"Jako starší soudruhu, musím vás od této činnosti odradit, protože zaprvé v této činnosti neuspějete a i když uspějete, nikdo vám stejně nebude věřit."
Z dopisu Maxe Plancka Albertovi Einsteinovi o Einsteinově pokusu vyřešit rozpor mezi speciální relativitou a Newtonovou gravitací
Od starověku lidstvo vždy fascinovalo pojmy prostor (nebe) a čas (začátek, změna a konec). První myslitelé, počínaje Gautamou Buddhou, Lao Tzu a Aristotelem, se těmito koncepty aktivně zabývali. V průběhu staletí obsah uvažování těchto myslitelů krystalizoval v lidském vědomí ty mentální obrazy, které nyní používáme v každodenním životě. Myslíme na prostor jako na trojrozměrné kontinuum, které nás obklopuje. Představujeme čas jako trvání jakéhokoli procesu, který není ovlivněn silami působícími ve fyzickém vesmíru. A společně tvoří jeviště, na kterém se vyvíjí celé drama interakcí, jehož aktéry jsou všechno ostatní - hvězdy a planety, pole a hmota, vy a já.
Více než tisíc let poskytly čtyři přírodní knihy od Aristotela základ přírodních věd. Zatímco Herakleitos věřil, že vesmír je v nekonečném vývoji a všechny procesy v něm nikdy nezačaly a nikdy neskončily, Parmenides učil, že samotná koncepce pohybu je neslučitelná s tím, kdo je ten, kontinuální a věčný. Aristoteles začlenil obě tyto myšlenky do svého kosmogonického systému. Všechny změny byly nyní spojeny se Zemí a Měsícem, protože tyto změny byly evidentní. Nezměnitelnost byla přenesena na jiné planety, slunce a hvězdy, protože byly krásné, neměnné a věčné. Když mluvíme moderním jazykem, lze tvrdit, že Aristoteles operoval s absolutním časem, prostorem s absolutní strukturou, a to vše poskytovala měnící se Země. Tyto koncepty tvořily základ skutečného, v té době, vnímání a popisu světa, který Isaac Newton studoval v letech 1661 - 1665 jako student na Cambridge.
O dvacet let později Newton převrátil tato staletí stará dogma. Zveřejněním své vize světa kolem nás v roce 1686 poskytl nové chápání vesmíru kolem nás. Podle jeho principů se čas ukázal jako okenní parapet, který nahradil dimenzionální kontinuum. Stále to bylo absolutní a stejné pro všechny pozorovatele. Všechny simultánní události tvořily trojrozměrné prostorové kontinuum. Absolutní struktura prostoru tak v jeho uvažování zmizela. Díky lekcím z Koperníka byla Země odstraněna ze svého privilegovaného postavení ve vesmíru. Galileova relativita dala všechny inerciální pozorovatele na jednu fyzickou platformu s matematickou přesností. Newtonovské principy zničily aristotelovskou ortodoxii zrušením rozdílu mezi nebem a zemí. Nebe už nebylo stejné. Poprvé ve fyzice vznikly univerzální principy. Jablko padající na Zemi a planety pohybující se na svých oběžných drahách kolem Slunce nyní podléhaly stejným zákonům. Nebe už nebylo tak záhadné, protože podléhalo vědomí lidské mysli. Již počátkem 17. století se na slyšení Královské společnosti ve Velké Británii začaly objevovat práce, které předpovídaly nejen pohyb Jupitera, ale i pohyb jeho měsíců! Není divu, že v té době byl přístup k Newtonovi naplněn nejen skepticismem, ale také strachem, a to nejen ze strany neprofesionálů, ale také ze strany přední evropské inteligence. Například markýz de L'Hôpital, známý moderním studentům pro své pravidlo pro výpočet limitů,napsal z Francie Johnu Arbuthnotovi v Anglii ohledně Newtona a jeho zásad takto:
- Můj bože! Jaké základy poznání se v této knize objevují? Jí, pije a spí? Jsou jiní muži jako on?
Jak uvedl Richard Westfold ve svém vysoce respektovaném Newtonově životopisu Never Alone:
- Do roku 1687 nebyl Newton ve filozofických kruzích stěží slavnou osobou. Svět přírodní filozofie však nic nepřipravilo na vznik jejích principů. Zásady, které se staly zlomovým bodem pro samotného Newtona, který po dvaceti letech výzkumu konečně následoval od úspěchu k úspěchu. Zásady, které se staly bodem obratu pro přírodní filozofii.
