"Som senior kamrat måste jag avråda dig från den här aktiviteten, för det första kommer du inte att lyckas med den här aktiviteten och även om du lyckas kommer ingen att tro dig ändå"
Från Max Plancks brev till Albert Einstein angående Einsteins försök att lösa motsättningen mellan specialrelativitet och newtonsk gravitation
Sedan antiken har mänskligheten alltid fascinerats av begreppen rymd (himmel) och tid (början, förändring och slut). Tidiga tänkare, från och med Gautama Buddha, Lao Tzu och Aristoteles, tog aktivt upp dessa begrepp. Under århundradena har innehållet i dessa tänkares resonemang kristalliserat i de mänskliga medvetandena de mentala bilder som vi nu använder i vårt dagliga liv. Vi tänker på rymden som ett tredimensionellt kontinuum som omsluter oss. Vi representerar tiden som varaktigheten för någon process, som inte påverkas på något sätt av de krafter som verkar i det fysiska universum. Och tillsammans bildar de scenen där hela interaktionsdramat utvecklas, vars skådespelare är allt annat - stjärnor och planeter, fält och materia, du och jag.
I över tusen år har fyra fysikböcker skrivna av Aristoteles utgjort grunden för naturvetenskapen. Medan Heraclitus trodde att universum är i oändlig utveckling och alla processer i det aldrig började och aldrig slutade, lärde Parmenides att själva rörelsebegreppet är oförenligt med vem den Ena, Kontinuerliga och Eviga är. Aristoteles införlivade båda dessa idéer i sitt kosmogoniska system. Alla förändringar var nu associerade med jorden och månen, eftersom dessa förändringar var uppenbara. Oföranderligheten överfördes till andra planeter, solen och stjärnorna, eftersom de var vackra, oföränderliga och eviga. På modernt språk kan det hävdas att Aristoteles fungerade med absolut tid, rymd med en absolut struktur, och allt detta tillhandahölls av den föränderliga jorden. Dessa begrepp ligger till grund för den sanna, vid den tidpunkten, uppfattningen och beskrivningen av världen, som Isaac Newton studerade 1661-1665, som student i Cambridge.
Tjugo år senare störtade Newton dessa hundra år gamla dogmer. Genom att publicera sin vision om världen omkring oss 1686 gav han en ny förståelse för universum omkring oss. Enligt hans principer visade sig tiden vara en fönsterbräda som ersatte ett dimensionellt kontinuum. Det var fortfarande absolut och detsamma för alla observatörer. Alla samtidiga händelser bildade ett tredimensionellt rumsligt kontinuum. Således försvann den absoluta rymdstrukturen i hans resonemang. Tack vare lektionerna från Copernicus avlägsnades jorden från sin privilegierade position i universum. Galilensk relativitet satte alla tröghetsobservatörer på en fysisk plattform med matematisk precision. Newtons principer förstörde den aristoteliska ortodoxin genom att avskaffa skillnaden mellan himmel och jord. Himlen var inte längre densamma. För första gången inom fysik uppstod universella principer. Äpplet som föll till jorden och planeterna som rör sig i sina banor runt solen var nu föremål för samma lagar. Himlen var inte längre så mystisk eftersom de var föremål för det mänskliga sinnets medvetenhet. Redan i början av 1700-talet, vid utfrågningarna av Royal Society of Great Britain, började verk dyka upp som förutspådde inte bara Jupiters rörelse utan också dess månars rörelse! Det är inte förvånande att inställningen till Newton vid den tiden fylldes inte bara med skepsis utan också med rädsla, och inte bara från icke-yrkespersoner utan även från ledande europeisk intelligentsia. Till exempel Marquis de L'Hôpital, känd för moderna studenter för sin regel för att beräkna gränser,skrev från Frankrike till John Arbuthnot i England angående Newton och hans principer enligt följande:
- Min Gud! Vilka kunskapsunderlag syns för oss i den boken? Äter och dricker han och sover? Är andra män som han?
Som Richard Westfold uttryckte det i sin mycket respekterade Newtons Never Alone-biografi:
- Fram till 1687 var Newton knappast en berömd person i filosofiska kretsar. Men ingenting förberedde naturfilosofins värld för framväxten av dess principer. Principer som blev en vändpunkt för Newton själv, som efter tjugo års forskning slutligen följde från prestation till prestation. Principer som blev en vändpunkt för naturfilosofin.
