„Kaip vyresnysis bendražygis, turiu atkalbėti tave nuo šios veiklos, nes, pirma, tau nepavyks atlikti šios veiklos ir net jei pavyks, vistiek niekas tavimi netikės
Iš Maxo Plancko laiško Albertui Einšteinui dėl Einšteino bandymo išspręsti prieštaravimus tarp ypatingojo reliatyvumo ir Niutono gravitacijos
Nuo senų laikų žmoniją visada žavėjo erdvės (dangaus) ir laiko (pradžia, kaita ir pabaiga) sąvokos. Ankstyvieji mąstytojai, pradedant Gautama Buddha, Lao Tzu ir Aristoteliu, aktyviai nagrinėjo šias sąvokas. Per šimtmečius šių mąstytojų samprotavimų turinys žmogaus sąmonėje išsikristalizavo tuos mentalinius vaizdus, kuriuos dabar naudojame kasdieniame gyvenime. Mes galvojame apie erdvę kaip apie trimatį kontinuumą, kuris mus gaubia. Mes vaizduojame laiką kaip bet kokio proceso trukmę, kurios neveikia fizinėje visatoje veikiančios jėgos. Ir kartu jie sudaro sceną, kurioje vystosi visa sąveikos drama, kurios aktoriai yra visa kita - žvaigždės ir planetos, laukai ir materija, jūs ir aš.
Daugiau nei tūkstantį metų gamtos mokslams pamatą suteikė keturios Aristotelio parašytos fizikos knygos. Nors Herakleitas manė, kad visata yra begalinio vystymosi ir visi joje vykstantys procesai niekada neprasidėjo ir niekada nesibaigė, Parmenidas mokė, kad pati judėjimo samprata nesuderinama su tuo, kas yra Vienas, Nuolatinis ir Amžinas. Aristotelis abi šias idėjas įtraukė į savo kosmogoninę sistemą. Visi pokyčiai dabar buvo siejami su Žeme ir Mėnuliu, nes šie pokyčiai buvo akivaizdūs. Nekintamumas buvo perkeltas į kitas planetas, saulę ir žvaigždes, nes jos buvo gražios, nekintamos ir amžinos. Kalbant šiuolaikine kalba, galima teigti, kad Aristotelis veikė absoliučiu laiku, erdvė - absoliučia struktūra, ir visa tai suteikė besikeičianti Žemė. Šios sąvokos sudarė tikrojo, tuo metu pasaulio suvokimo ir aprašymo, kurį Isaacas Newtonas studijavo 1661–1665 m., Būdamas Kembridžo studentu, pagrindą.
Po dvidešimties metų Niutonas panaikino šias šimtmečių senumo dogmas. Paskelbęs savo viziją apie mus supantį pasaulį 1686 m., Jis pateikė naują supratimą apie mus supančią visatą. Pagal jo principus laikas pasirodė esąs palangė, pakeičianti matmenų kontinuumą. Visiems stebėtojams tai vis dar buvo absoliuti. Visi vienu metu vykę įvykiai suformavo erdvinį erdvinį tęstinumą. Taigi jo samprotavimuose dingo absoliuti erdvės struktūra. Koperniko pamokų dėka Žemė buvo pašalinta iš privilegijuotos padėties visatoje. Galilėjos reliatyvumas matematiniu tikslumu visus inercinius stebėtojus sutelkė į vieną fizinę platformą. Niutono principai sunaikino aristotelišką ortodoksiją, panaikindami skirtumą tarp dangaus ir žemės. Dangus nebebuvo tas pats. Pirmą kartą fizikoje atsirado universalūs principai. Į žemę krintančiam obuoliui ir aplink orą skriejančioms planetoms dabar buvo taikomi tie patys įstatymai. Dangus nebebuvo toks paslaptingas, kiek pakluso žmogaus protui. Jau 1700-ųjų pradžioje per Didžiosios Britanijos karališkosios draugijos posėdžius pradėjo pasirodyti darbai, kurie numatė ne tik Jupiterio, bet ir jo mėnulių judėjimą! Nenuostabu, kad tuo metu požiūris į Niutoną buvo pripildytas ne tik skepticizmo, bet ir baimės, ir ne tik neprofesionalų, bet ir pirmaujančios Europos inteligentijos pusės. Pavyzdžiui, markizas de L'Hôpital, šiuolaikiniams studentams žinomas dėl ribų skaičiavimo taisyklės,parašė iš Prancūzijos Johnui Arbuthnotui Anglijoje apie Niutoną ir jo principus taip:
- Dieve mano! Kokie žinių pamatai mums pasirodo toje knygoje? Ar jis valgo, geria ir miega? Ar kiti vyrai yra tokie kaip jis?
Kaip Richardas Westfoldas išsakė savo labai gerbiamoje Newtono „Never Alone“biografijoje:
- Iki 1687 m. Niutonas vargu ar buvo garsus asmuo filosofijos sluoksniuose. Tačiau niekas neparuošė gamtos filosofijos pasaulio jo principų atsiradimui. Principai, kurie tapo lūžio tašku pačiam Niutonui, kuris po dvidešimties metų tyrimų pagaliau sekė nuo pasiekimo iki pasiekimo. Principai, tapę lūžio tašku gamtos filosofijoje.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Niutono principai tapo nauja stačiatikybe ir vyravo daugiau nei 150 metų. Pirmasis iššūkis niutoniškam pasaulio supratimui buvo mestas visiškai netikėtoje fizikos srityje ir buvo susijęs su elektromagnetinių reiškinių supratimo plėtra. XIX amžiaus viduryje škotų fizikas Jamesas Clarkas Maxwellas, užrašydamas savo keturias garsiąsias vektorines lygtis, pasiekė nuostabią visų šioje srityje sukauptų žinių sintezę. Šios lygtys dar labiau suprato ypatingą šviesos greičio reikšmę. Bet tuo metu to buvo neįmanoma suprasti. Absoliutus sąveikų perdavimo greitis aiškiai prieštaravo Galileo reliatyvumo principui, kuris buvo kertinis Niutono erdvės-laiko modelio akmuo. Iki to laiko dauguma fizikų besąlygiškai tikėjo Niutono pasaulio tiesa ir todėl priėjo prie išvados, kad Maksvelo lygtys gali būti įvykdytos tik tam tikroje aplinkoje, vadinamoje eteriu. Bet darydami tokius teiginius jie nevalingai grįžo pas Aristotelį, kuris tvirtino, kad absoliuti erdvės struktūra yra būdinga gamtai. Šioje būsenoje ši problema truko apie 50 metų.
