Orang selalu mengambil ruang untuk diberikan. Lagipun, ini hanya kekosongan - wadah untuk semua yang lain. Masa juga terus berdetik. Tetapi ahli fizik adalah orang seperti itu, mereka selalu perlu menyulitkan sesuatu. Dengan kerap menyatukan teori mereka, mereka mengetahui bahawa ruang dan waktu bergabung dalam sistem yang begitu kompleks sehingga orang biasa tidak dapat memahami.
Albert Einstein menyedari apa yang menanti kita pada November 1916. Setahun sebelumnya, dia merumuskan teori relativiti umum, yang menurutnya gravitasi bukanlah kekuatan yang menyebarkan di ruang angkasa, tetapi milik ruang-waktu itu sendiri. Apabila anda melemparkan bola ke udara, bola terbang ke busur dan kembali ke tanah, kerana Bumi membengkokkan ruang-waktu di sekelilingnya, sehingga jalur bola dan tanah akan bersilang lagi. Dalam sepucuk surat kepada seorang rakan, Einstein membincangkan masalah penggabungan relativiti umum dengan gagasan otaknya yang lain, teori mekanik kuantum yang baru lahir. Tetapi kemahiran matematiknya tidak mencukupi. "Bagaimana saya menyeksa diri saya dengan ini!" Dia menulis.
Einstein tidak pernah berjaya dalam hal ini. Bahkan hari ini, idea untuk mewujudkan teori graviti kuantum nampaknya sangat jauh. Perselisihan menyembunyikan kebenaran yang penting: pendekatan persaingan dengan semua orang mengatakan bahawa ruang dilahirkan di tempat yang lebih dalam - dan idea ini memecahkan pemahaman saintifik dan falsafah tentangnya yang telah terjalin selama 2500 tahun.
Turunkan lubang hitam
Magnet peti sejuk biasa menggambarkan masalah yang dihadapi oleh ahli fizik. Dia dapat menyisipkan sehelai kertas dan menahan graviti seluruh Bumi. Graviti lebih lemah daripada daya tarikan atau daya elektrik atau nuklear lain. Apa sahaja kesan kuantum di belakangnya, kesannya akan lebih lemah. Satu-satunya bukti yang nyata bahawa proses ini berlaku sama sekali adalah gambaran jernih dari jirim di alam semesta paling awal - yang dipercayai diambil oleh turun naik kuantum dalam bidang graviti.
Lubang hitam adalah kaedah terbaik untuk menguji graviti kuantum. "Ini adalah perkara yang paling tepat untuk bereksperimen," kata Ted Jacobson dari University of Maryland, College Park. Dia dan ahli teori lain mengkaji lubang hitam sebagai poros teori. Apa yang berlaku apabila anda mengambil persamaan yang berfungsi dengan sempurna di persekitaran makmal dan meletakkannya dalam situasi paling ekstrem yang dapat dibayangkan? Adakah terdapat beberapa kelemahan?
Teori umum secara relatif meramalkan bahawa perkara yang jatuh ke dalam lubang hitam akan berkontur tanpa batas ketika menghampiri pusatnya - jalan buntu matematik yang disebut singulariti. Ahli teori tidak dapat membayangkan lintasan objek di luar singulariti; semua garisan berkumpul di atasnya. Bahkan membicarakannya sebagai tempat bermasalah, kerana ruang-waktu itu sendiri, yang menentukan lokasi keunikan itu, tidak lagi ada. Para saintis berharap teori kuantum dapat memberi kita mikroskop yang akan membolehkan kita meneliti titik ketumpatan tak terhingga ini dan memahami apa yang terjadi pada perkara yang jatuh ke dalamnya.
