„Като старши приятел трябва да ви разубедя от тази дейност, защото, първо, няма да успеете в тази дейност и дори да успеете, така или иначе никой няма да ви повярва.“
От писмото на Макс Планк до Алберт Айнщайн относно опита на Айнщайн да разреши противоречието между специалната относителност и нютоновата гравитация
От древни времена човечеството винаги е било очаровано от понятията Космос (Небе) и Време (Начало, Промяна и Край). Ранните мислители, започвайки от Гаутама Буда, Лао Дзъ и Аристотел, активно се занимават с тези концепции. През вековете съдържанието на разсъжденията на тези мислители е кристализирало в човешкото съзнание онези умствени образи, които сега използваме в ежедневието си. Ние мислим за пространството като за триизмерен континуум, който ни обгръща. Представяме времето като продължителност на всеки процес, незасегнат от силите, действащи във физическата вселена. И заедно образуват сцената, на която се развива цялата драма на взаимодействията, чиито актьори са всичко останало - звезди и планети, полета и материя, ти и аз.
За повече от хиляда години четири книги по физика, написани от Аристотел, осигуряват основата за природните науки. Докато Хераклит вярваше, че Вселената е в безкрайно развитие и всички процеси в нея никога не са започнали и никога не свършват, Парменид учи, че самата концепция за движение е несъвместима с това кой е Единственият, Непрекъснатият и Вечният. Аристотел включи и двете идеи в своята космогонична система. Всички промени сега бяха свързани със Земята и Луната, тъй като тези промени бяха очевидни. Неизменността беше прехвърлена на други планети, слънцето и звездите, защото те бяха красиви, неизменни и вечни. Говорейки на съвременен език, може да се твърди, че Аристотел е действал с абсолютно време, пространство с абсолютна структура и всичко това е осигурено от променящата се Земя. Тези концепции стоят в основата на истинското по това време възприятие и описание на света, което Исак Нютон е изучавал през 1661-1665 г., като студент в Кеймбридж.
Двадесет години по-късно Нютон отмени тези вековни догми. Публикувайки своята визия за света около нас през 1686 г., той даде ново разбиране за вселената около нас. Според неговите принципи времето се оказа перваза на прозореца, заместен с размерния континуум. Все още беше абсолютно и еднакво за всички наблюдатели. Всички едновременни събития съставляват триизмерен пространствен континуум. Така абсолютната структура на пространството изчезна в неговите разсъждения. Благодарение на уроците на Коперник Земята е отстранена от привилегированото си положение във Вселената. Галилеевата относителност поставя всички инерционни наблюдатели на една физическа платформа с математическа точност. Нютоновите принципи унищожават аристотеловата ортодоксия, като премахват разграничението между небето и земята. Небето вече не беше същото. За първи път във физиката се появиха универсални принципи. Ябълката, падаща на земята, и планетите, които се движат по орбитите си около слънцето, сега са били подчинени на същите закони. Небесата вече не бяха толкова загадъчни, тъй като бяха подчинени на съзнанието на човешкия ум. Още в началото на 1700 г., на изслушванията на Кралското общество на Великобритания, започват да се появяват произведения, които предсказват не само движението на Юпитер, но и движението на неговите луни! Не е изненадващо, че по това време отношението към Нютон беше изпълнено не само със скептицизъм, но и със страх и то не само от страна на непрофесионалистите, но и от страна на водещата европейска интелигенция. Например, маркиз де L'Hôpital, известен на съвременните ученици със своето правило за изчисляване на граници,пише от Франция до Джон Арбутно в Англия по отношение на Нютон и неговите Принципи, както следва:
- Боже мой! Какви основи на знанието ни се появяват в тази книга? Яде ли, пие ли и спи ли? Други мъже като него ли са?
Както Ричард Уестфол го изрази в своята много уважавана биография на Нютон „Никога сам“:
- До 1687 г. Нютон едва ли е бил известна личност във философските среди. Нищо обаче не подготви света на натурфилософията за появата на нейните Принципи. Принципи, които се превърнаха в повратна точка за самия Нютон, който след двадесет години изследвания най-накрая последва от постижение до постижение. Принципи, превърнали се в повратна точка за натурфилософията.
