Ljudje ves čas jemljejo samoumevno. Navsezadnje je to samo praznina - posoda za vse ostalo. Tudi čas teče neprestano. A fiziki smo takšni ljudje, vedno moramo kaj zakomplicirati. Redno so poskušali poenotiti svoje teorije in ugotovili, da se prostor in čas združita v tako kompleksnem sistemu, ki ga navaden človek ne more razumeti.
Albert Einstein je spoznal, kaj nas čaka že novembra 1916. Leto prej je oblikoval splošno teorijo relativnosti, po kateri gravitacija ni sila, ki se širi v vesolju, temveč lastnost prostora-časa sama. Ko žogo vržete v zrak, ta leti v loku in se vrne na tla, ker se Zemlja okrog nje upogne prostor-čas, zato se poti krogle in tal spet sekata. V pismu prijatelju je Einstein razpravljal o problemu združevanja splošne relativnosti s svojim drugim zamislom, novonastalo teorijo kvantne mehanike. A njegove matematične spretnosti preprosto niso bile dovolj. "Kako sem se mučil s tem!" Je zapisal.
Einstein v zvezi s tem nikoli ni uspel nikamor. Še danes se zdi ideja o ustvarjanju kvantne teorije gravitacije izjemno oddaljena. Spori skrivajo pomembno resnico: konkurenčni pristopi, tako kot vsi pravijo, da se vesolje rojeva nekje globlje - in ta ideja lomi njegovo znanstveno in filozofsko razumevanje, ki je bilo vzpostavljeno že 2500 let.
Dol po črni luknji
Navaden magnet za hladilnik odlično ponazarja težavo, s katero se srečujejo fiziki. Lahko pripne kos papirja in se upre gravitaciji celotne Zemlje. Gravitacija je šibkejša od magnetizma ali drugih električnih ali jedrskih sil. Ne glede na kvantne učinke, ki so v ozadju, bodo šibkejši. Edini oprijemljiv dokaz, da se ti procesi sploh dogajajo, je pestra slika materije v najzgodnejšem vesolju - za katero se domneva, da jo je narisalo kvantno nihanje v gravitacijskem polju.
Črne luknje so najboljši način za preizkušanje kvantne gravitacije. "To je najprimernejša stvar za eksperimentiranje," pravi Ted Jacobson z Univerze v Marylandu, College Park. On in drugi teoretiki preučujejo črne luknje kot teoretične pivote. Kaj se zgodi, ko vzamete enačbe, ki v laboratoriju delujejo popolnoma, in jih postavite v najbolj ekstremne situacije, ki si jih lahko zamislite? Ali bo prišlo do nekaj subtilnih napak?
Splošna teorija razmeroma napoveduje, da se bo snov, ki pade v črno luknjo, neskončno krčila, ko se bo približevala svojemu središču - matematični slepi ulici, imenovani singularnost. Teoretiki si ne morejo predstavljati poti predmeta nad singularnostjo; v njem se konvergirajo vse črte. Tudi govoriti o njem kot kraju je problematično, saj sam prostor-čas, ki določa lokacijo singularnosti, preneha obstajati. Znanstveniki upajo, da nam lahko kvantna teorija priskrbi mikroskop, ki nam bo omogočil, da preučimo to neskončno majhno točko neskončne gostote in razumemo, kaj se zgodi s snovjo, ki spada vanjo.
Promocijski video:
Na robu črne luknje snov še ni tako stisnjena, gravitacija je šibkejša in, kolikor vemo, bi morali delovati vsi zakoni fizike. In še bolj odvrača dejstvo, da ne delujejo. Črna luknja je omejena z obzorjem dogodkov, točko brez vrnitve: snov, ki prečka obzorje dogodkov, se ne bo nikoli več vrnila. Sestop je nepovraten. To je težava, ker so vsi znani zakoni temeljne fizike, tudi kvantno-mehanski, reverzibilni. Vsaj načeloma bi morali v teoriji imeti možnost, da obrnete gibanje in obnovite vse delce, ki ste jih imeli.
Fiziki so se s podobno zagato soočili v poznih 1800-ih, ko so razmišljali o matematiki "črnega telesa", idealiziranega kot votlina, napolnjena z elektromagnetnim sevanjem. Teorija elektromagnetizma Jamesa Clerka Maxwella je napovedovala, da bo takšen objekt absorbiral vse sevanje, ki pade nanj, in nikoli ne bo prišel v ravnovesje z okoliško snovjo. "Lahko absorbira neskončno količino toplote iz rezervoarja, ki ima stalno temperaturo," pojasnjuje Raphael Sorkin z Inštituta za teoretično fiziko Perimeter v Ontariu. S toplotnega vidika bo imel temperaturo absolutno nič. Ta ugotovitev je v nasprotju z opazovanji resničnih črnih teles (kot je peč). V nadaljevanju dela na teoriji Maxa Plancka je Einstein pokazal, da lahko črno telo doseže toplotno ravnovesje,če bo energija sevanja prihajala v ločenih enotah ali kvantih.
