"Sebagai kawan senior, saya mesti menghalangi anda dari aktiviti ini, kerana, pertama, anda tidak akan berjaya dalam aktiviti ini dan walaupun anda berjaya, tidak ada yang akan mempercayai anda"
Dari surat Max Planck kepada Albert Einstein mengenai percubaan Einstein untuk menyelesaikan percanggahan antara Relativiti Khas dan graviti Newton
Sejak zaman kuno, umat manusia selalu terpesona dengan konsep Ruang (Syurga) dan Masa (Permulaan, Perubahan dan Akhir). Pemikir awal, bermula dengan Gautama Buddha, Lao Tzu, dan Aristoteles, secara aktif menangani konsep-konsep ini. Selama berabad-abad, kandungan pemikiran para pemikir ini telah mengkristal dalam kesadaran manusia gambaran mental yang sekarang kita gunakan dalam kehidupan seharian kita. Kami memikirkan ruang sebagai kontinum tiga dimensi yang menyelubungi kita. Kami melambangkan masa sebagai jangka masa proses apa pun, tidak dipengaruhi oleh kekuatan yang bertindak di alam semesta fizikal. Dan bersama-sama mereka membentuk pentas di mana keseluruhan drama interaksi berkembang, pelakonnya adalah yang lain - bintang dan planet, bidang dan perkara, anda dan saya.
Selama lebih dari seribu tahun, empat buku fizik yang ditulis oleh Aristoteles telah menjadi asas bagi sains semula jadi. Walaupun Heraclitus percaya bahawa Alam Semesta sedang dalam pengembangan dan semua proses di dalamnya tidak pernah bermula dan tidak akan pernah berakhir, Parmenides mengajarkan bahawa konsep gerakan itu tidak sesuai dengan siapa Yang Esa, Berterusan dan Kekal. Aristoteles memasukkan kedua idea ini ke dalam sistem kosmogoniknya. Semua perubahan sekarang dikaitkan dengan Bumi dan Bulan, kerana perubahan ini jelas. Kebolehubahan dipindahkan ke planet lain, matahari dan bintang, kerana ia Cantik, Tidak Berubah dan Kekal Bercakap dalam bahasa moden, dapat dikatakan bahawa Aristoteles beroperasi dengan waktu mutlak, ruang dengan struktur mutlak, dan semua ini disediakan oleh Bumi yang berubah. Konsep-konsep ini mendasari persepsi dan gambaran dunia yang benar, pada masa itu, yang dipelajari oleh Isaac Newton pada tahun 1661-1665, sebagai pelajar di Cambridge.
Dua puluh tahun kemudian, Newton membalikkan dogma-dogma berusia berabad-abad ini. Dengan menerbitkan visinya tentang dunia di sekitar kita pada tahun 1686, dia memberikan pemahaman baru tentang alam semesta di sekitar kita. Menurut prinsipnya, waktu berubah menjadi ambang jendela, menggantikan kontinum dimensi. Itu masih mutlak dan sama untuk semua pemerhati. Semua peristiwa serentak membentuk kontinum ruang tiga dimensi. Oleh itu, struktur ruang mutlak hilang dalam penaakulannya. Berkat pelajaran Copernicus, Bumi dikeluarkan dari kedudukan istimewa di alam semesta. Relativiti Galilea menempatkan semua pemerhati inersia pada satu platform fizikal dengan ketepatan matematik. Prinsip Newtonian memusnahkan ortodoksi Aristotelian dengan menghapuskan perbezaan antara langit dan bumi. Syurga tidak lagi sama. Buat pertama kalinya dalam bidang fizik, timbul prinsip-prinsip sejagat. Epal yang jatuh ke bumi dan planet-planet yang bergerak di orbitnya mengelilingi matahari sekarang tunduk pada hukum yang sama. Syurga tidak lagi begitu misteri kerana tunduk pada kesedaran minda manusia. Sudah pada awal 1700-an, di Hearings of the Royal Society of Great Britain, karya-karya mulai muncul yang meramalkan bukan sahaja pergerakan Musytari, tetapi juga pergerakan bulan-bulannya! Tidak menghairankan bahawa pada masa itu sikap terhadap Newton dipenuhi bukan hanya dengan skeptisisme, tetapi juga dengan ketakutan, dan bukan hanya di pihak bukan profesional, tetapi juga di pihak intelektual Eropah terkemuka. Contohnya, Marquis de L'Hôpital, yang diketahui oleh pelajar moden kerana peraturannya dalam mengira had,menulis dari Perancis kepada John Arbuthnot di England mengenai Newton dan Prinsipnya seperti berikut:
- Tuhan saya! Apa asas pengetahuan yang kita dapati dalam buku itu? Adakah dia makan dan minum dan tidur? Adakah lelaki lain seperti dia?
Seperti yang dinyatakan oleh Richard Westfold dalam biografi Newton's Never Alone yang sangat dihormati:
- Sehingga tahun 1687, Newton hampir tidak terkenal dalam kalangan falsafah. Namun, tidak ada yang mempersiapkan dunia falsafah semula jadi untuk munculnya Prinsipnya. Prinsip-prinsip yang menjadi titik tolak bagi Newton sendiri, yang, setelah dua puluh tahun penyelidikan, akhirnya mengikuti dari prestasi ke prestasi. Prinsip-prinsip yang menjadi titik tolak falsafah semula jadi.