Промоционално видео:
Нютоновите принципи станаха новата ортодоксалност и царуваха повече от 150 години. Първото предизвикателство пред нютоновото разбиране за света е поставено в напълно неочаквана област на физиката и е свързано с развитието на разбирането за електромагнитните явления. В средата на 19 век шотландският физик Джеймс Кларк Максуел постига удивителен синтез на всички натрупани знания в тази област, като записва четирите си известни векторни уравнения. Тези уравнения допълнително предоставиха разбиране за особеното значение на скоростта на светлината. Но по това време беше невъзможно да се разбере. Абсолютната скорост на предаване на взаимодействие явно противоречи на принципа на относителността на Галилей, който беше крайъгълният камък на модела на Нютон за пространство-време. По това време повечето физици безусловно вярват в истината за Нютоновия свят и следователно стигат до заключението, че уравненията на Максуел могат да бъдат изпълнени само в определена среда, наречена етер. Но, като правят такива изявления, те неволно се връщат обратно при Аристотел, който твърди, че абсолютната структура на пространството е присъща на Природата. И в това състояние този проблем продължи около 50 години.
И сега 26-годишният Алберт Айнщайн публикува известната си творба „За електродинамиката на движещите се медии“. В тази работа Айнщайн приема истината за стойността на константите, съдържащи се в уравненията на Максуел, и, използвайки прости мисловни експерименти, ясно показва, че скоростта на светлината е универсална константа, която остава валидна за всички инерционни наблюдатели. Той показа, че концепцията за абсолютна физическа едновременност е несъстоятелна. Пространствено разделени събития, които изглеждат едновременни за един наблюдател, не са такива за друг наблюдател, който се движи спрямо първия с постоянна скорост.
Стана ясно, че нютоновият модел на пространство-време може да бъде само приближение, валидно в случая, когато разглежданите скорости са много по-малки от скоростта на светлината. Появи се нов модел на пространство-време, включващ нов принцип на относителността, наречен Специална теория на относителността. Тази теория е имала революционно значение в своето време. Според нея времето е загубило абсолютните си позиции във физиката. Четириизмерният пространствено-времеви континуум стана абсолютен. Разстоянията в четиримерното пространство-време между събитията са добре дефинирани, но само временните или само пространствените интервали между събитията започнаха да зависят от избора на референтна рамка, тоест от скоростта на движение на един наблюдател спрямо друг. Новата теория даде необичайни, грандиозни прогнози,които по това време бяха трудни за възприемане. Енергията и масата загубиха своята уникалност и биха могли да се трансформират една в друга, съгласно добре познатата формула E = mc2. Тук трябва да се отбележи, че тази връзка се появява за първи път през 1895 г. в произведението на Анри Поанкаре „За измерването на времето“, публикувано в парижкото философско списание и поради това не привлича вниманието на физиците, но придобива сегашното си значение след работата на Айнщайн. Представете си, че енергията, съдържаща се в грам материя, може да освети цял град за една година. Близнак, който остави сестра си на Земята и се движеше в космически кораб със скорост, близка до скоростта на светлината, щеше да се върне, за да установи, че сестра му е остаряла от няколко десетилетия в сравнение. Толкова неочаквани бяха тези прогнози, че много учени от водещи университети спорихаче дадената теория не може да бъде жизнеспособна. Всички те обаче грешаха. Ядрените реактори работят на Земята и звездите блестят в небето, превръщайки масата в енергия, точно отговаряйки на формулата E = mc2. Във високоенергийни лаборатории нестабилните частици, ускорени до скорости, близки до светлината, живеят десетки и стотици пъти по-дълго от техните колеги, почиващи на земята.
Въпреки целия революционен характер на СРТ, един аспект от пространството-времето си остава аристотелов. Той остана пасивна арена за всички събития, платно, върху което движещите сили на Вселената рисуват своята картина. В средата на 19 век математиците разбраха, че геометрията на Евклид, която всички ние изучавахме в училище, е една от възможните геометрии. Това доведе до идеята, най-ясно формулирана от Ричард Риман през 1854 година. Той каза, че геометрията на физическото пространство може би не се подчинява на аксиомите на Евклид, но може да бъде изкривена поради наличието на материя във Вселената. В неговите идеи пространството престава да бъде пасивно и се променя от материята. Трябваха още 61 години, за да бъде търсена тази идея.
Такова голямо събитие беше публикуването от Айнщайн през 1915 г. на неговата Обща теория на относителността. В тази теория пространството-времето е под формата на четириизмерен континуум. Геометрията на този континуум е извита и степента на кривина симулира гравитационните полета в самия континуум. Пространството-времето е престанало да бъде инертно. Той действа върху материята и материята действа върху нея. Както каза известният американски физик Джон Уилър:
- Материята казва на пространството-време как да се огъва, а пространството-време казва как да се движи.