Kampanjvideo:
Newtons principer blev den nya ortodoxin och regerade högst i mer än 150 år. Den första utmaningen mot newtonsk förståelse av världen kastades i ett helt oväntat fysikområde och var associerat med utvecklingen av förståelsen för elektromagnetiska fenomen. I mitten av 1800-talet uppnådde den skotska fysikern James Clark Maxwell en fantastisk syntes av all ackumulerad kunskap inom detta område genom att skriva ner sina fyra berömda vektorekvationer. Dessa ekvationer gav vidare en förståelse för den speciella betydelsen av ljusets hastighet. Men vid den tiden var det omöjligt att förstå. Den absoluta överföringshastigheten för interaktioner motsatte tydligt Galileos relativitetsprincip, som var hörnstenen i Newtons modell av rymdtid. Vid den tiden trodde de flesta fysiker villkorslöst på sanningen i den newtonska världen och kom därför till slutsatsen att Maxwells ekvationer bara kan uppfyllas i en viss miljö som kallas eter. Men genom att göra sådana uttalanden återvände de ofrivilligt tillbaka till Aristoteles, som hävdade att rymdens absoluta struktur är inneboende i naturen. Och i detta tillstånd varade detta problem i cirka 50 år.
Och nu publicerar 26-årige Albert Einstein sitt berömda verk "On the electrodynamics of moving media." I detta arbete accepterade Einstein sanningen om konstansvärdena i Maxwells ekvationer, och med enkla tankeexperiment visade det tydligt att ljusets hastighet är en universalkonstant som behåller sitt värde för alla tröghetsobservatörer. Han visade att begreppet absolut fysisk samtidighet är ohållbart. Rumsseparerade händelser som verkar vara samtidigt för en observatör är inte så för en annan observatör som rör sig relativt den första med konstant hastighet.
Det blev klart att den newtonska modellen för rymdtid bara kan vara en approximation, giltig i fallet då de betraktade hastigheterna är mycket mindre än ljusets hastighet. En ny modell av rymdtid har uppstått, som inkluderar en ny relativitetsprincip, kallad Special Relativitetsteori. Denna teori hade revolutionerande betydelse under sin tid. Enligt henne har tiden förlorat sin absoluta position inom fysik. Det fyrdimensionella rum-tid-kontinuumet har blivit absolut. Avstånd i fyrdimensionell rymdtid mellan händelserna är väl definierade, men endast temporala eller endast rumsliga intervall mellan händelser började bero på valet av en referensram, det vill säga på en observatörs rörelseshastighet i förhållande till en annan. Den nya teorin gav ovanliga, spektakulära förutsägelser,som var svåra att uppfatta vid den tiden. Energi och massa förlorade sin unikhet och kunde omvandlas till varandra enligt den välkända formeln E = mc2. Det bör noteras här att detta förhållande först uppträdde 1895 i arbetet av Henri Poincaré "Om tidsmätningen", publicerad i den parisiska filosofiska tidskriften och därför inte uppmärksammades av fysiker, men den fick sin nuvarande betydelse efter Einsteins arbete. Tänk dig att energin i ett gram materia skulle kunna lysa upp en hel stad under ett år. En tvilling, som lämnade sin syster på jorden och rörde sig i ett rymdskepp med en hastighet nära ljusets hastighet, skulle återvända för att upptäcka att hans syster hade åldrats med flera decennier i jämförelse. Så oväntade var dessa förutsägelser som många forskare vid ledande universitet hävdadeatt den givna teorin inte kan vara livskraftig. Men de hade alla fel. Kärnreaktorer fungerar på jorden och stjärnor lyser i himlen och omvandlar massa till energi, exakt matchande formeln E = mc2. I högenergilaboratorier accelererar instabila partiklar till nästan ljushastigheter tio och hundratals gånger längre än deras motsvarigheter vilar på jorden.
Trots alla SRT: s revolutionära karaktär förblev en aspekt av rymdtid aristotelisk. Det förblev en passiv arena för alla händelser, en duk på vilken universums drivkrafter målar sin bild. I mitten av 1800-talet kom matematiker fram till att Euklids geometri, som vi alla studerade i skolan, är en av de möjliga geometrierna. Detta ledde till den idé som tydligast formulerades av Richard Riemann 1854. Han sa att geometrin i det fysiska rummet kanske inte följer Euklids axiomer, utan kan vara krökt på grund av materiens närvaro i universum. I hans idéer upphörde rymden att vara passivt och förändrades av materien. Det tog ytterligare 61 år för denna idé att vara efterfrågad.
En sådan stor händelse var Einsteins publicering 1915 av hans allmänna relativitetsteori. I denna teori tog rymdtiden form av ett fyrdimensionellt kontinuum. Geometrin för detta kontinuum är krökt, och krökningsgraden simulerar gravitationsfälten i själva kontinuumet. Rymdtiden har upphört att vara inert. Det agerar på materia och materia agerar på det. Som den berömda amerikanska fysikern John Wheeler sa:
- Materie berättar för rum-tid hur man böjer sig och rum-tid säger hur man ska röra sig.
Det finns inga fler åskådare i den kosmiska dansen, ingen bakgrund som alla händelser utvecklas på. Scenen själv gick med i rollerna. Detta är en djupgående förändring av världsbilden. Eftersom alla fysiska system är belägna i rymdtid, skakade en sådan förändring i synen alla grundvalar för naturfilosofin. Det tog många decennier för fysiker att komma överens med de många tillämpningarna av denna teori och filosofer kom överens med en ny förståelse av världen som växte fram ur allmän relativitet.