Skoraj pol stoletja so teoretični fiziki poskušali doseči podobno rešitev za črne luknje. Pokojni Stephen Hawking z univerze v Cambridgeu je sredi 70-ih let naredil pomemben korak z uporabo kvantne teorije na sevalnem polju okoli črnih lukenj in prikazal, da imajo ničelne temperature. Zato lahko ne samo absorbirajo, temveč tudi oddajajo energijo. Čeprav je njegova analiza črne luknje privila na področje termodinamike, je še poslabšal problem nepovratnosti. Odhajajoče sevanje se oddaja na robu črne luknje in ne prenaša informacij iz notranjosti. To je naključna toplotna energija. Če postopek obrnete in to energijo dovedete v črno luknjo, se nič ne pojavi: preprosto dobite še več toplote. In nemogoče si je predstavljati, da je v črni luknji nekaj, kar je ujeto, ker črna luknja oddaja sevanje, se skrči in,po Hawkingovi analizi sčasoma izgine.
Ta težava se imenuje informacijski paradoks, saj črna luknja uničuje informacije o delcih, ki so vanjo prišli, kar bi lahko poskusili obnoviti. Če je fizika črnih lukenj resnično nepovratna, mora nekaj vrniti informacije nazaj in naš koncept vesolja-časa bo morda treba prilagoditi temu dejstvu.
Atomi prostora-časa
Toplota je naključno gibanje mikroskopskih delcev, kot so molekule plinov. Ker se črne luknje lahko segrejejo in ohladijo, bi bilo smiselno domnevati, da so sestavljene iz delov - ali, bolj splošno, iz mikroskopske strukture. In ker je črna luknja samo prazen prostor (v skladu s splošno relativnostjo snov, ki pade v črno luknjo, prehaja skozi horizont dogodkov, ne da bi se ustavila), morajo biti deli črne luknje deli samega prostora. In pod varljivo preprostostjo praznega prostora se skriva izjemna zapletenost.
Tudi teorije, ki naj bi ohranile tradicionalni pogled na prostor-čas, so prišle do zaključka, da se nekaj skriva pod to gladko površino. Na primer, konec sedemdesetih let je Steven Weinberg, zdaj z univerze v Teksasu v Austinu, poskušal gravitacijo opisati na enak način, kot jo opisujejo druge naravne sile. In ugotovil sem, da se je prostor-čas korenito spremenil v svojem najmanjšem merilu.
Fiziki so mikroskopski prostor prvotno predstavljali kot mozaik majhnih koščkov vesolja. Če jih povečate na Planckovo lestvico, neizmerno majhne 10-35 metrov, znanstveniki verjamejo, da lahko vidite nekaj podobnega šahovnici. Ali pa ne. Po eni strani bo takšna mreža vrstic šahovskega prostora raje usmerjala nekatere smeri kot druge, kar ustvarja neskladja, ki nasprotujejo posebni teoriji relativnosti. Na primer, svetloba različnih barv se bo gibala z različno hitrostjo - tako kot v stekleni prizmi, ki razbije svetlobo na sestavne barve. In čeprav je manifestacije v majhnem obsegu zelo težko opaziti, bodo kršitve splošne relativnosti odkrito očitne.
Termodinamika črnih lukenj postavlja pod vprašaj sliko vesolja kot preprostega mozaika. Z merjenjem toplotnega vedenja katerega koli sistema lahko vsaj načeloma preštejete njegove dele. Sprostite energijo in si oglejte termometer. Če je kolona vzletela, je treba energijo razporediti na razmeroma malo molekul. Pravzaprav merite entropijo sistema, ki predstavlja njegovo mikroskopsko kompleksnost.
Če to storite z navadno snovjo, se število molekul poveča s prostornino materiala. Torej, vseeno bi moralo biti: če povečate polmer krogle za plažo za 10-krat, bo v njej prišlo 1000-krat več molekul. Če pa polmer črne luknje povečate 10-krat, se bo število molekul v njej pomnožilo le 100-krat. Število molekul, iz katerih je sestavljena, ne sme biti sorazmerno ne njihovi prostornini, temveč površini. Črna luknja se lahko zdi tridimenzionalna, vendar se obnaša kot dvodimenzionalni objekt.
Ta nenavaden učinek se imenuje holografski princip, ker spominja na hologram, ki ga vidimo kot tridimenzionalni objekt, vendar se ob natančnejšem pregledu izkaže kot slika, ki jo ustvari dvodimenzionalni film. Če holografski princip upošteva mikroskopske sestavne dele vesolja in njegove vsebine - kar fiziki priznavajo, čeprav ne vseh -, ne bo dovolj, da ustvarite prostor s preprostim povezovanjem njegovih najmanjših kosov.