Propagační video:
Newtonovské principy se staly novou ortodoxií a vládly po dobu více než 150 let. První výzva newtonovskému chápání světa byla hozena do zcela neočekávané oblasti fyziky a byla spojena s rozvojem porozumění elektromagnetickým jevům. V polovině 19. století dosáhl skotský fyzik James Clark Maxwell úžasné syntézy všech nashromážděných znalostí v této oblasti zapsáním svých čtyř slavných vektorových rovnic. Tyto rovnice dále poskytly pochopení zvláštního významu rychlosti světla. Ale v té době to nebylo možné pochopit. Absolutní rychlost přenosu interakcí jasně odporovala Galileovu principu relativity, který byl základním kamenem Newtonova modelu časoprostoru. Do té doby většina fyziků bezpodmínečně věřila v pravdu newtonovského světa, a proto dospěla k závěru, že Maxwellovy rovnice lze splnit pouze v určitém prostředí zvaném ether. Když však učinili taková prohlášení, nedobrovolně se vrátili zpět k Aristotelovi, který tvrdil, že absolutní struktura prostoru je přirozená. A v tomto stavu trval tento problém asi 50 let.
A nyní 26letý Albert Einstein vydává své slavné dílo „O elektrodynamice pohyblivých médií“. V této práci Einstein přijal pravdu o hodnotě konstant obsažených v Maxwellových rovnicích a pomocí jednoduchých myšlenkových experimentů jasně ukázal, že rychlost světla je univerzální konstanta, která zůstává platná pro všechny inerciální pozorovatele. Ukázal, že koncept absolutní fyzické simultánnosti je neudržitelný. Prostorově oddělené události, které se zdají být simultánní s jedním pozorovatelem, tomu tak není u jiného pozorovatele, který se pohybuje relativně k prvnímu konstantní rychlostí.
Ukázalo se, že newtonovský model časoprostoru může být pouze přibližný, platný v případě, že uvažované rychlosti jsou mnohem menší než rychlost světla. Objevil se nový model časoprostoru, včetně nového principu relativity, zvaného Speciální teorie relativity. Tato teorie měla ve své době revoluční význam. Podle ní čas ztratil absolutní pozici ve fyzice. Čtyřrozměrné časoprostorové kontinuum se stalo absolutním. Vzdálenosti ve čtyřrozměrném časoprostoru mezi událostmi jsou dobře definovány, ale pouze časové nebo pouze prostorové intervaly mezi událostmi začaly záviset na volbě referenčního rámce, tj. Na rychlosti pohybu jednoho pozorovatele vzhledem k druhému. Nová teorie dala neobvyklé, velkolepé předpovědi,které bylo v té době obtížné vnímat. Energie a hmota ztratily svoji jedinečnost a mohly být transformovány do sebe navzájem podle známého vzorce E = mc2. Zde je třeba poznamenat, že tento vztah se poprvé objevil v roce 1895 v díle Henriho Poincarého „O měření času“, publikovaném v pařížském filozofickém časopise, a proto nepřitahoval pozornost fyziků, ale jeho současný význam získal po práci Einsteina. Představte si, že energie obsažená v gramu hmoty může na jeden rok rozsvítit celé město. Dvojče, které opustilo svou sestru na Zemi a pohybovalo se v kosmické lodi rychlostí blízkou rychlosti světla, se vrátilo a zjistilo, že jeho sestra ve srovnání s tím stárla o několik desetiletí. Tyto předpovědi byly tak neočekávané, že mnoho vědců na předních univerzitách argumentovalože daná teorie nemůže být životaschopná. Všichni se však mýlili. Jaderné reaktory fungují na Zemi a hvězdy září na obloze a přeměňují hmotu na energii přesně podle vzorce E = mc2. V laboratořích s vysokou energií žijí nestabilní částice zrychlené na rychlost blízkou světlu desítky a stokrát déle než jejich protějšky spočívající na Zemi.
Navzdory revoluční povaze SRT však zůstal jeden aspekt časoprostoru aristotelský. Zůstávala pasivní arénou pro všechny události, plátno, na kterém si hnací síly vesmíru vykreslují svůj obraz. V polovině 19. století matematici zjistili, že geometrie Euklida, kterou jsme všichni studovali ve škole, je jednou z možných geometrií. To vedlo k myšlence nejjasněji formulované Richardem Riemannem v roce 1854. Řekl, že geometrie fyzického prostoru nemusí poslouchat Euklidovy axiomy, ale může být zakřivená kvůli přítomnosti hmoty ve vesmíru. Podle jeho myšlenek přestal být prostor pasivní a byl změněn hmotou. Trvalo dalších 61 let, než byla tato myšlenka žádaná.
Takovou velkou událostí bylo vydání jeho obecné teorie relativity Einsteinem v roce 1915. V této teorii měl časoprostor podobu čtyřrozměrného kontinua. Geometrie tohoto kontinua je zakřivená a stupeň zakřivení simuluje gravitační pole v samotném kontinuu. Časoprostor přestal být inertní. Působí na hmotu a hmota na ni působí. Jak řekl slavný americký fyzik John Wheeler:
- Hmota říká časoprostoru, jak se ohýbat, a časoprostor říká, jak se má pohybovat.