Video promosi:
Prinsip-prinsip Newton menjadi ortodoksi baru dan memerintah tertinggi selama lebih dari 150 tahun. Cabaran pertama untuk pemahaman dunia Newton dilemparkan dalam bidang fizik yang sama sekali tidak dijangka dan dikaitkan dengan perkembangan pemahaman fenomena elektromagnetik. Pada pertengahan abad ke-19, ahli fizik Scotland, James Clark Maxwell mencapai sintesis yang luar biasa dari semua pengetahuan terkumpul dalam bidang ini dengan menuliskan empat persamaan vektornya yang terkenal. Persamaan-persamaan ini seterusnya memberikan pemahaman mengenai kepentingan khas kelajuan cahaya. Tetapi pada masa itu, mustahil untuk difahami. Kecepatan mutlak penghantaran interaksi jelas bertentangan dengan prinsip relativiti Galileo, yang merupakan tonggak model ruang-waktu Newton. Pada masa itu, kebanyakan ahli fizik mempercayai kebenaran dunia Newton tanpa syarat dan oleh itu sampai pada kesimpulan bahawa persamaan Maxwell dapat dipenuhi hanya dalam lingkungan tertentu yang disebut eter. Tetapi, dengan membuat pernyataan seperti itu, mereka secara tidak sengaja kembali ke Aristoteles, yang menegaskan bahawa struktur ruang mutlak ada di Alam. Dan dalam keadaan ini, masalah ini berlanjutan selama kira-kira 50 tahun.
Dan sekarang Albert Einstein yang berusia 26 tahun menerbitkan karya terkenalnya "Tentang elektrodinamik media bergerak." Dalam karya ini, Einstein menerima kebenaran nilai pemalar yang terdapat dalam persamaan Maxwell, dan, dengan menggunakan eksperimen pemikiran sederhana, dengan jelas menunjukkan bahawa kelajuan cahaya adalah pemalar sejagat, yang mengekalkan nilainya untuk semua pemerhati inersia. Dia menunjukkan bahawa konsep keseragaman fizikal mutlak tidak dapat dipertahankan. Kejadian yang terpisah secara spasial yang kelihatan serentak dengan satu pemerhati tidak berlaku bagi pemerhati lain yang bergerak relatif terhadap yang pertama dengan kelajuan tetap.
Menjadi jelas bahawa model ruang-waktu Newton hanya dapat menjadi perkiraan, berlaku dalam hal ketika kecepatan yang dipertimbangkan jauh lebih sedikit daripada kecepatan cahaya. Model baru ruang-waktu telah muncul, termasuk prinsip relativiti baru, yang disebut Teori Relativiti Khusus. Teori ini mempunyai makna revolusi pada zamannya. Menurutnya, masa telah kehilangan kedudukan mutlak dalam bidang fizik. Kontinum ruang-waktu empat dimensi telah menjadi mutlak. Jarak dalam ruang-waktu empat dimensi antara peristiwa ditentukan dengan baik, tetapi hanya jarak temporal atau hanya ruang antara peristiwa yang mulai bergantung pada pilihan kerangka acuan, iaitu pada kecepatan pergerakan satu pemerhati relatif terhadap yang lain. Teori baru memberikan ramalan luar biasa yang luar biasa,yang sukar dirasakan pada masa itu. Tenaga dan jisim kehilangan keunikannya dan dapat berubah menjadi satu sama lain, menurut formula E = mc2 yang terkenal. Perlu diingatkan di sini bahawa hubungan ini pertama kali muncul pada tahun 1895 dalam karya Henri Poincaré "Mengenai pengukuran masa", yang diterbitkan dalam jurnal falsafah Paris dan oleh itu tidak menarik perhatian ahli fizik, tetapi ia memperoleh kepentingannya sekarang setelah karya Einstein. Bayangkan tenaga yang terkandung dalam satu gram bahan dapat menerangi seluruh kota selama setahun. Seorang kembar, yang meninggalkan adiknya di Bumi dan bergerak dalam kapal angkasa dengan kelajuan hampir dengan kelajuan cahaya, akan kembali untuk mengetahui bahawa kakaknya telah berumur beberapa dekad sebagai perbandingan. Begitu tidak dijangka ramalan ini yang dibahaskan oleh banyak saintis di universiti terkemukabahawa teori yang diberikan tidak dapat dilaksanakan. Namun, mereka semua salah. Reaktor nuklear berfungsi di Bumi dan bintang bersinar di langit, mengubah jisim menjadi tenaga, sepadan dengan formula E = mc2. Di makmal bertenaga tinggi, zarah yang tidak stabil dipercepat ke cahaya dekat dengan kelajuan hidup puluhan dan beratus-ratus kali lebih lama daripada rakan mereka yang berehat di bumi.
Namun, di sebalik semua sifat revolusi SRT, satu aspek ruang-masa tetap Aristotelian. Ini tetap menjadi arena pasif untuk semua acara, kanvas di mana kekuatan penggerak Alam Semesta melukis gambar mereka. Pada pertengahan abad ke-19, ahli matematik mengetahui bahawa geometri Euclid, yang kita semua belajar di sekolah, adalah salah satu kemungkinan geometri. Ini membawa kepada idea yang paling jelas dirumuskan oleh Richard Riemann pada tahun 1854. Dia mengatakan bahawa geometri ruang fizikal mungkin tidak mematuhi aksioma Euclid, tetapi mungkin melengkung kerana kehadiran jirim di Alam Semesta. Dalam idea-ideanya, ruang tidak lagi pasif dan berubah mengikut jirim. Butuh 61 tahun lagi untuk idea ini mendapat permintaan.
Peristiwa yang begitu hebat adalah penerbitan oleh Einstein pada tahun 1915 dari Teori Relativiti Umumnya. Dalam teori ini, masa ruang mengambil bentuk kontinum empat dimensi. Geometri kontinum ini melengkung, dan tahap kelengkungan mensimulasikan medan graviti dalam kontinum itu sendiri. Ruang-masa tidak lagi lengang. Ia bertindak atas jirim, dan jirim bertindak di atas jirim. Seperti yang dikatakan oleh ahli fizik Amerika yang terkenal John Wheeler:
- Perkara memberitahu ruang-waktu bagaimana membongkok dan ruang-waktu memberitahu perkara penting untuk bergerak.
