Människor tar alltid plats för givet. Det är ju bara ett tomrum - en behållare för allt annat. Även tiden tikar kontinuerligt. Men fysiker är sådana människor, de behöver alltid komplicera något. De försökte regelbundet förena sina teorier och fick reda på att rum och tid sammanfogades i ett system så komplext att en vanlig människa inte kan förstå.
Albert Einstein insåg vad som väntade oss tillbaka i november 1916. Ett år tidigare formulerade han den allmänna relativitetsteorin, enligt vilken tyngdkraften inte är en kraft som sprider sig i rymden, utan en egenskap av själva rymdtiden. När du slänger bollen i luften flyger den i en båge och återvänder till marken, eftersom jorden böjer rymdtid runt den, så kulens banor och marken kommer att korsas igen. I ett brev till en vän diskuterade Einstein problemet med att slå samman allmän relativitet med sitt andra hjärnbarn, den framväxande teorin om kvantmekanik. Men hans matematiska färdigheter räckte helt enkelt inte.”Hur jag torterade mig själv med det här!” Skrev han.
Einstein klarade sig aldrig någonstans i detta avseende. Även idag verkar idén att skapa en kvantteori om gravitationen extremt avlägsen. Tvister döljer en viktig sanning: konkurrenskraftiga metoder som alla säger att rymden föds någonstans djupare - och denna idé bryter den vetenskapliga och filosofiska förståelsen av den som har etablerats i 2500 år.
Ner i det svarta hålet
En vanlig kylmagnet illustrerar perfekt fysikernas problem. Han kan fästa ett papper och motstå all jordens allvar. Gravitationen är svagare än magnetism eller annan elektrisk eller kärnkraft. Oavsett kvanteffekter som ligger bakom det kommer de att bli svagare. Det enda konkreta beviset för att dessa processer överhuvudtaget är den brokiga bilden av materien i det tidigaste universumet - som tros ha dragits av kvantfluktuationer i gravitationsfältet.
Svarta hål är det bästa sättet att testa kvantgravitationen. "Det här är det mest lämpliga att experimentera med", säger Ted Jacobson från University of Maryland, College Park. Han och andra teoretiker studerar svarta hål som teoretiska led. Vad händer när du tar ekvationer som fungerar perfekt i laboratorieinställningar och placerar dem i de mest extrema situationer som du kan tänka dig? Kommer det att finnas några subtila brister?
Allmän teori förutspår relativt att materia som faller i ett svart hål kommer att oändligt krympa när det närmar sig sitt centrum - en matematisk återvändsgränd som kallas en singularitet. Teoretiker kan inte föreställa sig banan för ett objekt bortom singulariteten; alla linjer konvergerar på den. Till och med att prata om det som en plats är problematiskt eftersom själva rymdtiden, som bestämmer singularitetens plats, upphör att existera. Forskare hoppas att kvantteorin kan ge oss ett mikroskop som gör det möjligt för oss att undersöka denna oändliga punkt med oändlig densitet och förstå vad som händer med att saken faller in i den.
Kampanjvideo:
Vid kanten av ett svart hål är materien ännu inte så komprimerad, tyngdkraften är svagare och så vitt vi vet borde alla fysikens lagar fungera. Och det är desto mer nedslående att de inte fungerar. Det svarta hålet begränsas av händelsehorisonten, punkten för ingen återkomst: materia som passerar händelsehorisonten kommer aldrig tillbaka. Nedstigningen är oåterkallelig. Detta är ett problem eftersom alla kända lagar inom grundläggande fysik, inklusive kvantmekaniska, är reversibla. Åtminstone i princip, i teorin, ska du kunna vända rörelse och återställa de partiklar du hade.
Fysikerna stod inför en liknande ram i slutet av 1800-talet när de betraktade matematiken för en "svart kropp", idealiserad som ett hålrum fyllt med elektromagnetisk strålning. Teorin om elektromagnetism av James Clerk Maxwell förutspådde att ett sådant objekt skulle absorbera all strålning som faller på det och aldrig komma i jämvikt med det omgivande materialet. "Det kan absorbera en oändlig mängd värme från en behållare som hålls vid en konstant temperatur", förklarar Raphael Sorkin från Perimeter Institute for Theoretical Physics i Ontario. Ur termisk synpunkt kommer den att ha en temperatur på absolut noll. Denna slutsats strider mot observationerna från riktiga svarta kroppar (såsom ugnen). Fortsatt arbete med Max Plancks teori, Einstein visade att en svart kropp kan nå termisk jämvikt,om strålningsenergin kommer i diskreta enheter eller kvantiteter.
