Хората винаги приемат пространството за даденост. В крайна сметка това е просто празнота - контейнер за всичко останало. Времето също тиктака непрекъснато. Но физиците са такива хора, те винаги трябва да усложняват нещо. Редовно опитвайки се да обединят своите теории, те откриха, че пространството и времето се сливат в система, толкова сложна, че обикновеният човек не може да разбере.
Алберт Айнщайн осъзна какво ни очаква още през ноември 1916 година. Година по-рано той формулира общата теория на относителността, според която гравитацията не е сила, която се разпространява в пространството, а свойство на самото пространство-време. Когато хвърлите топката във въздуха, тя лети с дъга и се връща на земята, защото Земята огъва пространство-време около нея, така че пътищата на топката и земята ще се пресичат отново. В писмо до приятел Айнщайн обсъжда проблема за сливането на общата теория на относителността с другото си въображение, зараждащата се теория на квантовата механика. Но математическите му умения просто не бяха достатъчни. „Как се измъчих с това!“, Пише той.
Айнщайн никога не е стигнал никъде в това отношение. Дори днес идеята за създаване на квантова теория на гравитацията изглежда изключително далечна. Противоречието крие важна истина: конкурентните подходи, тъй като един казва, че космосът се ражда някъде по-дълбоко - и тази идея нарушава научното и философското разбиране за него, установено в продължение на 2500 години.
Надолу по черната дупка
Обикновеният магнит за хладилник отлично илюстрира проблема, пред който са изправени физиците. Той може да закачи лист хартия и да устои на гравитацията на цялата Земя. Гравитацията е по-слаба от магнетизма или друга електрическа или ядрена сила. Каквито и да са квантовите ефекти зад тях, те ще бъдат по-слаби. Единственото осезаемо доказателство, че тези процеси изобщо се случват, е пъстрата картина на материята в най-ранната Вселена - за която се смята, че е съставена от квантови колебания в гравитационното поле.
Черните дупки са най-добрият начин за тестване на квантовата гравитация. „Това е най-подходящото нещо, с което можете да експериментирате“, казва Тед Джейкъбсън от Университета на Мериленд, Колидж Парк. Той и други теоретици изучават черните дупки като теоретични опорни точки. Какво се случва, когато вземете уравнения, които работят перфектно в лабораторни условия и ги поставите в най-екстремните ситуации, които можете да си представите? Ще има ли някои фини недостатъци?
Общата теория относително прогнозира, че материята, попадаща в черна дупка, ще се свива безкрайно, когато се приближи до центъра си - математически задънена улица, наречена сингулярност. Теоретиците не могат да си представят траекторията на даден обект отвъд сингулярността; всички линии се сближават в него. Дори да се говори за него като за място е проблематично, защото самото пространство-време, което определя местоположението на сингулярността, престава да съществува. Учените се надяват, че квантовата теория може да ни предостави микроскоп, който ще ни позволи да изследваме тази безкрайно малка точка на безкрайната плътност и да разберем какво се случва с материята, попадаща в нея.
Промоционално видео:
На ръба на черна дупка материята все още не е толкова компресирана, гравитацията е по-слаба и, доколкото знаем, всички закони на физиката трябва да работят. И още повече обезсърчава, че не работят. Черната дупка е ограничена от хоризонта на събитията, точката на липса на връщане: материята, която пресича хоризонта на събитията, няма да се върне. Спускането е необратимо. Това е проблем, защото всички известни закони на фундаменталната физика, включително квантово-механичните, са обратими. Поне по принцип на теория би трябвало да можете да върнете движението назад и да възстановите каквито частици сте имали.
Физиците се сблъскват с подобна загадка в края на 1800 г., когато разглеждат математиката на „черно тяло“, идеализирано като кухина, изпълнена с електромагнитно излъчване. Теорията за електромагнетизма от Джеймс Клерк Максуел предсказва, че такъв обект ще абсорбира цялата радиация, която пада върху него, и никога няма да влезе в равновесие с околната материя. „Той може да абсорбира безкрайно количество топлина от резервоар, който се поддържа с постоянна температура“, обяснява Рафаел Соркин от Периметърския институт за теоретична физика в Онтарио. От термична гледна точка той ще има температура абсолютно нула. Това откритие противоречи на наблюденията на истински черни тела (като пещ). Продължавайки да работи върху теорията на Макс Планк, Айнщайн показа, че черно тяло може да постигне топлинно равновесие,ако радиационната енергия ще идва в отделни единици или кванти.