Video promosi:
Di pinggir lubang hitam, jirim belum begitu terkompresi, graviti lebih lemah dan, sejauh yang kita ketahui, semua undang-undang fizik harus berfungsi. Dan yang lebih mengecewakan adalah kenyataan bahawa mereka tidak berfungsi. Lubang hitam dibatasi oleh cakrawala peristiwa, titik tidak boleh kembali: perkara yang melintasi cakrawala peristiwa tidak akan pernah kembali. Keturunan tidak dapat dipulihkan. Ini adalah masalah kerana semua undang-undang fizik asas yang diketahui, termasuk yang mekanikal kuantum, boleh dibalikkan. Sekurang-kurangnya pada asasnya, secara teori, anda seharusnya dapat membalikkan gerakan dan memulihkan apa sahaja zarah yang anda miliki.
Ahli fizik menghadapi teka-teki yang serupa pada akhir 1800-an ketika mereka menganggap matematik "badan hitam," yang ideal sebagai rongga yang dipenuhi dengan radiasi elektromagnetik. Teori elektromagnetisme James Clerk Maxwell meramalkan bahawa objek seperti itu akan menyerap semua radiasi yang jatuh di atasnya dan tidak pernah berada dalam keseimbangan dengan benda di sekitarnya. "Ia dapat menyerap sejumlah besar panas dari takungan yang disimpan pada suhu tetap," jelas Raphael Sorkin dari Institut Perimeter untuk Fizik Teoretikal di Ontario. Dari sudut pandangan termal, suhu akan menjadi sifar mutlak. Kesimpulan ini bertentangan dengan pemerhatian badan hitam sebenar (seperti relau). Meneruskan kerja teori Max Planck, Einstein menunjukkan bahawa badan hitam dapat mencapai keseimbangan terma,jika tenaga sinaran akan datang dalam unit diskrit, atau kuanta.
Ahli fizik teori telah berusaha selama hampir setengah abad untuk mencapai penyelesaian yang serupa untuk lubang hitam. Allahyarham Stephen Hawking dari University of Cambridge mengambil langkah penting pada pertengahan tahun 70an dengan menerapkan teori kuantum ke medan radiasi di sekitar lubang hitam dan menunjukkan bahawa mereka mempunyai suhu bukan nol. Oleh itu, mereka bukan sahaja dapat menyerap tetapi juga mengeluarkan tenaga. Walaupun analisisnya memasukkan lubang hitam ke dalam bidang termodinamik, dia juga memperburuk masalah yang tidak dapat dipulihkan. Sinaran keluar dipancarkan di pinggir lubang hitam dan tidak membawa maklumat dari kawasan pedalaman. Ini adalah tenaga haba rawak. Sekiranya anda membalikkan proses dan memberi tenaga ini ke lubang hitam, tidak ada yang muncul: anda akan mendapat lebih banyak haba. Dan mustahil untuk membayangkan bahawa ada sesuatu yang tersisa di lubang hitam, hanya terperangkap, kerana kerana lubang hitam memancarkan radiasi, ia berkontrak dan,menurut analisis Hawking, ia akhirnya hilang.
Masalah ini disebut paradoks maklumat, kerana lubang hitam merosakkan maklumat mengenai zarah yang masuk ke dalamnya, yang boleh anda cuba pulihkan. Sekiranya fizik lubang hitam benar-benar tidak dapat dipulihkan, sesuatu mesti membawa balik maklumat, dan konsep ruang masa kita mungkin perlu diubah untuk menampung kenyataan itu.
Atom ruang masa
Haba adalah pergerakan rawak zarah mikroskopik seperti molekul gas. Oleh kerana lubang hitam dapat memanaskan dan menyejuk, adalah wajar untuk menganggap bahawa lubang tersebut terdiri daripada bahagian - atau, lebih umum, struktur mikroskopik. Dan kerana lubang hitam hanyalah ruang kosong (menurut relativiti umum, perkara yang jatuh ke lubang hitam melewati cakrawala peristiwa tanpa berhenti), bahagian lubang hitam mestilah bahagian ruang itu sendiri. Dan di bawah kesederhanaan menipu ruang kosong dan kosong, terdapat kerumitan yang luar biasa.
