En av de konstigaste aspekterna av kvantmekanik är förfiltring, eftersom två sammantrasslade partiklar påverkar varandra över stora avstånd, som vid första anblicken bryter mot den grundläggande fysiska principen för lokalitet: vad som händer vid en viss plats i rymden kan bara påverka punkter i närheten. Men tänk om lokalitet - och rymden i sig - inte är så grundläggande, trots allt? George Masser utforskar de möjliga konsekvenserna av detta i sin nya bok Spooky Action At a Distance. (Albert Einstein kallade kvantförvirring "kuslig handling på avstånd").
När filosofen Jennan Ismael var tio år gammal köpte hennes far, en irakisk-född professor vid University of Calgary, ett stort träskåp på auktion. Efter att ha pratat igenom det snubblat hon över ett gammalt kalejdoskop och var glad. Hon experimenterade med det i timmar och fick reda på hur det fungerade. "Jag sa inte till min syster att jag hittade honom eftersom jag var rädd att hon skulle ta det," påminner hon.
När du kikar in i kalejdoskopet och vrider röret börjar de mångfärgade figurerna blomma, virvla och förena sig på ett till synes helt oförklarligt och oförutsägbart sätt, som om de hade en kuslig effekt på varandra på avstånd. Men ju mer du beundrar dem, desto mer märker du mönster i deras rörelse. Formerna i motsatta ändar av ditt visuella fält förändras i samklang, och denna symmetri gör att du kan förstå vad som verkligen händer: dessa former är inte fysiska föremål, utan bilder av föremål - skärvor av glas som roterar inuti ett spegelrör.
"Det finns ett glasstycke som visas överflödigt i olika delar av rymden," säger Ismael.”Om du fokuserar på det övergripande rymden, skulle den fysiska beskrivningen av ett tredimensionellt kalejdoskop vara en ganska enkel kausalhistoria. Det finns ett glasstycke, det återspeglas i speglarna och så vidare. " Sett i verkligheten är kalejdoskopet inte längre ett mysterium, även om det fortfarande överraskar.
Årtionden senare, när han förberedde sig för ett samtal om kvantefysik, kom Ismael ihåg kalejdoskopet och köpte ett helt nytt, glänsande kopparrör i ett sammetfodral. Han blev, när det gick upp för henne, en metafor för nonlocality i fysik. Kanske uppträder partiklar i intrasslingsexperiment eller galaxer i avlägsna galaktiska gränser konstigt, eftersom de är projektioner - sekundära skapelser, i en mening - som finns i ett helt annat område av objekt.
”När det gäller kalejdoskopet vet vi vad vi måste göra: vi måste se hela systemet; vi måste se hur bilden av rymden skapas, säger Ismael. - Hur man bygger en analog av detta för kvanteffekter? För att göra detta måste du se kosmos som vi känner - vardagsrummet, där vi mäter händelser som ligger i olika delar av kosmos - som en oupplöslig struktur. Kanske när vi tittar på de två delarna ser vi samma händelse. Vi interagerar med samma element av verkligheten i olika delar av rymden."
Tillsammans med andra ifrågasätter hon antagandet, följt av nästan varje fysiker och filosof sedan Democritus, att rymden är den djupaste nivån i fysisk verklighet. Precis som manus för ett stycke beskriver aktörernas handlingar på scenen, men föregår scenen, tar fysikens lagar traditionellt utrymme för givet. Vi vet idag att universum är mer än bara saker i rymden. Fenomenet nonlocality hoppar över rymden; det finns ingen plats där det är begränsat. Det manifesterar sig på verklighetsnivån djupare än rymden, där begreppet avstånd inte längre spelar någon roll, där avlägsna saker verkar vara i närheten, som om samma sak visas på mer än ett ställe, som många bilder av ett glasstycke i ett kalejdoskop.
När vi tänker på termer på denna nivå verkar förbindelserna mellan subatomära partiklar på en laboratoriebänk, inuti och utanför ett svart hål, och mellan motsatta delar av universum inte längre så skumma. Michael Heller, fysiker, filosof och teolog från Pontifical Academy of Theology i Krakow, Polen, säger:”Om du håller med om att fysik är icke-lokal på en grundläggande nivå, är det ganska naturligt, eftersom två partiklar som är långt ifrån varandra bor på en grundläggande icke-lokal nivå. För dem spelar rum och tid ingen roll. Det är först när du försöker visualisera dessa fenomen ur ett rymdperspektiv - vilket kan förlåtas eftersom vi är vana att tänka på det sättet - att de förvirrar vår förståelse.
