Oamenii iau întotdeauna spațiu de la sine înțeles. La urma urmei, este doar un gol - un container pentru orice altceva. Timpul trece, de asemenea, continuu. Dar fizicienii sunt astfel de oameni, trebuie întotdeauna să complice ceva. Încercând în mod regulat să își unească teoriile, au aflat că spațiul și timpul se îmbină într-un sistem atât de complex încât o persoană obișnuită nu poate înțelege.
Albert Einstein a realizat ce ne aștepta în noiembrie 1916. Cu un an înainte, el a formulat teoria generală a relativității, potrivit căreia gravitația nu este o forță care se propagă în spațiu, ci o proprietate a spațiului-timp în sine. Când arunci mingea în aer, aceasta zboară într-un arc și se întoarce la sol, deoarece Pământul se îndoaie spațiu-timp în jurul său, astfel încât căile mingii și solului se vor intersecta din nou. Într-o scrisoare către un prieten, Einstein a discutat problema combinării relativității generale cu celelalte idei ale sale, teoria nașterii mecanicii cuantice. Dar abilitățile sale matematice pur și simplu nu erau suficiente. „Cum m-am torturat cu asta!”, A scris el.
Einstein nu a reușit niciodată nicăieri în această privință. Chiar și astăzi, ideea de a crea o teorie cuantică a gravitației pare extrem de îndepărtată. Disputele ascund un adevăr important: abordările competitive sunt toate așa cum se spune că spațiul se naște undeva mai adânc - și această idee rupe înțelegerea științifică și filosofică a acestuia, care a fost stabilită de 2500 de ani.
Pe gaura neagră
Un magnet obișnuit pentru frigider ilustrează perfect problema cu care se confruntă fizicienii. El poate fixa o bucată de hârtie și poate rezista gravitației întregului Pământ. Gravitația este mai slabă decât magnetismul sau altă forță electrică sau nucleară. Indiferent de efectele cuantice care se află în spatele ei, ele vor fi mai slabe. Singura dovadă tangibilă că aceste procese au loc deloc este imaginea pestriță a materiei din cel mai vechi univers - despre care se crede că a fost trasă de fluctuațiile cuantice din câmpul gravitațional.
Găurile negre sunt cel mai bun mod de a testa gravitația cuantică. „Acesta este cel mai potrivit lucru cu care să experimentăm”, spune Ted Jacobson de la Universitatea din Maryland, College Park. El și alți teoreticieni studiază găurile negre ca pivote teoretice. Ce se întâmplă atunci când luați ecuații care funcționează perfect într-un cadru de laborator și le puneți în cele mai extreme situații imaginabile? Vor exista unele defecte subtile?
Teoria generală prezice relativ că materia care cade într-o gaură neagră se va contracta la infinit pe măsură ce se apropie de centrul său - o fundătură matematică numită singularitate. Teoreticienii nu își pot imagina traiectoria unui obiect dincolo de singularitate; toate liniile converg asupra ei. Chiar și vorbirea despre acesta ca loc este problematică, deoarece spațiul-timp în sine, care determină localizarea singularității, încetează să mai existe. Oamenii de știință speră că teoria cuantică ne poate oferi un microscop care ne va permite să examinăm acest punct infinitesimal de densitate infinită și să înțelegem ce se întâmplă cu materia care intră în el.
Video promotional:
La marginea unei găuri negre, materia nu este încă atât de comprimată, gravitația este mai slabă și, din câte știm, toate legile fizicii ar trebui să funcționeze. Și este cu atât mai descurajant că nu funcționează. Gaura neagră este limitată de orizontul evenimentului, punctul de neîntoarcere: materia care traversează orizontul evenimentului nu va mai reveni. Coborârea este ireversibilă. Aceasta este o problemă, deoarece toate legile cunoscute ale fizicii fundamentale, inclusiv cele cuantice, sunt reversibile. Cel puțin în principiu, în teorie, ar trebui să fiți capabil să inversați mișcarea și să restabiliți particulele pe care le-ați avut.
Fizicienii s-au confruntat cu o enigmă similară la sfârșitul anilor 1800, când au considerat matematica unui „corp negru”, idealizat ca o cavitate plină de radiații electromagnetice. Teoria electromagnetismului lui James Clerk Maxwell a prezis că un astfel de obiect ar absorbi toată radiația care cade pe el și nu va ajunge niciodată în echilibru cu materia înconjurătoare. „Poate absorbi o cantitate infinită de căldură dintr-un rezervor care este menținut la o temperatură constantă”, explică Raphael Sorkin de la Perimeter Institute for Theoretical Physics din Ontario. Din punct de vedere termic, va avea o temperatură de zero absolut. Această concluzie contrazice observațiile corpurilor negre reale (cum ar fi cuptorul). Continuând lucrările asupra teoriei lui Max Planck, Einstein a arătat că un corp negru poate atinge echilibrul termic,dacă energia radiației va veni în unități discrete sau cuante.