Bahkan teori-teori yang seharusnya mengekalkan pandangan tradisional tentang ruang-waktu telah sampai pada kesimpulan bahawa ada sesuatu yang bersembunyi di bawah permukaan yang halus ini. Sebagai contoh, pada akhir tahun 1970-an, Steven Weinberg, yang kini berada di University of Texas di Austin, cuba menggambarkan graviti dengan cara yang sama seperti kekuatan alam semula jadi yang menggambarkannya. Dan saya dapati bahawa ruang-waktu telah diubah secara radikal dalam skala terkecilnya.
Ahli fizik pada awalnya menggambarkan ruang mikroskopik sebagai mosaik kepingan kecil ruang. Sekiranya anda memperbesarnya ke skala Planck, berukuran kecil dengan ukuran 10-35 meter, saintis percaya bahawa anda dapat melihat sesuatu seperti papan catur. Atau mungkin tidak. Di satu pihak, rangkaian ruang catur seperti itu akan lebih memilih satu arah ke arah yang lain, mewujudkan asimetri yang bertentangan dengan teori relativiti khas. Sebagai contoh, cahaya dengan warna yang berbeza akan bergerak pada kelajuan yang berbeza - seperti pada prisma kaca yang menerobos cahaya ke warna komponennya. Dan walaupun manifestasi pada skala kecil sangat sukar untuk diperhatikan, pelanggaran relativiti umum akan jelas.
Termodinamik lubang hitam mempersoalkan gambaran ruang sebagai mozek sederhana. Dengan mengukur tingkah laku termal sistem apa pun, anda boleh mengira bahagiannya, sekurang-kurangnya secara prinsip. Lepaskan tenaga dan lihat termometer. Sekiranya tiang telah hilang, tenaga harus diedarkan kepada molekul yang sedikit. Sebenarnya, anda mengukur entropi sistem, yang mewakili kerumitan mikroskopiknya.
Sekiranya anda melakukan ini dengan bahan biasa, bilangan molekul bertambah dengan jumlah bahan. Oleh itu, sekiranya demikian, jika anda meningkatkan radius bola pantai sebanyak 10 kali, ia akan memuat 1000 kali lebih banyak molekul di dalamnya. Tetapi jika anda meningkatkan jejari lubang hitam 10 kali, bilangan molekul di dalamnya akan berlipat ganda hanya 100 kali. Bilangan molekul yang terdirinya harus berkadar bukan dengan isipadu, tetapi dengan luas permukaan. Lubang hitam mungkin muncul tiga dimensi, tetapi berkelakuan seperti objek dua dimensi.
Kesan pelik ini disebut prinsip holografik, kerana menyerupai hologram, yang kita lihat sebagai objek tiga dimensi, tetapi setelah diperiksa lebih dekat ternyata gambar yang dihasilkan oleh filem dua dimensi. Sekiranya prinsip holografik mengambil kira unsur-unsur mikroskopik ruang dan isinya - yang diakui oleh ahli fizik, walaupun tidak semuanya - tidak cukup untuk mewujudkan ruang dengan hanya memasangkan kepingan terkecilnya.
Jaring kusut
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, para saintis menyedari bahawa keterlibatan kuantum mesti dilibatkan. Sifat mekanik kuantum yang mendalam ini, jenis sambungan yang sangat kuat, nampaknya jauh lebih primitif daripada ruang angkasa. Sebagai contoh, eksperimen dapat membuat dua zarah terbang ke arah yang bertentangan. Sekiranya mereka terjerat, mereka akan tetap terhubung tanpa mengira jarak yang memisahkan mereka.
Secara tradisinya, ketika orang bercakap mengenai graviti "kuantum", mereka bermaksud kebijaksanaan kuantum, turun naik kuantum, dan semua kesan kuantum yang lain - bukan keterlibatan kuantum. Semuanya telah berubah berkat lubang hitam. Selama hidupnya lubang hitam, zarah-zarah yang terjerumus masuk ke dalamnya, tetapi apabila lubang hitam menguap sepenuhnya, pasangan di luar lubang hitam tetap terjerat - tanpa apa-apa. "Hawking seharusnya menyebutnya sebagai masalah keterikatan," kata Samir Mathur dari Universiti Negeri Ohio.