2. Gravitation är geometri
”Det är som om muren som skiljer oss från sanningen har kollapsat. Bredare utrymmen och bottenlösa djup öppnas för ögat som söker kunskap, områden som vi inte hade någon aning om”
Hermann Weil "Allmän relativitetsteori"
Man kan anta att Einstein, när han skrev sitt arbete, tydligen inspirerades av två ganska enkla fakta. Först den allvarliga tyngdkraften, som demonstrerades av Galileo i hans berömda experiment på det lutande lutande tornet i Pisa. Tyngdkraften är universell, eftersom alla kroppar från tornet föll lika om bara gravitationskraft verkade på dem. För det andra manifesterar sig tyngdkraften alltid som attraktion. Denna egenskap hos den skiljer den starkt till exempel från elektrostatisk kraft, som beskrivs av lagen i samma form som lagen om universell gravitation och manifesterar sig beroende på typen av samverkande laddningar både som attraktion och som avstötning. Som ett resultat, medan den elektrostatiska kraften kan skyddas och det är tillräckligt enkelt att skapa områden där den inte kommer att verka,tyngdkraften kan inte screenas i princip. Således är allvar allestädes närvarande och verkar på alla kroppar på samma sätt. Dessa två fakta talar om en stark skillnad mellan gravitation och andra grundläggande interaktioner och antyder att gravitation är en manifestation av något djupare och mer universellt. Eftersom rymdtiden också är allestädes närvarande och universell föreslog Einstein att tyngdkraften inte manifesterar sig som en kraft utan som en krökning av rymdtidens geometri. Rymdtid i den allmänna relativitetsteorin är formbar och kan modelleras av ett tvådimensionellt gummilak böjt av massiva kroppar. Solen, som är tung, böjer till exempel rymdtiden starkt. Planeterna, som alla kroppar som faller på jorden, rör sig längs "raka" banor, men bara i en kurvgeometri. I en exakt matematisk mening följer de de kortaste banorna, kallade geodetiska linjer - det här är generaliseringar av raka linjer i Euclids plangeometri till Riemanns böjda geometri. Så om vi till exempel tar hänsyn till en krökt rymdtid, väljer jorden i ett sådant utrymme den optimala banan, som är en komplett analog av en rak linje. Men eftersom rymdtid är krökt, i projektionen mot det plana utrymmet i Euclid och Newton, kommer denna bana att vara elliptisk.eftersom rymdtid är krökt, i projektionen mot det plana utrymmet i Euclid och Newton, kommer denna bana att vara elliptisk.eftersom rymd-tid är krökt, i projektionen på det plana utrymmet i Euclid och Newton, kommer denna bana vara elliptisk.
Generell relativitetsteoriens överklagande ligger i det faktum att den, med hjälp av elegant matematik, förvandlade dessa begreppsmässigt enkla idéer till konkreta ekvationer och använder dessa ekvationer för att göra fantastiska förutsägelser om den fysiska verklighetens natur. Hon förutspår att klockan ska gå snabbare i Katmandu än i Jalta. Galaktiska kärnor bör fungera som jätte gravitationslinser och visa oss spektakulära, flera bilder av avlägsna kvasarer. Två neutronstjärnor som kretsar kring ett gemensamt centrum bör förlora energi på grund av krusningar i krökt rymdtid orsakad av deras spiralrörelse, konvergerande till ett enda centrum, följt av deras kollision. Under de senaste åren har många experiment utförts för att testa dessa och ännu mer exotiska förutsägelser. Och varje gång den allmänna relativitetsteorin vann. Noggrannheten för vissa experiment översteg noggrannheten hos de legendariska experimenten med detektering av en kvant av det elektromagnetiska fältet. Denna kombination av begreppsmässigt djup, matematisk elegans och observationsframgång är utan motstycke. Det är därför den allmänna relativitetsteorin å ena sidan betraktas som en av de mest höga fysiska teorierna, och å andra sidan väcker det ett stort intresse, som ett objekt av olika och inte alltid professionell kritik.varför den allmänna relativitetsteorin å ena sidan betraktas som en av de mest höga fysiska teorierna, och å andra sidan väcker ett stort intresse, som ett objekt av alla slag och inte alltid professionell kritik.varför den allmänna relativitetsteorin å ena sidan betraktas som en av de högsta fysiska teorierna, och å andra sidan väcker ett stort intresse, som ett objekt av alla slag och inte alltid professionell kritik.
3. Big bang och svarta hål
”Fysiker har gjort det fantastiskt, men de har visat begränsningarna i intuitionen, utan matematikens hjälp. De tyckte att det är mycket svårt att förstå naturen att förstå. Vetenskapliga framsteg måste betalas med ett nedsättande erkännande att verkligheten var konstruerad på ett sådant sätt att den inte lätt skulle fångas av mänsklig uppfattning."