V kosmickém tanci už nejsou diváci, žádné pozadí, na kterém se odehrávají všechny události. Samotná scéna se přidala k obsazení. Jedná se o hlubokou změnu světonázoru. Jelikož jsou všechny fyzické systémy umístěny v časoprostoru, taková změna výhledu otřásla všemi základy přírodní filozofie. Fyzikům trvalo mnoho desetiletí, než se vyrovnali s mnoha aplikacemi této teorie, a filozofové se vyrovnali s novým chápáním světa, které vyrostlo z obecné relativity.
2. Gravitace je geometrie
"Je to, jako by se zeď oddělující nás od pravdy zhroutila." Širší prostory a bezedné hloubky se otevřely oku hledajícím znalosti, oblasti, o kterých jsme vůbec netušili “
Hermann Weil "Obecná teorie relativity"
Lze předpokládat, že při psaní své práce byl Einstein zřejmě inspirován dvěma poměrně jednoduchými fakty. Zaprvé, univerzálnost gravitace, kterou předvedl Galileo ve svých slavných experimentech na šikmé věži v Pise. Gravitace je univerzální, protože všechna těla z věže padla stejně, pokud na ně působila jen gravitační síla. Zadruhé, gravitace se vždy projevuje jako přitažlivost. Tato jeho vlastnost ji silně odlišuje například od elektrostatické síly, kterou popisuje stejný zákon ve formě jako zákon univerzální gravitace a projevuje se v závislosti na typu interagujících nábojů a jako přitažlivost a odpor. Výsledkem je, že zatímco elektrostatická síla může být chráněna a je snadné vytvořit oblasti, ve kterých nebude působit,gravitaci nelze v zásadě prověřit. Gravitace je tedy všudypřítomná a působí na všechna těla stejným způsobem. Tato dvě fakta hovoří o silném rozdílu mezi gravitací a dalšími základními interakcemi a naznačují, že gravitace je projevem něčeho hlubšího a univerzálnějšího. Protože časoprostor je také všudypřítomný a univerzální, Einstein navrhl, aby se gravitace neprojevovala jako síla, ale jako zakřivení geometrie časoprostoru. Časoprostor v obecné teorii relativity je tvárný a lze jej modelovat pomocí dvourozměrného gumového listu ohnutého masivními tělesy. Například slunce, když je těžké, silně ohýbá časoprostor. Planety se stejně jako všechna tělesa padající na Zemi pohybují po „přímých“trajektoriích, ale pouze v geometrii křivky. V přesném matematickém smyslu sledují nejkratší cesty, které se nazývají geodetické čáry - jedná se o zevšeobecnění přímek rovinné geometrie Euklida k zakřivené geometrii Riemannově. Pokud vezmeme v úvahu například zakřivený časoprostor, Země v takovém prostoru zvolí optimální trajektorii, která je úplným analogem přímky. Jelikož je ale časoprostor zakřivený, bude v projekci na plochý prostor Euklida a Newtona tato trajektorie eliptická.protože časoprostor je zakřivený, v projekci na plochý prostor Euklida a Newtona bude tato trajektorie eliptická.protože časoprostor je zakřivený, v projekci na plochý prostor Euklida a Newtona bude tato trajektorie eliptická.
Přitažlivost obecné teorie relativity spočívá ve skutečnosti, že pomocí elegantní matematiky transformovala tyto koncepčně jednoduché myšlenky do konkrétních rovnic a pomocí těchto rovnic vytvářela úžasné předpovědi o povaze fyzické reality. Předpovídá, že hodiny by měly běžet rychleji v Káthmándú než v Jaltě. Galaktická jádra by měla fungovat jako obří gravitační čočky a měla by nám ukazovat velkolepé, rozmanité obrazy vzdálených kvasarů. Dvě neutronové hvězdy otáčející se kolem společného středu musí ztratit energii kvůli vlnám v zakřiveném časoprostoru způsobeným jejich spirálním pohybem, sbíhajícím se do jediného středu, následovaným jejich srážkou. V posledních letech bylo provedeno mnoho experimentů k testování těchto a ještě exotičtějších předpovědí. A pokaždé zvítězila obecná teorie relativity. Přesnost některých experimentů překročila přesnost legendárních experimentů při detekci kvanta elektromagnetického pole. Tato kombinace konceptuální hloubky, matematické elegance a pozorovacího úspěchu je bezprecedentní. Proto je obecná teorie relativity na jedné straně považována za jednu z nejvznešenějších fyzikálních teorií a na druhé straně vzbuzuje značný zájem jako předmět nejrůznějších a ne vždy profesionálních kritik.proč je Obecná teorie relativity na jedné straně považována za jednu z nejvznešenějších fyzikálních teorií a na druhé straně vzbuzuje značný zájem jako předmět všeho druhu a ne vždy profesionální kritiku.proč je Obecná teorie relativity na jedné straně považována za jednu z nejvznešenějších fyzikálních teorií a na druhé straně vzbuzuje značný zájem jako předmět všeho druhu a ne vždy profesionální kritiku.