Tidak ada lagi penonton dalam tarian kosmik, tidak ada latar belakang di mana semua peristiwa berlangsung. Adegan itu sendiri menyertai pelakon. Ini adalah perubahan mendalam dalam pandangan dunia. Oleh kerana semua sistem fizikal terletak pada ruang-waktu, perubahan pandangan seperti itu mengguncang semua asas falsafah semula jadi. Ia mengambil masa beberapa dekad untuk ahli fizik untuk memahami banyak aplikasi teori ini dan ahli falsafah berdamai dengan pemahaman baru tentang dunia yang tumbuh dari Relativiti Umum.
2. Graviti adalah geometri
"Seolah-olah tembok yang memisahkan kita dari kebenaran telah runtuh. Ruang yang lebih luas dan kedalaman tanpa dasar terbuka untuk mata mencari pengetahuan, kawasan yang tidak kami ketahui"
Hermann Weil "Teori relativiti umum"
Dapat diandaikan bahawa ketika menulis karyanya, Einstein, nampaknya, diilhami oleh dua fakta yang cukup sederhana. Pertama, universaliti graviti, yang ditunjukkan oleh Galileo dalam eksperimennya yang terkenal di Menara Pisa yang condong. Graviti adalah universal, kerana semua badan dari menara jatuh sama jika hanya gaya graviti yang bertindak ke atasnya. Kedua, graviti selalu menampakkan dirinya sebagai daya tarikan. Sifat ini sangat membezakannya, misalnya, dari daya elektrostatik, yang digambarkan oleh hukum yang sama dalam bentuknya dengan hukum graviti sejagat dan menampakkan dirinya bergantung pada jenis cas berinteraksi dan sebagai daya tarikan dan tolakan. Akibatnya, sementara daya elektrostatik dapat terlindung dan cukup mudah untuk membuat kawasan di mana ia tidak akan bertindak,graviti tidak dapat disaring secara prinsip. Oleh itu, graviti ada di mana-mana dan bertindak pada semua badan dengan cara yang sama. Kedua-dua fakta ini membincangkan perbezaan yang kuat antara graviti dan interaksi asas lain dan menunjukkan bahawa graviti adalah manifestasi dari sesuatu yang lebih mendalam dan universal. Kerana ruang masa juga ada di mana-mana dan universal, Einstein mencadangkan bahawa graviti memanifestasikan dirinya bukan sebagai kekuatan, tetapi sebagai kelengkungan geometri ruang-waktu. Ruang masa dalam Teori Relativiti Umum mudah ditempa dan dapat dimodelkan oleh kepingan getah dua dimensi yang dibengkokkan oleh badan besar. Contohnya, cahaya matahari, yang sangat lebat, melenturkan ruang-waktu. Planet, seperti semua badan yang jatuh di Bumi, bergerak di sepanjang lintasan "lurus", tetapi hanya dalam geometri lengkung. Dalam pengertian matematik yang tepat, mereka mengikuti jalan terpendek, yang disebut garis geodesi - ini adalah generalisasi garis lurus geometri satah Euclid ke geometri melengkung Riemann. Jadi, jika kita mempertimbangkan ruang-waktu melengkung, misalnya, Bumi akan memilih di ruang seperti itu lintasan optimum, yang merupakan analog lengkap garis lurus. Tetapi, kerana ruang-waktu melengkung, dalam unjuran ke ruang rata Euclid dan Newton, lintasan ini akan menjadi elips.kerana ruang-waktu melengkung, dalam unjuran ke ruang rata Euclid dan Newton, lintasan ini akan berbentuk elips.kerana ruang-waktu melengkung, dalam unjuran ke ruang rata Euclid dan Newton, lintasan ini akan berbentuk elips.
Daya tarik Teori Relativiti Umum terletak pada kenyataan bahawa ia, dengan menggunakan matematik yang elegan, mengubah idea-idea sederhana secara konseptual ini menjadi persamaan konkrit dan menggunakan persamaan ini untuk membuat ramalan yang luar biasa mengenai sifat realiti fizikal. Dia meramalkan bahawa jam harus berjalan lebih cepat di Kathmandu daripada di Yalta. Nukleus galaksi harus bertindak seperti lensa graviti raksasa dan menunjukkan kepada kita pelbagai gambar kuarsa yang jauh. Dua bintang neutron berputar di sekitar pusat bersama mesti kehilangan tenaga kerana riak pada ruang-waktu melengkung yang disebabkan oleh gerakan lingkaran mereka, menyatu menjadi pusat tunggal, diikuti oleh perlanggaran mereka. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, banyak eksperimen telah dilakukan untuk menguji ramalan ini dan bahkan lebih eksotik. Dan setiap kali Teori Relativiti Umum menang. Ketepatan beberapa eksperimen melebihi ketepatan eksperimen legenda dalam mengesan kuantum medan elektromagnetik. Kombinasi kedalaman konseptual, keanggunan matematik, dan kejayaan pemerhatian tidak pernah terjadi sebelumnya. Inilah sebabnya mengapa Teori Relativiti Umum, di satu pihak, dianggap sebagai salah satu teori fizikal yang paling tinggi, dan di sisi lain, menimbulkan minat yang cukup besar, sebagai objek kritikan profesional dan tidak selalu.mengapa Teori Relativiti Umum, di satu pihak, dianggap sebagai salah satu teori fizikal yang paling tinggi, dan di sisi lain, menimbulkan minat yang cukup besar, sebagai objek dari semua jenis dan tidak selalu kritikan profesional.mengapa Teori Relativiti Umum, di satu pihak, dianggap sebagai salah satu teori fizikal yang paling tinggi, dan di sisi lain, menimbulkan minat yang cukup besar, sebagai objek dari semua jenis dan tidak selalu kritikan profesional.