O dabar 26 metų Albertas Einšteinas išleidžia savo garsųjį darbą „Apie judančių laikmenų elektrodinamiką“. Šiame darbe Einšteinas pripažino Maksvelo lygtyse esančių konstantų vertės tiesą ir, naudodamas paprastus minties eksperimentus, aiškiai parodė, kad šviesos greitis yra universali konstanta, išlaikanti savo vertę visiems inerciniams stebėtojams. Jis parodė, kad absoliutaus fizinio vienalaikiškumo samprata yra nepagrįsta. Erdvėje atskirti įvykiai, kurie, atrodo, yra vienu metu stebėtojai, netinka kitam stebėtojui, judančiam pastovaus greičio atžvilgiu.
Tapo aišku, kad Niutono erdvės-laiko modelis gali būti tik apytikslis, galiojantis tuo atveju, kai nagrinėjamas greitis yra daug mažesnis nei šviesos greitis. Atsirado naujas erdvės-laiko modelis, įskaitant naują reliatyvumo principą, vadinamą specialia reliatyvumo teorija. Ši teorija savo laiku turėjo revoliucinę reikšmę. Anot jos, laikas prarado absoliučią poziciją fizikoje. Keturių matmenų erdvės-laiko tęstinumas tapo absoliutus. Atstumai keturių dimensijų erdvėlaikyje tarp įvykių yra gerai apibrėžti, tačiau tik laikini arba tik erdviniai intervalai tarp įvykių ėmė priklausyti nuo atskaitos sistemos pasirinkimo, tai yra nuo vieno stebėtojo judėjimo greičio kito atžvilgiu. Naujoji teorija pateikė neįprastas, įspūdingas prognozes,kuriuos tuo metu buvo sunku suvokti. Energija ir masė prarado savo unikalumą ir galėjo būti transformuotos viena į kitą pagal gerai žinomą formulę E = mc2. Čia reikia pažymėti, kad šie santykiai pirmą kartą pasirodė 1895 m. Henri Poincaré veikale „Apie laiko matavimą“, paskelbtame Paryžiaus filosofiniame žurnale ir todėl nesulaukė fizikų dėmesio, tačiau dabartinę reikšmę įgijo po Einšteino darbo. Įsivaizduokite, energija, esanti grame materijos, gali metus apšviesti visą miestą. Dvynis, palikęs seserį Žemėje ir judėjęs erdvėlaiviu greičiu, artimu šviesos greičiui, sugrįš nustatydamas, kad jo sesuo buvo senesnė keliais dešimtmečiais. Tokios netikėtos buvo šios prognozės, kurias įrodė daugelis pirmaujančių universitetų mokslininkųkad duota teorija negali būti perspektyvi. Tačiau jie visi klydo. Branduoliniai reaktoriai veikia Žemėje, o žvaigždės spindi danguje, paversdamos masę energija, tiksliai atitinkančia formulę E = mc2. Didelės energijos laboratorijose nestabilios dalelės, įsibėgėjusios beveik šviesos greičiu, gyvena dešimtimis ir šimtais kartų ilgiau, nei jų dvyniai ilsisi ant žemės.
Nepaisant viso revoliucinio SRT pobūdžio, vienas erdvės ir laiko aspektas išliko aristoteliškas. Tai išliko pasyvi visų įvykių arena, drobė, ant kurios Visatos varomosios jėgos nupiešia savo paveikslą. XIX amžiaus viduryje matematikai suprato, kad Euklido geometrija, kurios visi mokėmės mokykloje, yra viena iš galimų geometrijų. Tai paskatino mintį, kurią aiškiausiai suformulavo Richardas Riemannas 1854 m. Jis teigė, kad fizinės erdvės geometrija gali nepaklusti Euklido aksiomoms, tačiau gali būti išlenkta dėl materijos buvimo Visatoje. Jo idėjose erdvė nustojo būti pasyvi ir ją pakeitė materija. Praėjo dar 61 metai, kol ši idėja buvo paklausa.
Toks puikus įvykis buvo Einšteino 1915 m. Paskelbta jo bendra reliatyvumo teorija. Šioje teorijoje erdvėlaikis įgavo keturių dimensijų kontinuumo formą. Šio kontinuumo geometrija yra išlenkta, o kreivumo laipsnis imituoja gravitacijos laukus pačiame kontinuume. Erdvė-laikas nustojo būti inertiškas. Jis veikia materiją ir materija ją. Kaip sakė garsus amerikiečių fizikas Johnas Wheeleris:
- Materija pasakoja erdvės laikui, kaip lankstytis, o erdvė - materijai, kaip judėti.
Kosminiame šokyje nebėra žiūrovų, nėra fono, kuriame vyktų visi įvykiai. Pati scena prisijungė prie dalyvių. Tai yra gilus pasaulėžiūros pasikeitimas. Kadangi visos fizinės sistemos yra erdvės-laiko erdvėje, toks požiūrio pasikeitimas sukrėtė visus gamtos filosofijos pagrindus. Prireikė daug dešimtmečių, kol fizikai susitaikė su daugeliu šios teorijos taikymų, o filosofai sutiko su nauju pasaulio supratimu, išaugusiu iš bendrosios reliatyvumo.
