Žmonės visada laiko vietą savaime suprantamu dalyku. Juk tai tik tuštuma - konteineris viskam kitam. Laikas taip pat kinta nuolat. Bet fizikai yra tokie žmonės, jiems visada reikia ką nors apsunkinti. Reguliariai bandydami suvienyti savo teorijas, jie sužinojo, kad erdvė ir laikas susilieja į tokią sudėtingą sistemą, kurios paprastas žmogus negali suprasti.
Albertas Einšteinas suprato, kas mūsų laukia dar 1916 metų lapkritį. Metais anksčiau jis suformulavo bendrąją reliatyvumo teoriją, pagal kurią gravitacija yra ne erdvėje sklindanti jėga, o pati erdvėlaikio savybė. Metęs kamuolį į orą, jis skrieja lanku ir grįžta į žemę, nes Žemė aplink jį lenkia erdvėlaikį, todėl kamuolio ir žemės keliai vėl susikirs. Laiške draugui Einšteinas aptarė bendrojo reliatyvumo suliejimo su kitu savo idėjomis problemą - gimstančią kvantinės mechanikos teoriją. Bet jo matematikos įgūdžių paprasčiausiai nepakako. „Kaip aš tai kankinau!“- rašė jis.
Einšteinas niekada niekur to nepadarė. Net ir šiandien kvantinės gravitacijos teorijos sukūrimo idėja atrodo itin tolima. Ginčai slepia svarbią tiesą: konkurencingas požiūris į visus, kai vienas sako, kad erdvė gimsta kažkur giliau - ir ši idėja sulaužo mokslinį ir filosofinį jos supratimą, kuris buvo įtvirtintas 2500 metų.
Žemyn per juodąją skylę
Paprastas šaldytuvo magnetas puikiai parodo problemą, su kuria susiduria fizikai. Jis gali prisegti popieriaus lapą ir atsispirti visos Žemės gravitacijai. Sunkumas yra silpnesnis už magnetizmą ar kitą elektrinę ar branduolinę jėgą. Kad ir kokie kvantiniai efektai būtų už jo, jie bus silpnesni. Vienintelis apčiuopiamas įrodymas, kad šie procesai apskritai vyksta, yra margas materijos vaizdas ankstyviausioje visatoje - manoma, kad jį sukūrė kvantiniai svyravimai gravitacijos lauke.
Juodosios skylės yra geriausias būdas patikrinti kvantinį sunkumą. „Tai yra pats tinkamiausias dalykas eksperimentuoti“, - sako Tedas Jacobsonas iš Merilendo universiteto, Koledžo parko. Jis ir kiti teoretikai tyrinėja juodąsias skyles kaip teorinius posūkius. Kas atsitiks, kai imsite lygtis, kurios puikiai veikia laboratorijoje, ir padėsite jas pačiose ekstremaliausiose situacijose, kokias tik įmanoma įsivaizduoti? Ar bus kokių nors subtilių trūkumų?
Bendroji teorija sąlyginai prognozuoja, kad materija, patekusi į juodąją skylę, artės prie savo centro - matematinė aklavietė, vadinama singuliarumu, be galo sumažės. Teorikai neįsivaizduoja objekto trajektorijos už singuliarumo ribų; visos linijos joje susilieja. Net kalbėti apie tai kaip apie vietą yra problematiška, nes pats erdvėlaikis, lemiantis singuliarumo vietą, nustoja egzistuoti. Mokslininkai tikisi, kad kvantinė teorija gali suteikti mums mikroskopą, kuris leis mums ištirti šį begalinį mažą begalinio tankio tašką ir suprasti, kas nutinka materijai patekus į ją.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Juodosios skylės pakraštyje materija dar nėra taip suspausta, gravitacija silpnesnė ir, kiek žinome, turėtų veikti visi fizikos dėsniai. Ir dar labiau atgraso tai, kad jie neveikia. Juodąją skylę riboja įvykio horizontas, negrįžimo taškas: materija, kertanti įvykio horizontą, negrįš. Nusileidimas yra negrįžtamas. Tai yra problema, nes visi žinomi pagrindinės fizikos dėsniai, įskaitant kvantinius-mechaninius, yra grįžtami. Bent iš principo, teoriškai turėtumėte sugebėti pakeisti judėjimą ir atkurti visas turimas daleles.
