Folk tager altid plads for givet. Når alt kommer til alt er det bare et tomrum - en beholder til alt andet. Tiden tikker også ved kontinuerligt. Men fysikere er sådanne mennesker, de har altid brug for at komplicere noget. Ved regelmæssigt at forsøge at forene deres teorier fandt de ud af, at rum og tid fusionerer i et system, der er så komplekst, at en almindelig person ikke kan forstå.
Albert Einstein indså, hvad der ventede os tilbage i november 1916. Et år tidligere formulerede han den generelle relativitetsteori, hvorefter tyngdekraften ikke er en kraft, der udbreder sig i rummet, men en egenskab i selve rumtiden. Når du kaster bolden i luften, flyver den i en bue og vender tilbage til jorden, fordi Jorden bøjer rumtid omkring den, så boldens stier og jorden krydser igen. I et brev til en ven diskuterede Einstein problemet med at fusionere generel relativitet med sit andet hjernebarn, den spirende teori om kvantemekanik. Men hans matematiske færdigheder var simpelthen ikke nok.”Hvordan torturerede jeg mig selv med dette!” Skrev han.
Einstein gjorde det aldrig nogen steder i denne henseende. Selv i dag virker ideen om at skabe en kvanteteori om tyngdekraften ekstremt fjern. Tvisterne skjuler en vigtig sandhed: konkurrencedygtige tilgange, når man siger, at rummet fødes et eller andet sted dybere - og denne idé bryder den videnskabelige og filosofiske forståelse af det, der er etableret i 2500 år.
Ned ad det sorte hul
En almindelig køleskabsmagnet illustrerer perfekt fysikernes problem. Han kan fastgøre et stykke papir og modstå tyngdekraften på hele jorden. Tyngdekraften er svagere end magnetisme eller anden elektrisk eller atomkraft. Uanset kvanteeffekter der ligger bag, vil de være svagere. Det eneste håndgribelige bevis for, at disse processer overhovedet forekommer, er det brogede billede af stof i det tidligste univers - hvilket menes at være tegnet af kvantesvingningerne i tyngdefeltet.
Sorte huller er den bedste måde at teste kvantegravitation på.”Dette er den mest passende ting at eksperimentere med,” siger Ted Jacobson fra University of Maryland, College Park. Han og andre teoretikere studerer sorte huller som teoretiske omdrejninger. Hvad sker der, når du tager ligninger, der fungerer perfekt i laboratorieindstillinger, og placerer dem i de mest ekstreme situationer, du kan forestille dig? Vil der være nogle subtile fejl?
Generel teori forudsiger relativt, at stof, der falder ned i et sort hul, trækker sig uendeligt, når det nærmer sig dets centrum - en matematisk blindgyde kaldet en singularitet. Teoretikere kan ikke forestille sig en genstands bane ud over singulariteten; alle linjer konvergerer i det. Selv at tale om det som et sted er problematisk, fordi selve rumtiden, der bestemmer singularitetens placering, ophører med at eksistere. Forskere håber, at kvanteteori kan give os et mikroskop, der giver os mulighed for at undersøge dette uendelige punkt med uendelig tæthed og forstå, hvad der sker med sagen, der falder i det.
Salgsfremmende video:
Ved kanten af et sort hul er stof endnu ikke så komprimeret, tyngdekraften er svagere, og så vidt vi ved, skal alle fysikens love fungere. Og det er så meget mere nedslående, at de ikke fungerer. Det sorte hul er begrænset af begivenhedshorisonten, punktet for ingen tilbagevenden: stof, der krydser begivenhedshorisonten, vender ikke tilbage. Nedstigningen er irreversibel. Dette er et problem, fordi alle kendte love i grundlæggende fysik, herunder kvantemekaniske, er reversible. I det mindste i princippet skal du i teorien være i stand til at vende om og bevæge de partikler, du havde.
Fysikere stod over for en lignende gåde i slutningen af 1800-tallet, da de betragtede matematikken for en "sort krop", idealiseret som et hulrum fyldt med elektromagnetisk stråling. James Clerk Maxwells teori om elektromagnetisme forudsagde, at en sådan genstand ville absorbere al den stråling, der falder på den, og aldrig komme i ligevægt med det omgivende stof.”Det kan absorbere en uendelig mængde varme fra et reservoir, der holdes ved en konstant temperatur,” forklarer Raphael Sorkin fra Perimeter Institute for Theoretical Physics i Ontario. Fra et termisk synspunkt vil den have en temperatur på absolut nul. Denne konklusion er i modstrid med observationer fra ægte sorte kroppe (såsom ovnen). Fortsat arbejde med Max Plancks teori viste Einstein, at en sort krop kan nå termisk ligevægt,hvis strålingsenergien kommer i diskrete enheder eller kvanta.