2. Gravitacija yra geometrija
„Tarsi griuvo siena, skirianti mus nuo tiesos. Platesnės erdvės ir dugno gylis atsivėrė akiai, ieškant žinių, sričių, apie kurias neturėjome supratimo “
Hermannas Weilas „Bendroji reliatyvumo teorija“
Galima manyti, kad rašydamas savo darbą, Einšteiną, matyt, įkvėpė du gana paprasti faktai. Pirma, sunkumo visuotinumas, kurį Galileo pademonstravo savo garsiuose eksperimentuose su pasvirusiu Pizos bokštu. Gravitacija yra universali, nes visi kūnai iš bokšto nukrito vienodai, jei tik juos veikė gravitacinė jėga. Antra, gravitacija visada pasireiškia kaip patrauklumas. Ši jo savybė ją stipriai skiria, pavyzdžiui, nuo elektrostatinės jėgos, kurią forma apibūdina tas pats dėsnis kaip visuotinės gravitacijos dėsnis ir pasireiškia priklausomai nuo sąveikaujančių krūvių tipo bei kaip traukos ir atstūmimo. Todėl nors elektrostatinę jėgą galima apsaugoti ir pakankamai lengva sukurti sritis, kuriose ji neveiks,gravitacijos iš esmės negalima patikrinti. Taigi gravitacija yra visur esanti ir vienodai veikia visus kūnus. Šie du faktai kalba apie stiprų gravitacijos ir kitų pagrindinių sąveikų skirtumus ir rodo, kad gravitacija yra kažko gilesnio ir universalesnio pasireiškimas. Kadangi erdvėlaikis taip pat yra visur ir universalus, Einšteinas teigė, kad gravitacija pasireiškia ne kaip jėga, o kaip erdvėlaikio geometrijos kreivumas. Erdvė-laikas bendrojoje reliatyvumo teorijoje yra kaliojo ir jį galima modeliuoti dvimatiu guminiu lakštu, perlenktu masyvių kūnų. Pavyzdžiui, sunki saulė stipriai lenkia erdvės laiką. Planetos, kaip ir visi ant Žemės krentantys kūnai, juda „tiesiomis“trajektorijomis, tačiau tik kreivės geometrijoje. Tikslia matematine prasme jie eina trumpiausiais keliais, vadinamais geodezinėmis linijomis - tai Euklido plokštumos geometrijos tiesių linijų su lenkta Riemanno geometrija apibendrinimai. Taigi, jei atsižvelgsime, pavyzdžiui, į kreivą erdvėlaikį, Žemė tokioje erdvėje pasirinks optimalią trajektoriją, kuri yra visiškas tiesės analogas. Kadangi erdvė-laikas yra išlenktas, projekcijoje į plokščią Euklido ir Niutono erdvę ši trajektorija bus elipsinė.kadangi erdvės laikas yra išlenktas, projekcijoje į plokščią Euklido ir Niutono erdvę ši trajektorija bus elipsinė.kadangi erdvės laikas yra išlenktas, projekcijoje į plokščią Euklido ir Niutono erdvę ši trajektorija bus elipsinė.
Bendrosios reliatyvumo teorijos patrauklumas slypi tame, kad ji, naudodama elegantišką matematiką, šias konceptualiai paprastas idėjas pavertė konkrečiomis lygtimis ir šiomis lygtimis naudoja nuostabias fizinės tikrovės prigimties prognozes. Ji prognozuoja, kad Katmandu laikrodis turėtų veikti greičiau nei Jaltoje. Galaktikos branduoliai turėtų elgtis kaip milžiniški gravitaciniai lęšiai ir parodyti mums įspūdingus, kelis tolimų kvazarų vaizdus. Dvi neutroninės žvaigždės, besisukančios aplink bendrą centrą, turi prarasti energiją dėl kreivojo erdvės laiko bangų, kurias sukelia jų spiralinis judėjimas, susiliejusios į vieną centrą, o po to - jų susidūrimas. Pastaraisiais metais buvo atlikta daugybė eksperimentų, siekiant patikrinti šias ir dar egzotiškesnes prognozes. Ir kiekvieną kartą vyravo bendroji reliatyvumo teorija. Kai kurių eksperimentų tikslumas viršijo legendinių eksperimentų, skirtų aptikti elektromagnetinio lauko kvantą, tikslumą. Šis konceptualaus gylio, matematinės elegancijos ir stebėjimo sėkmės derinys yra beprecedentis. Štai kodėl, viena vertus, bendroji reliatyvumo teorija laikoma viena aukščiausių fizinių teorijų, kita vertus, kelia didelį susidomėjimą, kaip įvairios ir ne visada profesionalios kritikos objektą.kodėl bendra reliatyvumo teorija, viena vertus, laikoma viena iš aukščiausių fizinių teorijų ir, kita vertus, kelia didelį susidomėjimą, kaip visokio pobūdžio ir ne visada profesionalios kritikos objektą.kodėl bendra reliatyvumo teorija, viena vertus, yra laikoma viena iš aukščiausių fizinių teorijų ir, kita vertus, kelia didelį susidomėjimą, kaip visokio ir ne visada profesionalios kritikos objektą.
3. Didelis sprogimas ir juodosios skylės
„Fizikams sekėsi gerai, tačiau jie parodė intuicijos ribotumą, be matematikos pagalbos. Jie pastebėjo, kad suprasti gamtą yra labai sunku. Už mokslo pažangą reikėjo mokėti menkinamai pripažįstant, kad realybė buvo sukonstruota taip, kad žmogaus suvokimas jos nebūtų lengvai užfiksuotas “.