3. Big bang dan lubang hitam
"Ahli fizik telah melakukan dengan cemerlang, tetapi mereka telah menunjukkan batasan intuisi, tanpa bantuan matematik. Mereka mendapati bahawa memahami Alam sangat sukar untuk maju. Kemajuan ilmiah harus dibayar dengan pengakuan yang menghina bahawa realiti dibina sedemikian rupa sehingga tidak mudah ditangkap oleh persepsi manusia"
Edward O. Wilson “Kebetulan. Kesatuan pengetahuan"
Munculnya Teori Relativiti Umum mengantar era kosmologi moden. Pada skala yang sangat besar, alam semesta di sekitar kita kelihatan homogen dan isotropik. Pandangan ini adalah realisasi terbesar dari prinsip Copernican: di alam semesta kita tidak ada titik terpilih, tidak ada arah yang dipilih. Pada tahun 1922, menggunakan persamaan Einstein, ahli matematik Rusia Alexander Fridman menunjukkan bahawa alam semesta seperti itu tidak boleh statis. Ia mesti berkembang atau runtuh. Pada tahun 1929, ahli astronomi Amerika Edwin Hubble mendapati bahawa alam semesta memang berkembang. Fakta ini, pada gilirannya, menyiratkan bahawa proses ini mesti mempunyai permulaannya, di mana ketumpatan graviti dan, dengan demikian, kelengkungan ruang-waktu harus sangat besar. Konsep Big Bang muncul. Pemerhatian yang teliti,terutamanya sejak 20 tahun yang lalu telah menunjukkan bahawa peristiwa ini mungkin berlaku 14 bilion tahun yang lalu. Sejak itu, galaksi telah bergerak terpisah dan graviti rata-rata terus menurun. Dengan menggabungkan pengetahuan kita tentang Teori Relativiti Umum dengan fizik makmal, kita dapat membuat banyak ramalan terperinci. Sebagai contoh, kita dapat mengira jumlah relatif unsur cahaya, inti yang terbentuk dalam tiga minit pertama selepas letupan (lihat, misalnya, di sini). Kita dapat meramalkan keberadaan dan sifat radiasi primer (latar belakang gelombang mikro relik) yang dipancarkan ketika alam semesta berusia sekitar 400,000 tahun. Dan kita dapat mengatakan bahawa galaksi pertama terbentuk ketika alam semesta berusia satu miliar tahun. Pelbagai masa dan fenomena yang luar biasa!berlaku 14 bilion tahun yang lalu. Sejak itu, galaksi telah bergerak terpisah dan graviti rata-rata terus menurun. Dengan menggabungkan pengetahuan kita tentang Teori Relativiti Umum dengan fizik makmal, kita dapat membuat banyak ramalan terperinci. Sebagai contoh, kita dapat mengira jumlah relatif unsur cahaya, inti yang terbentuk dalam tiga minit pertama selepas letupan (lihat, misalnya, di sini). Kita dapat meramalkan keberadaan dan sifat radiasi primer (latar belakang gelombang mikro peninggalan) yang dipancarkan ketika alam semesta berusia sekitar 400.000 tahun. Dan kita dapat mengatakan bahawa galaksi pertama terbentuk ketika alam semesta berusia satu miliar tahun. Pelbagai masa dan pelbagai fenomena yang luar biasa!berlaku 14 bilion tahun yang lalu. Sejak itu, galaksi telah bergerak terpisah dan graviti rata-rata terus menurun. Dengan menggabungkan pengetahuan kita tentang Teori Relativiti Umum dengan fizik makmal, kita dapat membuat banyak ramalan terperinci. Sebagai contoh, kita dapat mengira jumlah relatif unsur cahaya, inti yang terbentuk dalam tiga minit pertama selepas letupan (lihat, misalnya, di sini). Kita dapat meramalkan keberadaan dan sifat radiasi primer (latar belakang gelombang mikro relik) yang dipancarkan ketika alam semesta berusia sekitar 400,000 tahun. Dan kita dapat mengatakan bahawa galaksi pertama terbentuk ketika alam semesta berusia satu miliar tahun. Pelbagai masa dan fenomena yang luar biasa!Dengan menggabungkan pengetahuan kita tentang Teori Relativiti Umum dengan fizik makmal, kita dapat membuat banyak ramalan terperinci. Sebagai contoh, kita dapat mengira jumlah relatif unsur cahaya, inti yang terbentuk dalam tiga minit pertama selepas letupan (lihat, misalnya, di sini). Kita dapat meramalkan keberadaan dan sifat radiasi primer (latar belakang gelombang mikro peninggalan) yang dipancarkan ketika alam semesta berusia sekitar 400,000 tahun. Dan kita dapat mengatakan bahawa galaksi pertama terbentuk ketika alam semesta berusia satu miliar tahun. Pelbagai masa dan pelbagai fenomena yang luar biasa!Dengan menggabungkan pengetahuan kita tentang Teori Relativiti Umum dengan fizik makmal, kita dapat membuat banyak ramalan terperinci. Sebagai contoh, kita dapat mengira jumlah relatif unsur cahaya, inti yang terbentuk dalam tiga minit pertama selepas letupan (lihat, misalnya, di sini). Kita dapat meramalkan keberadaan dan sifat radiasi primer (latar belakang gelombang mikro peninggalan) yang dipancarkan ketika alam semesta berusia sekitar 400,000 tahun. Dan kita dapat mengatakan bahawa galaksi pertama terbentuk ketika alam semesta berusia satu miliar tahun. Pelbagai masa dan fenomena yang luar biasa!contohnya di sini). Kita dapat meramalkan keberadaan dan sifat radiasi primer (latar belakang gelombang mikro relik) yang dipancarkan ketika alam semesta berusia sekitar 400.000 tahun. Dan kita dapat mengatakan bahawa galaksi pertama terbentuk ketika alam semesta berusia satu miliar tahun. Pelbagai masa dan pelbagai fenomena yang luar biasa!contohnya di sini). Kita dapat meramalkan keberadaan dan sifat radiasi primer (latar belakang gelombang mikro relik) yang dipancarkan ketika alam semesta berusia sekitar 400.000 tahun. Dan kita dapat mengatakan bahawa galaksi pertama terbentuk ketika alam semesta berusia satu miliar tahun. Pelbagai masa dan fenomena yang luar biasa!