Edward O. Wilson”Tillfällighet. Kunskapens enhet"
Tillkomsten av den allmänna relativitetsteorin inledde tiden för modern kosmologi. I mycket stor skala verkar universum omkring oss homogent och isotropt. Denna uppfattning är den största förverkligandet av den kopernikanska principen: i vårt universum finns det inga valda punkter, ingen vald riktning. 1922, med Einsteins ekvationer, visade den ryska matematikern Alexander Fridman att ett sådant universum inte kan vara statiskt. Det måste antingen expandera eller kollapsa. 1929 upptäckte den amerikanska astronomen Edwin Hubble att universum verkligen expanderade. Detta faktum innebär i sin tur att denna process måste ha sin början, i vilken tyngdkraftsdensiteten och därmed rymdtidens krökning måste vara oändligt stor. Konceptet Big Bang uppstod. Noggrann observation,särskilt de senaste 20 åren har visat att denna händelse troligen ägde rum för 14 miljarder år sedan. Sedan dess har galaxer flyttat isär och den genomsnittliga tyngdkraften har sjunkit stadigt. Genom att kombinera vår kunskap om allmän relativitetsteori med laboratoriefysik kan vi göra många detaljerade förutsägelser. Till exempel kan vi beräkna den relativa mängden ljuselement vars kärnor bildades under de första tre minuterna efter explosionen (se till exempel här). Vi kan förutsäga förekomsten och egenskaperna för den primära strålningen (relik mikrovågsbakgrund) som emitterades när universum var ungefär 400 000 år gammalt. Och vi kan säga att de första galaxerna bildades när universum var en miljard år gammalt. Ett fantastiskt utbud av tider och olika fenomen!ägde rum för 14 miljarder år sedan. Sedan dess har galaxer flyttat isär och den genomsnittliga tyngdkraften har sjunkit stadigt. Genom att kombinera vår kunskap om allmän relativitetsteori med laboratoriefysik kan vi göra många detaljerade förutsägelser. Till exempel kan vi beräkna den relativa mängden ljuselement vars kärnor bildades de första tre minuterna efter explosionen (se till exempel här). Vi kan förutsäga förekomsten och egenskaperna hos den primära strålningen (reliktions mikrovågsbakgrund) som emitterades när universum var ungefär 400 000 år gammalt. Och vi kan säga att de första galaxerna bildades när universum var en miljard år gammalt. Ett fantastiskt utbud av tider och olika fenomen!ägde rum för 14 miljarder år sedan. Sedan dess har galaxer flyttat ifrån varandra och den genomsnittliga tyngdkraften har sjunkit stadigt. Genom att kombinera våra kunskaper om allmän relativitetsteori med laboratoriefysik kan vi göra många detaljerade förutsägelser. Till exempel kan vi beräkna den relativa mängden ljuselement, vars kärnor bildades under de första tre minuterna efter explosionen (se till exempel här). Vi kan förutsäga existensen och egenskaperna hos den primära strålningen (mikrovågsbakgrund) som emitterades när universum var ungefär 400 000 år gammalt. Och vi kan säga att de första galaxerna bildades när universum var en miljard år gammalt. Ett fantastiskt utbud av tider och olika fenomen!Genom att kombinera våra kunskaper om allmän relativitetsteori med laboratoriefysik kan vi göra många detaljerade förutsägelser. Till exempel kan vi beräkna den relativa mängden ljuselement, vars kärnor bildades under de första tre minuterna efter explosionen (se till exempel här). Vi kan förutsäga förekomsten och egenskaperna hos den primära strålningen (mikrovågsbakgrund) som emitterades när universum var ungefär 400 000 år gammalt. Och vi kan säga att de första galaxerna bildades när universum var en miljard år gammalt. Ett fantastiskt utbud av tider och olika fenomen!Genom att kombinera vår kunskap om allmän relativitetsteori med laboratoriefysik kan vi göra många detaljerade förutsägelser. Till exempel kan vi beräkna den relativa mängden ljuselement vars kärnor bildades de första tre minuterna efter explosionen (se till exempel här). Vi kan förutsäga förekomsten och egenskaperna hos den primära strålningen (reliktions mikrovågsbakgrund) som emitterades när universum var ungefär 400 000 år gammalt. Och vi kan säga att de första galaxerna bildades när universum var en miljard år gammalt. Ett fantastiskt utbud av tider och olika fenomen!till exempel här). Vi kan förutsäga existensen och egenskaperna hos den primära strålningen (mikrovågsbakgrund) som emitterades när universum var ungefär 400 000 år gammalt. Och vi kan säga att de första galaxerna bildades när universum var en miljard år gammalt. Ett fantastiskt utbud av tider och olika fenomen!till exempel här). Vi kan förutsäga förekomsten och egenskaperna hos den primära strålningen (mikrovågsbakgrund) som emitterades när universum var ungefär 400 000 år gammalt. Och vi kan säga att de första galaxerna bildades när universum var en miljard år gammalt. Ett fantastiskt utbud av tider och olika fenomen!
