Az emberek mindig természetesnek veszik a helyet. Végül is csak egy üresség - minden más tárolója. Az idő is folyamatosan kullog. De a fizikusok ilyen emberek, mindig meg kell bonyolítaniuk valamit. Rendszeresen próbálják egységesíteni elméleteiket, és rájöttek, hogy a tér és az idő összeolvad egy olyan összetett rendszerben, amelyet egy hétköznapi ember nem érthet.
Albert Einstein rájött, mi vár ránk még 1916 novemberében. Egy évvel korábban megfogalmazta az általános relativitáselméletet, amely szerint a gravitáció nem a térben terjedő erő, hanem maga a téridő tulajdonsága. Amikor a labdát a levegőbe dobja, az ívben repül és visszatér a földre, mert a Föld téridőt hajlít körülötte, így a labda és a föld útjai ismét kereszteződnek. Einstein egy barátjának írt levelében megvitatta az általános relativitáselmélet és más agyi ötvözés problémáját, a kvantummechanika kialakulóban lévő elméletét. De matematikai képességei egyszerűen nem voltak elegendők. „Hogy kínoztam ezzel magam!” - írta.
Einstein ebben a tekintetben soha nem jutott el sehova. A gravitáció kvantumelméletének megalkotásának gondolata ma is rendkívül távolinak tűnik. A viták egy fontos igazságot rejtenek: a versenyképes megközelítés mindannyian azt mondják, hogy a tér valahol mélyebben születik - és ez az elképzelés megtöri a 2500 éve kialakult tudományos és filozófiai megértést.
Le a fekete lyukon
A hétköznapi hűtőmágnes tökéletesen bemutatja a fizikusok problémáját. Kitűzhet egy darab papírt, és ellenállhat az egész Föld gravitációjának. A gravitáció gyengébb, mint a mágnesesség vagy más elektromos vagy atomerő. Bármilyen kvantumhatás is van mögötte, gyengébbek lesznek. Az egyetlen kézzelfogható bizonyíték arra, hogy ezek a folyamatok egyáltalán bekövetkeznek, az anyag tarka képe a legkorábbi univerzumban - amelyet vélhetően a gravitációs mező kvantumingadozásai rajzoltak le.
A kvantum gravitáció tesztelésének legjobb módja a fekete lyuk. "Ez a legmegfelelőbb dolog, amellyel kísérletezni lehet" - mondja Ted Jacobson, a Marylandi Egyetem College Park-i munkatársa. Ő és más teoretikusok elméleti forgatókönyvként tanulmányozzák a fekete lyukakat. Mi történik, ha laboratóriumi körülmények között tökéletesen működő egyenleteket veszünk, és az elképzelhető legszélsőségesebb helyzetekbe helyezzük őket? Lesznek finom hibák?
Az általános elmélet viszonylag azt jósolja, hogy a fekete lyukba eső anyag végtelenül összehúzódik, amikor a középpontjához közeledik - egy matematikai zsákutcának, amelyet szingularitásnak hívnak. Az elméleti szakemberek nem tudják elképzelni a tárgy pályáját a szingularitáson túl; minden vonal összefog benne. Még arról is, hogy helyről beszélünk, problematikus, mert maga a szingularitás helyét meghatározó téridő megszűnik. A tudósok remélik, hogy a kvantumelmélet egy olyan mikroszkóppal szolgálhat számunkra, amely lehetővé teszi számunkra, hogy megvizsgáljuk ezt a végtelen sűrűségű végtelen kis pontot, és megértsük, mi történik az anyaggal, amely bele esik.
Promóciós videó:
A fekete lyuk szélén az anyag még nincs annyira összenyomva, a gravitáció gyengébb, és amennyire tudjuk, a fizika minden törvényének működnie kell. És annál elbátortalanabb, hogy nem működnek. A fekete lyukat korlátozza az eseményhorizont, a visszatérés pontja: az eseményhorizonton áthaladó anyag nem fog visszatérni. Az ereszkedés visszafordíthatatlan. Ez azért probléma, mert az alapvető fizika minden ismert törvénye, beleértve a kvantummechanikát is, visszafordítható. Legalábbis elvileg elméletileg képesnek kell lennie a mozgás megfordítására és a részecskék helyreállítására.
A fizikusok az 1800-as évek végén hasonló gondolkodással szembesültek, amikor egy "fekete test" matematikáját nézték meg, amelyet elektromágneses sugárzással töltött üregként idealizáltak. James Clerk Maxwell elektromágnesesség-elmélete azt jósolta, hogy egy ilyen tárgy elnyeli az összes rá eső sugárzást, és soha nem kerül egyensúlyba a környező anyaggal. "Végtelen mennyiségű hőt képes elnyelni egy állandó hőmérsékleten tartott tárolóból" - magyarázza Raphael Sorkin, az ontariói Perimeter Elméleti Fizikai Intézet. Hő szempontjából abszolút nulla hőmérsékletű lesz. Ez a következtetés ellentmond a valódi fekete testek (például a kemence) megfigyeléseinek. Max Planck elméletének folytatásával Einstein kimutatta, hogy a fekete test képes elérni a hőegyensúlyt,ha a sugárzási energia különálló egységekben vagy kvantumokban érkezik.