3. Velký třesk a černé díry
"Fyzici si vedli dobře, ale ukázali omezení intuice, bez pomoci matematiky." Zjistili, že pochopení přírody je velmi obtížné. Vědecký pokrok musel být uhrazen hanlivým přiznáním, že realita byla konstruována tak, aby ji lidské vnímání nemohlo snadno zachytit. “
Edward O. Wilson „Náhoda. Jednota znalostí “
Příchod obecné teorie relativity zahájil éru moderní kosmologie. Ve velmi velkém měřítku se vesmír kolem nás jeví jako homogenní a izotropní. Tento pohled je největší realizací Koperníkova principu: v našem vesmíru nejsou žádné vybrané body, žádný zvolený směr. V roce 1922 ruský matematik Alexander Fridman pomocí Einsteinových rovnic ukázal, že takový vesmír nemůže být statický. Musí se buď roztáhnout, nebo sbalit. V roce 1929 americký astronom Edwin Hubble zjistil, že vesmír se skutečně rozpíná. Tato skutečnost zase znamená, že tento proces musí mít svůj začátek, ve kterém musí být hustota gravitace a tedy zakřivení časoprostoru nekonečně velká. Objevil se koncept velkého třesku. Pečlivé pozorování,zejména za posledních 20 let ukázaly, že k této události pravděpodobně došlo před 14 miliardami let. Od té doby se galaxie pohybují od sebe a průměrná gravitace neustále klesá. Kombinací našich znalostí obecné teorie relativity s laboratorní fyzikou můžeme vytvořit mnoho podrobných předpovědí. Například můžeme vypočítat relativní množství světelných prvků, jejichž jádra se vytvořila v prvních třech minutách po výbuchu (viz například zde). Můžeme předpovědět existenci a vlastnosti primárního záření (reliktní mikrovlnné pozadí), které bylo emitováno, když byl vesmír starý přibližně 400 000 let. A můžeme říci, že první galaxie vznikly, když byl vesmír starý miliardu let. Úžasná škála časů a rozmanitost jevů!proběhlo před 14 miliardami let. Od té doby se galaxie pohybují od sebe a průměrná gravitace neustále klesá. Kombinací našich znalostí obecné teorie relativity s laboratorní fyzikou můžeme vytvořit mnoho podrobných předpovědí. Například můžeme vypočítat relativní množství světelných prvků, jejichž jádra se vytvořila během prvních tří minut po výbuchu (viz například zde). Můžeme předpovědět existenci a vlastnosti primárního záření (reliktní mikrovlnné pozadí), které bylo emitováno, když byl vesmír starý přibližně 400 000 let. A můžeme říci, že první galaxie vznikly, když byl vesmír starý miliardu let. Úžasná škála časů a rozmanitost jevů!proběhlo před 14 miliardami let. Od té doby se galaxie pohybují od sebe a průměrná gravitace neustále klesá. Kombinací našich znalostí obecné teorie relativity s laboratorní fyzikou můžeme vytvořit mnoho podrobných předpovědí. Můžeme například vypočítat relativní množství světelných prvků, jejichž jádra se vytvořila během prvních tří minut po výbuchu (viz například zde). Můžeme předpovědět existenci a vlastnosti primárního záření (reliktní mikrovlnné pozadí), které bylo emitováno, když byl vesmír starý přibližně 400 000 let. A můžeme říci, že první galaxie vznikly, když byl vesmír starý miliardu let. Úžasný rozsah časů a rozmanitost jevů!Kombinací našich znalostí obecné teorie relativity s laboratorní fyzikou můžeme vytvořit mnoho podrobných předpovědí. Například můžeme vypočítat relativní množství světelných prvků, jejichž jádra se vytvořila během prvních tří minut po výbuchu (viz například zde). Můžeme předpovědět existenci a vlastnosti primárního záření (reliktní mikrovlnné pozadí), které bylo emitováno, když byl vesmír starý přibližně 400 000 let. A můžeme říci, že první galaxie vznikly, když byl vesmír starý miliardu let. Úžasný rozsah časů a rozmanitost jevů!Kombinací našich znalostí obecné teorie relativity s laboratorní fyzikou můžeme vytvořit mnoho podrobných předpovědí. Například můžeme vypočítat relativní množství světelných prvků, jejichž jádra se vytvořila v prvních třech minutách po výbuchu (viz například zde). Můžeme předpovědět existenci a vlastnosti primárního záření (reliktní mikrovlnné pozadí), které bylo emitováno, když byl vesmír starý přibližně 400 000 let. A můžeme říci, že první galaxie vznikly, když byl vesmír starý miliardu let. Úžasný rozsah časů a rozmanitost jevů!například zde). Můžeme předpovědět existenci a vlastnosti primárního záření (reliktní mikrovlnné pozadí), které bylo emitováno, když byl vesmír starý přibližně 400 000 let. A můžeme říci, že první galaxie vznikly, když byl vesmír starý miliardu let. Úžasný rozsah časů a rozmanitost jevů!například zde). Můžeme předpovědět existenci a vlastnosti primárního záření (reliktní mikrovlnné pozadí), které bylo emitováno, když byl vesmír starý přibližně 400 000 let. A můžeme říci, že první galaxie vznikly, když byl vesmír starý miliardu let. Úžasný rozsah časů a rozmanitost jevů!