Dessutom förändrade relativitetsteorin den filosofiska inställningen till frågan om början. Fram till 1915 kunde detta ämne diskuteras när Emmanuel Kant hävdade att universum kanske inte hade haft en ändlig början. Sedan kunde frågan ställas: Vad fanns det tidigare? Men denna fråga antar implicit att rum och tid alltid har funnits och att universum uppstod med materia. I den allmänna relativitetsteorin är det ingen mening att ställa en sådan fråga, eftersom rymdtid föds tillsammans med materien i Big Bang. Frågan "Vad var det förut?" betyder inte någonting längre. I en exakt mening är Big Bang gränsen där rymdtid slutar, där själva rymdtidskontinuet bryter. Generell relativitetsteori vid Big Bang-tiden satte en naturlig gräns för fysik som inte tillät att leta längre.
När det gäller svarta hål upptäckte General Relativity också andra händelser. Den första lösningen på Einstein-ekvationen som beskriver ett svart hål erhölls redan 1916 av den tyska astrofysikern Karl Schwarzschild, som kämpade i den tyska armén på fronten av första världskriget. Att förstå den fysiska innebörden av detta beslut tog dock lång tid. Det mest naturliga sättet att bilda svarta hål är stjärnornas död. Under glödet av en stjärna som bränner kärnbränsle kan det yttre radiella trycket motverka tyngdkraften. Men efter att allt bränsle har bränts är den enda kraften som kan konkurrera med gravitationell attraktion den avstötande kraften som genereras av Paulis kvantmekaniska uteslutningsprincip. Under hans berömda resa till Cambridge,Tjugo år gamla Subrahmanyan Chandrasekhar kombinerade principerna för speciell relativitet och kvantmekanik för att visa att om en stjärna är tillräckligt massiv kan tyngdkraften övervinna de motbjudande krafterna som genereras av Pauli-uteslutningsprincipen. Och som ett resultat slutför stjärnan sin utveckling som ett svart hål. Under trettiotalet korrigerade och förstärkte han sina beräkningar och lämnade obestridliga argument till förmån för ett sådant stjärnkraschscenario. Emellertid accepterade den framstående brittiska astrofysikern, Arthur Eddington, inte tanken på ett sådant scenario och uppgav att med”korrekta” beräkningar är speciell relativitet helt enkelt inte tillämplig. Idag skulle även en student misslyckas med provet om han försökte ge ett sådant resonemang i sitt resonemang. De ledande kvantfysikerna i tiden, Borovskaya och Dirac, instämde lätt i Chandrasechars resultat, men gjorde det i personliga brev utan att tänka på att offentligt påpeka Eddingtons misstag. Detta korrigerades först 1983 när Chandrasekhar tilldelades Nobelpriset. Som ett resultat försenade detta missförstånd med flera decennier inte bara erkännandet av Chandrasechars arbete utan också uppfattningen av svarta hål som verkliga föremål.som verkliga föremål.som verkliga föremål.
Konstigt nog, men även Einstein själv uppfattade inte svarta hål. Redan 1939 publicerade han en artikel i matematikens annaler, där han hävdade att svarta hål inte kan bildas av stjärnornas kollaps. Han hävdade att beräkningarna var korrekta, men slutsatsen var resultatet av ett orealistiskt antagande. Bara några månader senare publicerade de amerikanska fysikerna Robert Oppenheimer och Hartland Snyder sitt nu klassiska arbete och bevisade obestridligt att massiva stjärnor fullbordade sin utveckling med bildandet av ett svart hål. Det har visats att ett svart hål är ett område där rymdtidens krökning är så stark att även ljus inte kan lämna det. Därför, enligt General Theory of Relativity, verkar dessa områden kolsvarta för externa observatörer. Om vi vänder oss till analogin med en tvådimensionell gummiyta visar det sig att avböjningen av rymdtid i ett svart hål visar sig vara så stor att den faktiskt går sönder och bildar en singularitet. Som med Big Bang blir krökningen oändlig. Rymdtid bildar händelsehorisonten och fysik stannar bara vid denna horisont.
Och ändå är tydligen svarta hål vanliga föremål i universum. Allmän relativitetsteori, i kombination med vår kunskap om stjärnutvecklingsprocessen, förutspår att universum borde ha ett enormt antal svarta hål med massor i storleksordningen 10-50 solmassor, som är produkterna av massiva stjärnors vitala aktivitet. Faktum är att svarta hål är framstående aktörer inom modern astronomi och astrofysik. De är kraftfulla källor till några av de mest energiska fenomenen i universum, som den berömda gammastrålen som avges av ett massivt svart hål. Denna stråle bär den energi som 1000 solar avger under hela sitt liv. Ett svart hål beror på en supernovaexplosion som fullbordar livet för en massiv stjärna. Och en sådan explosion registreras varje dag. Centrum för alla elliptiska galaxer verkar varainnehåller supermassiva svarta hål med massor av storleksordningen miljoner solmassor. Vår egen galax, Vintergatan, har ett svart hål i centrum med en massa på 3,2 miljoner solmassor.