Kampanjvideo:
Idén om en djup nivå verkar naturlig eftersom fysikerna trots allt alltid har strävat efter den. När de inte kunde förstå vissa aspekter av vår värld antog de att de ännu inte hade kommit till botten av allt. De zooma in och såg byggstenarna. Att flytande vatten kan koka eller frysa är något mystiskt. Men dessa transformationer är meningsfulla om vi representerar det flytande, gasformiga och fasta tillståndet inte som elementära ämnen, utan som olika former av en grundläggande substans.
Aristoteles ansåg olika vattentillstånd vara olika inkarnationer av det så kallade primordiala ämnet, och atomister - sagakious - trodde att atomer omorganiseras till mer styva eller fria strukturer. I en massa förvärvar dessa byggstenar av materia egenskaper som individuellt saknar. På samma sätt kan rymden bestå av delar som inte är rumsliga i sig. Dessa delar kan också demonteras och återmonteras i nonspatiala strukturer, till exempel de som antyder svarta hål och Big Bang.
”Rymdtid kan inte vara grundläggande,” säger teoretiker Nima Arkani-Hamed. "Det borde vara gjord av något enklare."
Detta tänkande vänder fysiken helt runt. Nonlocality är inte längre ett mysterium; det är verklighet, och lokalitet blir det verkliga mysteriet. När vi inte längre kan ta utrymme för givet, måste vi förklara vad det är och från vad det uppstår, oberoende eller i processen att förena sig med tiden.
Uppenbarligen kommer byggnadsutrymme inte vara lika enkelt som att smälta molekyler till en vätska. Vad kan vara dess byggstenar? Vi brukar säga att byggstenarna bör vara mindre än de saker som utgör dem. Om du monterar ett detaljerat Eiffeltorn från tandpetare, behöver du inte förklara att tandpetare är mindre än tornet.
Men när det gäller rymden finns det ingen "mindre", eftersom storleken i sig är ett rumsligt koncept. Byggstenar kan inte föregå utrymme om det måste förklara dem. De bör varken ha storlek eller utrymme; de måste vara överallt, i hela universum och ingenstans samtidigt, så att de inte kan bli lurade. Vad betyder bristen på position för en sak? Var kommer hon att vara? "När vi talar om den utströmmande rymdtiden måste den flyta ut ur en viss ram, från vilken vi är väldigt långt", säger Arkani-Hamed.
I västerländsk filosofi har kungariket utanför rymden traditionellt betraktats som kungariket utanför fysiken - platsen för Guds närvaro i kristen teologi. I början av 1700-talet existerade Gottfried Leibniz "monader" - som han representerade som primitiva element i universum - som Gud utanför rum och tid. Hans teori var ett steg mot den framväxande rymdtiden men förblev inom metafysikens fält, och var löst kopplad till världen av konkreta saker. Om fysiker lyckas förklara det framväxande rymden måste de utveckla sitt eget koncept om frånvaron av rymden.
Einstein förutsåg dessa svårigheter. "Kanske … vi borde i princip överge rymdkontinuumet", skrev han. - Det är fullt möjligt att föreställa sig att människans uppfinningsrikedom en dag kommer att hitta metoder som gör denna väg möjlig. För närvarande ser dock ett sådant program ut som ett försök att andas in tomt utrymme."
John Wheeler, en känd tyngdkraftteoretiker, föreslog att rymdtiden konstruerades av "pregeometri", men medgav att det bara var "idé för idéens skull." Till och med Arkani-Hamed delar hans tvivel:”Dessa problem är väldigt komplicerade. Det är omöjligt att diskutera dem på det språk vi är vana vid”.
Det som driver Arkani-Hamed och hans kollegor att fortsätta är att hitta den typ av sätt som Einstein beskrev - sätt att beskriva fysik i frånvaro av utrymme, andas in ett vakuum. Han förklarar dessa försök i termer av historia:”I över 2000 år har människor ställt frågor om den djupa naturen i rum och tid, men de var för tidiga. Vi har äntligen kommit till en era där du kan ställa dessa frågor och hoppas få några meningsfulla svar."
Baserat på material från Gizmodo
Ilya Khel