke geometrier og rekonstruiruet kun én dimension af rum, nogle forskere forsøger at forklare fremkomsten af plads fra bunden.
I fysik, og Generelt i Naturvidenskab, rum og tid er grundlaget for alle teorier. Men vi har aldrig mærke den rum-tid direkte. Snarere, at vi udlede dens eksistens fra vores daglige erfaringer. Vi antager, at den mest logiske forklaring af de fænomener, som vi ser, er en mekanisme, der opererer i rum-tid. Men quantum gravity fortæller os, at ikke alle fænomener, der passer perfekt ind i dette billede af verden. Fysikere er nødt til at forstå, at der er en endnu dybere ins og outs af den plads, den modsatte side af en glat spejl. Hvis det lykkes, vil vi afslutte revolution begyndt mere end et århundrede siden af Einstein.
Største mysterier: hvad er rum-tid?
Ilya Hel