4. Efter Einstein
”Faktum är att nya områden av vår erfarenhet alltid kommer att leda till kristallisering av ett nytt system av vetenskaplig kunskap och lagar. Mot nya och extraordinära intellektuella utmaningar följer vi ständigt exemplet med Columbus, som hade modet att lämna den kända världen i det nästan vansinniga hoppet att upptäcka land i andra änden av havet”
V. Geisenberg "Senaste förändringar i exakt vetenskap"
Allmän relativitetsteori är den bästa teorin om tyngdkraft och rymdtidsstruktur som vi har idag. Det kan beskriva ett imponerande utbud av fenomen som sträcker sig från den stora kosmiska expansionen till ett globalt positioneringssystems funktion på jorden. Men denna teori är ofullständig eftersom den ignorerar de kvanteffekter som styr den subatomära världen. Dessutom är dessa två teorier fundamentalt olika. Världen med den allmänna relativitetsteorin har geometrisk noggrannhet, den är deterministisk. Till skillnad från den här världen är kvantmekanikens värld föremål för tvivel, den är sannolik. Fysiker upprätthåller detta lyckliga, nästan schizofrena tillstånd genom att använda allmän relativitet för att beskriva storskaliga fenomen i astronomi och kosmologi.och kvantteori för att beskriva egenskaperna hos atomer och elementära partiklar. Observera att detta är en ganska livskraftig strategi eftersom dessa två världar är mycket sällsynta. Men ändå är denna strategi ur ett begreppsmässigt perspektiv mycket otillfredsställande. Allt i vår fysiska erfarenhet säger att det måste finnas en större, mer fullständig teori, från vilken både den allmänna relativitetsteorin och kvantteorin måste uppstå som speciella, begränsade fall. I stället för en sådan teori hävdar kvantteorin om gravitation. Detta är ett pressande problem som helt logiskt följer Einsteins arbete. I motsats till den allmänt accepterade synvinkel, som bildades till följd av senare kommentarer från Einstein om kvantmekanikens ofullständighet, visste han tydligt om denna begränsning av den allmänna relativitetsteorin. Underbar,men Einstein påpekade behovet av att skapa en kvantteori om gravitation redan 1916! I en artikel publicerad i Preussische Akademie Sitzungsberichte skrev han:
- På grund av elektronernas rörelse inom atomerna var emellertid atomerna tvungna att avge inte bara elektromagnetisk utan också gravitationell energi utan bara i små mängder. Eftersom allt är en i naturen verkar det som om kvantteorin inte bara måste ändra Maxwells elektrodynamik utan också den nya gravitationsteorin.
I Big Bang och i det svarta hålets singularitet möts de mycket stora och mycket små världarna. Därför, även om detta möte för närvarande är en hemlighet för oss förseglade med sju sigill, men det är det som är porten genom vilken vi kan gå bortom den allmänna relativitetsteorin. Man tror för närvarande att verklig fysik inte kan stanna vid tröskeln till händelsehorisonten. Det är troligtvis att det är allmän relativitetsteori som misslyckas där. Det är uppenbart att teoretisk fysik återigen måste revidera vår förståelse för rymdtid. Vi behöver ett nytt språk som kan kika bortom de okända portarna.
Skapandet av detta språk betraktas som den allvarligaste och viktigaste utmaningen för grundläggande fysik idag. Det finns flera tillvägagångssätt i denna riktning idag. En av dem är relaterad till strängteori, men vi kommer att fokusera på begreppet loopkvantgravitation. Detta är ett tillvägagångssätt för att bygga en kvantteori som framkom för mer än 20 år sedan i verk av den indiska fysikern Abhay Ashtekar och för närvarande tros vara ett alternativ till strängmetoden för att lösa detta problem.
I den allmänna relativitetsteorin är rymdtid ett kontinuum. Grundidén bakom kvantslingans tyngdkraft är påståendet att detta kontinuum endast är en approximation som bryts vid de så kallade Planck-avstånden. Planck-längden är en unik mängd som kan konstrueras från gravitationskonstanten, Plancks konstant i kvantfysik och ljusets hastighet. Denna längd är 3,10-33 cm, vilket är 20 storleksordningar mindre än protonens radie. Därför, även på de mest kraftfulla partikelacceleratorerna på jorden, kan du säkert arbeta med rymdtidskontinuet. Men denna situation förändras dramatiskt, särskilt nära Big Bang och i svarta hål. I sådana fall måste du använda en kvantiserad rymdtid, vars kvantitet är tyngdkraftens loopkvantum.