Di samping itu, Teori Relativiti Umum mengubah pendekatan falsafah terhadap persoalan Permulaan. Sehingga tahun 1915, topik ini dapat diperdebatkan ketika Emmanuel Kant berpendapat bahawa alam semesta mungkin tidak memiliki awal yang terbatas. Maka pertanyaan itu dapat diajukan: Apa yang ada sebelumnya? Tetapi persoalan ini secara implisit menganggap bahawa ruang dan waktu selalu ada, dan alam semesta muncul bersama dengan jirim. Dalam Teori Relativiti Umum, tidak masuk akal untuk mengajukan soalan seperti itu, kerana ruang-waktu dilahirkan bersama dengan materi di Big Bang. Soalan "Apa yang ada sebelumnya?" tidak bermaksud apa-apa lagi. Dalam pengertian yang tepat, Big Bang adalah sempadan di mana ruang-waktu berakhir, di mana ruang-waktu kontinum itu sendiri pecah. Teori Relativiti Umum pada masa Big Bang menetapkan batas semula jadi untuk fizik yang tidak memungkinkan untuk melihat lebih jauh.
Ketika datang ke lubang hitam, Relativiti Umum juga menemui kemungkinan lain. Penyelesaian pertama untuk persamaan Einstein yang menggambarkan lubang hitam telah diperoleh pada tahun 1916 oleh ahli astrofizik Jerman Karl Schwarzschild, yang berperang dalam tentera Jerman di bahagian depan Perang Dunia Pertama. Walau bagaimanapun, memahami makna fizikal keputusan ini memerlukan masa yang lama. Kaedah yang paling semula jadi untuk lubang hitam terbentuk adalah kematian bintang. Semasa cahaya bintang membakar bahan api nuklear, tekanan radial luar dapat mengimbangi graviti. Tetapi setelah semua bahan bakar dibakar, satu-satunya kekuatan yang dapat bersaing dengan daya tarikan graviti adalah daya tolakan yang dihasilkan oleh prinsip pengecualian mekanik kuantum Pauli. Semasa perjalanannya yang terkenal ke Cambridge,Subrahmanyan Chandrasekhar yang berusia dua puluh tahun menggabungkan prinsip relativiti khas dan mekanik kuantum untuk menunjukkan bahawa jika bintang cukup besar, graviti dapat mengatasi daya tolakan yang dihasilkan oleh prinsip pengecualian Pauli. Hasilnya, bintang itu menyelesaikan evolusinya sebagai lubang hitam. Selama tiga puluhan, dia memperbetulkan dan menambah perhitungannya dan memberikan argumen yang tidak dapat disangkal untuk menyokong senario kemalangan bintang. Walau bagaimanapun, ahli astrofizik Inggeris yang terkenal pada masa itu, Arthur Eddington, tidak menerima idea mengenai senario seperti itu dan menyatakan bahawa dengan pengiraan yang “betul”, teori relativiti khas tidak dapat diterapkan. Hari ini, walaupun seorang pelajar akan gagal dalam peperiksaan sekiranya dia berusaha memberikan alasan seperti itu dalam penaakulannya. Ahli fizik kuantum terkemuka pada masa itu, Borovskaya dan Dirac, dengan senang hati bersetuju dengan hasil Chandrasekhar, tetapi melakukannya dalam surat peribadi, tanpa memikirkan secara terbuka menunjukkan kesalahan Eddington. Ini hanya diperbaiki pada tahun 1983 ketika Chandrasekhar dianugerahkan Hadiah Nobel. Akibatnya, salah faham ini ditangguhkan selama beberapa dekad bukan hanya pengakuan terhadap karya Chandrasekhar, tetapi juga persepsi tentang lubang hitam sebagai objek nyata.sebagai objek sebenar.sebagai objek sebenar.
Anehnya, bahkan Einstein sendiri tidak melihat lubang hitam. Sudah pada tahun 1939, dia menerbitkan sebuah artikel di Annals of Mathematics, di mana dia berpendapat bahawa lubang hitam tidak dapat terbentuk oleh keruntuhan bintang. Dia berpendapat bahawa perhitungannya betul, tetapi kesimpulannya adalah hasil dari anggapan yang tidak realistik. Hanya beberapa bulan kemudian, ahli fizik Amerika Robert Oppenheimer dan Hartland Snyder menerbitkan karya klasik mereka sekarang, membuktikan bahawa bintang-bintang besar menyelesaikan evolusi mereka dengan pembentukan lubang hitam. Telah ditunjukkan bahawa lubang hitam adalah kawasan di mana kelengkungan ruang-waktu begitu kuat sehingga cahaya bahkan tidak dapat meninggalkannya. Oleh itu, menurut Teori Relativiti Umum, kawasan-kawasan ini kelihatan hitam pekat kepada pemerhati luar. Sekiranya kita beralih ke analogi permukaan getah dua dimensi, ternyata pesongan ruang-waktu dalam lubang hitam begitu besar sehingga ia benar-benar pecah, membentuk satu kesamaan. Seperti Big Bang, kelengkungan menjadi tidak terbatas. Ruang-waktu membentuk cakerawala peristiwa, dan fizik berhenti di cakrawala ini.