В космическия танц вече няма зрители, няма фон, на който да се развиват всички събития. Самата сцена се присъедини към актьорския състав. Това е дълбока промяна в мирогледа. Тъй като всички физически системи се намират в пространство-време, такава промяна във възгледите разклати всички основи на натурфилософията. Много десетилетия отнеха на физиците да се примирят с многобройните приложения на тази теория и философите се примириха с ново разбиране за света, израснало от Общата относителност.
2. Гравитацията е геометрия
„Сякаш стената, която ни разделя от истината, се е срутила. По-широки пространства и бездънни дълбини се отвориха за окото, търсейки знания, области, за които нямахме представа”
Херман Вайл "Обща теория на относителността"
Може да се предположи, че когато пише своя труд, Айнщайн, очевидно, е бил вдъхновен от два доста прости факта. Първо, универсалността на гравитацията, която беше демонстрирана от Галилей в неговите известни експерименти върху наклонената кула в Пиза. Гравитацията е универсална, тъй като всички тела от кулата падат еднакво, ако върху тях действа само гравитационна сила. Второ, гравитацията винаги се проявява като привличане. Това му свойство силно го отличава, например, от електростатичната сила, която се описва от същия закон по форма като закона за всеобщата гравитация и се проявява в зависимост от вида на взаимодействащите заряди и като привличане и отблъскване. В резултат на това, докато електростатичната сила може да бъде екранирана и е достатъчно лесно да се създадат области, в които тя няма да действа,гравитацията не може да бъде екранирана по принцип. По този начин гравитацията е вездесъща и действа върху всички тела по един и същи начин. Тези два факта говорят за силна разлика между гравитацията и други фундаментални взаимодействия и предполагат, че гравитацията е проява на нещо по-дълбоко и по-универсално. Тъй като космическото време е също толкова повсеместно и универсално, Айнщайн предполага, че гравитацията се проявява не като сила, а като кривина на геометрията на космическото време. Пространството-времето в Общата теория на относителността е ковко и може да бъде моделирано от двуизмерен каучуков лист, огънат от масивни тела. Например, слънцето, като е тежко, силно огъва пространство-времето. Планетите, както всички тела, падащи на Земята, се движат по „прави“траектории, но само в геометрия на кривата. В точен математически смисъл те следват най-кратките пътеки, наречени геодезични линии - това са обобщения на прави линии от равнинната геометрия на Евклид до кривата геометрия на Риман. Така че, ако разгледаме например извито пространство-време, Земята ще избере в такова пространство оптималната траектория, която е пълен аналог на права линия. Но тъй като пространство-времето е извито, в проекцията върху плоското пространство на Евклид и Нютон тази траектория ще бъде елипсовидна.тъй като пространство-времето е извито, в проекцията върху плоското пространство на Евклид и Нютон, тази траектория ще бъде елипсовидна.тъй като пространство-времето е извито, в проекцията върху плоското пространство на Евклид и Нютон, тази траектория ще бъде елипсовидна.
Привлекателността на Общата теория на относителността се крие във факта, че тя, използвайки елегантна математика, трансформира тези концептуално прости идеи в конкретни уравнения и използва тези уравнения, за да направи невероятни прогнози за същността на физическата реалност. Тя прогнозира, че часовникът трябва да работи по-бързо в Катманду, отколкото в Ялта. Галактическите ядра трябва да действат като гигантски гравитационни лещи и да ни показват грандиозни множество изображения на далечни квазари. Две неутронни звезди, въртящи се около общ център, трябва да загубят енергия поради вълни в извито пространство-време, причинени от тяхното спирално движение, сближаващи се до един център, последвано от техния сблъсък. През последните години са проведени много експерименти за тестване на тези и дори по-екзотични прогнози. И всеки път, когато Общата теория на относителността печелеше. Точността на някои от експериментите надвишава точността на легендарните експерименти за откриване на квант на електромагнитното поле. Тази комбинация от концептуална дълбочина, математическа елегантност и наблюдателен успех е безпрецедентна. Ето защо Общата теория на относителността, от една страна, се разглежда като една от най-възвишените физически теории, а от друга, предизвиква значителен интерес, като обект на разнообразна и не винаги професионална критика.защо Общата теория на относителността, от една страна, се разглежда като една от най-възвишените физически теории, а от друга, предизвиква значителен интерес, като обект от всякакъв вид, а не винаги професионална критика.защо Общата теория на относителността, от една страна, се разглежда като една от най-възвишените физически теории, а от друга страна предизвиква значителен интерес, като обект от всякакъв вид, а не винаги професионална критика.