Edwardas O. Wilsonas „Sutapimas. Žinių vienybė"
Bendrosios reliatyvumo teorijos atsiradimas pradėjo šiuolaikinės kosmologijos erą. Labai dideliu mastu mus supanti visata atrodo vienalytė ir izotropinė. Šis požiūris yra didžiausias Koperniko principo įgyvendinimas: mūsų visatoje nėra pasirinktų taškų, pasirinktos krypties. 1922 m., Naudodamas Einšteino lygtis, rusų matematikas Aleksandras Fridmanas parodė, kad tokia visata negali būti statiška. Jis turi arba plėstis, arba žlugti. 1929 m. Amerikiečių astronomas Edwinas Hubble'as atrado, kad visata išties plečiasi. Šis faktas savo ruožtu reiškia, kad šiam procesui turi būti pradžia, kurioje gravitacijos tankis ir, atitinkamai, erdvės-laiko kreivumas, turi būti be galo dideli. Atsirado Didžiojo sprogimo koncepcija. Kruopštus stebėjimas,ypač per pastaruosius 20 metų, parodė, kad šis įvykis tikriausiai įvyko prieš 14 milijardų metų. Nuo to laiko galaktikos juda viena nuo kitos ir vidutinis sunkis nuolat krenta. Sujungę savo žinias apie bendrą reliatyvumo teoriją su laboratorine fizika, galime padaryti daug išsamių prognozių. Pavyzdžiui, galime apskaičiuoti santykinį šviesos elementų kiekį, kurio branduoliai susidarė per pirmąsias tris minutes po sprogimo (žr., Pavyzdžiui, čia). Mes galime numatyti pirminės spinduliuotės (reliktinio mikrobangų fono), kuris buvo skleidžiamas, kai visata buvo maždaug 400 000 metų, egzistavimą ir savybes. Ir galime sakyti, kad pirmosios galaktikos susiformavo visatai sulaukus milijardo metų. Nuostabi laikų įvairovė ir įvairūs reiškiniai!vyko prieš 14 milijardų metų. Nuo to laiko galaktikos juda viena nuo kitos ir vidutinis sunkis nuolat krenta. Sujungę savo žinias apie bendrą reliatyvumo teoriją su laboratorine fizika, galime pateikti daug išsamių prognozių. Pavyzdžiui, galime apskaičiuoti santykinį šviesos elementų, kurių branduoliai susidarė per pirmąsias tris minutes po sprogimo, kiekį (žr., Pavyzdžiui, čia). Mes galime numatyti pirminės spinduliuotės (relikvinio mikrobangų fono), kuris buvo skleidžiamas, kai Visata buvo maždaug 400 000 metų, egzistavimą ir savybes. Ir galime sakyti, kad pirmosios galaktikos susiformavo tada, kai visatai buvo milijardas metų. Nuostabi laikų įvairovė ir įvairūs reiškiniai!vyko prieš 14 milijardų metų. Nuo to laiko galaktikos juda viena nuo kitos ir vidutinis sunkis nuolat krenta. Sujungę savo žinias apie bendrą reliatyvumo teoriją su laboratorine fizika, galime pateikti daug išsamių prognozių. Pavyzdžiui, galime apskaičiuoti santykinį šviesos elementų kiekį, kurio branduoliai susidarė per pirmąsias tris minutes po sprogimo (žr., Pavyzdžiui, čia). Mes galime numatyti pirminės spinduliuotės (relikvinio mikrobangų fono), kuris buvo skleidžiamas, kai Visata buvo maždaug 400 000 metų, egzistavimą ir savybes. Ir galime sakyti, kad pirmosios galaktikos susiformavo visatai sulaukus milijardo metų. Nuostabi laikų įvairovė ir įvairūs reiškiniai!Sujungę savo žinias apie bendrąją reliatyvumo teoriją su laboratorine fizika, galime pateikti daug išsamių prognozių. Pavyzdžiui, galime apskaičiuoti santykinį šviesos elementų, kurių branduoliai susidarė per pirmąsias tris minutes po sprogimo, kiekį (žr., Pavyzdžiui, čia). Mes galime numatyti pirminės spinduliuotės (relikvinio mikrobangų fono), kuris buvo skleidžiamas, kai visata buvo maždaug 400 000 metų, egzistavimą ir savybes. Ir galime sakyti, kad pirmosios galaktikos susiformavo visatai sulaukus milijardo metų. Nuostabi laikų įvairovė ir įvairūs reiškiniai!Sujungę savo žinias apie bendrą reliatyvumo teoriją su laboratorine fizika, galime pateikti daug išsamių prognozių. Pavyzdžiui, galime apskaičiuoti santykinį šviesos elementų kiekį, kurio branduoliai susidarė per pirmąsias tris minutes po sprogimo (žr., Pavyzdžiui, čia). Mes galime numatyti pirminės spinduliuotės (reliktinio mikrobangų fono), kuris buvo skleidžiamas, kai visata buvo maždaug 400 000 metų, egzistavimą ir savybes. Ir galime sakyti, kad pirmosios galaktikos susiformavo visatai sulaukus milijardo metų. Nuostabi laikų įvairovė ir įvairūs reiškiniai!pavyzdžiui čia). Mes galime numatyti pirminės spinduliuotės (relikvinio mikrobangų fono), kuris buvo skleidžiamas, kai Visata buvo maždaug 400 000 metų, egzistavimą ir savybes. Ir galime sakyti, kad pirmosios galaktikos susiformavo visatai sulaukus milijardo metų. Nuostabi laikų įvairovė ir įvairūs reiškiniai!pavyzdžiui čia). Mes galime numatyti pirminės spinduliuotės (reliktinio mikrobangų fono), kuris buvo skleidžiamas, kai visata buvo maždaug 400 000 metų, egzistavimą ir savybes. Ir galime sakyti, kad pirmosios galaktikos susiformavo visatai sulaukus milijardo metų. Nuostabi laikų įvairovė ir įvairūs reiškiniai!
