Lidé vždy berou prostor jako samozřejmost. Koneckonců, je to jen prázdnota - kontejner na všechno ostatní. Čas také běží nepřetržitě. Fyzici jsou ale takoví lidé, vždy musí něco komplikovat. Pravidelně se snažili sjednotit své teorie a zjistili, že prostor a čas splývají v systému tak složitém, že mu běžný člověk nerozumí.
Albert Einstein si uvědomil, co nás čeká v listopadu 1916. O rok dříve formuloval obecnou teorii relativity, podle níž gravitace není síla, která se šíří v prostoru, ale vlastnost samotného časoprostoru. Když míč vyhodíte do vzduchu, letí obloukem a vrátí se na zem, protože Země kolem něj ohýbá časoprostor, takže dráhy míče a země se znovu protnou. V dopise příteli Einstein diskutoval o problému sloučení obecné relativity se svým druhým duchovním dítětem, rodící se teorií kvantové mechaniky. Ale jeho matematické dovednosti prostě nestačily. "Jak jsem se tím mučil!" Napsal.
Einstein se v tomto ohledu nikdy nikam nedostal. I dnes se myšlenka vytvoření kvantové teorie gravitace jeví jako extrémně vzdálená. Spory skrývají důležitou pravdu: všechny konkurenční přístupy říkají, že vesmír se rodí někde hlouběji - a tato myšlenka narušuje jeho vědecké a filozofické chápání, které bylo stanoveno na 2500 let.
Dolů do černé díry
Obyčejný magnet na ledničku dokonale ilustruje problém, kterému čelí fyzici. Dokáže připnout kousek papíru a odolat gravitaci celé Země. Gravitace je slabší než magnetismus nebo jiná elektrická nebo jaderná síla. Ať už jsou za tím jakékoli kvantové efekty, budou slabší. Jediným hmatatelným důkazem toho, že tyto procesy vůbec probíhají, je pestrý obraz hmoty v nejranějším vesmíru - o kterém se předpokládá, že byl získán kvantovými fluktuacemi v gravitačním poli.
Černé díry jsou nejlepší způsob, jak otestovat kvantovou gravitaci. "S experimentem je to nejvhodnější," říká Ted Jacobson z Marylandské univerzity v College Parku. On a další teoretici studují černé díry jako teoretické otočné čepy. Co se stane, když vezmete rovnice, které dokonale fungují v laboratorním prostředí, a umístíte je do těch nejextrémnějších situací, jaké si lze představit? Budou nějaké jemné nedostatky?
Obecná teorie relativně předpovídá, že hmota padající do černé díry se bude nekonečně smršťovat, jakmile se přiblíží ke svému středu - matematická slepá ulička zvaná singularita. Teoretici si nedokáží představit trajektorii objektu přesahující singularitu; všechny řádky se sbíhají. Dokonce i mluvit o tom jako o místě je problematické, protože samotný časoprostor, který určuje umístění singularity, přestává existovat. Vědci doufají, že kvantová teorie nám může poskytnout mikroskop, který nám umožní prozkoumat tento nekonečně malý bod nekonečné hustoty a pochopit, co se stane s hmotou, která do ní spadá.
Propagační video:
Na okraji černé díry není hmota ještě tak stlačená, gravitace je slabší a pokud víme, měly by fungovat všechny zákony fyziky. A ještě více odrazující je skutečnost, že nefungují. Černá díra je omezena horizontem událostí, bodem bez návratu: hmota, která překročí horizont události, se nevrátí. Sestup je nevratný. To je problém, protože všechny známé zákony základní fyziky, včetně kvantově mechanických, jsou reverzibilní. Alespoň v zásadě, teoreticky, byste měli být schopni obrátit pohyb a obnovit jakékoli částice, které jste měli.
Fyzici čelili podobnému hlavolam na konci 19. století, když uvažovali o matematice „černého těla“, idealizovaného jako dutina naplněná elektromagnetickým zářením. Teorie elektromagnetismu Jamese Clerka Maxwella předpovídala, že takový objekt absorbuje veškeré záření, které na něj dopadne, a nikdy se nedostane do rovnováhy s okolní hmotou. "Může absorbovat nekonečné množství tepla ze zásobníku, který je udržován na konstantní teplotě," vysvětluje Raphael Sorkin z Perimetrického institutu pro teoretickou fyziku v Ontariu. Z tepelného hlediska bude mít teplotu absolutní nuly. Toto zjištění je v rozporu s pozorováním skutečných černých těles (například pece). Einstein pokračoval v práci na teorii Maxe Plancka a ukázal, že černé těleso může dosáhnout tepelné rovnováhy,jestli energie záření přijde v diskrétních jednotkách nebo kvantách.