3. Голям взрив и черни дупки
„Физиците са се справили добре, но са показали ограниченията на интуицията, лишени от помощта на математиката. Те открили, че разбирането на Природата е много трудно за напредък. Научният прогрес трябваше да бъде платен с унизително признание, че реалността е конструирана по такъв начин, че тя да не бъде лесно уловена от човешкото възприятие”
Едуард О. Уилсън „Съвпадение. Единството на знанието"
Появата на Общата теория на относителността откри ерата на съвременната космология. В много голям мащаб Вселената около нас изглежда хомогенна и изотропна. Този възглед е най-голямата реализация на принципа на Коперник: в нашата Вселена няма избрани точки, няма избрана посока. През 1922 г., използвайки уравненията на Айнщайн, руският математик Александър Фридман показа, че такава вселена не може да бъде статична. Трябва или да се разшири, или да се срине. През 1929 г. американският астроном Едуин Хъбъл открива, че Вселената наистина се разширява. Този факт от своя страна предполага, че този процес трябва да има своето начало, при което плътността на гравитацията и съответно кривината на пространство-времето трябва да бъдат безкрайно големи. Появи се концепцията за Големия взрив. Внимателно наблюдение,особено през последните 20 години показаха, че това събитие вероятно се е случило преди 14 милиарда години. Оттогава галактиките се отдалечават и средната гравитация непрекъснато спада. Комбинирайки знанията си по Обща теория на относителността с лабораторната физика, можем да направим много подробни прогнози. Например можем да изчислим относителното количество леки елементи, чиито ядра са се образували през първите три минути след експлозията (вижте например тук). Можем да предскажем съществуването и свойствата на първичната радиация (реликтов микровълнов фон), която е била излъчена, когато Вселената е била приблизително на 400 000 години. И можем да кажем, че първите галактики са се образували, когато Вселената е била на милиард години. Удивителен диапазон от времена и разнообразие от явления!се състоя преди 14 милиарда години. Оттогава галактиките се отдалечават и средната гравитация непрекъснато спада. Комбинирайки знанията си по Обща теория на относителността с лабораторната физика, можем да направим много подробни прогнози. Например можем да изчислим относителното количество леки елементи, чиито ядра са се образували през първите три минути след експлозията (вижте например тук). Можем да предскажем съществуването и свойствата на първичната радиация (реликтов микровълнов фон), която се е излъчвала, когато Вселената е била приблизително на 400 000 години. И можем да кажем, че първите галактики са се образували, когато Вселената е била на милиард години. Удивителен диапазон от времена и разнообразие от явления!се състоя преди 14 милиарда години. Оттогава галактиките се отдалечават и средната гравитация непрекъснато спада. Комбинирайки знанията си по Обща теория на относителността с лабораторната физика, можем да направим много подробни прогнози. Например можем да изчислим относителното количество леки елементи, чиито ядра са се образували през първите три минути след експлозията (вижте например тук). Можем да предскажем съществуването и свойствата на първичната радиация (реликвен микровълнов фон), която е била излъчена, когато Вселената е била на около 400 000 години. И можем да кажем, че първите галактики са се образували, когато Вселената е била на милиард години. Удивителен диапазон от времена и разнообразие от явления!Комбинирайки знанията си по Обща теория на относителността с лабораторната физика, можем да направим много подробни прогнози. Например можем да изчислим относителното количество леки елементи, чиито ядра са се образували през първите три минути след експлозията (вижте например тук). Можем да предскажем съществуването и свойствата на първичната радиация (реликвен микровълнов фон), която е била излъчена, когато Вселената е била приблизително на 400 000 години. И можем да кажем, че първите галактики са се образували, когато Вселената е била на милиард години. Удивителен диапазон от времена и разнообразие от явления!Комбинирайки знанията си по Обща теория на относителността с лабораторната физика, можем да направим много подробни прогнози. Например можем да изчислим относителното количество леки елементи, чиито ядра са се образували през първите три минути след експлозията (вижте например тук). Можем да предскажем съществуването и свойствата на първичната радиация (реликтов микровълнов фон), която се е излъчвала, когато Вселената е била приблизително на 400 000 години. И можем да кажем, че първите галактики са се образували, когато Вселената е била на милиард години. Удивителен диапазон от времена и разнообразие от явления!например тук). Можем да предскажем съществуването и свойствата на първичната радиация (реликтов микровълнов фон), която се е излъчвала, когато Вселената е била приблизително на 400 000 години. И можем да кажем, че първите галактики са се образували, когато Вселената е била на милиард години. Удивителен диапазон от времена и разнообразие от явления!например тук). Можем да предскажем съществуването и свойствата на първичната радиация (реликвен микровълнов фон), която е била излъчена, когато Вселената е била приблизително на 400 000 години. И можем да кажем, че първите галактики са се образували, когато Вселената е била на милиард години. Удивителен диапазон от времена и разнообразие от явления!