Be to, Bendroji reliatyvumo teorija pakeitė filosofinį požiūrį į Pradžios klausimą. Iki 1915 m. Šia tema buvo galima diskutuoti, kai Emmanuelis Kantas teigė, kad visata galėjo neturėti ribotos pradžios. Tada būtų galima užduoti klausimą: kas ten buvo anksčiau? Bet šis klausimas netiesiogiai daro prielaidą, kad erdvė ir laikas visada egzistavo, o visata atsirado kartu su materija. Bendrojoje reliatyvumo teorijoje nėra prasmės užduoti tokio klausimo, nes erdvės laikas gimsta kartu su materija Didžiajame sprogime. Klausimas "Kas ten buvo anksčiau?" jau nieko nereiškia. Tikslia prasme Didysis sprogimas yra riba, kur baigiasi erdvė-laikas, kur pats erdvės-laiko kontinuumas nutrūksta. Didžiojo sprogimo metu bendroji reliatyvumo teorija nustatė natūralią fizikos ribą, kuri neleido pažvelgti toliau.
Kalbant apie juodąsias skyles, bendrasis reliatyvumas taip pat atrado kitų nenumatytų atvejų. Pirmąjį juodąją skylę apibūdinančios Einšteino lygties sprendimą jau 1916 m. Gavo vokiečių astrofizikas Karlas Schwarzschildas, kovojęs Vokietijos kariuomenėje Pirmojo pasaulinio karo frontuose. Tačiau fizinei šio sprendimo prasmei suprasti prireikė daug laiko. Natūraliausias būdas susidaryti juodosioms skylėms yra žvaigždžių mirtis. Šviečiant žvaigždei, degančiai branduolinį kurą, išorinis radialinis slėgis gali atsverti gravitaciją. Tačiau po to, kai visi degalai buvo sudeginti, vienintelė jėga, galinti konkuruoti su gravitacine trauka, yra atstumianti jėga, kurią sukuria Pauli kvantinės mechaninės atskirties principas. Per savo garsiąją kelionę į KembridžąDvidešimtmetis Subrahmanyanas Chandrasekharas sujungė ypatingos reliatyvumo ir kvantinės mechanikos principus, kad parodytų, jog jei žvaigždė yra pakankamai masyvi, gravitacija gali įveikti atstumiančias jėgas, kurias sukuria Pauli išskyrimo principas. Todėl žvaigždė užbaigia savo evoliuciją kaip juodoji skylė. Per trisdešimtmetį jis pataisė ir papildė savo skaičiavimus ir pateikė nepaneigiamų argumentų tokio žvaigždės avarijos scenarijaus naudai. Tačiau iškilus to meto britų astrofizikas Arthuras Eddingtonas nepriėmė tokio scenarijaus idėjos ir pareiškė, kad atliekant „teisingus“skaičiavimus specialusis reliatyvumas tiesiog nėra taikomas. Šiandien net studentas neišlaikytų egzamino, jei bandytų pateikti tokį argumentą. Pagrindiniai to meto kvantiniai fizikai Borovskaja ir Diracas lengvai sutiko su Chandrasekharo rezultatais, tačiau tai padarė asmeniniais laiškais, negalvodami viešai atkreipti dėmesį į Eddingtono klaidas. Tai buvo ištaisyta tik 1983 m., Kai Chandrasekharui buvo įteikta Nobelio premija. Todėl šis nesusipratimas kelis dešimtmečius atidėjo ne tik Chandrasekharo kūrybos pripažinimą, bet ir juodųjų skylių suvokimą kaip tikrus objektus.kaip tikri daiktai.kaip tikri daiktai.
Kaip bebūtų keista, net pats Einšteinas nesuvokė juodųjų skylių. Jau 1939 m. Jis paskelbė matematikos metraštyje straipsnį, kuriame teigė, kad žlugus žvaigždėms juodosios skylės negali susidaryti. Jis teigė, kad skaičiavimai buvo teisingi, tačiau išvada buvo nerealios prielaidos rezultatas. Tik po kelių mėnesių amerikiečių fizikai Robertas Oppenheimeris ir Hartlandas Snyderis paskelbė savo dabar klasikinį darbą, neginčijamai įrodydami, kad masyvios žvaigždės užbaigia savo evoliuciją formuodamos juodąją skylę. Įrodyta, kad juodoji skylė yra sritis, kurioje erdvės ir laiko kreivumas yra toks stiprus, kad net šviesa negali jos palikti. Todėl, remiantis Bendrąja reliatyvumo teorija, šios sritys pašaliniams stebėtojams atrodo tamsiai juodos. Jei atsigręžtume į dvimačio guminio paviršiaus analogiją, paaiškėja, kad erdvės ir laiko deformacija juodojoje skylėje yra tokia didelė, kad ji iš tikrųjų lūžta, formuodama singuliarumą. Kaip ir Didžiojo sprogimo atveju, kreivumas tampa begalinis. Erdvė-laikas suformuoja įvykių horizontą, o fizika ties tuo sustoja.
Ir vis dėlto, matyt, juodosios skylės yra įprasti visatos objektai. Bendroji reliatyvumo teorija kartu su mūsų žiniomis apie žvaigždžių evoliucijos procesą numato, kad Visata turėtų turėti didžiulį skaičių juodųjų skylių, kurių masė būtų maždaug 10–50 saulės masių, o tai yra masyvių žvaigždžių gyvybinės veiklos produktas. Iš tiesų juodosios skylės yra žymūs šiuolaikinės astronomijos ir astrofizikos žaidėjai. Jie yra galingi energingiausių visatos reiškinių šaltiniai, pavyzdžiui, garsusis gama spindulys, kurį skleidžia didžiulė juodoji skylė. Šis spindulys neša energiją, kurią per visą savo gyvenimą skleidžia 1000 saulių. Juodoji skylė atsiranda dėl supernovos sprogimo, užbaigiančio masyvios žvaigždės gyvenimą. Ir toks sprogimas fiksuojamas kiekvieną dieną. Atrodo, kad yra visų elipsės formos galaktikų centraijuose yra supermasyvių juodųjų skylių, kurių masė siekia milijonus saulės masių. Mūsų pačių galaktikos, Paukščių Tako, centre yra juodoji skylė, kurios masė yra 3,2 milijono saulės masių.