Obecná teorie relativity navíc změnila filozofický přístup k otázce Počátku. Do roku 1915 se o tomto tématu mohlo diskutovat, když Emmanuel Kant tvrdil, že vesmír možná neměl konečný začátek. Pak by mohla být položena otázka: Co tam bylo předtím? Tato otázka však implicitně předpokládá, že prostor a čas vždy existovaly a vesmír vznikl s hmotou. Ve Všeobecné teorii relativity nemá smysl klást si takovou otázku, protože časoprostor se rodí společně s hmotou ve Velkém třesku. Otázka „Co tam bylo předtím?“už nic neznamená. V přesném smyslu je Velký třesk hranicí, kde končí časoprostor, kde se samotné prostoročasové kontinuum láme. Obecná teorie relativity v době velkého třesku stanovila přirozenou hranici pro fyziku, která neumožňovala hledat dále.
Pokud jde o černé díry, obecná relativita také objevila další události. První řešení Einsteinovy rovnice popisující černou díru získal již v roce 1916 německý astrofyzik Karl Schwarzschild, který bojoval v německé armádě na frontách první světové války. Pochopení fyzického významu tohoto rozhodnutí však trvalo dlouho. Nejpřirozenějším způsobem vzniku černých děr je smrt hvězd. Během záře jaderného paliva spalujícího hvězdy může radiální tlak směrem ven vyvážit gravitaci. Ale po spálení veškerého paliva je jedinou silou, která může konkurovat gravitační přitažlivosti, odpudivá síla generovaná Pauliho principem kvantové mechanické exkluze. Během své slavné cesty do CambridgeDvacetiletý Subrahmanyan Chandrasekhar spojil principy speciální relativity a kvantové mechaniky, aby ukázal, že pokud je hvězda dostatečně hmotná, gravitace může překonat odpudivé síly generované Pauliho vylučovacím principem. Výsledkem je, že hvězda dokončuje svůj vývoj jako černá díra. Během třicátých let opravil a rozšířil své výpočty a poskytl nezvratné argumenty ve prospěch takového scénáře hvězdné havárie. Avšak přední britský astrofyzik té doby, Arthur Eddington, nepřijal myšlenku takového scénáře a uvedl, že při „správných“výpočtech není speciální teorie relativity jednoduše použitelná. Dnes by i student na zkoušce neprospěl, kdyby se ve svém uvažování pokusil takové zdůvodnění uvést. Přední kvantoví fyzikové té doby, Borovskaya a Dirac, ochotně souhlasili s výsledky Chandrasekhar, ale učinili tak osobně, aniž by přemýšleli o veřejném poukazování na Eddingtonovy chyby. To bylo napraveno až v roce 1983, kdy Chandrasekhar získal Nobelovu cenu. Výsledkem bylo, že toto nedorozumění se o několik desítek let oddálilo nejen uznáním Chandrasekharovy práce, ale také vnímáním černých děr jako skutečných objektů.jako skutečné objekty.jako skutečné objekty.
Kupodivu, ale ani sám Einstein nevnímal černé díry. Již v roce 1939 publikoval článek v Annals of Mathematics, ve kterém tvrdil, že černé díry nelze vytvořit zhroucením hvězd. Tvrdil, že výpočty byly správné, ale závěr byl výsledkem nerealistického předpokladu. Jen o několik měsíců později publikovali američtí fyzici Robert Oppenheimer a Hartland Snyder své nyní klasické dílo, které nezvratně dokazuje, že hmotné hvězdy dokončily svůj vývoj vytvořením černé díry. Ukázalo se, že černá díra je oblast, ve které je zakřivení časoprostoru tak silné, že ji nedokáže opustit ani světlo. Podle obecné teorie relativity se tedy tyto oblasti vnějším pozorovatelům zdají černé. Pokud se obrátíme k analogii dvojrozměrného gumového povrchu, ukáže se, že výchylka časoprostoru v černé díře se ukáže být tak velká, že se ve skutečnosti rozbije a vytvoří singularitu. Stejně jako u Velkého třesku se zakřivení stává nekonečným. Časoprostor tvoří horizont událostí a fyzika se na tomto horizontu zastaví.
A přesto jsou černé díry zjevně běžnými objekty ve vesmíru. Obecná teorie relativity v kombinaci s našimi znalostmi o procesu hvězdné evoluce předpovídá, že vesmír by měl mít obrovské množství černých děr s hmotami řádově 10 - 50 hmotností Slunce, které jsou produktem vitální aktivity hmotných hvězd. Černé díry jsou skutečně významnými hráči moderní astronomie a astrofyziky. Jsou to silné zdroje některých z nejenergetičtějších jevů ve vesmíru, jako je slavný paprsek gama vyzařovaný masivní černou dírou. Tento paprsek nese energii, kterou vyzařuje 1 000 sluncí během celého života. Černá díra je výsledkem výbuchu supernovy, který dokončí život hmotné hvězdy. A taková exploze se zaznamenává každý den. Zdá se, že středy všech eliptických galaxií jsouobsahují supermasivní černé díry s hmotami řádově miliónů hmotností Slunce. Naše vlastní galaxie, Mléčná dráha, má ve svém středu černou díru o hmotnosti 3,2 milionu hmotností Slunce.