В допълнение, Общата теория на относителността промени философския подход към въпроса за Началото. До 1915 г. тази тема може да се обсъжда, когато Емануел Кант твърди, че Вселената може да не е имала ограничено начало. Тогава би могъл да се зададе въпросът: Какво беше там преди? Но този въпрос по подразбиране предполага, че пространството и времето винаги са съществували и Вселената е възникнала заедно с материята. В Общата теория на относителността няма смисъл да се задава такъв въпрос, тъй като пространството-времето се ражда заедно с материята в Големия взрив. Въпросът "Какво беше там преди?" вече не означава нищо. В точен смисъл, Големият взрив е границата, където пространството-времето завършва, където самият пространствено-времеви континуум се прекъсва. Общата теория на относителността по времето на Големия взрив поставя естествена граница за физиката, която не позволява да се търси по-нататък.
Що се отнася до черните дупки, Общата теория на относителността откри и други непредвидени обстоятелства. Първото решение на уравнението на Айнщайн, описващо черна дупка, е получено още през 1916 г. от германския астрофизик Карл Шварцшилд, който се е борил в германската армия на фронтовете на Първата световна война. Разбирането на физическия смисъл на това решение обаче отне много време. Най-естественият начин за образуване на черни дупки е смъртта на звездите. По време на сиянието на звезда, изгаряща ядрено гориво, външното радиално налягане може да компенсира гравитацията. Но след като цялото гориво е изгорено, единствената сила, която може да се конкурира с гравитационното привличане, е отблъскващата сила, генерирана от принципа на квантово механично изключване на Паули. По време на известното си пътуване до Кеймбридж,Двадесетгодишният Субрахманян Чандрасехар комбинира принципите на специалната теория на относителността и квантовата механика, за да покаже, че ако една звезда е достатъчно масивна, гравитацията може да преодолее отблъскващите сили, генерирани от принципа за изключване на Паули. И в резултат на това звездата завършва своята еволюция като черна дупка. През тридесетте години той коригира и допълва своите изчисления и предоставя неопровержими аргументи в полза на такъв сценарий на катастрофа на звезда. Изтъкнатият британски астрофизик от онова време, Артър Едингтън, не прие идеята за такъв сценарий и заяви, че при „правилни“изчисления специалната теория на относителността просто не е приложима. Днес дори студент би се провалил на изпита, ако се опита да даде такива мотиви в своите разсъждения. Водещите квантови физици по това време, Боровская и Дирак, с готовност се съгласиха с резултатите на Чандрасекар, но го направиха в лични писма, без да мислят да изтъкват публично грешките на Едингтън. Това е коригирано едва през 1983 г., когато на Чандрасекар е присъдена Нобелова награда. В резултат на това недоразумение се забави с няколко десетилетия не само признаването на работата на Чандрасекар, но и възприемането на черните дупки като реални обекти.като реални обекти.като реални обекти.
Колкото и да е странно, дори самият Айнщайн не възприемаше черни дупки. Още през 1939 г. той публикува статия в Annals of Mathematics, в която твърди, че черните дупки не могат да се образуват от колапса на звездите. Той твърди, че изчисленията са верни, но заключението е резултат от нереалистично предположение. Само няколко месеца по-късно американските физици Робърт Опенхаймер и Хартланд Снайдер публикуват своята класическа вече работа, доказвайки неопровержимо, че масивни звезди завършват своята еволюция с образуването на черна дупка. Доказано е, че черна дупка е област, в която кривината на пространство-времето е толкова силна, че дори светлината не е в състояние да я напусне. Следователно, според Общата теория на относителността, тези области изглеждат тъмни за външните наблюдатели. Ако се обърнем към аналогията на двумерна гумена повърхност, се оказва, че отклонението на пространството-времето в черна дупка е толкова голямо, че всъщност се счупва, образувайки сингулярност. Както при Големия взрив, кривината става безкрайна. Пространството-времето формира хоризонта на събитията и физиката просто спира на този хоризонт.
И все пак очевидно черните дупки са често срещани обекти във Вселената. Общата теория на относителността, съчетана с познанията ни за процеса на звездна еволюция, прогнозира, че във Вселената трябва да има огромен брой черни дупки с маси от порядъка на 10-50 слънчеви маси, които са продукти на жизнената дейност на масивни звезди. Всъщност черните дупки са видни играчи в съвременната астрономия и астрофизика. Те са мощни източници на някои от най-енергийните явления във Вселената, като известния гама лъч, излъчван от масивна черна дупка. Този лъч носи енергията, която 1000 слънца излъчват през целия си живот. Черна дупка е резултат от експлозия на свръхнова, която завършва живота на масивна звезда. И такъв взрив се записва всеки ден. Изглежда, че са центровете на всички елиптични галактикисъдържат свръхмасивни черни дупки с маси от порядъка на милиони слънчеви маси. Нашата собствена галактика, Млечният път, има черна дупка в центъра си с маса 3,2 милиона слънчеви маси.