Téměř půl století se teoretičtí fyzici pokoušeli dosáhnout podobného řešení pro černé díry. Pozdní Stephen Hawking z University of Cambridge učinil důležitý krok v polovině 70. let tím, že použil kvantovou teorii na radiační pole kolem černých děr a ukázal, že mají nenulové teploty. Proto mohou nejen absorbovat, ale také emitovat energii. Ačkoli jeho analýza našroubovala černé díry do oblasti termodynamiky, také prohloubil problém nevratnosti. Odchozí záření je emitováno na okraji černé díry a nepřenáší informace z vnitřku. Toto je náhodná tepelná energie. Pokud obrátíte proces a přivedete tuto energii do černé díry, nic se neobjeví: jen získáte ještě více tepla. A je nemožné si představit, že v černé díře zbývá něco, jen uvězněné, protože jak černá díra vyzařuje záření, smršťuje se a,podle Hawkingovy analýzy to nakonec zmizí.
Tento problém se nazývá informační paradox, protože černá díra ničí informace o částicích, které se do ní dostaly a které byste se mohli pokusit obnovit. Pokud je fyzika černých děr skutečně nevratná, musí něco nést informace zpět a možná bude nutné upravit naši koncepci časoprostoru tak, aby vyhovovala této skutečnosti.
Atomy časoprostoru
Teplo je náhodný pohyb mikroskopických částic, jako jsou molekuly plynu. Jelikož se černé díry mohou zahřát a ochladit, bylo by rozumné předpokládat, že jsou tvořeny částmi - nebo obecněji mikroskopickou strukturou. A protože černá díra je jen prázdný prostor (podle obecné relativity prochází hmota padající do černé díry horizontem událostí bez zastavení), části černé díry musí být částmi samotného prostoru. A pod klamnou jednoduchostí plochého prázdného prostoru je obrovská složitost.
Dokonce i teorie, které měly zachovat tradiční pohled na časoprostor, dospěly k závěru, že pod tímto hladkým povrchem číhá něco. Například na konci 70. let se Steven Weinberg, nyní na Texaské univerzitě v Austinu, pokusil popsat gravitaci stejným způsobem, jakým ji popisují jiné přírodní síly. A zjistil jsem, že časoprostor byl radikálně upraven v nejmenším měřítku.
Fyzici původně vizualizovali mikroskopický prostor jako mozaiku malých kousků vesmíru. Pokud je zvětšíte na Planckovu stupnici, neměřitelně malou o velikosti 10–35 metrů, vědci věří, že můžete vidět něco jako šachovnici. Nebo možná ne. Na jedné straně taková síť linií šachového prostoru upřednostní některé směry před ostatními, čímž vytvoří asymetrie, které jsou v rozporu se speciální teorií relativity. Například světlo různých barev se bude pohybovat různými rychlostmi - jako ve skleněném hranolu, který rozbíjí světlo do jeho základních barev. A i když bude velmi obtížné si všimnout projevů v malém měřítku, porušení obecné relativity bude upřímně zřejmé.
Termodynamika černých děr zpochybňuje obraz vesmíru jako jednoduché mozaiky. Měřením tepelného chování jakéhokoli systému můžete alespoň v zásadě spočítat jeho části. Uvolněte energii a podívejte se na teploměr. Pokud kolona vzlétla, měla by být energie distribuována na relativně málo molekul. Ve skutečnosti měříte entropii systému, což představuje jeho mikroskopickou složitost.
Pokud to uděláte s běžnou látkou, počet molekul se zvyšuje s objemem materiálu. Takže by to mělo být: pokud zvětšíte poloměr plážového míče 10krát, vejde se do něj 1000krát více molekul. Pokud ale 10krát zvětšíte poloměr černé díry, počet molekul v ní se znásobí pouze 100krát. Počet molekul, z nichž se skládá, by neměl být úměrný jeho objemu, ale ploše. Černá díra se může zdát trojrozměrná, ale chová se jako dvourozměrný objekt.
Tento podivný efekt se nazývá holografický princip, protože připomíná hologram, který vidíme jako trojrozměrný objekt, ale při bližším zkoumání se ukáže, že jde o obraz vytvořený dvourozměrným filmem. Pokud holografický princip bere v úvahu mikroskopické složky prostoru a jeho obsah - což fyzici připouštějí, i když ne všechny - nebude stačit k vytvoření prostoru pouhým spojením jeho nejmenších částí.
