Ludzie zawsze uważają, że przestrzeń jest czymś oczywistym. W końcu to tylko pustka - pojemnik na wszystko inne. Czas również tyka nieustannie. Ale fizycy to tacy ludzie, zawsze muszą coś komplikować. Regularnie próbując ujednolicić swoje teorie, odkryli, że przestrzeń i czas łączą się w system tak złożony, że zwykły człowiek nie może go zrozumieć.
Albert Einstein zdał sobie sprawę, co nas czeka w listopadzie 1916 roku. Rok wcześniej sformułował ogólną teorię względności, zgodnie z którą grawitacja nie jest siłą rozchodzącą się w przestrzeni, ale własnością samej czasoprzestrzeni. Kiedy wyrzucisz piłkę w powietrze, leci ona po łuku i wraca na ziemię, ponieważ Ziemia zakrzywia wokół siebie czasoprzestrzeń, więc ścieżki piłki i ziemi ponownie się skrzyżują. W liście do przyjaciela Einstein omówił problem łączenia ogólnej teorii względności z innym jego pomysłem, rodzącą się teorią mechaniki kwantowej. Ale jego umiejętności matematyczne po prostu nie wystarczały. „Jakże się tym torturowałem!” - napisał.
Pod tym względem Einstein nigdzie nie osiągnął sukcesu. Nawet dzisiaj idea stworzenia kwantowej teorii grawitacji wydaje się niezwykle odległa. Spory skrywają ważną prawdę: konkurencyjne podejście polega na tym, że mówi się, że przestrzeń rodzi się gdzieś głębiej - a ta idea przełamuje naukowe i filozoficzne jej rozumienie, które zostało ustanowione od 2500 lat.
W dół czarnej dziury
Zwykły magnes na lodówkę doskonale ilustruje problem, z którym borykają się fizycy. Potrafi przypiąć kartkę papieru i oprzeć się grawitacji całej Ziemi. Grawitacja jest słabsza niż magnetyzm lub inna siła elektryczna lub jądrowa. Jakiekolwiek efekty kwantowe się za tym kryją, będą słabsze. Jedynym namacalnym dowodem na to, że te procesy w ogóle zachodzą, jest pstrokaty obraz materii w najwcześniejszym wszechświecie - który, jak się uważa, został narysowany przez fluktuacje kwantowe w polu grawitacyjnym.
Czarne dziury to najlepszy sposób na testowanie grawitacji kwantowej. „To najwłaściwsza rzecz do eksperymentowania” - mówi Ted Jacobson z University of Maryland w College Park. On i inni teoretycy badają czarne dziury jako teoretyczne osie. Co się stanie, gdy weźmiesz równania, które doskonale działają w warunkach laboratoryjnych i umieścisz je w najbardziej ekstremalnych sytuacjach, jakie można sobie wyobrazić? Czy będą jakieś subtelne wady?
Ogólna teoria przewiduje, że materia wpadająca do czarnej dziury będzie się kurczyć nieskończenie, gdy zbliża się do jej środka - matematycznej ślepej uliczki zwanej osobliwością. Teoretycy nie potrafią wyobrazić sobie trajektorii obiektu poza osobliwością; wszystkie linie zbiegają się na nim. Nawet mówienie o nim jako o miejscu jest problematyczne, ponieważ sama czasoprzestrzeń, która określa położenie osobliwości, przestaje istnieć. Naukowcy mają nadzieję, że teoria kwantowa może dostarczyć nam mikroskopu, który pozwoli nam zbadać ten nieskończenie mały punkt o nieskończonej gęstości i zrozumieć, co dzieje się ze spadającą w niego materią.