4. След Айнщайн
„Всъщност новите области от нашия опит винаги ще доведат до кристализирането на нова система от научни знания и закони. Изправени пред нови и необикновени интелектуални предизвикателства, ние непрекъснато следваме примера на Колумб, който имаше смелостта да напусне познатия свят с почти безумна надежда да открие земя на другия край на морето."
В. Гайзенберг "Последни промени в точните науки"
Общата теория на относителността е най-добрата теория за гравитацията и пространствено-времевата структура, която имаме днес. Той може да опише впечатляващ набор от явления, вариращи от голямото космическо разширение до функционирането на глобална система за позициониране на Земята. Но тази теория е непълна, тъй като пренебрегва квантовите ефекти, които управляват субатомния свят. Освен това тези две теории са фундаментално различни. Светът на общата теория на относителността притежава геометрична точност, той е детерминиран. За разлика от този свят, светът на квантовата механика е обект на съмнение, той е вероятностен. Физиците поддържат това щастливо, почти шизофренично състояние, като използват общата теория на относителността, за да опишат мащабни явления в астрономията и космологията.и квантова теория за описание на свойствата на атомите и елементарните частици. Имайте предвид, че това е доста жизнеспособна стратегия, тъй като тези два свята са много редки. Но въпреки това тази стратегия е от концептуална гледна точка много незадоволителна. Всичко във физическия ни опит ни подсказва, че трябва да има по-голяма, по-пълна теория, от която и Общата теория на относителността, и квантовата теория трябва да възникнат като специални, ограничени случаи. На мястото на такава теория претендира квантовата теория на гравитацията. Това е належащ проблем, абсолютно логично проследяващ работата на Айнщайн. Противно на общоприетата гледна точка, формирана в резултат на по-късните забележки на Айнщайн относно непълнотата на квантовата механика, той ясно осъзнава това ограничение на общата теория на относителността. Чудесен,но Айнщайн посочи необходимостта от създаване на квантова теория на гравитацията още през 1916 г.! В статия, публикувана в Preussische Akademie Sitzungsberichte, той пише:
- Въпреки това, поради вътреатомното движение на електроните, атомите трябваше да излъчват не само електромагнитна, но и гравитационна енергия, но само в малки количества. Тъй като в Природата всичко е едно, изглежда, че квантовата теория ще трябва да промени не само електродинамиката на Максуел, но и новата теория на гравитацията.
В Големия взрив и в сингулярността на черната дупка се срещат много големите и много малки светове. Следователно, въпреки че в момента тази среща е тайна за нас, запечатана със седем печата, но именно тя е портата, през която можем да излезем отвъд Общата теория на относителността. В момента се смята, че реалната физика не може да се спре на прага на хоризонта на събитията. Най-вероятно там се проваля Общата теория на относителността. Ясно е, че теоретичната физика трябва отново да преразгледа нашето разбиране за пространство-време. Имаме нужда от нов език, който може да надникне отвъд тези врати на непознатото.
Създаването на този език се счита за най-сериозното и най-важно предизвикателство пред фундаменталната физика днес. Днес има няколко подхода в тази посока. Един от тях е свързан с теорията на струните, но ще се съсредоточим върху концепцията за квантовата гравитация на веригата. Това е подход за изграждане на квантова теория, възникнала преди повече от 20 години в трудовете на индийския физик Абхай Аштекар и в момента се смята, че е алтернатива на струнния подход при решаването на този проблем.
В Общата теория на относителността пространството-времето е континуум. Основната идея зад гравитацията на квантовата верига е твърдението, че този континуум е само приближение, което е нарушено на така наречените разстояния на Планк. Дължината на Планк е уникална величина, която може да бъде конструирана от гравитационната константа, константата на Планк в квантовата физика и скоростта на светлината. Тази дължина е 3,10-33 см, което е с 20 порядъка по-малко от радиуса на протона. Следователно, дори и на най-мощните ускорители на частици на Земята, можете безопасно да работите с пространствено-времевия континуум. Но тази ситуация се променя драстично, по-специално близо до Големия взрив и в черните дупки. В такива случаи трябва да използвате квантово пространство-време, чийто квант е цикъла на кванта на гравитацията.