Zapleten splet
V zadnjih letih so znanstveniki spoznali, da je treba vključiti kvantno zapletanje. Ta globoka lastnost kvantne mehanike, izjemno močna vrsta povezave, se zdi veliko bolj primitivna kot vesolje. Na primer, eksperimentatorji lahko ustvarijo dva delca, ki letita v nasprotni smeri. Če se zapletejo, bodo ostali povezani ne glede na razdaljo, ki ju ločuje.
Tradicionalno so ljudje, ko so govorili o "kvantni" gravitaciji, mislili na kvantno diskretnost, kvantna nihanja in vse druge kvantne učinke - ne na kvantno prepletenost. Zaradi črnih lukenj se je vse spremenilo. V življenju črne luknje zapleteni delci padejo vanjo, ko pa črna luknja popolnoma izpari, ostanejo partnerji zunaj črne luknje zapleteni - brez ničesar. "Hawking bi to moral označiti kot zaplet," pravi Samir Mathur, univerza Ohio State University.
Tudi v vakuumu, kjer ni delcev, so elektromagnetna in druga polja notranje zapletena. Če izmerite polje na dveh različnih lokacijah, bodo odčitki nekoliko nihali, vendar bodo ostali usklajeni. Če območje razdelite na dva dela, bodo ti deli v korelaciji, stopnja korelacije pa bo odvisna od njihove geometrijske lastnosti: območje vmesnika. Leta 1995 je Jacobson izjavil, da prepletenost zagotavlja povezavo med prisotnostjo snovi in geometrijo prostora-časa - kar pomeni, da lahko razloži zakon gravitacije. "Več zapletenosti pomeni manj teže," je dejal.
Nekateri pristopi k kvantni gravitaciji - predvsem teorija strun - vidijo prepletenost kot pomemben temeljni kamen. Teorija strun uporablja holografsko načelo ne samo za črne luknje, temveč tudi za vesolje kot celoto in ponuja recept za ustvarjanje vesolja - ali vsaj nekaterih. Prvotni dvodimenzionalni prostor bo služil kot meja večjega volumetričnega prostora. In zapletanje bo volumetrični prostor povezalo v eno in nepretrgano celoto.
Leta 2009 je Mark Van Raamsdonk z Univerze v Britanski Kolumbiji elegantno razložil ta postopek. Recimo, da polja na meji niso zapletena - tvorijo par sistemov iz korelacije. Ustrezata dvema ločenima vesoljema, med katerima ni načina komunikacije. Ko se sistemi zapletejo, med temi vesolji nastane nekakšen predor, črvina, in vesoljske ladje se lahko premikajo med njimi. Višja kot je stopnja zapletenosti, krajša je dolžina črvine. Vesolja se združijo v eno in niso več dve ločeni. "Pojav velikega vesoljskega časa neposredno povezuje zapletenost s temi stopnjami teorije svobode polja," pravi Van Raamsdonck. Ko vidimo povezave v elektromagnetnem in drugih poljih, so ta ostanek kohezije, ki veže prostor.
Številne druge značilnosti prostora lahko poleg tega, da so povezane, odražajo tudi zapletenost. Van Raamsdonk in Brian Swingle z Univerze v Marylandu trdita, da vseprisotnost prepletenosti pojasnjuje univerzalnost gravitacije - da vpliva na vse predmete in povsod pronica. Za črne luknje Leonard Susskind in Juan Maldacena verjameta, da zaplet med črno luknjo in sevanjem, ki ga oddaja, ustvarja črvino - črni vhod v črno luknjo. Tako se informacije ohranijo in fizika črne luknje je nepovratna.
Čeprav te ideje o teoriji strun delujejo le za določene geometrije in rekonstruirajo samo eno dimenzijo prostora, so nekateri znanstveniki poskušali ves prostor razložiti iz nič.
V fiziki in na splošno v naravoslovju sta prostor in čas osnova vseh teorij. Nikoli pa ne opazimo neposredno prostora-časa. Njegov obstoj izhajamo iz naše vsakdanje izkušnje. Predvidevamo, da bo najbolj logična razlaga pojavov, ki jih vidimo, nek mehanizem, ki deluje v prostoru-času. Toda kvantna gravitacija nam pove, da se vsi pojavi ne ujemajo popolnoma v takšno sliko sveta. Fiziki morajo razumeti, kaj je še globlje, vesolje in zunaj prostora, hrbtna stran gladkega ogledala. Če jim bo uspelo, bomo končali revolucijo, ki jo je Einstein začel pred več kot stoletjem.
Ilya Khel