I næsten et halvt århundrede har teoretiske fysikere forsøgt at opnå en lignende løsning på sorte huller. Den afdøde Stephen Hawking fra University of Cambridge tog et vigtigt skridt i midten af 1970'erne ved at anvende kvanteteori på strålingsfeltet omkring sorte huller og vise, at de har temperaturer uden nul. Derfor kan de ikke kun absorbere, men også udsende energi. Selvom hans analyse skruede sorte huller ind i termodynamikområdet, forværrede han også problemet med irreversibilitet. Udgående stråling udsendes ved kanten af det sorte hul og bærer ikke information fra det indre. Dette er tilfældig varmeenergi. Hvis du vender processen og føder denne energi til et sort hul, dukker der ikke noget op: du får bare endnu mere varme. Og det er umuligt at forestille sig, at der er noget tilbage i det sorte hul, bare fanget, for når det sorte hul udsender stråling, trækker det sig sammen ogforsvinder til sidst ifølge Hawkings analyse.
Dette problem kaldes informationsparadoxet, fordi et sort hul ødelægger information om partikler, der er kommet ind i det, som du kan prøve at gendanne. Hvis fysikken i sorte huller virkelig er uigenkaldelig, er der noget, der skal føre information tilbage, og vores koncept om rumtid skal muligvis ændres for at imødekomme den kendsgerning.
Rumtidsatomer
Varme er den tilfældige bevægelse af mikroskopiske partikler som gasmolekyler. Da sorte huller kan varme op og køle ned, ville det være rimeligt at antage, at de består af dele - eller mere generelt af mikroskopisk struktur. Og da et sort hul bare er tomt rum (ifølge generel relativitet, passerer stof, der falder i et sort hul gennem begivenhedshorisonten uden at stoppe), skal dele af et sort hul være dele af rummet selv. Og under den vildledende enkelhed af fladt, tomt rum er der en enorm kompleksitet.
Selv teorier, der skulle bevare det traditionelle syn på rumtid, er kommet til den konklusion, at der lurer noget under denne glatte overflade. For eksempel forsøgte Steven Weinberg i slutningen af 1970'erne, nu ved University of Texas i Austin, at beskrive tyngdekraften på samme måde som andre naturkræfter beskriver den. Og jeg fandt ud af, at rumtid er blevet ændret radikalt i sin mindste skala.
Fysikere visualiserede oprindeligt mikroskopisk rum som en mosaik af små rumstykker. Hvis du øger dem til Planck-skalaen, umådelig lille i størrelse 10-35 meter, mener forskere, at du kan se noget som et skakbræt. Eller måske ikke. På den ene side foretrækker et sådant netværk af linjer i skakrum nogle retninger frem for andre, hvilket skaber asymmetrier, der modsiger den særlige relativitetsteori. For eksempel vil lys i forskellige farver bevæge sig ved forskellige hastigheder - som i et glasprisme, der bryder lys ind i dets sammensatte farver. Og selvom manifestationer i små skalaer vil være meget vanskelige at bemærke, vil krænkelser af generel relativitet være åbenlyst.
Termodynamikken i sorte huller sætter spørgsmålstegn ved billedet af rummet som en simpel mosaik. Ved at måle den termiske opførsel af ethvert system kan du tælle dets dele, i det mindste i princippet. Slip energi og se på termometeret. Hvis søjlen er taget af, skal energien fordeles på relativt få molekyler. Faktisk måler du et systems entropi, som repræsenterer dets mikroskopiske kompleksitet.
Hvis du gør dette med et almindeligt stof, stiger antallet af molekyler med materialets volumen. Så alligevel burde det være: hvis du øger radius på en strandkugle med 10 gange, vil den passe 1000 gange flere molekyler inde i den. Men hvis du øger radius på et sort hul 10 gange, multipliceres antallet af molekyler i det kun 100 gange. Antallet af molekyler, som det består af, skal ikke være proportionalt med dets volumen, men til overfladearealet. Et sort hul kan virke tredimensionelt, men det opfører sig som et todimensionalt objekt.
Denne mærkelige effekt kaldes det holografiske princip, fordi det ligner et hologram, som vi ser som et tredimensionelt objekt, men ved nærmere eftersyn viser sig at være et billede produceret af en todimensional film. Hvis det holografiske princip tager højde for de mikroskopiske komponenter i rummet og dets indhold - som fysikere indrømmer, men ikke alle - vil det ikke være nok til at skabe plads ved blot at forbinde de mindste stykker af det.