4. Po Einsteinovi
"Nové oblasti našich zkušeností skutečně vždy povedou ke krystalizaci nového systému vědeckých poznatků a zákonů." Tváří v tvář novým a mimořádným intelektuálním výzvám neustále sledujeme příklad Columbuse, který měl odvahu opustit známý svět v téměř šílené naději, že objeví pevninu na druhém konci moře. “
V. Geisenberg „Poslední změny v exaktních vědách“
Obecná teorie relativity je nejlepší teorie gravitace a časoprostorové struktury, kterou dnes máme. Může popsat působivou škálu jevů od velké vesmírné expanze po fungování celosvětového pozičního systému na Zemi. Ale tato teorie je neúplná, protože ignoruje kvantové efekty, které řídí subatomární svět. Navíc se tyto dvě teorie zásadně liší. Svět obecné teorie relativity má geometrickou přesnost, je deterministický. Na rozdíl od tohoto světa je svět kvantové mechaniky předmětem pochybností, je pravděpodobný. Fyzici udržují tento šťastný, téměř schizofrenní stav pomocí obecné relativity k popisu rozsáhlých jevů v astronomii a kosmologii.a kvantová teorie pro popis vlastností atomů a elementárních částic. Všimněte si, že je to docela životaschopná strategie, protože tyto dva světy jsou velmi vzácné. Tato strategie je nicméně z koncepčního hlediska velmi neuspokojivá. Všechno v naší fyzické zkušenosti nám říká, že musí existovat větší a úplnější teorie, ze které musí vycházet jak obecná teorie relativity, tak kvantová teorie jako speciální omezené případy. Namísto takové teorie tvrdí kvantová teorie gravitace. Jedná se o naléhavý problém, který zcela logicky sleduje práci Einsteina. Na rozdíl od obecně přijímaného úhlu pohledu, který vznikl v důsledku Einsteinových pozdějších poznámek o neúplnosti kvantové mechaniky, jasně si byl vědom tohoto omezení obecné relativity. Báječné,ale Einstein poukázal na potřebu vytvořit kvantovou teorii gravitace již v roce 1916! V článku publikovaném v Preussische Akademie Sitzungsberichte napsal:
- Kvůli intraatomickému pohybu elektronů však musely atomy vydávat nejen elektromagnetickou, ale také gravitační energii, ale pouze v malém množství. Jelikož je vše v přírodě jedno, zdá se, že kvantová teorie měla změnit nejen Maxwellovu elektrodynamiku, ale také novou teorii gravitace.
Ve velkém třesku a v singularitě černé díry se setkávají velmi velké a velmi malé světy. Proto i když v současné době je toto setkání pro nás tajemstvím zapečetěným sedmi pečetěmi, je to právě brána, kterou můžeme jít za obecnou teorii relativity. V současné době se věří, že skutečná fyzika se nemůže zastavit na prahu horizontu událostí. S největší pravděpodobností tam selhává obecná teorie relativity. Je jasné, že teoretická fyzika musí znovu revidovat naše chápání časoprostoru. Potřebujeme nový jazyk, který by mohl překonat tyto brány neznáma.
Vytvoření tohoto jazyka je považováno za nejzávažnější a nejdůležitější výzvu, které dnes čelí základní fyzika. V tomto směru existuje dnes několik přístupů. Jeden z nich souvisí s teorií strun, ale my se zaměříme na koncept smyčkové kvantové gravitace. Jedná se o přístup k budování kvantové teorie, který se objevil před více než 20 lety v pracích indického fyzika Abhay Ashtekara a v současné době se o něm předpokládá, že je alternativou k řetězcovému přístupu při řešení tohoto problému.
V obecné teorii relativity je časoprostor kontinuem. Základní myšlenkou gravitace kvantové smyčky je tvrzení, že toto kontinuum je pouze aproximací, která je přerušena v takzvaných Planckových vzdálenostech. Planckova délka je jedinečná veličina, kterou lze zkonstruovat z gravitační konstanty, Planckovy konstanty v kvantové fyzice a rychlosti světla. Tato délka je 3,10-33 cm, což je o 20 řádů méně než poloměr protonu. Proto i na nejsilnějších urychlovačích částic na Zemi můžete bezpečně pracovat s časoprostorovým kontinuem. Ale tato situace se dramaticky mění, zejména v blízkosti velkého třesku a v černých dírách. V takových případech je nutné použít kvantovaný časoprostor, jehož kvantem je smyčkové kvantum gravitace.