Låt oss försöka förstå vad kvantiteten av rymdtid är. Låt oss vända oss till pappersarket framför oss. För oss verkar det som ett solidt tvådimensionellt kontinuum. Men vi vet också att den består av atomer. Det här arket har en diskret struktur som bara blir en deklaration om vi inte tittar på det, till exempel med ett elektronmikroskop. Nu vidare. Einstein hävdade att rymdtidens geometri inte är mindre fysisk än materia. Och därför måste den också ha en "atomär" struktur. Detta antagande gjorde det möjligt i mitten av 90-talet att kombinera principerna för den allmänna relativitetsteorin med kvantfysik och skapa kvantgeometri. Precis som kontinuerlig geometri ger det matematiska språket för att formulera allmän relativitetsteori,så kvantgeometri ger ett matematiskt verktyg och genererar nya fysiska begrepp för att beskriva kvantkosmiska tider.
I kvantgeometri är de primära de grundläggande stängda i en ringgeometriska excitationer, som är endimensionella. Vanligt tyg verkar vara ett jämnt tvådimensionellt kontinuum, men det är baserat på endimensionella trådar. Ett liknande antagande kan göras med avseende på ett högre dimensionellt kontinuum. På en rent intuitiv nivå kan grundläggande geometriska excitationer ses som kvanttrådar som kan vävas för att skapa själva tyget i rymdtiden. Vad händer när vi är nära rymd-tidens singularitet. Det är uppenbart att själva begreppet rymd-tidskontinu inte är tillämpligt på detta område. Kvantfluktuationer i detta område är så enorma att kvanttrådar helt enkelt inte kan "frysas" i rymdtidskontinuum. Tyget från rymdtiden är sönderrivet. Fysiken i rymd-tidskontinuumet är "fixerad" på resterna av rymd-tid-vävnaden. Samtidigt blir det tydligt att trådarna själva, som utgör grunden för universums tyg, får särskild betydelse. Med hjälp av kvantekvationen av Einstein kan man fortfarande studera fysik, beskriva de processer som äger rum i kvantvärlden. Men det finns en viktig punkt här. Poängen är att i avsaknad av ett rum-tidskontinuum blir många av de begrepp som vanligtvis används i fysik helt enkelt felaktiga. Det är nödvändigt att ta hänsyn till nya koncept som ersätter eller kompletterar de kasserade, och detta kräver en ny fysisk intuition. Och under sådana dramatiska förhållanden är banan banad för Einsteins kvantekvationer. Fysiken i rymd-tidskontinuumet är "fixerad" på resterna av rymd-tid-vävnaden. Samtidigt blir det tydligt att trådarna själva, som utgör grunden för universums tyg, får särskild betydelse. Med hjälp av kvantekvationen av Einstein kan man fortfarande studera fysik, beskriva de processer som äger rum i kvantvärlden. Men det finns en viktig punkt här. Poängen är att i avsaknad av ett rum-tidskontinuum blir många av de begrepp som vanligtvis används i fysik helt enkelt felaktiga. Det är nödvändigt att ta hänsyn till nya koncept som ersätter eller kompletterar de som kasseras, och detta kräver en ny fysisk intuition. Och under sådana dramatiska förhållanden är banan banad för Einsteins kvantekvationer. Fysiken i rymd-tid-kontinuumet är "fixerad" på resterna av rymd-tid-vävnaden. Samtidigt blir det tydligt att trådarna själva, som utgör grunden för universums tyg, får särskild betydelse. Med hjälp av kvantekvationen av Einstein kan man fortfarande studera fysik, beskriva de processer som äger rum i kvantvärlden. Men det finns en viktig punkt här. Faktum är att i avsaknad av ett rum-tid-kontinuitet blir många av de begrepp som vanligtvis används inom fysik helt enkelt felaktiga. Det är nödvändigt att ta hänsyn till nya koncept som ersätter eller kompletterar de kasserade, och detta kräver en ny fysisk intuition. Och under sådana dramatiska förhållanden är banan banad för Einsteins kvantekvationer.få särskild betydelse. Med hjälp av kvantekvationen av Einstein kan man fortfarande studera fysik, beskriva de processer som äger rum i kvantvärlden. Men det finns en viktig punkt här. Faktum är att i avsaknad av ett rum-tid-kontinuitet blir många av de begrepp som vanligtvis används inom fysik helt enkelt felaktiga. Det är nödvändigt att ta hänsyn till nya koncept som ersätter eller kompletterar de kasserade, och detta kräver en ny fysisk intuition. Och under sådana dramatiska förhållanden är banan banad för Einsteins kvantekvationer.få särskild betydelse. Med hjälp av kvantekvationen av Einstein kan man fortfarande studera fysik, beskriva de processer som äger rum i kvantvärlden. Men det finns en viktig punkt här. Poängen är att i avsaknad av ett rum-tidskontinuum blir många av de begrepp som vanligtvis används i fysik helt enkelt felaktiga. Det är nödvändigt att ta hänsyn till nya koncept som ersätter eller kompletterar de som kasseras, och detta kräver en ny fysisk intuition. Och under sådana dramatiska förhållanden är banan banad för Einsteins kvantekvationer. Det är nödvändigt att ta hänsyn till nya koncept som ersätter eller kompletterar de som kasseras, och detta kräver en ny fysisk intuition. Och under sådana dramatiska förhållanden är banan banad för Einsteins kvantekvationer. Det är nödvändigt att ta hänsyn till nya koncept som ersätter eller kompletterar dem som kasseras, och detta kräver en ny fysisk intuition. Och under sådana dramatiska förhållanden är banan banad för Einsteins kvantekvationer.