I nästan ett halvt sekel har teoretiska fysiker försökt uppnå en liknande lösning för svarta hål. Den avlidne Stephen Hawking från University of Cambridge tog ett viktigt steg i mitten av 70-talet genom att tillämpa kvantteori på strålningsfältet runt svarta hål och visa att de har icke-noll temperaturer. Därför kan de inte bara absorbera utan också avge energi. Även om hans analys skruvade in svarta hål i termodynamikområdet, förvärrade han också problemet med irreversibilitet. Utgående strålning avges vid kanten av det svarta hålet och bär inte information från det inre. Detta är slumpmässig värmeenergi. Om du vänder om processen och matar denna energi till ett svart hål dyker ingenting upp: du får bara ännu mer värme. Och det är omöjligt att föreställa sig att det finns något kvar i det svarta hålet, bara fångat, för när det svarta hålet avger strålning, dras det samman ochförsvinner så småningom enligt Hawkings analys.
Detta problem kallas informationsparadoxen, eftersom det svarta hålet förstör information om partiklarna som har fallit in i det, som du kan försöka återställa. Om de svarta hålens fysik verkligen är oåterkallelig måste något bära ut information, och vårt koncept med rymdtid kan behöva modifieras för att tillgodose detta faktum.
Runtidsatomer
Värme är slumpmässig rörelse av mikroskopiska partiklar som gasmolekyler. Eftersom svarta hål kan värmas upp och svalna, skulle det vara rimligt att anta att de består av delar - eller, mer generellt, av mikroskopisk struktur. Och eftersom ett svart hål bara är tomt utrymme (enligt allmän relativitet passerar materia som faller in i ett svart hål genom händelsehorisonten utan att stoppa), måste delar av ett svart hål vara delar av rymden i sig. Och under den vilseledande enkelheten i det platta, tomma utrymmet finns det en enorm komplexitet.
Även teorier som borde ha bibehållit den traditionella uppfattningen om rymdtid har kommit till slutsatsen att något lurar under denna släta yta. Till exempel, i slutet av 1970-talet försökte Steven Weinberg, nu vid University of Texas i Austin, beskriva gravitationen på samma sätt som andra naturkrafter beskriver den. Och jag fick reda på att rymdtid har ändrats radikalt i sin minsta skala.
Fysiker visualiserade ursprungligen mikroskopiskt utrymme som en mosaik av små utrymmen. Om du ökar dem till Planck-skalan, måttligt liten i storlek 10-35 meter, tror forskare att du kan se något som ett schackbräde. Eller kanske inte. Å ena sidan föredrar ett sådant nätverk av schackutrymmen några riktningar framför andra, vilket skapar asymmetrier som strider mot den speciella relativitetsteorin. Till exempel kommer ljus i olika färger att röra sig i olika hastigheter - som i ett glasprisma som bryter ljus i dess bestående färger. Och även om manifestationer i små skalor kommer att vara mycket svåra att märka, kommer brott mot GRT uppenbarligen att vara uppenbara.
Termodynamiken i svarta hål ifrågasätter bilden av rymden som en enkel mosaik. Genom att mäta det termiska beteendet för vilket system som helst kan du räkna dess delar, åtminstone i princip. Släpp energi och titta på termometern. Om kolonnen har tagit av bör energin fördelas på relativt få molekyler. Faktum är att du mäter entropin i ett system, vilket representerar dess mikroskopiska komplexitet.
Om du gör detta med en vanlig substans ökar antalet molekyler med materialets volym. Så i alla fall borde det vara: om du ökar radien på en strandboll med 10 gånger kommer den att passa 1000 gånger fler molekyler inuti den. Men om du ökar radien på ett svart hål tio gånger kommer antalet molekyler i det bara att multipliceras 100 gånger. Antalet molekyler som det består av bör vara proportionellt inte till dess volym utan till ytan. Ett svart hål kan verka tredimensionellt, men det beter sig som ett tvådimensionellt objekt.
Denna konstiga effekt kallas den holografiska principen, eftersom den liknar ett hologram, som vi ser som ett tredimensionellt objekt, men vid närmare granskning visar sig vara en bild som produceras av en tvådimensionell film. Om den holografiska principen tar hänsyn till rymdens mikroskopiska komponenter och dess innehåll - vilket fysiker erkänner, men inte alla - räcker det inte att skapa utrymme genom att helt enkelt ansluta de minsta bitarna av det.