4. Po Einšteino
„Iš tiesų naujos mūsų patirties sritys visada sukels naujos mokslo žinių ir dėsnių sistemos kristalizaciją. Susidūrę su naujais ir neeiliniais intelektualiniais iššūkiais, mes nuolat sekame Kolumbo pavyzdžiu, kuris drąsiai paliko žinomą pasaulį, turėdamas beveik beprotišką viltį atrasti žemę kitame jūros gale “.
V. Geisenbergas „Naujausi tiksliųjų mokslų pokyčiai“
Bendroji reliatyvumo teorija yra geriausia gravitacijos ir erdvės-laiko struktūros teorija, kurią turime šiandien. Tai gali apibūdinti įspūdingą reiškinių masyvą, pradedant dideliu kosminiu išsiplėtimu ir baigiant pasaulinės padėties nustatymo sistemos veikimu Žemėje. Bet ši teorija yra neišsami, nes ignoruojama subatominį pasaulį valdantys kvantiniai efektai. Be to, šios dvi teorijos iš esmės skiriasi. Bendrosios reliatyvumo teorijos pasaulis turi geometrinį tikslumą, jis yra deterministinis. Priešingai nei šiame pasaulyje, kvantinės mechanikos pasaulis kelia abejonių, jis yra tikimybinis. Fizikai palaiko šią laimingą, beveik šizofrenišką būseną, naudodami bendrąjį reliatyvumą aprašydami didelio masto astronomijos ir kosmologijos reiškinius.ir kvantų teorija atomų ir elementariųjų dalelių savybėms apibūdinti. Atkreipkite dėmesį, kad tai yra gana perspektyvi strategija, nes šie du pasauliai yra labai reti. Nepaisant to, ši strategija konceptualiu požiūriu yra labai nepatenkinama. Viskas, kas yra mūsų fizinėje patirtyje, mums sako, kad turi būti didesnė, išsamesnė teorija, iš kurios tiek bendroji reliatyvumo teorija, tiek kvantinė teorija turi atsirasti kaip specialūs, riboti atvejai. Vietoje tokios teorijos teigia kvantinė gravitacijos teorija. Tai aktuali problema, visiškai logiška sekant Einšteino darbą. Priešingai visuotinai priimtam požiūriui, susiformavusiam dėl vėlesnių Einšteino pastabų apie kvantinės mechanikos neišsamumą, jis aiškiai žinojo šį bendro reliatyvumo apribojimą. Nuostabu,bet Einšteinas atkreipė dėmesį į būtinybę sukurti kvantinę gravitacijos teoriją dar 1916 m.! Straipsnyje, paskelbtame „Preussische Akademie Sitzungsberichte“, jis rašė:
- Tačiau dėl intraatominio elektronų judėjimo atomai turėjo skleisti ne tik elektromagnetinę, bet ir gravitacinę energiją, bet tik mažais kiekiais. Kadangi gamtoje viskas yra viena, atrodo, kad kvantinė teorija turėjo pakeisti ne tik Maxwello elektrodinamiką, bet ir naują gravitacijos teoriją.
Didžiojo sprogimo ir juodosios skylės singuliarume susitinka labai didelis ir labai mažas pasaulis. Todėl, nors šiuo metu šis susitikimas mums yra paslaptis, užantspauduotas septyniais antspaudais, tačiau būtent tai yra vartai, pro kuriuos galime išeiti už bendrosios reliatyvumo teorijos ribų. Šiuo metu manoma, kad tikroji fizika negali sustoti ties įvykių horizonto slenksčiu. Greičiausiai tai nepavyksta dėl bendrosios reliatyvumo teorijos. Akivaizdu, kad teorinė fizika turi dar kartą patikslinti mūsų supratimą apie erdvėlaikį. Mums reikia naujos kalbos, kuri galėtų pažvelgti už šių nežinomybės vartų.
Šios kalbos kūrimas laikomas rimčiausiu ir svarbiausiu iššūkiu, su kuriuo šiandien susiduria pagrindinė fizika. Šiandien šia kryptimi yra keletas būdų. Vienas iš jų yra susijęs su stygų teorija, tačiau mes sutelksime dėmesį į kilpos kvantinės gravitacijos sampratą. Tai yra požiūris į kvantinės teorijos kūrimą, kuris atsirado daugiau nei prieš 20 metų Indijos fiziko Abhay Ashtekaro darbe ir, manoma, šiuo metu yra alternatyva styginių metodui sprendžiant šią problemą.
Bendrojoje reliatyvumo teorijoje erdvė-laikas yra tęstinumas. Pagrindinė kvantinės kilpos gravitacijos idėja yra tvirtinimas, kad šis tęstinumas yra tik aproksimacija, kuri yra nutraukta vadinamaisiais Plancko atstumais. Plancko ilgis yra unikalus dydis, kurį galima sukonstruoti iš gravitacijos konstantos, Plancko konstantos kvantinėje fizikoje ir šviesos greičio. Šis ilgis yra 3,10-33 cm, o tai yra 20 dydžių mažiau nei protono spindulys. Todėl net ir naudodami galingiausius Žemės dalelių greitintuvus, galite saugiai dirbti su erdvės-laiko kontinuumu. Tačiau ši padėtis labai pasikeičia, ypač šalia Didžiojo sprogimo ir juodosiose skylėse. Tokiais atvejais reikia naudoti kiekybinį erdvėlaikį, kurio kvantas yra kilpos gravitacijos kvantas.