Flettet web
I de senere år har forskere indset, at kvanteindvikling skal være involveret. Denne dybe egenskab ved kvantemekanik, en ekstremt kraftig type forbindelse, virker meget mere primitiv end plads. Eksempelvis kan eksperimenter skabe to partikler, der flyver i modsatte retninger. Hvis de bliver viklet ind, forbliver de forbundet uanset afstanden, der adskiller dem.
Traditionelt, når folk talte om "kvante" tyngdekraft, mente de kvantediskretitet, kvantesvingninger og alle andre kvanteeffekter - ikke kvanteindvikling. Alt har ændret sig takket være sorte huller. I løbet af et sort huls liv trænger indfiltrede partikler ind i det, men når det sorte hul fordamper fuldstændigt, forbliver partnerne uden for det sorte hul viklet ind - uden noget. "Hawking burde have kaldt det et sammenfiltringsproblem," siger Samir Mathur fra Ohio State University.
Selv i et vakuum, hvor der ikke er partikler, er elektromagnetiske og andre felter internt viklet ind. Hvis du måler feltet på to forskellige steder, vil dine aflæsninger svinge lidt, men forblive i koordination. Hvis du deler området i to dele, vil disse dele være i korrelation, og graden af korrelation afhænger af den geometriske egenskab, de har: grænsefladeområdet. I 1995 erklærede Jacobson, at sammenfiltringen giver en sammenhæng mellem tilstedeværelsen af stof og geometrien i rumtiden - hvilket betyder, at det kunne forklare tyngdeloven. "Mere vikling betyder mindre tyngdekraft," sagde han.
Nogle tilgange til kvantegravitation - især strengteori - ser vikling som en vigtig hjørnesten. Strengteori anvender det holografiske princip ikke kun på sorte huller, men på universet som helhed og giver en opskrift til at skabe plads - eller i det mindste noget af det. Det oprindelige to-dimensionelle rum vil tjene som grænsen for et større volumetrisk rum. Og vikling vil binde det volumetriske rum til en enkelt og kontinuerlig helhed.
I 2009 gav Mark Van Raamsdonk fra University of British Columbia en elegant forklaring på denne proces. Antag, at felterne ved grænsen ikke er viklet ind - de danner et par systemer ud af korrelation. De svarer til to separate universer, mellem hvilke der ikke er nogen måde at kommunikere på. Når systemer vikles sammen, dannes der en slags tunnel, et ormehul mellem disse universer, og rumskibe kan bevæge sig mellem dem. Jo højere graden af vikling er, desto kortere er ormehullet. Universerne smelter sammen i et og er ikke længere to adskilte. "Fremkomsten af stor rumtid forbinder direkte vikling med disse grader af feltteoriens frihed," siger Van Raamsdonck. Når vi ser sammenhænge i elektromagnetiske felter og andre felter, er de resten af samhørigheden, der binder rummet sammen.
Mange andre rumfunktioner kan, ud over at være forbundet, også afspejle vikling. Van Raamsdonk og Brian Swingle fra University of Maryland hævder, at den allestedsnærværende sammenflækning forklarer tyngdekraftens universalitet - at den påvirker alle objekter og gennemsyrer overalt. For sorte huller mener Leonard Susskind og Juan Maldacena, at sammenfiltringen mellem det sorte hul og den stråling, det udsender, skaber et ormehul - den sorte indgang til det sorte hul. Således bevares information, og fysikken i et sort hul er irreversibel.
Selvom disse strengteoriideer kun fungerer for bestemte geometrier og kun rekonstruerer en dimension af rummet, har nogle forskere forsøgt at forklare rummet fra bunden.
I fysik og generelt i naturvidenskab er rum og tid grundlaget for alle teorier. Men vi bemærker aldrig direkte tid. Snarere udleder vi dens eksistens fra vores hverdagsoplevelse. Vi antager, at den mest logiske forklaring på de fænomener, vi ser, vil være en mekanisme, der fungerer i rumtid. Men kvantegravitation fortæller os, at ikke alle fænomener passer perfekt ind i et sådant billede af verden. Fysikere har brug for at forstå, hvad der er endnu dybere, ind og ud af rummet, bagsiden af et glat spejl. Hvis de lykkes, vil vi afslutte den revolution, Einstein begyndte for over et århundrede siden.
Ilya Khel