Namun, nampaknya, lubang hitam adalah objek biasa di alam semesta. Teori Relativiti Umum, digabungkan dengan pengetahuan kita mengenai proses evolusi bintang, meramalkan bahawa Alam Semesta harus mempunyai sejumlah besar lubang hitam dengan jisim berjumlah 10-50 jisim suria, yang merupakan produk aktiviti penting bintang besar. Sesungguhnya, lubang hitam adalah pemain terkemuka dalam astronomi moden dan astrofizik. Mereka adalah sumber kuat dari beberapa fenomena paling bertenaga di alam semesta, seperti sinar gamma terkenal yang dipancarkan oleh lubang hitam besar. Sinar ini membawa tenaga yang dipancarkan 1000 matahari sepanjang hayatnya. Lubang hitam berlaku akibat letupan supernova yang melengkapkan kehidupan bintang besar. Dan letupan seperti itu dirakam setiap hari. Pusat semua galaksi elips nampaknyamengandungi lubang hitam supermasif dengan jisim berjuta-juta jisim suria. Galaksi kita sendiri, Bima Sakti, mempunyai lubang hitam di tengahnya dengan jisim 3.2 juta massa suria.
4. Selepas Einstein
"Sesungguhnya, bidang baru dari pengalaman kami akan selalu membawa kepada pengkristalan sistem pengetahuan dan undang-undang saintifik yang baru. Menghadapi cabaran intelektual yang baru dan luar biasa, kami terus mengikuti contoh Columbus, yang memiliki keberanian untuk meninggalkan dunia yang terkenal dengan harapan yang hampir gila untuk menemui darat di seberang laut."
V. Geisenberg "Perubahan terkini dalam sains yang tepat"
Teori Relativiti Umum adalah teori graviti dan struktur ruang-waktu terbaik yang kita ada sekarang. Ia dapat menggambarkan pelbagai fenomena yang mengagumkan mulai dari pengembangan kosmik yang hebat hingga fungsi sistem penentududukan di seluruh dunia di Bumi. Tetapi teori ini tidak lengkap kerana mengabaikan kesan kuantum yang mengatur dunia subatomik. Lebih-lebih lagi, kedua-dua teori ini pada asasnya berbeza. Dunia Teori Relativiti Umum mempunyai ketepatan geometri, itu adalah deterministik. Berbeza dengan dunia ini, dunia mekanik kuantum boleh diragukan, kemungkinan besar. Ahli fizik mengekalkan keadaan bahagia, hampir skizofrenia ini dengan menggunakan Relativiti Umum untuk menggambarkan fenomena skala besar dalam astronomi dan kosmologi.dan teori kuantum untuk menerangkan sifat atom dan zarah unsur. Perhatikan bahawa ini adalah strategi yang cukup baik kerana kedua-dua dunia ini sangat jarang berlaku. Tetapi, bagaimanapun, strategi ini, dari sudut konseptual, sangat tidak memuaskan. Segala sesuatu dalam pengalaman fizikal kita memberitahu kita bahawa mesti ada teori yang lebih besar dan lebih lengkap, dari mana Teori Relativiti Umum dan teori kuantum mesti timbul sebagai kes khas dan terhad. Sebagai pengganti teori sedemikian, teori graviti kuantum menuntut. Ini adalah masalah yang mendesak, benar-benar logik mengikuti karya Einstein. Berbeza dengan sudut pandang yang diterima umum yang terbentuk sebagai hasil pernyataan Einstein kemudian mengenai ketidaklengkapan mekanika kuantum, dia jelas mengetahui tentang batasan Relativiti Umum ini. Hebat,tetapi Einstein menunjukkan perlunya membuat teori graviti kuantum pada tahun 1916! Dalam artikel yang diterbitkan dalam Preussische Akademie Sitzungsberichte, dia menulis:
- Namun, disebabkan oleh pergerakan elektron intra-atom, atom-atom tersebut tidak hanya memancarkan elektromagnetik, tetapi juga tenaga graviti, tetapi hanya dalam jumlah kecil. Oleh kerana semuanya ada di Alam, nampaknya teori kuantum harus mengubah bukan sahaja elektrodinamik Maxwell, tetapi juga teori graviti baru.
Di Big Bang dan dalam singulariti lubang hitam, dunia yang sangat besar dan sangat kecil bertemu. Oleh itu, walaupun pada masa ini pertemuan ini adalah rahsia untuk kita dimeteraikan dengan tujuh meterai, tetapi ia adalah pintu masuk yang dapat kita lalui melebihi Teori Relativiti Umum. Pada masa ini dipercayai bahawa fizik sebenar tidak dapat berhenti di ambang cakrawala peristiwa. Kemungkinan besar Teori Relativiti Umum gagal di sana. Jelas bahawa fizik teori mesti sekali lagi mengkaji semula pemahaman kita tentang ruang-waktu. Kita memerlukan bahasa baru yang dapat melintasi pintu-pintu yang tidak diketahui.
Penciptaan bahasa ini dianggap sebagai cabaran paling serius dan terpenting yang dihadapi fizik asas pada masa kini. Terdapat beberapa pendekatan ke arah ini hari ini. Salah satunya berkaitan dengan teori rentetan, tetapi kita akan memfokuskan pada konsep loop gravitasi kuantum. Ini adalah pendekatan untuk membina teori kuantum yang muncul lebih dari 20 tahun yang lalu dalam karya ahli fizik India Abhay Ashtekar dan saat ini diyakini sebagai alternatif kepada pendekatan rentetan dalam menyelesaikan masalah ini.
Dalam Teori Relativiti Umum, ruang-waktu adalah satu kontinum. Idea utama di sebalik graviti loop kuantum adalah penegasan bahawa kontinum ini hanyalah penghampiran yang dipecahkan pada jarak yang disebut Planck. Panjang Planck adalah kuantiti unik yang dapat dibina dari pemalar graviti, pemalar Planck dalam fizik kuantum, dan kelajuan cahaya. Panjang ini ialah 3,10-33 cm, iaitu 20 orde magnitud lebih kecil daripada radius proton. Oleh itu, walaupun pada pemecut zarah paling kuat di Bumi, anda dapat bekerja dengan selamat dengan kontinum ruang-waktu. Tetapi keadaan ini berubah secara mendadak, khususnya, berhampiran Big Bang dan lubang hitam. Dalam kes seperti itu, anda perlu menggunakan ruang-waktu yang dikuantisasi, yang kuantumnya adalah lingkaran kuantum graviti.