Pabandykime suprasti, kas yra erdvės-laiko kvantas. Atsiverskime priešais gulintį popieriaus lapą. Mums tai atrodo tvirtas dvimatis tęstinumas. Bet mes taip pat žinome, kad jis susideda iš atomų. Šis lapas turi diskrečią struktūrą, kuri tampa tik deklaracija, jei į ją nežiūrime, pavyzdžiui, elektroniniu mikroskopu. Dabar toliau. Einšteinas teigė, kad erdvėlaikio geometrija yra ne mažiau fizinė nei materija. Todėl jis taip pat turi turėti „atominę“struktūrą. Ši prielaida 90-ųjų viduryje leido sujungti bendrosios reliatyvumo teorijos principus su kvantine fizika ir sukurti kvantinę geometriją. Kaip nenutrūkstama geometrija suteikia matematinę kalbą formuluojant bendrąją reliatyvumo teoriją,taigi kvantinė geometrija suteikia matematinį įrankį ir sukuria naujas fizines sąvokas kvantiniams kosminiams laikams apibūdinti.
Kvantinėje geometrijoje pagrindiniai, uždarieji žiede, geometriniai sužadinimai, kurie yra vienmatiai, yra pagrindiniai. Paprastas audinys, atrodo, yra lygus dvimatis tęstinumas, tačiau jis pagrįstas vienmatėmis gijomis. Panašią prielaidą galima padaryti ir aukštesnio matmens kontinuumo atžvilgiu. Grynai intuityviame lygmenyje galima pamatyti pagrindinius geometrinius sužadinimus kaip kvantines gijas, kurios gali būti audžiamos norint sukurti patį erdvėlaikio audinį. Kas nutinka, kai esame šalia erdvės-laiko singuliarumo. Akivaizdu, kad šioje srityje pati erdvės-laiko kontinuumo samprata tiesiog netaikoma. Kvantiniai svyravimai šioje srityje yra tokie didžiuliai, kad kvantinių gijų paprasčiausiai negalima „užšaldyti“erdvės-laiko kontinuume. Erdvės-laiko audinys yra suplėšytas. Erdvės-laiko kontinuumo fizika yra „užfiksuota“erdvės-laiko audinio likučiuose. Tuo pačiu metu paaiškėja, kad pačios gijos, kurios yra visatos audinio pagrindas, įgyja ypatingą reikšmę. Naudojant Einšteino kvantinę lygtį, vis dar galima mokytis fizikos, aprašyti kvantiniame pasaulyje vykstančius procesus. Tačiau čia yra svarbus momentas. Esmė ta, kad nesant erdvės-laiko tęstinumui, daugelis fizikoje dažnai vartojamų sąvokų tampa tiesiog neteisingos. Būtina atsižvelgti į naujas sąvokas, kurios pakeistų ar papildytų išmestas sąvokas, o tam reikia naujos fizinės intuicijos. Tokiomis dramatiškomis sąlygomis kelias yra nutiestas Einšteino kvantinėms lygtims. Erdvės-laiko kontinuumo fizika yra „užfiksuota“erdvės-laiko audinio likučiuose. Tuo pačiu metu paaiškėja, kad pačios gijos, kurios yra visatos audinio pagrindas, įgyja ypatingą reikšmę. Naudojant Einšteino kvantinę lygtį, vis tiek galima mokytis fizikos, aprašyti kvantiniame pasaulyje vykstančius procesus. Tačiau čia yra svarbus momentas. Esmė ta, kad nesant erdvės-laiko tęstinumui, daugelis fizikoje dažnai vartojamų sąvokų tampa tiesiog neteisingos. Būtina atsižvelgti į naujas sąvokas, kurios pakeistų ar papildytų tuos, kurie buvo išmesti, o tam reikia naujos fizinės intuicijos. Tokiomis dramatiškomis sąlygomis kelias yra nutiestas Einšteino kvantinėms lygtims. Erdvės-laiko kontinuumo fizika yra „užfiksuota“erdvės-laiko audinio likučiuose. Tuo pačiu metu paaiškėja, kad pačios gijos, kurios yra visatos audinio pagrindas, įgyja ypatingą reikšmę. Naudojant Einšteino kvantinę lygtį, vis dar galima mokytis fizikos, aprašyti kvantiniame pasaulyje vykstančius procesus. Tačiau čia yra svarbus momentas. Faktas yra tas, kad nesant erdvės-laiko tęstinumui, daugelis fizikoje dažnai vartojamų sąvokų tampa tiesiog neteisingos. Būtina atsižvelgti į naujas sąvokas, kurios pakeistų ar papildytų išmestas sąvokas, o tam reikia naujos fizinės intuicijos. Tokiomis dramatiškomis sąlygomis kelias yra nutiestas Einšteino kvantinėms lygtims.įgauti ypatingą reikšmę. Naudojant Einšteino kvantinę lygtį, vis dar galima mokytis fizikos, aprašyti kvantiniame pasaulyje vykstančius procesus. Tačiau čia yra svarbus momentas. Faktas yra tas, kad nesant erdvės-laiko tęstinumui, daugelis fizikoje dažnai vartojamų sąvokų tampa tiesiog neteisingos. Būtina atsižvelgti į naujas sąvokas, kurios pakeistų ar papildytų tuos, kurie buvo išmesti, o tam reikia naujos fizinės intuicijos. Tokiomis dramatiškomis sąlygomis kelias yra nutiestas Einšteino kvantinėms lygtims.įgauti ypatingą reikšmę. Naudojant Einšteino kvantinę lygtį, vis tiek galima mokytis fizikos, aprašyti kvantiniame pasaulyje vykstančius procesus. Tačiau čia yra svarbus momentas. Esmė ta, kad nesant erdvės-laiko tęstinumui, daugelis fizikoje dažnai vartojamų sąvokų tampa tiesiog neteisingos. Būtina atsižvelgti į naujas sąvokas, kurios pakeistų ar papildytų tuos, kurie buvo išmesti, o tam reikia naujos fizinės intuicijos. Tokiomis dramatiškomis sąlygomis kelias yra nutiestas Einšteino kvantinėms lygtims. Būtina atsižvelgti į naujas sąvokas, kurios pakeistų ar papildytų tuos, kurie buvo išmesti, o tam reikia naujos fizinės intuicijos. Tokiomis dramatiškomis sąlygomis kelias yra nutiestas Einšteino kvantinėms lygtims. Būtina atsižvelgti į naujas sąvokas, kurios pakeistų ar papildytų išmestas sąvokas, o tam reikia naujos fizinės intuicijos. Tokiomis dramatiškomis sąlygomis kelias yra nutiestas Einšteino kvantinėms lygtims.