Film promocyjny:
Na krawędzi czarnej dziury materia nie jest jeszcze tak ściśnięta, grawitacja jest słabsza i, o ile wiemy, wszystkie prawa fizyki powinny działać. A to tym bardziej zniechęcające, że nie działają. Czarna dziura jest ograniczona horyzontem zdarzeń, punktem bez powrotu: materia, która przekracza horyzont zdarzeń, nigdy nie wróci. Zejście jest nieodwracalne. Jest to problem, ponieważ wszystkie znane prawa fizyki fundamentalnej, w tym prawa mechaniki kwantowej, są odwracalne. Przynajmniej w teorii powinieneś być w stanie odwrócić ruch i przywrócić wszelkie posiadane cząstki.
Fizycy stanęli przed podobną zagadką pod koniec XIX wieku, kiedy rozważali matematykę „ciała czarnego”, idealizowanego jako wnęka wypełniona promieniowaniem elektromagnetycznym. Teoria elektromagnetyzmu Jamesa Clerka Maxwella przewidywała, że taki obiekt absorbuje całe promieniowanie, które na niego pada i nigdy nie osiągnie równowagi z otaczającą materią. „Może pochłaniać nieskończoną ilość ciepła ze zbiornika utrzymywanego w stałej temperaturze” - wyjaśnia Raphael Sorkin z Perimeter Institute for Theoretical Physics w Ontario. Z termicznego punktu widzenia będzie miał temperaturę zera absolutnego. Wniosek ten zaprzecza obserwacjom prawdziwych ciał czarnych (takich jak piec). Kontynuując prace nad teorią Maxa Plancka, Einstein wykazał, że ciało czarne może osiągnąć równowagę termiczną,czy energia promieniowania przyjdzie w dyskretnych jednostkach lub kwantach.
Od prawie pół wieku fizycy teoretyczni próbują znaleźć podobne rozwiązanie dla czarnych dziur. Nieżyjący już Stephen Hawking z University of Cambridge wykonał ważny krok w połowie lat 70., stosując teorię kwantową do pola promieniowania wokół czarnych dziur i pokazując, że mają one niezerowe temperatury. Dzięki temu mogą nie tylko pochłaniać, ale także emitować energię. Chociaż jego analiza wkręciła czarne dziury w sferę termodynamiki, zaostrzył również problem nieodwracalności. Wychodzące promieniowanie jest emitowane na krawędzi czarnej dziury i nie przenosi informacji z jej wnętrza. To jest przypadkowa energia cieplna. Jeśli odwrócisz proces i wprowadzisz tę energię do czarnej dziury, nic nie wyskoczy: po prostu uzyskasz jeszcze więcej ciepła. I nie można sobie wyobrazić, że w czarnej dziurze coś zostało, tylko uwięzione, ponieważ kiedy czarna dziura emituje promieniowanie, kurczy się iostatecznie znika według analizy Hawkinga.
Problem ten nazywany jest paradoksem informacyjnym, ponieważ czarna dziura niszczy informacje o cząstkach, które do niej wpadły, które można by spróbować odzyskać. Jeśli fizyka czarnych dziur jest naprawdę nieodwracalna, coś musi przenosić informacje z powrotem, a nasza koncepcja czasoprzestrzeni może wymagać modyfikacji, aby uwzględnić ten fakt.
Atomy czasoprzestrzenne
Ciepło to przypadkowy ruch mikroskopijnych cząstek, takich jak cząsteczki gazu. Ponieważ czarne dziury mogą się nagrzewać i stygnąć, rozsądnie byłoby założyć, że składają się z części - lub, bardziej ogólnie, o mikroskopijnej strukturze. A ponieważ czarna dziura jest po prostu pustą przestrzenią (zgodnie z ogólną teorią względności materia wpadająca do czarnej dziury przechodzi przez horyzont zdarzeń bez zatrzymywania się), części czarnej dziury muszą być częściami samej przestrzeni. A pod zwodniczą prostotą płaskiej, pustej przestrzeni kryje się ogromna złożoność.