Trassligt nät
Under de senaste åren har forskare insett att kvantförstöring måste involveras. Denna djupa egenskap hos kvantmekanik, en extremt kraftfull typ av anslutning, verkar mycket mer primitiv än rymden. Experimenter kan till exempel skapa två partiklar som flyger i motsatta riktningar. Om de blir intrasslade kommer de att förbli anslutna oavsett avståndet som skiljer dem.
Traditionellt, när människor pratade om "kvant" gravitation, menade de kvantdiskretitet, kvantfluktuationer och alla andra kvanteffekter - inte kvantflätning. Allt har förändrats tack vare svarta hål. Under ett svart håls livstid faller intrasslade partiklar in i det, men när det svarta hålet förångas förblir partnerna utanför det svarta hålet intrasslade - utan ingenting. "Hawking borde ha kallat det ett intrasslingsproblem", säger Samir Mathur från Ohio State University.
Även i ett vakuum, där det inte finns några partiklar, är elektromagnetiska och andra fält inblandade. Om du mäter fältet på två olika platser, kommer dina avläsningar att variera något, men förblir i samordning. Om du delar upp området i två delar kommer dessa delar att vara i korrelation, och graden av korrelation beror på den geometriska egenskapen de har: gränssnittsområdet. 1995 uppgav Jacobson att intrassling ger en länk mellan materiens närvaro och rymdtidens geometri - vilket innebär att det kan förklara tyngdlagen. "Mer intrassling betyder mindre tyngdkraft", sa han.
Vissa tillvägagångssätt för kvantgravitation - framför allt strängteori - ser intrassling som en viktig hörnsten. Strängteori tillämpar den holografiska principen inte bara på svarta hål utan på universum som helhet och ger ett recept för att skapa utrymme - eller åtminstone en del av det. Det ursprungliga tvådimensionella utrymmet kommer att tjäna som gränsen för ett större volymetriskt utrymme. Och intrassling kommer att binda det volymetriska utrymmet till en enda och kontinuerlig helhet.
År 2009 gav Mark Van Raamsdonk från University of British Columbia en elegant förklaring till denna process. Antag att fälten vid gränsen inte är sammantrassade - de bildar ett par system ur korrelation. De motsvarar två separata universum, mellan vilka det inte finns något sätt att kommunicera. När systemen trasslar in bildas en slags tunnel, ett maskhål, mellan dessa universum och rymdskepp kan röra sig mellan dem. Ju högre graden av intrassling, desto kortare är maskhålets längd. Universerna smälter samman till ett och är inte längre två separata. "Tillkomsten av stor rymdtid kopplar direkt sammantrassel med dessa grader av fältteorins frihet", säger Van Raamsdonck. När vi ser korrelationer i elektromagnetiska fält och andra fält är de kvarlevan av sammanhållningen som binder samman rymden.
Många andra funktioner i rymden, förutom att vara anslutna, kan också återspegla intrassling. Van Raamsdonk och Brian Swingle från University of Maryland argumenterar för att allas inträngnad förklarar tyngdkraftens universalitet - att den påverkar alla föremål och genomsyrar överallt. För svarta hål tror Leonard Susskind och Juan Maldacena att intrånget mellan det svarta hålet och strålningen det avger skapar ett maskhål - den svarta ingången till det svarta hålet. Således bevaras information och fysiken i ett svart hål är oåterkallelig.
Även om dessa strängteori-idéer bara fungerar för specifika geometrier och bara rekonstruerar en dimension av rymden, har vissa forskare försökt förklara rymden från grunden.
I fysik och i allmänhet inom naturvetenskapen är rum och tid grunden för alla teorier. Men vi märker aldrig rymdtid direkt. Snarare härleder vi dess existens från vår vardagliga upplevelse. Vi antar att den mest logiska förklaringen till de fenomen som vi ser kommer att vara någon mekanism som fungerar i rymdtid. Men kvantgravitationen säger att inte alla fenomen passar perfekt in i en sådan bild av världen. Fysiker måste förstå vad som är ännu djupare, rymdens in och ut, baksidan av en jämn spegel. Om de lyckas kommer vi att avsluta den revolution som Einstein började för mer än ett sekel sedan.
Ilya Khel