Remiantis šiomis lygtimis tapo įmanoma išsiaiškinti kai kurias Didžiojo sprogimo detales. Paaiškėjo, kad Einšteino diferencialines lygtis, parašytas erdvės ir laiko kontinuumui, reikėtų pakeisti diferencialinėmis lygtimis, parašytomis diskrečiosios kvantinės geometrijos struktūros kalba. Problema ta, kad standartinės Einšteino lygtys, puikiai apibūdinančios klasikinį erdvėlaikį, artėjant Didžiajam sprogimui visiškai nustoja veikti, kai materijos tankis pagal dydį artėja prie Plancko tankio - 1094 g / cm3. Kvantinėje geometrijoje erdvės-laiko kreivumas Plancko režime tampa labai didelis, tačiau baigtinis. Keista, kad kvantinės geometrijos poveikis sukuria naują atstumiančią jėgąkuri lengvai įveikia sunkio jėgą. Bendra reliatyvumo teorija nustoja veikti. Visata plečiasi. Einšteino kvantinės lygtys leidžia plėtoti kvantinę geometriją ir teisingai apibūdinti materiją Plancko režime, nepaliekant vietos tokiai nefizinei sąvokai kaip singuliarumas. Didįjį sprogimą pakeičia galingas kvantinis šokas.
Remiantis kvantinėmis Einšteino lygtimis, buvo atliktas skaitmeninis proceso apskaičiavimas erdviniu požiūriu homogenišku izotropiniu atveju. Erdvės-laiko tęstinumas buvo apskaičiuotas už Plancko režimo ribų ir „kitoje“Didžiojo sprogimo pusėje. Ant vadinamojo „prieš didelį“sprogimo šakos. Paaiškėjo, kad šį susitraukiantį tęstinumą gerai apibūdina ir bendra reliatyvumo teorija. Tačiau kai medžiagos tankis tampa lygus 0,8 Plancko tankio, dominuojanti tampa kvantinės geometrijos sukurta atstumianti jėga, kuri anksčiau buvo nereikšminga. Ir užuot subyrėjusi į tašką, Visata patiria stiprų kvantinį poveikį, transformuodama procesą į besiplečiančią „post-big“sprogimo šaką, kurioje mes dabar gyvename. Klasikinė bendroji reliatyvumo teorija labai gerai apibūdina abi šakas, išskyrus atvejus
Kvantinio pobūdžio atstumiančiosios jėgos atsiradimas kvantinio smūgio metu turi įdomią analogiją su atstumiančiosios jėgos atsiradimu žvaigždės mirštant. Tuo atveju, kai atstūmimo jėga pradeda vyrauti virš gravitacinės jėgos, kai žvaigždės šerdis pasiekia kritinį tankį 6x1016 g / cm3, ji gali užkirsti kelią žvaigždės griūčiai į juodąją skylę ir paversti ją stabilia neutronine žvaigžde. Šią atstumiančią jėgą sukuria Pauli išskyrimo principas ir ji yra tiesiogiai susijusi su kvantiniu vykstančio proceso pobūdžiu. Tačiau jei paaiškėja, kad mirštančios žvaigždės masė yra didesnė nei 5 kartus didesnė už Saulės masę, gravitacija įveikia šią jėgą ir žvaigždė subyra į juodąją skylę. Atsiranda singuliarumas. Kvantinės geometrijos sukurta atstumianti jėga pradeda veikti esant didesniam materijos tankiui,bet tuo pačiu metu jis įveikia gravitacinį suspaudimą, kad ir koks masyvus būtų griūvantis kūnas. Iš tiesų, šis kūnas gali būti visa Visata! Kvantinės kilpos gravitacijos patrauklumas yra tas, kad numatydamas šį efektą, jis užkerta kelią singuliarumų susidarymui realiame pasaulyje, pratęsdamas mūsų erdvėlaikio „gyvenimą“per kvantinį tiltą.
Einšteino dėka XX amžiuje radikaliai peržiūrėta erdvės ir laiko supratimas. Erdvės-laiko kontinuumo geometrija tapo tokia fiziška, kokia buvo materija anksčiau. Šis supratimas atvėrė naujas perspektyvas kosmologijoje ir astronomijoje. Tačiau mūsų amžiuje mūsų laukia ne mažiau dramatiški pokyčiai suvokiant erdvėlaikį. Kvantinės geometrijos dėka Didysis sprogimas ir juodosios skylės fizikai nebėra apsuptos nepasiekiamumo ribų. Fizinis kvantinis erdvėlaikis yra daug didesnis nei bendrasis reliatyvumas. Ryšio tarp šių teorijų buvimas leidžia kalbėti apie kvantinės kilpos gravitacijos nuoseklumą. Šis nuoseklumas leidžia mums padaryti gana aiškias išvadas apie mūsų Visatos atsiradimo fiziką ir apie juodųjų skylių fiziką. Toliau plėtojant šią teoriją gali atsirasti dar įdomesnių galimybių.