Nawet teorie, które miały zachować tradycyjny pogląd na czasoprzestrzeń, doszły do wniosku, że coś czai się pod tą gładką powierzchnią. Na przykład pod koniec lat siedemdziesiątych Steven Weinberg, obecnie na Uniwersytecie Teksasu w Austin, próbował opisać grawitację w taki sam sposób, w jaki opisują ją inne siły natury. I dowiedziałem się, że czasoprzestrzeń została radykalnie zmodyfikowana w jej najmniejszej skali.
Fizycy pierwotnie wizualizowali mikroskopijną przestrzeń jako mozaikę małych kawałków przestrzeni. Jeśli powiększymy je do skali Plancka, niezmiernie małych rozmiarów 10-35 metrów, naukowcy uważają, że można zobaczyć coś w rodzaju szachownicy. Albo może nie. Z jednej strony taka sieć linii przestrzeni szachowej będzie preferować jeden kierunek w drugim, tworząc asymetrie, które są sprzeczne ze szczególną teorią względności. Na przykład światło o różnych kolorach będzie poruszać się z różnymi prędkościami - jak w szklanym pryzmacie, który rozbija światło na składowe kolory. I chociaż manifestacje w małych skalach będą bardzo trudne do zauważenia, naruszenia ogólnej teorii względności będą szczerze oczywiste.
Termodynamika czarnych dziur podważa obraz przestrzeni jako zwykłej mozaiki. Mierząc zachowanie termiczne dowolnego systemu, można policzyć jego części, przynajmniej w zasadzie. Uwolnij energię i spójrz na termometr. Jeśli kolumna wystartowała, energia powinna zostać rozłożona na stosunkowo kilka cząsteczek. W rzeczywistości mierzysz entropię układu, która reprezentuje jego mikroskopijną złożoność.
Jeśli zrobisz to ze zwykłą substancją, liczba cząsteczek będzie rosła wraz z objętością materiału. W każdym razie powinno być: jeśli zwiększysz promień piłki plażowej o 10 razy, zmieści ona w niej 1000 razy więcej cząsteczek. Ale jeśli zwiększysz promień czarnej dziury 10 razy, liczba cząsteczek w niej pomnoży się tylko 100 razy. Liczba cząsteczek, z których się składa, powinna być proporcjonalna nie do jego objętości, ale do pola powierzchni. Czarna dziura może wydawać się trójwymiarowa, ale zachowuje się jak dwuwymiarowy obiekt.
Ten dziwny efekt nazywany jest zasadą holograficzną, ponieważ przypomina hologram, który widzimy jako obiekt trójwymiarowy, ale po bliższym przyjrzeniu się okazuje się, że jest to obraz utworzony przez dwuwymiarowy film. Jeśli zasada holograficzna bierze pod uwagę mikroskopijne składniki przestrzeni i jej zawartość - co przyznają fizycy, choć nie wszystko - to nie wystarczy stworzyć przestrzeni poprzez proste połączenie jej najmniejszych fragmentów.
Splątana sieć
W ostatnich latach naukowcy zdali sobie sprawę, że w grę wchodzi splątanie kwantowe. Ta głęboka właściwość mechaniki kwantowej, niezwykle potężny rodzaj połączenia, wydaje się znacznie bardziej prymitywny niż przestrzeń. Na przykład eksperymentatorzy mogą stworzyć dwie cząstki lecące w przeciwnych kierunkach. Jeśli się zaplątają, pozostaną połączone niezależnie od dzielącej je odległości.
Tradycyjnie, kiedy ludzie mówili o „kwantowej” grawitacji, mieli na myśli dyskretność kwantową, fluktuacje kwantowe i wszystkie inne efekty kwantowe, a nie splątanie kwantowe. Wszystko się zmieniło dzięki czarnym dziurom. Podczas życia czarnej dziury splątane cząstki wchodzą do niej, ale kiedy czarna dziura całkowicie wyparuje, partnerzy na zewnątrz czarnej dziury pozostają splątani - z niczym. „Hawking powinien był nazwać to problemem splątania” - mówi Samir Mathur z Ohio State University.