Fizikai susidūrė su panašia mįsle 1800-ųjų pabaigoje, kai laikė „juodo kūno“matematiką, idealizuotą kaip ertmė, užpildyta elektromagnetine spinduliuote. Jameso Clerko Maxwello elektromagnetizmo teorija numatė, kad toks objektas sugers visą ant jo krintančią spinduliuotę ir niekada nepasieks pusiausvyros su aplinkine materija. „Jis gali absorbuoti begalinį kiekį šilumos iš rezervuaro, kuris laikomas pastovioje temperatūroje“, - paaiškina Raphaelis Sorkinas iš Perimetro teorinės fizikos instituto Ontarijuje. Terminiu požiūriu jo temperatūra bus absoliuti nulis. Ši išvada prieštarauja tikrų juodų kūnų (pvz., Krosnies) stebėjimams. Tęsdamas Maxo Plancko teorijos darbą, Einšteinas parodė, kad juodas kūnas gali pasiekti šiluminę pusiausvyrą,jei radiacijos energija ateis atskirais vienetais arba kvantais.
Teoriniai fizikai beveik pusšimtį metų bandė pasiekti panašų juodųjų skylių sprendimą. Velionis Stephenas Hawkingas iš Kembridžo universiteto aštuntojo dešimtmečio viduryje žengė svarbų žingsnį - pritaikydamas kvantinę teoriją radiacijos laukui aplink juodąsias skyles ir parodydamas, kad jų temperatūra nėra nulinė. Todėl jie gali ne tik absorbuoti, bet ir skleisti energiją. Nors jo analizė įsuko juodąsias skyles į termodinamikos sritį, jis taip pat paaštrino negrįžtamumo problemą. Išeinanti spinduliuotė skleidžiama juodosios skylės pakraštyje ir nepateikia informacijos iš vidaus. Tai atsitiktinė šilumos energija. Jei pakeisite procesą ir paduosite šią energiją į juodąją skylę, nieko neatsiras: jūs tiesiog gaunate dar daugiau šilumos. Neįmanoma įsivaizduoti, kad juodojoje skylėje yra kažkas likę, tiesiog įstrigę, nes juodoji skylė skleidžia radiją, ji susitraukia ir,galiausiai išnyksta pagal Hawkingo analizę.
Ši problema vadinama informaciniu paradoksu, nes juodoji skylė sunaikina informaciją apie į ją įkritusias daleles, kurias galėtumėte pabandyti atkurti. Jei juodųjų skylių fizika yra tikrai negrįžtama, kažkas turi nešti informaciją atgal, ir mūsų erdvėlaikio sampratą gali tekti modifikuoti, kad būtų atsižvelgta į šį faktą.
Erdvės-laiko atomai
Šiluma yra atsitiktinis mikroskopinių dalelių, pavyzdžiui, dujų molekulių, judėjimas. Kadangi juodosios skylės gali įkaisti ir atvėsti, būtų tikslinga manyti, kad jas sudaro dalys - arba, apskritai, mikroskopinė struktūra. Kadangi juodoji skylė yra tik tuščia erdvė (pagal bendrą reliatyvumą į juodąją skylę patenkanti materija praeina įvykio horizontą nesustodama), juodosios skylės dalys turi būti pačios erdvės dalys. Po apgaulingu plokščios tuščios erdvės paprastumu yra nepaprastai sudėtinga.
Netgi teorijos, kurios turėjo išlaikyti tradicinį erdvėlaikio požiūrį, padarė išvadą, kad kažkas slypi po šiuo lygiu paviršiumi. Pavyzdžiui, aštuntojo dešimtmečio pabaigoje Stevenas Weinbergas, dabar dirbantis Teksaso universitete Ostine, bandė apibūdinti gravitaciją taip, kaip ją apibūdina kitos gamtos jėgos. Aš sužinojau, kad erdvė-laikas buvo radikaliai pakeistas mažiausiu mastu.