Нека се опитаме да разберем какво е квант пространство-време. Нека се обърнем към листа хартия пред нас. За нас това изглежда като солиден двуизмерен континуум. Но също така знаем, че се състои от атоми. Този лист има дискретна структура, която се превръща в просто декларация, ако не го погледнем, например, с електронен микроскоп. Сега по-нататък. Айнщайн твърди, че геометрията на пространството-времето е не по-малко физическа от материята. И следователно, той също трябва да има „атомна“структура. Това предположение направи възможно в средата на 90-те да се комбинират принципите на Общата теория на относителността с квантовата физика и да се създаде квантова геометрия. Точно както непрекъснатата геометрия предоставя математическия език за формулиране на Обща теория на относителността,така квантовата геометрия предоставя математически инструмент и генерира нови физически концепции за описание на квантовите космически времена.
В квантовата геометрия основните, затворени в пръстена геометрични възбуждания, които са едномерни, са първични. Обикновената тъкан изглежда гладък двуизмерен континуум, но се основава на едномерни нишки. Подобно предположение може да се направи по отношение на континуума с по-голямо измерение. На чисто интуитивно ниво фундаменталните геометрични възбуждания могат да се разглеждат като квантови нишки, които могат да бъдат изтъкани, за да създадат самата тъкан на пространството-времето. Какво се случва, когато сме близо до пространствено-времевата сингулярност. Ясно е, че в тази област самата концепция за пространствено-времевия континуум просто не е приложима. Квантовите колебания в тази област са толкова огромни, че квантовите нишки просто не могат да бъдат „замразени“в пространствено-времевия континуум. Тъканта на пространство-времето е разкъсана. Физиката на пространствено-времевия континуум е „фиксирана“върху остатъците от пространствено-времевата тъкан. В същото време става ясно, че самите нишки, които съставляват основата на тъканта на Вселената, придобиват специално значение. Използвайки квантовото уравнение на Айнщайн, човек все още може да изучава физика, да описва процесите, протичащи в квантовия свят. Но тук има важен момент. Въпросът е, че при липса на пространствено-времеви континуум, много от понятията, често използвани във физиката, стават просто неправилни. Необходимо е да се вземат предвид нови концепции, които заместват или допълват изхвърлените, а това изисква нова физическа интуиция. И при такива драматични условия пътят е проправен за квантовите уравнения на Айнщайн. Физиката на пространствено-времевия континуум е „фиксирана“върху остатъците от пространствено-времевата тъкан. В същото време става ясно, че самите нишки, които съставляват основата на тъканта на Вселената, придобиват специално значение. Използвайки квантовото уравнение на Айнщайн, човек все още може да изучава физика, да описва процесите, протичащи в квантовия свят. Но тук има важен момент. Въпросът е, че при липса на пространствено-времеви континуум, много от понятията, често използвани във физиката, стават просто неправилни. Необходимо е да се вземат под внимание нови концепции, които заместват или допълват изхвърлените, а това изисква нова физическа интуиция. И при такива драматични условия пътят е проправен за квантовите уравнения на Айнщайн. Физиката на пространствено-времевия континуум е „фиксирана“върху остатъците от пространствено-времевата тъкан. В същото време става ясно, че самите нишки, които съставляват основата на тъканта на Вселената, придобиват особено значение. Използвайки квантовото уравнение на Айнщайн, човек все още може да изучава физика, да описва процесите, протичащи в квантовия свят. Но тук има важен момент. Факт е, че при липса на пространствено-времеви континуум, много от понятията, често използвани във физиката, стават просто неправилни. Необходимо е да се вземат предвид нови концепции, които заместват или допълват изхвърлените, а това изисква нова физическа интуиция. И при такива драматични условия пътят е проправен за квантовите уравнения на Айнщайн.придобиват специално значение. Използвайки квантовото уравнение на Айнщайн, човек все още може да изучава физика, да описва процесите, протичащи в квантовия свят. Но тук има важен момент. Факт е, че при липса на пространствено-времеви континуум, много от понятията, често използвани във физиката, стават просто неправилни. Необходимо е да се вземат предвид нови концепции, които заместват или допълват изхвърлените, а това изисква нова физическа интуиция. И при такива драматични условия пътят е проправен за квантовите уравнения на Айнщайн.придобиват специално значение. Използвайки квантовото уравнение на Айнщайн, човек все още може да изучава физика, да описва процесите, протичащи в квантовия свят. Но тук има важен момент. Въпросът е, че при липса на пространствено-времеви континуум, много от понятията, често използвани във физиката, стават просто неправилни. Необходимо е да се вземат предвид нови концепции, които заместват или допълват изхвърлените, а това изисква нова физическа интуиция. И при такива драматични условия пътят е проправен за квантовите уравнения на Айнщайн. Необходимо е да се вземат под внимание нови понятия, които заместват или допълват изхвърлените, а това изисква нова физическа интуиция. И при такива драматични условия пътят е проправен за квантовите уравнения на Айнщайн. Необходимо е да се вземат под внимание нови понятия, които заместват или допълват изхвърлените, а това изисква нова физическа интуиция. И при такива драматични условия пътят е проправен за квантовите уравнения на Айнщайн.