Mari cuba memahami apa itu kuantiti ruang-waktu. Mari beralih ke selembar kertas di hadapan kita. Bagi kami, ia kelihatan seperti kontinum dua dimensi yang kukuh. Tetapi kita juga tahu bahawa ia terdiri daripada atom. Lembaran ini mempunyai struktur diskrit yang hanya menjadi deklarasi sekiranya kita tidak melihatnya, misalnya, dengan mikroskop elektron. Sekarang lebih jauh. Einstein berpendapat bahawa geometri ruang masa tidak kurang fizikal daripada jirim. Oleh itu, ia juga mesti mempunyai struktur "atom". Andaian ini memungkinkan pada pertengahan tahun 90an untuk menggabungkan prinsip Teori Relativiti Umum dengan fizik kuantum dan membuat geometri kuantum. Sama seperti geometri berterusan menyediakan bahasa matematik untuk merumuskan Teori Relativiti Umum,jadi geometri kuantum menyediakan alat matematik dan menghasilkan konsep fizikal baru untuk menerangkan masa kosmik kuantum.
Dalam geometri kuantum, yang utama adalah asas tertutup dalam kegembiraan geometri cincin, yang bersifat satu dimensi. Kain biasa kelihatan seperti kontinum dua dimensi yang halus, tetapi berdasarkan benang satu dimensi. Andaian serupa dapat dibuat berkenaan dengan kontinum dimensi yang lebih tinggi. Pada tahap intuitif semata-mata, kegembiraan geometri asas dapat dilihat sebagai benang kuantum yang dapat ditenun untuk membuat struktur ruang-waktu. Apa yang berlaku ketika kita berada di dekat ruang-waktu yang unik. Jelas bahawa di kawasan ini konsep kontinum ruang-waktu sama sekali tidak berlaku. Fluktuasi kuantum di kawasan ini sangat besar sehingga benang kuantum tidak dapat "dibekukan" ke dalam kontinum ruang-waktu. Kain ruang masa terkoyak. Fizik dari kontinum ruang-waktu "terpaku" pada sisa-sisa tisu ruang-waktu. Pada masa yang sama, menjadi jelas bahawa benang itu sendiri, yang menjadi asas dari kain alam semesta, memperoleh kepentingan khusus. Dengan menggunakan persamaan kuantum Einstein, seseorang masih dapat mempelajari fizik, menggambarkan proses yang berlaku di dunia kuantum. Tetapi ada perkara penting di sini. Faktanya adalah bahawa jika tidak ada kontinum ruang-waktu, banyak konsep yang biasa digunakan dalam fizik menjadi tidak betul. Adalah perlu untuk mempertimbangkan konsep baru yang menggantikan atau menambah konsep yang dibuang, dan ini memerlukan intuisi fizikal yang baru. Dan dalam keadaan dramatik seperti itu, jalannya disusun untuk persamaan kuantum Einstein. Fizik dari kontinum ruang-waktu "terpaku" pada sisa-sisa tisu ruang-waktu. Pada masa yang sama, menjadi jelas bahawa benang itu sendiri, yang menjadi asas dari kain alam semesta, memperoleh kepentingan khusus. Dengan menggunakan persamaan kuantum Einstein, seseorang masih dapat mempelajari fizik, menggambarkan proses yang berlaku di dunia kuantum. Tetapi ada perkara penting di sini. Maksudnya adalah bahawa jika tidak ada kontinum ruang-waktu, banyak konsep yang biasa digunakan dalam fizik menjadi tidak betul. Adalah perlu untuk mempertimbangkan konsep baru yang menggantikan atau menambah konsep yang dibuang, dan ini memerlukan intuisi fizikal yang baru. Dan dalam keadaan dramatik seperti itu, jalannya disusun untuk persamaan kuantum Einstein. Fizik dari kontinum ruang-waktu "terpaku" pada sisa-sisa tisu ruang-waktu. Pada masa yang sama, menjadi jelas bahawa benang itu sendiri, yang menjadi asas dari kain alam semesta, memperoleh kepentingan khusus. Dengan menggunakan persamaan kuantum Einstein, seseorang masih dapat mempelajari fizik, menggambarkan proses yang berlaku di dunia kuantum. Tetapi ada perkara penting di sini. Maksudnya adalah bahawa jika tidak ada kontinum ruang-waktu, banyak konsep yang biasa digunakan dalam fizik menjadi tidak betul. Adalah perlu untuk mempertimbangkan konsep baru yang menggantikan atau menambah konsep yang dibuang, dan ini memerlukan intuisi fizikal yang baru. Dan dalam keadaan dramatik seperti itu, jalannya disusun untuk persamaan kuantum Einstein.mengambil kepentingan khusus. Dengan menggunakan persamaan kuantum Einstein, seseorang masih dapat mempelajari fizik, menggambarkan proses yang berlaku di dunia kuantum. Tetapi ada perkara penting di sini. Maksudnya ialah jika tidak ada kontinum ruang-waktu, banyak konsep yang biasa digunakan dalam fizik menjadi tidak betul. Adalah perlu untuk mempertimbangkan konsep baru yang menggantikan atau menambah konsep yang dibuang, dan ini memerlukan intuisi fizikal yang baru. Dan dalam keadaan dramatik seperti itu, jalannya disusun untuk persamaan kuantum Einstein.mengambil kepentingan khusus. Dengan menggunakan persamaan kuantum Einstein, seseorang masih dapat mempelajari fizik, menggambarkan proses yang berlaku di dunia kuantum. Tetapi ada perkara penting di sini. Faktanya adalah bahawa jika tidak ada kontinum ruang-waktu, banyak konsep yang biasa digunakan dalam fizik menjadi tidak betul. Adalah perlu untuk mempertimbangkan konsep baru yang menggantikan atau menambah konsep yang dibuang, dan ini memerlukan intuisi fizikal yang baru. Dan dalam keadaan dramatik seperti itu, jalannya disusun untuk persamaan kuantum Einstein. Adalah perlu untuk mempertimbangkan konsep baru yang menggantikan atau menambah konsep yang dibuang, dan ini memerlukan intuisi fizikal yang baru. Dan dalam keadaan dramatik seperti itu, jalannya disusun untuk persamaan kuantum Einstein. Adalah perlu untuk mempertimbangkan konsep baru yang menggantikan atau menambah konsep yang dibuang, dan ini memerlukan intuisi fizikal yang baru. Dan dalam keadaan dramatik seperti itu, jalannya disusun untuk persamaan kuantum Einstein.