Iš pradžių fizikai mikroskopinę erdvę vizualizavo kaip mažų erdvės gabalėlių mozaiką. Jei padidinsite juos iki Plancko skalės, neišmatuojamai mažos 10–35 metrų dydžio, mokslininkai mano, kad galite pamatyti kažką panašaus į šachmatų lentą. O gal ir ne. Viena vertus, toks šachmatų erdvės linijų tinklas pirmenybę teikia vienoms kryptims, o ne kitoms, sukurdamas asimetriją, kuri prieštarauja specialiajai reliatyvumo teorijai. Pavyzdžiui, skirtingų spalvų šviesa judės skirtingu greičiu - pavyzdžiui, stiklinėje prizmėje, kuri skaido šviesą į sudedamąsias spalvas. Ir nors apraiškas mažose skalėse bus labai sunku pastebėti, bendro reliatyvumo pažeidimai bus atvirai akivaizdūs.
Juodųjų skylių termodinamika kelia abejonių dėl kosmoso, kaip paprastos mozaikos, paveikslo. Matuodami bet kurios sistemos šiluminę savybę, galite bent jau iš principo suskaičiuoti jos dalis. Išleisk energiją ir pažvelk į termometrą. Jei kolonėlė pakilo, energija turėtų būti paskirstyta palyginti nedaugeliui molekulių. Tiesą sakant, jūs matuojate sistemos entropiją, kuri atspindi jos mikroskopinį sudėtingumą.
Jei tai darote su įprasta medžiaga, molekulių skaičius didėja priklausomai nuo medžiagos tūrio. Taigi, bet kokiu atveju taip turėtų būti: jei 10 kartų padidinsite paplūdimio kamuolio spindulį, jo viduje tilps 1000 kartų daugiau molekulių. Bet jei 10 kartų padidinsite juodosios skylės spindulį, molekulių skaičius joje padaugės tik 100 kartų. Molekulių, iš kurių jis susideda, skaičius turėtų būti proporcingas ne jo tūriui, bet paviršiaus plotui. Juodoji skylė gali atrodyti kaip trimatė, tačiau ji elgiasi kaip dvimatis objektas.
Šis keistas efektas vadinamas holografiniu principu, nes jis primena hologramą, kurią mes matome kaip trimatį objektą, tačiau atidžiau apžiūrėjus paaiškėja, kad tai vaizdas, kurį sukuria dvimatis filmas. Jei holografinis principas atsižvelgia į mikroskopines kosmoso sudedamąsias dalis ir jos turinį - tai pripažįsta fizikai, nors ir ne visi - nepakaks sukurti erdvę paprasčiausiai suporavus mažiausius jos gabalus.
Susipainiojęs tinklas
Pastaraisiais metais mokslininkai suprato, kad kvantinis susipynimas turi būti susijęs. Ši gili kvantinės mechanikos savybė, nepaprastai galingas ryšio tipas, atrodo daug primityvesnis nei erdvė. Pavyzdžiui, eksperimentatoriai gali sukurti dvi daleles, skriejančias priešinga kryptimi. Jei jie įsipainios, jie išliks prisijungę neatsižvelgdami į atstumą, skiriantį juos.
Tradiciškai, kai žmonės kalbėjo apie „kvantinę“gravitaciją, jie turėjo omenyje kvantinį diskretiškumą, kvantinius svyravimus ir visus kitus kvantinius efektus, o ne kvantinį susipainiojimą. Juodųjų skylių dėka viskas pasikeitė. Juodosios skylės gyvavimo metu į ją įsipainioja dalelės, tačiau visiškai išgaravus juodajai skylei, partneriai už juodosios skylės lieka įsipainioję - nieko neturi. „Hawkingas turėjo tai pavadinti įsipainiojimo problema“, - sako Ohajo valstijos universiteto Samiras Mathuras.