Az elméleti fizikusok csaknem fél évszázadon át próbáltak hasonló megoldást találni a fekete lyukakra. Néhai Stephen Hawking, a Cambridge-i Egyetem fontos lépése volt az 1970-es évek közepén, amikor kvantumelméletet alkalmazott a fekete lyukak körüli sugárzási mezőre, és megmutatta, hogy nulla hőmérsékletűek. Ezért nemcsak energiát képesek elnyelni, hanem kibocsátani is. Bár elemzése fekete lyukakat csavart be a termodinamika területébe, súlyosbította az irreverzibilitási problémát is. A kimenő sugárzás a fekete lyuk szélén bocsát ki, és nem hordoz információt a belső térből. Ez véletlenszerű hőenergia. Ha megfordítja a folyamatot, és ezt az energiát egy fekete lyukba táplálja, semmi nem jelenik meg: csak még több hőt kap. És lehetetlen elképzelni, hogy van valami a fekete lyukban, csak csapdába esett, mert ahogy a fekete lyuk sugárzást bocsát ki, összehúzódik ésvégül Hawking elemzése szerint eltűnik.
Ezt a problémát nevezzük információs paradoxonnak, mert a fekete lyuk tönkreteszi a beleesett részecskékről szóló információkat, amelyeket megpróbálhatna helyreállítani. Ha a fekete lyukak fizikája valóban visszafordíthatatlan, valaminek vissza kell szállítania az információt, és a téridő fogalmát esetleg módosítani kell ennek a ténynek a kielégítése érdekében.
Tér-idő atomok
A hő a mikroszkopikus részecskék, például a gázmolekulák véletlenszerű mozgása. Mivel a fekete lyukak felmelegedhetnek és lehűlhetnek, ésszerű lenne feltételezni, hogy részekből - vagy általánosabban mikroszkópos szerkezetűek - állnak. És mivel a fekete lyuk csak üres hely (az általános relativitáselmélet szerint a fekete lyukba eső anyag megállás nélkül áthalad az eseményhorizonton), a fekete lyuk egy részének magának a térnek kell lennie. És a lapos, üres tér megtévesztő egyszerűsége alatt óriási összetettség rejlik.
Még azok az elméletek is, amelyeknek meg kellett volna tartaniuk a téridő hagyományos szemléletét, arra a következtetésre jutottak, hogy valami lapul e sima felület alatt. Például a hetvenes évek végén Steven Weinberg, jelenleg az Austini Texasi Egyetemen, megpróbálta ugyanúgy leírni a gravitációt, mint más természeti erők. Megtudtam, hogy a téridőt a legkisebb méretarányban radikálisan módosították.
A fizikusok eredetileg a mikroszkopikus teret kis térdarabok mozaikjaként vizualizálták. Ha a Planck-skálára növeli őket, mérhetetlenül kicsi, 10-35 méteres méretűek, a tudósok úgy vélik, hogy láthatunk valami sakktáblát. Vagy talán nem. Egyrészt a sakktér ilyen vonalas hálózata előnyben részesíti az egyik irányt a másik számára, olyan aszimmetriákat hozva létre, amelyek ellentmondanak a relativitáselmélet speciális elméletének. Például a különböző színű fény különböző sebességgel mozog - például egy üvegprizmában, amely a fényt összetevőinek színeire bontja. És bár a kis léptékű megnyilvánulásokat nagyon nehéz lesz észrevenni, az általános relativitáselmélet megsértése őszintén nyilvánvaló lesz.
A fekete lyukak termodinamikája megkérdőjelezi a tér, mint egyszerű mozaik képét. Bármely rendszer termikus viselkedésének mérésével meg lehet számlálni annak részeit, legalábbis elvileg. Engedje el az energiát, és nézze meg a hőmérőt. Ha az oszlop felszállt, az energiát viszonylag kevés molekulára kell elosztani. Valójában egy rendszer entrópiáját mérik, amely a mikroszkopikus összetettségét képviseli.
Ha ezt közönséges anyaggal teszi, akkor a molekulák száma az anyag térfogatával növekszik. Tehát mindenesetre ennek kell lennie: ha 10-szer megnöveli a tengerparti labda sugarát, akkor 1000-szer több molekula fér bele. De ha 10-szer megnöveli a fekete lyuk sugarát, a benne lévő molekulák száma csak százszorosára nő. Az általa alkotott molekulák számának nem a térfogatával, hanem a felületével kell arányosnak lennie. A fekete lyuk háromdimenziósnak tűnhet, de kétdimenziós tárgyként viselkedik.
Ezt a furcsa hatást holografikus elvnek nevezzük, mivel hasonlít egy hologramra, amelyet háromdimenziós objektumnak tekintünk, de közelebbről megvizsgálva kétdimenziós film által előállított képnek bizonyul. Ha a holografikus elv figyelembe veszi a tér és annak tartalmának mikroszkopikus összetevőit - amit a fizikusok elismernek, bár nem mind -, akkor nem lesz elegendő teret létrehozni a legkisebb darabok egyszerű összekapcsolásával.