В продължение на близо половин век физиците-теоретици се опитват да постигнат подобно решение за черните дупки. Покойният Стивън Хокинг от университета в Кеймбридж направи важна стъпка в средата на 70-те години, като приложи квантовата теория към радиационното поле около черните дупки и показа, че те имат ненулеви температури. Следователно те могат не само да абсорбират, но и да излъчват енергия. Въпреки че неговият анализ завинти черните дупки в сферата на термодинамиката, той също изостри проблема с необратимостта. Изходящата радиация се излъчва на ръба на черната дупка и не носи информация от вътрешността. Това е произволна топлинна енергия. Ако обърнете процеса и захранвате тази енергия в черна дупка, нищо не изскача: просто получавате още повече топлина. И е невъзможно да си представим, че в черната дупка е останало нещо, току-що попаднало в капан, защото тъй като черната дупка излъчва радиация, тя се свива и,в крайна сметка изчезва според анализа на Хокинг.
Този проблем се нарича информационен парадокс, тъй като черна дупка унищожава информация за частици, попаднали в нея, която можете да опитате да възстановите. Ако физиката на черните дупки е наистина необратима, нещо трябва да носи информация обратно и нашата концепция за пространство-време може да се наложи да бъде модифицирана, за да се съобрази с този факт.
Атоми на пространство-време
Топлината е произволно движение на микроскопични частици като газови молекули. Тъй като черните дупки могат да се нагряват и охлаждат, би било разумно да се предположи, че те са съставени от части - или по-общо от микроскопична структура. И тъй като черната дупка е просто празно пространство (според общата теория на относителността материята, попадаща в черна дупка, преминава през хоризонта на събитията, без да спира), части от черна дупка трябва да са части от самото пространство. И под измамна простота на плоско, празно пространство, има огромна сложност.
Дори теориите, които би трябвало да поддържат традиционния възглед за пространство-времето, са стигнали до заключението, че нещо се крие под тази гладка повърхност. Например, в края на 70-те години Стивън Уайнбърг, който сега е в Тексаския университет в Остин, се опита да опише гравитацията по същия начин, както другите природни сили я описват. И открих, че пространството-времето е радикално модифицирано в най-малкия си мащаб.
Физиците първоначално визуализираха микроскопичното пространство като мозайка от малки парчета пространство. Ако ги увеличите до скалата на Планк, неизмеримо малки по размер от 10-35 метра, учените вярват, че можете да видите нещо като шахматна дъска. Или може би не. От една страна, такава мрежа от линии на шахматното пространство ще предпочете една посока пред друга, създавайки асиметрии, които противоречат на специалната теория на относителността. Например, светлината с различни цветове ще се движи с различна скорост - като в стъклена призма, която разбива светлината на съставните си цветове. И въпреки че проявите в малък мащаб ще бъдат много трудни за забелязване, нарушенията на общата теория на относителността ще бъдат откровено очевидни.
Термодинамиката на черните дупки поставя под въпрос картината на пространството като обикновена мозайка. Чрез измерване на топлинното поведение на която и да е система, можете да броите нейните части, поне по принцип. Освободете енергия и погледнете термометъра. Ако колоната е излетяла, енергията трябва да се разпредели на относително малко молекули. Всъщност вие измервате ентропията на системата, която представлява нейната микроскопична сложност.
Ако направите това с обикновено вещество, броят на молекулите се увеличава с обема на материала. Така или иначе, трябва да бъде: ако увеличите радиуса на плажна топка с 10 пъти, тя ще побере 1000 пъти повече молекули вътре в нея. Но ако увеличите радиуса на черна дупка 10 пъти, броят на молекулите в нея ще се умножи само 100 пъти. Броят на молекулите, от които се състои, трябва да бъде пропорционален не на обема му, а на повърхността. Черната дупка може да изглежда триизмерна, но се държи като двуизмерен обект.