Net vakuume, kur nėra dalelių, viduje įsipainiojo elektromagnetiniai ir kiti laukai. Jei išmatuosite lauką dviejose skirtingose vietose, jūsų rodmenys šiek tiek svyruos, bet išliks koordinuoti. Jei padalysite sritį į dvi dalis, šios dalys bus susijusios, o koreliacijos laipsnis priklausys nuo jų turimos geometrinės savybės: sąsajos srities. 1995 m. Jacobsonas pareiškė, kad susipynimas suteikia ryšį tarp materijos buvimo ir erdvėlaikio geometrijos - o tai reiškia, kad tai gali paaiškinti gravitacijos dėsnį. „Daugiau įsipainiojimo reiškia mažiau sunkumo“, - sakė jis.
Kai kurie kvantinės gravitacijos požiūriai - ypač stygų teorija - įsipainiojimą laiko svarbiu kertiniu akmeniu. Styginių teorija holografinį principą taiko ne tik juodosioms skylėms, bet ir visai visatai, pateikdama receptą, kaip sukurti erdvę - ar bent jau dalį jos. Originali dvimatė erdvė tarnaus kaip didesnės tūrinės erdvės riba. Susipainiojimas tūrinę erdvę sujungs į vientisą ir vientisą visumą.
2009 m. Markas Van Raamsdonkas iš Britų Kolumbijos universiteto pateikė elegantišką šio proceso paaiškinimą. Tarkime, kad ribos laukai nėra įsipainioję - jie iš koreliacijos sudaro porą sistemų. Jie atitinka dvi atskiras visatas, tarp kurių nėra jokio ryšio būdo. Susipainiojus sistemoms, tarp šių visatų susidaro savotiškas tunelis, kirmino skylė, ir erdvėlaiviai gali judėti tarp jų. Kuo didesnis įsipainiojimo laipsnis, tuo trumpesnis kirmino skylės ilgis. Visatos susilieja į vieną ir nebėra dvi atskiros. „Didelio erdvėlaikio atsiradimas tiesiogiai susieja susipynimą su šiais lauko laisvės teorijos laipsniais“, - sako Van Raamsdonckas. Kai matome koreliacijas elektromagnetiniuose ir kituose laukuose, jie yra erdvės sujungiančios sanglaudos liekana.
Daugybė kitų erdvės bruožų, be sujungimo, taip pat gali atspindėti įsipainiojimą. Van Raamsdonkas ir Brianas Swingle'as iš Merilendo universiteto teigia, kad įsipainiojimo visur buvimas paaiškina gravitacijos universalumą - kad jis veikia visus objektus ir persmelkia visur. Dėl juodųjų skylių Leonardas Susskindas ir Juanas Maldacena mano, kad susipynimas tarp juodosios skylės ir jos skleidžiamos spinduliuotės sukuria kirmino skylę - juodą įėjimą į juodąją skylę. Taigi informacija išsaugoma, o juodosios skylės fizika yra negrįžtama.
Nors šios stygų teorijos idėjos tinka tik konkrečiai geometrijai ir rekonstruoja tik vieną erdvės dimensiją, kai kurie mokslininkai bandė paaiškinti erdvę nuo nulio.
Fizikoje ir apskritai gamtos moksluose erdvė ir laikas yra visų teorijų pagrindas. Bet mes niekada tiesiogiai nepastebime erdvės ir laiko. Veikiau mes darome išvadą apie jo egzistavimą iš savo kasdienės patirties. Manome, kad logiškiausias mūsų matomų reiškinių paaiškinimas bus koks nors mechanizmas, veikiantis erdvėje-laike. Tačiau kvantinė gravitacija mums sako, kad ne visi reiškiniai puikiai tinka tokiam pasaulio vaizdui. Fizikai turi suprasti, kas yra dar giliau, erdvės ypatybes, atvirkščią lygaus veidrodžio pusę. Jei jiems pasiseks, užbaigsime revoliuciją, kurią Einšteinas pradėjo daugiau nei prieš šimtmetį.
Ilja Khelis