Kusza háló
Az elmúlt években a tudósok rájöttek, hogy a kvantum összefonódásnak is részt kell vennie. A kvantummechanika ezen mély tulajdonsága, egy rendkívül erőteljes kapcsolattípus sokkal primitívebbnek tűnik, mint az űr. Például a kísérletezők két részecskét hozhatnak létre, amelyek ellentétes irányban repülnek. Ha összefonódnak, akkor kapcsolatban maradnak, függetlenül az őket elválasztó távolságtól.
Hagyományosan, amikor az emberek "kvantum" gravitációról beszéltek, akkor a kvantum diszkrétságát, a kvantumingadozásokat és minden más kvantumhatást értettek - nem a kvantum összefonódását. A fekete lyukaknak köszönhetően minden megváltozott. A fekete lyuk élete során kusza részecskék kerülnek be, de amikor a fekete lyuk teljesen elpárolog, a fekete lyukon kívüli partnerek kuszán maradnak - semmi nélkül. "Hawkingnak összefonódási problémának kellett volna neveznie" - mondja az Ohio Állami Egyetem Samir Mathur.
Még egy vákuumban is, ahol nincsenek részecskék, az elektromágneses és egyéb mezők belsőleg összefonódnak. Ha két különböző helyszínen méri a mezőt, akkor a leolvasott értékei kissé ingadoznak, de koordinációban maradnak. Ha két részre osztja a területet, ezek a részek korrelációban lesznek, és a korreláció mértéke a geometriai tulajdonságuktól függ: az interfész területétől. 1995-ben Jacobson kijelentette, hogy az összefonódás kapcsolatot teremt az anyag jelenléte és a tér-idő geometriája között - ami azt jelenti, hogy megmagyarázhatja a gravitáció törvényét. "A nagyobb összefonódás kevesebb gravitációt jelent" - mondta.
A kvantumgravitáció egyes megközelítései - főleg a húrelmélet - az összefonódást fontos sarokkőnek tekintik. A húrelmélet a holografikus elvet nemcsak a fekete lyukakra, hanem az univerzum egészére alkalmazza, receptet adva az űrteremtéshez - vagy legalábbis annak egy részéhez. Az eredeti kétdimenziós tér egy nagyobb térfogat határaként szolgál. Az összefonódás pedig a térfogatot egyetlen és folytonos egésszé fogja kötni.
2009-ben Mark Van Raamsdonk, a British Columbia Egyetem elegáns magyarázatot adott erre a folyamatra. Tegyük fel, hogy a határon lévő mezők nincsenek összefonódva - összefüggésből páros rendszert alkotnak. Két különálló univerzumnak felelnek meg, amelyek között nincs kommunikációs mód. Amikor a rendszerek összekuszálódnak, egyfajta alagút, féreglyuk alakul ki ezen univerzumok között, és az űrhajók mozoghatnak közöttük. Minél magasabb az összefonódás mértéke, annál rövidebb a féreglyuk hossza. Az univerzumok egyesülnek egybe, és már nem kettő külön. "A nagy téridő megjelenése közvetlenül összekapcsolja az összefonódást a mezőtér szabadságának ezen fokozataival" - mondja Van Raamsdonck. Amikor összefüggéseket látunk az elektromágneses és más mezőkben, akkor azok a kohézió maradványai, amelyek összekötik a teret.
A tér sok más vonása az összekapcsolódás mellett tükrözi az összefonódást is. Van Raamsdonk és Brian Swingle, a Marylandi Egyetem azt állítja, hogy az összefonódás mindenütt jelenléte megmagyarázza a gravitáció egyetemességét - hogy minden tárgyat érint és mindenhol áthat. A fekete lyukak esetében Leonard Susskind és Juan Maldacena úgy gondolják, hogy a fekete lyuk és az általa kibocsátott sugárzás összefonódása féreglyukat hoz létre - a fekete lyuk fekete bejáratát. Így az információk megőrződnek, és a fekete lyuk fizikája visszafordíthatatlan.
Bár ezek a húrelméleti ötletek csak meghatározott geometriáknál működnek, és csak a tér egy dimenzióját rekonstruálják, néhány tudós megpróbálta a semmiből megmagyarázni a teret.
A fizikában és általában a természettudományokban a tér és az idő az összes elmélet alapja. De soha nem vesszük észre közvetlenül a téridőt. Inkább a mindennapi tapasztalatainkból következtetünk a létezésére. Feltételezzük, hogy a látott jelenségek leglogikusabb magyarázata valamilyen mechanizmus, amely a tér-időben működik. De a kvantumgravitáció azt mondja nekünk, hogy nem minden jelenség illik tökéletesen egy ilyen világképbe. A fizikusoknak meg kell érteniük, mi van még mélyebben, a tér csínját-bínját, a sima tükör hátulját. Ha sikerrel járnak, befejezzük az Einstein által egy évszázaddal ezelőtt elkezdett forradalmat.
Ilya Khel