Този странен ефект се нарича холографски принцип, тъй като прилича на холограма, която ние виждаме като триизмерен обект, но при по-внимателно разглеждане се оказва изображение, получено от двумерен филм. Ако холографският принцип отчита микроскопичните съставки на пространството и неговото съдържание - което физиците признават, макар и не всички - няма да е достатъчно да се създаде пространство, като просто се сдвоят най-малките му парчета.
Заплетена мрежа
През последните години учените осъзнаха, че трябва да се включи квантово заплитане. Това дълбоко свойство на квантовата механика, изключително мощен тип връзка, изглежда много по-примитивно от космоса. Например експериментаторите могат да създадат две частици, летящи в противоположни посоки. Ако те се заплитат, те ще останат свързани независимо от разстоянието, което ги разделя.
Традиционно, когато хората говореха за „квантова“гравитация, те имаха предвид квантовата дискретност, квантовите флуктуации и всички други квантови ефекти - а не квантовото заплитане. Всичко се е променило благодарение на черните дупки. По време на живота на черна дупка в нея влизат заплетени частици, но когато черната дупка се изпари напълно, партньорите извън черната дупка остават заплетени - без нищо. „Хокинг трябваше да го нарече проблем на заплитане“, казва Самир Матур от държавния университет в Охайо.
Дори във вакуум, където няма частици, електромагнитните и други полета са вътрешно заплетени. Ако измерите полето на две различни места, вашите показания ще се колебаят леко, но остават в координация. Ако разделите зоната на две части, тези части ще бъдат в корелация и степента на корелация ще зависи от геометричното свойство, което имат: площта на интерфейса. През 1995 г. Джейкъбсън заявява, че заплитането осигурява връзка между присъствието на материя и геометрията на пространството-времето - което означава, че може да обясни закона на гравитацията. "Повече заплитане означава по-малко гравитация", каза той.
Някои подходи към квантовата гравитация - най-вече теорията на струните - виждат заплитането като важен крайъгълен камък. Теорията на струните прилага холографския принцип не само към черните дупки, но и към Вселената като цяло, като предоставя рецепта за създаване на пространство - или поне част от него. Оригиналното двумерно пространство ще служи като граница на по-голямо обемно пространство. И заплитането ще обвърже обемното пространство в едно и непрекъснато цяло.
През 2009 г. Марк Ван Раамсдок от Университета на Британска Колумбия даде елегантно обяснение за този процес. Да предположим, че полетата на границата не са заплетени - те образуват двойка системи извън корелация. Те съответстват на две отделни вселени, между които няма начин за комуникация. Когато системите се заплитат, между тези вселени се образува един вид тунел, червеева дупка и космическите кораби могат да се движат между тях. Колкото по-висока е степента на заплитане, толкова по-малка е дължината на червеевата дупка. Вселените се сливат в едно и вече не са две отделни. „Появата на голямо пространство-време пряко свързва заплитането с тези степени на теория на свободата на полето“, казва Ван Раамсдок. Когато виждаме корелации в електромагнитното и други полета, те са остатъкът от сплотеността, който свързва пространството.
Много други характеристики на пространството, освен че са свързани, също могат да отразяват заплитането. Ван Раамсдънк и Брайън Суингъл от Университета в Мериленд твърдят, че вездесъствието на заплитането обяснява универсалността на гравитацията - че тя засяга всички обекти и прониква навсякъде. За черните дупки Леонард Сускинд и Хуан Малдацена вярват, че преплитането между черната дупка и излъчваната от нея радиация създава червейна дупка - черният вход в черната дупка. По този начин информацията се запазва и физиката на черната дупка е необратима.
Докато тези идеи за теория на струните работят само за конкретни геометрии и реконструират само едно измерение на пространството, някои учени са се опитали да обяснят пространството от нулата.
Във физиката и като цяло в природните науки пространството и времето са в основата на всички теории. Но никога не забелязваме директно пространство-времето. По-скоро ние извеждаме съществуването му от ежедневния ни опит. Предполагаме, че най-логичното обяснение на явленията, които виждаме, ще бъде някакъв механизъм, който функционира в пространството-времето. Но квантовата гравитация ни казва, че не всички явления се вписват идеално в такава картина на света. Физиците трябва да разберат какво е още по-дълбоко, тънкостите и пространствата, задната част на гладкото огледало. Ако успеят, ще прекратим революцията, която Айнщайн започна преди повече от век.
Иля Хел