Walaupun dalam ruang hampa, di mana tidak ada zarah, elektromagnetik dan medan lain terjerat secara dalaman. Sekiranya anda mengukur medan di dua lokasi yang berbeza, bacaan anda akan turun naik sedikit, tetapi tetap berkoordinasi. Sekiranya anda membahagikan kawasan menjadi dua bahagian, bahagian-bahagian ini akan berkorelasi, dan tahap korelasi akan bergantung pada sifat geometri yang mereka miliki: kawasan antara muka. Pada tahun 1995, Jacobson menyatakan bahawa keterikatan memberikan kaitan antara kehadiran jirim dan geometri ruang-waktu - yang bermaksud dapat menjelaskan hukum graviti. "Lebih banyak keterlibatan bermaksud kurang graviti," katanya.
Beberapa pendekatan untuk graviti kuantum - terutamanya teori rentetan - melihat keterlibatan sebagai landasan penting. Teori tali mengaplikasikan prinsip holografik tidak hanya pada lubang hitam, tetapi juga ke seluruh alam semesta, memberikan resipi untuk mewujudkan ruang - atau sekurang-kurangnya sebahagiannya. Ruang dua dimensi yang asal akan berfungsi sebagai sempadan ruang volumetrik yang lebih besar. Dan keterikatan akan mengikat ruang volumetrik menjadi satu dan selanjar yang berterusan.
Pada tahun 2009, Mark Van Raamsdonk dari University of British Columbia memberikan penjelasan yang elegan untuk proses ini. Katakan medan di sempadan tidak terjerat - mereka membentuk sepasang sistem yang tidak berkaitan. Mereka sesuai dengan dua alam semesta yang terpisah, di mana tidak ada cara komunikasi. Apabila sistem terjerat, sejenis terowong, lubang cacing, terbentuk di antara alam semesta ini dan kapal angkasa dapat bergerak di antara mereka. Semakin tinggi ikatan, semakin pendek panjang lubang cacing. Alam semesta bergabung menjadi satu dan tidak lagi terpisah dua. "Munculnya ruang masa yang besar secara langsung menghubungkan keterikatan dengan tahap kebebasan teori bidang ini," kata Van Raamsdonck. Apabila kita melihat korelasi dalam bidang elektromagnetik dan lain-lain, mereka adalah sisa kohesi yang mengikat ruang bersama.
Banyak ciri ruang lain, selain dihubungkan, juga dapat mencerminkan keterikatan. Van Raamsdonk dan Brian Swingle dari University of Maryland berpendapat bahawa kemuncak keterlibatan menjelaskan kesejagatan graviti - bahawa ia mempengaruhi semua objek dan meresap di mana-mana. Untuk lubang hitam, Leonard Susskind dan Juan Maldacena percaya bahawa ikatan antara lubang hitam dan radiasi yang dikeluarkannya menghasilkan lubang cacing - pintu masuk hitam ke lubang hitam. Oleh itu, maklumat terpelihara dan fizik lubang hitam tidak dapat dipulihkan.
Walaupun idea teori rentetan ini hanya berfungsi untuk geometri tertentu dan membina semula hanya satu dimensi ruang, beberapa saintis telah berusaha menjelaskan ruang dari awal.
Dalam fizik, dan secara umum, dalam sains semula jadi, ruang dan masa adalah asas bagi semua teori. Tetapi kita tidak pernah melihat ruang-waktu secara langsung. Sebaliknya, kita menyimpulkan keberadaannya dari pengalaman seharian kita. Kami menganggap bahawa penjelasan yang paling logik untuk fenomena yang kita lihat adalah beberapa mekanisme yang berfungsi dalam ruang-waktu. Tetapi graviti kuantum memberitahu bahawa tidak semua fenomena sesuai dengan gambaran dunia seperti itu. Ahli fizik perlu memahami apa yang lebih dalam, selok-belok ruang, sisi belakang cermin yang halus. Sekiranya mereka berjaya, kita akan mengakhiri revolusi yang Einstein mulakan lebih dari satu abad yang lalu.
Ilya Khel