Berdasarkan persamaan ini, menjadi mungkin untuk menjelaskan beberapa perincian mengenai Big Bang. Ternyata persamaan pembezaan Einstein, ditulis untuk kontinum ruang-waktu, mesti diganti dengan persamaan pembezaan yang ditulis dalam bahasa struktur geometri kuantum yang diskrit. Masalahnya ialah persamaan Einstein standard, yang menggambarkan ruang masa klasik dengan sempurna, berhenti berfungsi ketika mendekati Big Bang, ketika ketumpatan jirim menghampiri ketumpatan Planck 1094 g / cm3 mengikut urutan magnitud. Dalam geometri kuantum, kelengkungan ruang-waktu dalam rejim Planck menjadi sangat besar, tetapi terbatas. Anehnya, kesan geometri kuantum menghasilkan daya tolakan baru yang begitu hebatyang dengan mudah mengatasi daya graviti. Teori Relativiti Umum berhenti berfungsi. Alam semesta berkembang. Persamaan kuantum Einstein memungkinkan seseorang untuk mengembangkan geometri kuantum dan membina penerangan jirim yang betul dalam rejim Planck, tanpa meninggalkan ruang untuk konsep bukan fizikal seperti singulariti. Big Bang digantikan oleh kejutan kuantum yang kuat.
Pengiraan berangka proses dalam kes isotropik homogen spasial dilakukan berdasarkan persamaan Einstein kuantum. Kontinum ruang-waktu dikira di luar rejim Planck dan di sisi lain "Big Bang". Pada cabang yang disebut letupan "pra-besar". Ternyata kontinum yang menyusut ini juga digambarkan dengan baik oleh Teori Relativiti Umum. Walau bagaimanapun, apabila ketumpatan jirim menjadi sama dengan 0.8 ketumpatan Planck, daya tolakan yang dihasilkan oleh geometri kuantum, yang sebelumnya tidak signifikan, menjadi dominan. Dan bukannya runtuh, Alam Semesta mengalami kesan kuantum yang kuat, mengubah prosesnya menjadi cabang ledakan "pasca-besar", di mana kita sekarang hidup. Teori Relativiti Umum Klasik menggambarkan kedua-dua cabang dengan baik, kecuali bila
Kemunculan daya tolakan sifat kuantum pada saat kesan kuantum mempunyai analogi yang menarik dengan kemunculan daya tolakan semasa kematian bintang. Sekiranya daya tolakan mula berlaku di atas gaya graviti, apabila inti bintang mencapai ketumpatan kritikal 6x1016 g / cm3, ia dapat mengelakkan bintang daripada runtuh ke dalam lubang hitam dan mengubahnya menjadi bintang neutron yang stabil. Gaya tolakan ini dihasilkan oleh prinsip pengecualian Pauli dan secara langsung berkaitan dengan sifat kuantum proses yang berlaku. Namun, jika jisim bintang yang mati berubah menjadi lebih besar daripada 5 kali jisim Matahari, graviti mengatasi daya ini dan bintang itu runtuh menjadi lubang hitam. Keunikan timbul. Daya tolakan yang dihasilkan oleh geometri kuantum berperanan pada ketumpatan jirim yang lebih tinggi,tetapi pada masa yang sama ia mengatasi tekanan graviti tidak kira seberapa besar badan yang runtuh. Sesungguhnya, badan ini boleh menjadi seluruh Alam Semesta! Daya tarikan graviti loop kuantum adalah dengan memprediksi kesan ini, ia dapat mencegah pembentukan singularitas di dunia nyata dengan memperpanjang "kehidupan" masa ruang kita melalui jambatan kuantum.
Terima kasih kepada Einstein, pada abad ke-20, pemahaman tentang ruang dan masa mengalami penyemakan radikal. Geometri kontinum ruang-waktu telah menjadi fizikal seperti perkara sebelumnya. Pemahaman ini membuka perspektif baru dalam kosmologi dan astronomi. Tetapi pada abad kita tidak kurang perubahan dramatik yang menanti kita dalam memahami ruang-waktu. Terima kasih kepada geometri kuantum, Big Bang dan lubang hitam untuk fizik tidak lagi dikelilingi oleh sempadan yang tidak dapat dilalui. Jangka masa kuantum fizikal jauh lebih besar daripada Relativiti Umum. Kewujudan hubungan antara teori-teori ini membolehkan kita berbicara mengenai konsistensi graviti loop kuantum. Ketekalan ini membolehkan kita membuat kesimpulan yang cukup pasti mengenai fizik asal Alam Semesta kita dan mengenai fizik lubang hitam. Kemungkinan yang lebih menarik mungkin timbul sebagai hasil pengembangan teori ini.