Zamotaný web
V posledních letech si vědci uvědomili, že do toho musí být zapleteno kvantové zapletení. Tato hluboká vlastnost kvantové mechaniky, extrémně silný typ spojení, se zdá být mnohem primitivnější než vesmír. Experimentátoři mohou například vytvořit dvě částice letící opačným směrem. Pokud se zamotají, zůstanou připojeni bez ohledu na vzdálenost, která je odděluje.
Když lidé tradičně hovořili o „kvantové“gravitaci, mysleli tím kvantovou diskrétnost, kvantové fluktuace a všechny další kvantové efekty - ne kvantové zapletení. Všechno se změnilo díky černým děrám. Během života černé díry do ní vstupují zapletené částice, ale když se černá díra úplně odpaří, partneři mimo černou díru zůstanou zapleteni - bez ničeho. „Hawking to měl nazvat problémem se zapletením,“říká Samir Mathur z Ohio State University.
Dokonce i ve vakuu, kde nejsou žádné částice, jsou elektromagnetická a jiná pole vnitřně zapletená. Pokud změříte pole na dvou různých místech, budou vaše hodnoty mírně kolísat, ale zůstanou v koordinaci. Rozdělíte-li oblast na dvě části, budou tyto části korelovat a stupeň korelace bude záviset na geometrické vlastnosti, kterou mají: oblast rozhraní. V roce 1995 Jacobson uvedl, že zapletení poskytuje spojení mezi přítomností hmoty a geometrií časoprostoru - což znamená, že by mohlo vysvětlit gravitační zákon. „Více zapletení znamená menší gravitaci,“řekl.
Některé přístupy ke kvantové gravitaci - zejména teorie strun - považují zapletení za důležitý základní kámen. Teorie strun aplikuje holografický princip nejen na černé díry, ale na vesmír jako celek, což poskytuje recept na vytvoření prostoru - nebo alespoň jeho části. Původní dvourozměrný prostor bude sloužit jako hranice většího volumetrického prostoru. A zapletení spojí objemový prostor do jediného a spojitého celku.
V roce 2009 poskytl Mark Van Raamsdonk z University of British Columbia elegantní vysvětlení tohoto procesu. Předpokládejme, že pole na hranici nejsou zapletená - tvoří dvojici systémů z korelace. Odpovídají dvěma samostatným vesmírům, mezi nimiž neexistuje žádný způsob komunikace. Když se systémy zamotají, vytvoří se mezi těmito vesmíry jakýsi tunel, červí díra a mezi nimi se mohou pohybovat kosmické lodě. Čím vyšší je stupeň zapletení, tím kratší je délka červí díry. Vesmíry se spojují do jednoho a už nejsou dva oddělené. „Příchod velkého časoprostoru přímo spojuje zapletení s těmito stupni teorie teorie pole,“říká Van Raamsdonck. Když vidíme korelace v elektromagnetických a jiných polích, jsou pozůstatkem soudržnosti, která spojuje prostor dohromady.
Zapletení může odrážet i mnoho dalších funkcí vesmíru, kromě toho, že jsou propojeny. Van Raamsdonk a Brian Swingle z University of Maryland tvrdí, že všudypřítomnost zapletení vysvětluje univerzálnost gravitace - že ovlivňuje všechny objekty a prostupuje všude. U černých děr jsou Leonard Susskind a Juan Maldacena přesvědčeni, že zapletení mezi černou dírou a radiací, kterou vyzařuje, vytváří červí díru - černý vstup do černé díry. Informace jsou tedy zachovány a fyzika černé díry je nevratná.
Ačkoli tyto myšlenky teorie strun fungují pouze pro konkrétní geometrie a rekonstruují pouze jednu dimenzi vesmíru, někteří vědci se pokusili vysvětlit vesmír od nuly.
Ve fyzice a obecně v přírodních vědách jsou prostor a čas základem všech teorií. Ale nikdy si přímo nevšimneme časoprostoru. Spíše odvozujeme jeho existenci z naší každodenní zkušenosti. Předpokládáme, že nejlogičtějším vysvětlením jevů, které vidíme, bude nějaký mechanismus, který funguje v časoprostoru. Kvantová gravitace nám ale říká, že ne všechny jevy dokonale zapadají do takového obrazu světa. Fyzici musí pochopit, co je ještě hlubší, vnitřní a vnější prostor, zadní strana hladkého zrcadla. Pokud uspějí, ukončíme revoluci, kterou Einstein zahájil před více než stoletím.
Ilya Khel