Timp de aproape o jumătate de secol, fizicienii teoretici au încercat să obțină o soluție similară pentru găurile negre. Regretatul Stephen Hawking de la Universitatea din Cambridge a făcut un pas important la mijlocul anilor 1970, aplicând teoria cuantică câmpului de radiații din jurul găurilor negre și arătând că au temperaturi diferite de zero. Prin urmare, nu numai că pot absorbi, dar și pot emite energie. Deși analiza sa a înșurubat găuri negre în domeniul termodinamicii, el a exacerbat și problema ireversibilității. Radiația de ieșire este emisă la marginea găurii negre și nu transportă informații din interior. Aceasta este energie termică aleatorie. Dacă inversați procesul și alimentați această energie într-o gaură neagră, nu apare nimic: veți obține și mai multă căldură. Și este imposibil să ne imaginăm că a mai rămas ceva în gaura neagră, doar prinsă, pentru că pe măsură ce gaura neagră emite radiații, se contractă și,conform analizei lui Hawking, acesta dispare în cele din urmă.
Această problemă se numește paradoxul informației, deoarece gaura neagră distruge informații despre particulele care au căzut în ea, pe care le-ați putea încerca să le recuperați. Dacă fizica găurilor negre este cu adevărat ireversibilă, ceva trebuie să ducă informațiile înapoi, iar conceptul nostru de spațiu-timp poate fi necesar să fie modificat pentru a se potrivi cu acest fapt.
Atomi de spațiu-timp
Căldura este mișcarea aleatorie a particulelor microscopice, cum ar fi moleculele de gaz. Deoarece găurile negre se pot încălzi și se pot răcori, ar fi rezonabil să presupunem că sunt alcătuite din părți - sau, mai general, din structură microscopică. Și întrucât o gaură neagră este doar un spațiu gol (conform relativității generale, materia care cade într-o gaură neagră trece prin orizontul evenimentelor fără oprire), părțile unei găuri negre trebuie să fie părți ale spațiului în sine. Și sub simplitatea înșelătoare a spațiului gol plat, există o complexitate imensă.
Chiar și teoriile care ar fi trebuit să păstreze viziunea tradițională a spațiului-timp au ajuns la concluzia că ceva se ascunde sub această suprafață netedă. De exemplu, la sfârșitul anilor 1970, Steven Weinberg, acum la Universitatea Texas din Austin, a încercat să descrie gravitația în același mod în care alte forțe ale naturii o descriu. Și am aflat că spațiul-timp a fost modificat radical la cea mai mică scară.
Fizicienii au vizualizat inițial spațiul microscopic ca un mozaic de mici bucăți de spațiu. Dacă le măriți la scara Planck, de o dimensiune nemăsurată de 10-35 metri, oamenii de știință cred că puteți vedea ceva de genul unei tablă de șah. Sau poate nu. Pe de o parte, o astfel de rețea de linii de spațiu de șah va prefera o direcție decât alta, creând asimetrii care contravin teoriei speciale a relativității. De exemplu, lumina de culori diferite se va mișca la viteze diferite - ca într-o prismă de sticlă care sparge lumina în culorile sale constitutive. Și, deși manifestările pe scări mici vor fi foarte greu de observat, încălcările relativității generale vor fi sincer evidente.
Termodinamica găurilor negre pune în discuție imaginea spațiului ca un simplu mozaic. Măsurând comportamentul termic al oricărui sistem, puteți număra părțile sale, cel puțin în principiu. Eliberați energie și priviți termometrul. Dacă coloana a decolat, energia ar trebui distribuită la relativ puține molecule. De fapt, măsurați entropia unui sistem, care reprezintă complexitatea sa microscopică.
Dacă faceți acest lucru cu o substanță obișnuită, numărul de molecule crește odată cu volumul materialului. Deci, oricum, ar trebui să fie: dacă măriți raza unei mingi de plajă de 10 ori, se va potrivi de 1000 de ori mai multe molecule în interiorul ei. Dar dacă crești raza unei găuri negre de 10 ori, numărul de molecule din ea se va înmulți doar de 100 de ori. Numărul de molecule din care constă ar trebui să fie proporțional nu cu volumul său, ci cu suprafața. O gaură neagră poate apărea tridimensională, dar se comportă ca un obiect bidimensional.
Acest efect ciudat se numește principiu holografic, deoarece seamănă cu o hologramă, pe care o vedem ca un obiect tridimensional, dar la o inspecție mai atentă se dovedește a fi o imagine produsă de un film bidimensional. Dacă principiul holografic ia în considerare componentele microscopice ale spațiului și conținutul acestuia - pe care fizicienii le recunosc, deși nu toate - nu va fi suficient să creăm spațiu prin simpla împerechere a celor mai mici piese ale sale.