Въз основа на тези уравнения стана възможно да се изяснят някои подробности за Големия взрив. Оказа се, че диференциалните уравнения на Айнщайн, написани за пространствено-времевия континуум, трябва да бъдат заменени с диференциални уравнения, написани на езика на дискретна структура на квантовата геометрия. Проблемът е, че стандартните уравнения на Айнщайн, които отлично описват класическото пространство-време, напълно спират да работят, когато се приближават до Големия взрив, когато плътността на материята се доближава до Планковата плътност от 1094 g / cm3 по ред. В квантовата геометрия кривината на пространство-времето в режима на Планк става много голяма, но крайна. Изненадващо, ефектите от квантовата геометрия генерират нова отблъскваща сила, която е толкова голямакойто лесно преодолява силата на гравитацията. Общата теория на относителността спира да работи. Вселената се разширява. Квантовите уравнения на Айнщайн позволяват да се разработи квантова геометрия и да се изгради правилно описание на материята в режима на Планк, което не оставя място за такова нефизическо понятие като сингулярност. Големият взрив е заменен от мощен квантов шок.
На основата на квантовите уравнения на Айнщайн беше извършено числено изчисление на процеса в пространствено хомогенен изотропен случай. Пространствено-времевият континуум е изчислен извън режима на Планк и от „другата“страна на Големия взрив. На т. Нар. Клон на „пред-голямата” експлозия. Оказа се, че този свиващ се континуум е добре описан и от Общата теория на относителността. Когато обаче плътността на материята стане равна на 0,8 от плътността на Планк, отблъскващата сила, генерирана от квантовата геометрия, която преди е била незначителна, става доминираща. И вместо да се срине в точка, Вселената изпитва силно квантово въздействие, превръщайки процеса в разширяващ се клон на „пост-големия“взрив, в който сега живеем. Класическата обща теория на относителността описва и двата клона много добре, освен когато
Появата на отблъскваща сила от квантова природа в момента на квантово въздействие има интересна аналогия с появата на отблъскваща сила в процеса на умиране на звезда. В случая, когато отблъскващата сила започне да преобладава над гравитационната, когато ядрото на звездата достигне критична плътност 6x1016 g / cm3, тя може да предотврати срутването на звездата в черна дупка и да я превърне в стабилна неутронна звезда. Тази отблъскваща сила се генерира от принципа на изключване на Паули и е пряко свързана с квантовата природа на протичащия процес. Ако обаче масата на умиращата звезда се окаже по-голяма от 5 пъти масата на Слънцето, гравитацията преодолява тази сила и звездата се срутва в черна дупка. Възниква особеност. Отблъскващата сила, генерирана от квантовата геометрия, влиза в действие при по-високи плътности на материята,но в същото време преодолява гравитационната компресия, независимо колко масивно е било колабиращото тяло. Всъщност това тяло може да бъде цялата Вселена! Привлекателността на гравитацията на квантовата верига е, че като прогнозира този ефект, тя предотвратява формирането на сингулярности в реалния свят, като удължава „живота“на нашето пространство-време чрез квантов мост.
Благодарение на Айнщайн, през 20 век разбирането за пространство и време претърпя радикална ревизия. Геометрията на пространствено-времевия континуум е станала толкова физическа, колкото е била материята преди. Това разбиране отвори нови перспективи в космологията и астрономията. Но в нашия век ни очакват не по-малко драматични промени в разбирането за пространство-време. Благодарение на квантовата геометрия, Големият взрив и черните дупки за физиката вече не са заобиколени от граници на недостъпност. Физическото квантово пространство-време е много по-голямо от общата теория на относителността. Съществуването на връзка между тези теории ни позволява да говорим за последователността на гравитацията на квантовата верига. Тази последователност ни позволява да направим съвсем категорични изводи за физиката на произхода на нашата Вселена и за физиката на черните дупки. Още по-вълнуващи възможности могат да възникнат в резултат на по-нататъшното развитие на тази теория.