Pokusme se pochopit, co je to kvantum časoprostoru. Otočme se k listu papíru před námi. Pro nás to vypadá jako pevné dvourozměrné kontinuum. Ale také víme, že se skládá z atomů. Tento list má diskrétní strukturu, která se stane pouhou deklarací, pokud se na ni nepodíváme, například pomocí elektronového mikroskopu. Nyní dále. Einstein tvrdil, že geometrie časoprostoru není o nic méně fyzikální než hmota. A proto musí mít také „atomovou“strukturu. Tento předpoklad umožnil v polovině 90. let spojit principy obecné teorie relativity s kvantovou fyzikou a vytvořit kvantovou geometrii. Stejně jako spojitá geometrie poskytuje matematický jazyk pro formulování obecné teorie relativity,takže kvantová geometrie poskytuje matematický nástroj a generuje nové fyzikální koncepty pro popis kvantových kosmických časů.
V kvantové geometrii jsou primární fundamentální uzavřené v prstencovém geometrickém buzení, které je jednorozměrné. Obyčejná tkanina se jeví jako hladké dvourozměrné kontinuum, ale je založena na jednorozměrných vláknech. Podobný předpoklad lze učinit s ohledem na vyšší dimenzionální kontinuum. Na čistě intuitivní úrovni lze uvažovat o základních geometrických excitacích jako o kvantových vláknech, která lze utkat a vytvořit tak samotnou strukturu časoprostoru. Co se stane, když jsme blízko časoprostorové singularity. Je jasné, že v této oblasti samotný koncept časoprostorového kontinua jednoduše není použitelný. Kvantové fluktuace v této oblasti jsou tak obrovské, že kvantová vlákna prostě nelze „zmrazit“do časoprostorového kontinua. Tkanina časoprostoru je roztrhaná. Fyzika časoprostorového kontinua je „fixována“na zbytky časoprostorové tkáně. Zároveň je jasné, že vlákna sama o sobě, která tvoří základ struktury vesmíru, získávají zvláštní význam. Pomocí Einsteinovy kvantové rovnice lze stále studovat fyziku a popsat procesy probíhající v kvantovém světě. Ale zde je důležitý bod. Faktem je, že při absenci časoprostorového kontinua se mnoho konceptů běžně používaných ve fyzice stává jednoduše nesprávných. Je nutné zavést do úvahy nové koncepty, které nahrazují nebo doplňují vyřazené, a to vyžaduje novou fyzickou intuici. A v takových dramatických podmínkách je cesta vydlážděna pro Einsteinovy kvantové rovnice. Fyzika časoprostorového kontinua je „fixována“na zbytky časoprostorové tkáně. Zároveň je jasné, že vlákna sama o sobě, která tvoří základ struktury vesmíru, získávají zvláštní význam. Pomocí Einsteinovy kvantové rovnice lze stále studovat fyziku a popsat procesy probíhající v kvantovém světě. Ale zde je důležitý bod. Jde o to, že při absenci časoprostorového kontinua se mnoho konceptů běžně používaných ve fyzice stává jednoduše nesprávných. Je nutné zavést v úvahu nové koncepty, které nahrazují nebo doplňují vyřazené, a to vyžaduje novou fyzickou intuici. A v takových dramatických podmínkách je cesta vydlážděna pro Einsteinovy kvantové rovnice. Fyzika časoprostorového kontinua je „fixována“na zbytky časoprostorové tkáně. Zároveň je jasné, že vlákna sama o sobě, která tvoří základ struktury vesmíru, získávají zvláštní význam. Pomocí Einsteinovy kvantové rovnice lze stále studovat fyziku a popsat procesy probíhající v kvantovém světě. Ale zde je důležitý bod. Jde o to, že při absenci časoprostorového kontinua se mnoho konceptů běžně používaných ve fyzice stává jednoduše nesprávných. Je nutné vzít v úvahu nové koncepty, které nahrazují nebo doplňují vyřazené, a to vyžaduje novou fyzickou intuici. A v takových dramatických podmínkách je cesta vydlážděna pro Einsteinovy kvantové rovnice.nabrat zvláštní význam. Pomocí Einsteinovy kvantové rovnice lze stále studovat fyziku a popsat procesy probíhající v kvantovém světě. Ale zde je důležitý bod. Jde o to, že při absenci časoprostorového kontinua se mnoho konceptů běžně používaných ve fyzice stává jednoduše nesprávných. Je nutné zavést v úvahu nové koncepty, které nahrazují nebo doplňují vyřazené, a to vyžaduje novou fyzickou intuici. A v takových dramatických podmínkách je cesta vydlážděna pro Einsteinovy kvantové rovnice.nabrat zvláštní význam. Pomocí Einsteinovy kvantové rovnice lze stále studovat fyziku a popsat procesy probíhající v kvantovém světě. Ale zde je důležitý bod. Jde o to, že při absenci časoprostorového kontinua se mnoho konceptů běžně používaných ve fyzice stává jednoduše nesprávných. Je nutné zavést v úvahu nové koncepty, které nahrazují nebo doplňují vyřazené, a to vyžaduje novou fyzickou intuici. A v takových dramatických podmínkách je cesta vydlážděna pro Einsteinovy kvantové rovnice. Je nutné zavést v úvahu nové koncepty, které nahrazují nebo doplňují vyřazené, a to vyžaduje novou fyzickou intuici. A v takových dramatických podmínkách je cesta vydlážděna pro Einsteinovy kvantové rovnice. Je nutné zavést v úvahu nové koncepty, které nahrazují nebo doplňují vyřazené, a to vyžaduje novou fyzickou intuici. A v takových dramatických podmínkách je cesta vydlážděna pro Einsteinovy kvantové rovnice.