Baserat på dessa ekvationer blev det möjligt att klargöra detaljerna i Big Bang. Det visade sig att Einsteins differentiella ekvationer skrivna för rymdtidskontinuum måste ersättas av differentiella ekvationer skrivna på språket för kvantgeometriens diskreta struktur. Problemet är att Einstein-standardekvationerna, som perfekt beskriver klassisk rymdtid, slutar fungera när de närmar sig Big Bang, när densiteten av materia närmar sig Planck-densiteten på 1094 g / cm3 i storleksordning. I kvantgeometri blir rymdtidens krökning i Planck-regimen mycket stor men ändlig. Överraskande genererar effekterna av kvantgeometri en ny motståndskraft som är så storsom lätt övervinner tyngdkraften. Allmän relativitetsteori slutar fungera. Universum expanderar. Einsteins kvantekvationer tillåter en att utveckla kvantgeometri och konstruera en korrekt beskrivning av materia i Planck-regimen, vilket lämnar inget utrymme för ett sådant icke-fysiskt koncept som en singularitet. Big Bang ersätts av en kraftfull kvantchock.
En numerisk beräkning av processen i det rumsligt homogena isotropa fallet utfördes på grundval av kvant Einstein-ekvationerna. Rumstids kontinuiteten beräknades utanför Planck-regimen och på den "andra" sidan av Big Bang. På den så kallade grenen av den "pre-big" explosionen. Det visade sig att detta krympande kontinuum också beskrivs väl av den allmänna relativitetsteorin. Men när tätheten av materia blir lika med 0,8 av Planck-densiteten blir den frånstötande kraften som genereras av kvantgeometri, som tidigare var obetydlig, dominerande. Och i stället för att kollapsa till en punkt, upplever universum en stark kvantpåverkan och förvandlar processen till en expanderande gren av den "post-big" bang, där vi nu lever. Klassisk allmän relativitetsteori beskriver båda grenarna mycket bra, förutom när
Utseendet på en avstötande kraft av kvant natur vid tidpunkten för en kvantpåverkan har en intressant analogi med utseendet på en avstötande kraft under en stjärnas död. I fallet då den avstötande kraften börjar råda över gravitationen, när stjärnans kärna når en kritisk densitet på 6x1016 g / cm3, kan den förhindra att stjärnan kollapsar i ett svart hål och förvandlar den till en stabil neutronstjärna. Denna motbjudande kraft genereras av Pauli-uteslutningsprincipen och är direkt relaterad till kvantiteten hos processen som äger rum. Men om den döende stjärnans massa visar sig vara större än 5 gånger solens massa, övervinner tyngdkraften denna kraft och stjärnan kollapsar i ett svart hål. En singularitet uppstår. Den avstötande kraften som genereras av kvantgeometrin kommer till spel vid högre materia densiteter,men samtidigt övervinner det gravitationskompression oavsett hur massiv den kollapsande kroppen var. Faktum är att denna kropp kan vara hela universum! Kvantslingans tyngdkraft överklagar att genom att förutsäga denna effekt förhindrar det att singulariteter bildas i den verkliga världen genom att förlänga vår "livstid" på vår rymdtid genom en kvantbro.
Tack vare Einstein under 1900-talet genomgick förståelsen av rum och tid en radikal översyn. Geometrin i rymd-tidskontinuumet har blivit lika fysisk som materien var tidigare. Denna förståelse öppnade upp nya perspektiv inom kosmologi och astronomi. Men under vårt århundrade väntar oss inte mindre dramatiska förändringar i förståelsen av rymdtid. Tack vare kvantgeometri är Big Bang och svarta hål för fysik inte längre omgivna av gränser för otillgänglighet. Fysisk kvantrumstid är mycket större än allmän relativitet. Förekomsten av ett samband mellan dessa teorier gör det möjligt för oss att tala om konsistensen av kvantslingans tyngdkraft. Denna konsistens gör det möjligt för oss att dra helt bestämda slutsatser om fysiken i vårt universums ursprung och om svarta håls fysik. Ännu mer spännande möjligheter kan uppstå som ett resultat av den vidare utvecklingen av denna teori.