Pânză încurcată
În ultimii ani, oamenii de știință au realizat că trebuie implicată încurcarea cuantică. Această proprietate profundă a mecanicii cuantice, un tip de conexiune extrem de puternic, pare mult mai primitivă decât spațiul. De exemplu, experimentatorii pot crea două particule care zboară în direcții opuse. Dacă se încurcă, vor rămâne conectați indiferent de distanța care îi separă.
În mod tradițional, atunci când oamenii vorbeau despre gravitația „cuantică”, ei însemnau discreție cuantică, fluctuații cuantice și toate celelalte efecte cuantice - nu încurcarea cuantică. Totul s-a schimbat datorită găurilor negre. În timpul vieții unei găuri negre, particulele încurcate intră în ea, dar când gaura neagră se evaporă complet, partenerii din afara găurii negre rămân încurcate - fără nimic. „Hawking ar fi trebuit să o numească o problemă de încurcătură”, spune Samir Mathur din Ohio State University.
Chiar și în vid, unde nu există particule, câmpurile electromagnetice și alte câmpuri sunt încurcate intern. Dacă măsurați câmpul în două locații diferite, citirile dvs. vor fluctua ușor, dar vor rămâne în coordonare. Dacă împărțiți zona în două părți, aceste părți vor fi în corelație, iar gradul de corelație va depinde de proprietatea geometrică pe care o au: zona de interfață. În 1995, Jacobson a afirmat că încurcarea oferă o legătură între prezența materiei și geometria spațiului-timp - ceea ce înseamnă că ar putea explica legea gravitației. „Mai multă încurcătură înseamnă mai puțină gravitate”, a spus el.
Unele abordări ale gravitației cuantice - în special teoria șirurilor - consideră încurcarea ca o piatră de temelie importantă. Teoria corzilor aplică principiul holografic nu numai găurilor negre, ci universului în ansamblu, oferind o rețetă pentru crearea spațiului - sau cel puțin o parte din acesta. Spațiul bidimensional original va servi drept granița unui spațiu volumetric mai mare. Și încurcarea va lega spațiul volumetric într-un întreg unic și continuu.
În 2009, Mark Van Raamsdonk de la Universitatea din British Columbia a oferit o explicație elegantă pentru acest proces. Să presupunem că câmpurile de la graniță nu sunt încurcate - formează o pereche de sisteme din corelație. Ele corespund două universuri separate, între care nu există nici o modalitate de comunicare. Când sistemele se încurcă, între aceste universuri se formează un fel de tunel, o gaură de vierme, iar navele spațiale se pot mișca între ele. Cu cât este mai mare gradul de încurcare, cu atât este mai mică lungimea găurii de vierme. Universurile se îmbină într-unul și nu mai sunt două separate. „Apariția spațiului-timp mare leagă direct încurcătura de aceste grade de libertate a teoriei câmpului”, spune Van Raamsdonck. Când vedem corelații în câmpuri electromagnetice și în alte câmpuri, acestea sunt rămășița coeziunii care leagă spațiul împreună.
Multe alte caracteristici ale spațiului, pe lângă faptul că sunt conectate, pot reflecta și încurcarea. Van Raamsdonk și Brian Swingle de la Universitatea din Maryland susțin că omniprezența încâlcirii explică universalitatea gravitației - că afectează toate obiectele și pătrunde peste tot. Pentru găurile negre, Leonard Susskind și Juan Maldacena cred că încurcătura dintre gaura neagră și radiația pe care o emite creează o gaură de vierme - intrarea neagră în gaura neagră. Astfel, informațiile sunt păstrate și fizica unei găuri negre este ireversibilă.
În timp ce aceste idei ale teoriei șirurilor funcționează doar pentru geometrii specifice și reconstruiesc doar o singură dimensiune a spațiului, unii oameni de știință au încercat să explice spațiul de la zero.
În fizică și, în general, în științele naturii, spațiul și timpul stau la baza tuturor teoriilor. Dar nu observăm niciodată în mod direct spațiu-timp. Mai degrabă, deducem existența sa din experiența noastră de zi cu zi. Presupunem că cea mai logică explicație pentru fenomenele pe care le vedem va fi un mecanism care funcționează în spațiu-timp. Dar gravitația cuantică ne spune că nu toate fenomenele se încadrează perfect într-o astfel de imagine a lumii. Fizicienii trebuie să înțeleagă ceea ce este și mai profund, profunzimile spațiului, partea din spate a unei oglinzi netede. Dacă vor reuși, vom pune capăt revoluției pe care Einstein a început-o acum peste un secol.
Ilya Khel