Nawet w próżni, w której nie ma cząstek, pola elektromagnetyczne i inne są wewnętrznie splątane. Jeśli zmierzysz pole w dwóch różnych miejscach, odczyty będą się nieznacznie zmieniać, ale pozostaną w koordynacji. Jeśli podzielisz obszar na dwie części, części te będą w korelacji, a stopień korelacji będzie zależał od właściwości geometrycznej, jaką mają: obszar interfejsu. W 1995 roku Jacobson stwierdził, że splątanie zapewnia powiązanie między obecnością materii a geometrią czasoprzestrzeni - co oznacza, że może wyjaśniać prawo grawitacji. „Więcej splątania oznacza mniejszą grawitację” - powiedział.
Niektóre podejścia do grawitacji kwantowej - w szczególności teoria strun - traktują splątanie jako ważny kamień węgielny. Teoria strun stosuje zasadę holograficzną nie tylko do czarnych dziur, ale do wszechświata jako całości, dostarczając przepisu na tworzenie przestrzeni - a przynajmniej jej części. Oryginalna dwuwymiarowa przestrzeń będzie służyła jako granica większej przestrzeni wolumetrycznej. A splątanie zwiąże przestrzeń wolumetryczną w jedną i ciągłą całość.
W 2009 roku Mark Van Raamsdonk z University of British Columbia dostarczył eleganckiego wyjaśnienia tego procesu. Załóżmy, że pola na granicy nie są splątane - tworzą parę systemów poza korelacją. Odpowiadają dwóm oddzielnym wszechświatom, między którymi nie ma możliwości komunikacji. Kiedy systemy zostają splątane, pomiędzy tymi wszechświatami powstaje rodzaj tunelu, tunelu czasoprzestrzennego, a statki kosmiczne mogą się między nimi przemieszczać. Im wyższy stopień splątania, tym krótsza długość tunelu czasoprzestrzennego. Wszechświaty łączą się w jeden i nie są już dwoma oddzielnymi. „Pojawienie się dużej czasoprzestrzeni bezpośrednio łączy splątanie z tymi stopniami swobody teorii pola” - mówi Van Raamsdonck. Kiedy widzimy korelacje w polach elektromagnetycznych i innych, są one pozostałością kohezji, która spaja przestrzeń.
Wiele innych cech przestrzeni, oprócz tego, że jest połączona, może również odzwierciedlać splątanie. Van Raamsdonk i Brian Swingle z University of Maryland argumentują, że wszechobecność splątania wyjaśnia uniwersalność grawitacji - że wpływa ona na wszystkie obiekty i przenika wszędzie. W przypadku czarnych dziur Leonard Susskind i Juan Maldacena uważają, że splątanie między czarną dziurą a emitowanym przez nią promieniowaniem tworzy tunel czasoprzestrzenny - czarne wejście do czarnej dziury. W ten sposób informacje są zachowane, a fizyka czarnej dziury jest nieodwracalna.
Chociaż te koncepcje teorii strun działają tylko dla określonych geometrii i rekonstruują tylko jeden wymiar przestrzeni, niektórzy naukowcy próbowali wyjaśnić przestrzeń od podstaw.
W fizyce i ogólnie w naukach przyrodniczych przestrzeń i czas są podstawą wszystkich teorii. Ale nigdy bezpośrednio nie zauważamy czasoprzestrzeni. Raczej wywnioskujemy jego istnienie z naszego codziennego doświadczenia. Zakładamy, że najbardziej logicznym wytłumaczeniem dla zjawisk, które widzimy, będzie jakiś mechanizm działający w czasoprzestrzeni. Ale grawitacja kwantowa mówi nam, że nie wszystkie zjawiska idealnie pasują do takiego obrazu świata. Fizycy muszą zrozumieć, co jest jeszcze głębsze - tajniki przestrzeni, odwrotną stronę gładkiego lustra. Jeśli im się uda, zakończymy rewolucję, którą Einstein rozpoczął ponad sto lat temu.
Ilya Khel