Na základě těchto rovnic bylo možné objasnit některé podrobnosti Velkého třesku. Ukázalo se, že Einsteinovy diferenciální rovnice psané pro časoprostorové kontinuum by měly být nahrazeny diferenciálními rovnicemi psanými v jazyce diskrétní struktury kvantové geometrie. Problém je v tom, že standardní Einsteinovy rovnice, které dokonale popisují klasický časoprostor, úplně přestanou fungovat, když se přiblíží k Velkému třesku, když se hustota hmoty přiblíží Planckově hustotě 1094 g / cm3 řádově. V kvantové geometrii se zakřivení časoprostoru v Planckově režimu stává velmi velkým, ale konečným. Účinky kvantové geometrie překvapivě generují novou odpudivou sílu, která je tak velkákterý snadno překoná gravitační sílu. Obecná teorie relativity přestává fungovat. Vesmír se rozpíná. Einsteinovy kvantové rovnice umožňují člověku vyvinout kvantovou geometrii a vytvořit správný popis hmoty v Planckově režimu, přičemž neponechává prostor pro takový nefyzický koncept jako singularita. Velký třesk je nahrazen silným kvantovým šokem.
Byl proveden numerický výpočet procesu v prostorově homogenním izotropním případě na základě kvantových Einsteinových rovnic. Kontinuum časoprostoru bylo počítáno mimo Planckův režim a na „druhé“straně Velkého třesku. Na takzvané větvi „velké“exploze. Ukázalo se, že toto zmenšující se kontinuum také dobře popisuje Obecná teorie relativity. Když se však hustota hmoty rovná 0,8 Planckovy hustoty, stává se dominantní odpudivá síla generovaná kvantovou geometrií, která byla dříve nevýznamná. A místo toho, aby se zhroutil do bodu, zažívá vesmír silný kvantový dopad, který tento proces převádí do rozšiřující se větve „post-velkého“třesku, ve kterém nyní žijeme. Klasická obecná teorie relativity velmi dobře popisuje obě větve, kromě případů, kdy
Vzhled odpudivé síly kvantové povahy v okamžiku kvantového dopadu má zajímavou analogii s výskytem odpudivé síly v procesu umírání hvězd. V případě, že odpudivá síla začne převládat nad gravitační, když jádro hvězdy dosáhne kritické hustoty 6x1016 g / cm3, může zabránit zhroucení hvězdy do černé díry a přeměnit ji na stabilní neutronovou hvězdu. Tato odpudivá síla je generována Pauliho vylučovacím principem a přímo souvisí s kvantovou povahou probíhajícího procesu. Pokud se však ukáže, že hmotnost umírající hvězdy je větší než pětinásobek hmotnosti Slunce, gravitace tuto sílu překoná a hvězda se zhroutí do černé díry. Vzniká jedinečnost. Odpudivá síla generovaná kvantovou geometrií vstupuje do hry při vyšších hustotách hmoty,ale zároveň překonává gravitační kompresi bez ohledu na to, jak mohutné bylo hroutící se tělo. Tímto tělem může být skutečně celý vesmír! Přitažlivost gravitace kvantové smyčky spočívá v tom, že předpovědí tohoto efektu brání vzniku singularit v reálném světě prodloužením „života“našeho časoprostoru kvantovým mostem.
Díky Einsteinovi ve 20. století prošlo chápání prostoru a času radikální revizí. Geometrie časoprostorového kontinua se stala stejně fyzickou jako hmota předtím. Toto porozumění otevřelo nové perspektivy v kosmologii a astronomii. Ale v našem století nás v chápání časoprostoru nečekají méně dramatické změny. Díky kvantové geometrii již velký třesk a černé díry pro fyziku nejsou obklopeny hranicemi nepřístupnosti. Fyzický kvantový časoprostor je mnohem větší než obecná relativita. Existence spojení mezi těmito teoriemi nám umožňuje hovořit o konzistenci gravitace kvantové smyčky. Tato konzistence nám umožňuje vyvodit zcela konečné závěry o fyzice vzniku našeho vesmíru ao fyzice černých děr. V důsledku dalšího vývoje této teorie mohou nastat ještě více vzrušujících možností.