Что изучает пространство и время
Величайшие загадки: что такое пространство-время?
Люди всегда принимают пространство как само собой разумеющееся. В конце концов, это просто пустота — емкость для всего остального. Время тоже тикает непрерывно. Но физики такие люди, им всегда нужно что-то усложнить. Регулярно пытаясь объединять свои теории, они выяснили, что пространство и время сливаются в системе настолько сложной, что обычному человеку и не понять.
Визуализация пространства и времени.
Альберт Эйнштейн понял, что нас ждет, еще в ноябре 1916 года. Годом раньше он сформулировал общую теорию относительности, согласно которой гравитация — это не сила, которая распространяется в пространстве, а свойство самого пространства-времени. Когда вы подбрасываете мяч в воздух, он летит по дуге и возвращается на землю, потому что Земля искривляет пространство-время вокруг себя, поэтому дорожки мяча и земли пересекутся снова. В письме другу Эйнштейн рассматривал задачу слияния общей теории относительности с другим своим детищем, зарождающейся теорией квантовой механики. Но его математических навыков просто не хватало. «Как же я измучил себя этим!», писал он.
Эйнштейн так никуда и не пришел в этом отношении. Даже сегодня идея создания квантовой теории гравитации кажется крайне далекой. Споры скрывают важную истину: конкурентные подходы все как один говорят о том, что пространство рождается где-то глубже — и эта идея ломает устоявшееся за 2500 лет научное и философское представление о нем.
Вниз по черной дыре
Обычный магнитик на холодильнике прекрасно иллюстрирует проблему, с которой столкнулись физики. Он может приколоть бумажку и сопротивляться гравитации всей Земли. Гравитация слабее магнетизма или другой электрической или ядерной силы. Какие бы квантовые эффекты за ней ни стояли, они будут слабее. Единственное осязаемое доказательство того, что эти процессы вообще происходят, это пестрая картина материи в самой ранней Вселенной — которая, как полагают, была нарисована квантовыми флуктуациями гравитационного поля.
Черные дыры — лучший способ проверить квантовую гравитацию. «Это самое подходящее, что можно найти для экспериментов», говорит Тед Джейкобсон из Университета Мэриленда, Колледж-Парк. Он и другие теоретики изучают черные дыры как теоретические точки опоры. Что происходит, когда берутся уравнения, которые идеально работают в лабораторных условиях, и помещаются в самые экстремальные ситуации из мыслимых? Не появится ли какой-нибудь едва заметной огрехи?
Общая теория относительно предсказывает, что вещество, падающее в черную дыру, бесконечно сжимается по мере приближения к центру — математическому тупичку под названием сингулярность. Теоретики не могут вообразить траекторию объекта за пределами сингулярности; все линии сходятся в ней. Даже говорить о ней, как о месте, проблематично, потому что само пространство-время, определяющее местоположенрие сингулярности, прекращает существовать. Ученые надеются, что квантовая теория может предоставить нам микроскоп, который позволит рассмотреть эту бесконечно малую точку бесконечной плотности и понять, что происходит с попадающей в нее материей.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
На границе черной дыры вещество еще не настолько сдавлено, гравитация слабее и, насколько нам известно, все законы физики должны работать. И тем больше обескураживает тот факт, что они не работают. Черная дыра ограничена горизонтом событий, точкой невозврата: вещество, преодолевающее горизонт событий, уже не вернется. Спуск необратим. Это проблема, потому что все известные законы фундаментальной физики, включая квантово-механические, обратимы. По крайней мере, в принципе, в теории, вы должны иметь возможность обратить движение и восстановить все частицы, которые у вас были.
С похожей головоломкой физики столкнулись в конце 1800-х, когда рассматривали математику «черного тела», идеализированного как полость, заполненная электромагнитным излучением. Теория электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла предсказывала, что такой объект будет поглощать все излучение, которое на него падает, и никогда не придет в равновесие с окружающей материей. «Он может поглотить бесконечное количество тепла от резервуара, который поддерживается при постоянной температуре», объясняет Рафаэль Соркин из Института теоретической физики Периметра в Онтарио. С тепловой точки зрения у него будет температура абсолютного нуля. Этот вывод противоречит наблюдениям настоящих черных тел (таких как печь). Продолжая работу над теорией Макса Планка, Эйнштейн показал, что черное тело может достичь теплового равновесия, если энергия излучения будет поступать в дискретных единицах, или квантах.
Физики-теоретики почти полвека пытались достичь подобного решения для черных дыр. Покойный Стивен Хокинг из Кембриджского университета предпринял важный шаг в середине 70-х, применив квантовую теорию к полю излучения вокруг черных дыр и показав, что у них ненулевая температура. Следовательно, они могут не только поглощать, но и излучать энергию. Хотя его анализ ввернул черные дыры в область термодинамики, он также усугубил проблему необратимости. Исходящее излучение испускается на границе черной дыры и не переносит информацию из недр. Это случайная тепловая энергия. Если обратить процесс и скормить эту энергию черной дыре, ничего не всплывет: вы просто получите еще больше тепла. И невозможно вообразить, что в черной дыре что-то осталось, просто в ловушке, потому что по мере того, как черная дыра испускает излучение, она сокращается и, согласно анализу Хокинга, в конечном итоге исчезает.
Эта проблема получила название информационного парадокса, поскольку черная дыра разрушает информацию о попавших в нее частицах, которые вы могли бы попытаться восстановить. Если физика черных дыр действительно необратимо, что-то должно выносить информацию обратно, и нашу концепцию пространства-времени, возможно, придется изменить, чтобы вписать этот факт.
Атомы пространства-времени
Тепло — это случайное движение микроскопических частиц, вроде молекул газа. Поскольку черные дыры могут нагреваться и остывать, было бы разумно предположить, что они состоят из частей — или, если в общем, из микроскопической структуры. И поскольку черная дыра — это просто пустое пространство (согласно ОТО, падающая в черную дыру материя проходит через горизонт событий, не останавливаясь), части черной дыры должны быть частями самого пространства. И под обманчивой простотой плоского пустого пространства скрывается колоссальная сложность.
Даже теории, которые должны были сохранять традиционное представление о пространстве-времени, пришли к выводам, что что-то прячется под этой гладкой поверхностью. Например, в конце 1970-х годов Стивен Вайнберг, сейчас работающий в Техасском университете в Остине, попытался описать гравитацию так же, как описывают другие силы природы. И выяснил, что пространство-время радикально модифицировано в своих мельчайших масштабах.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Термодинамика черных дыр ставит под сомнение картину пространства в виде простой мозаики. Измеряя тепловое поведение любой системы, вы можете сосчитать ее части, по крайней мере в принципе. Сбросьте энергию и посмотрите на термометр. Если столбик взлетел, энергия должна распространяться на сравнительно немного молекул. Фактически, вы измеряете энтропию системы, которая представляет собой ее микроскопическую сложность.
Если проделать это с обычным веществом, количество молекул увеличивается вместе с объемом материала. Так, во всяком случае, должно быть: если увеличить радиус пляжного мяча в 10 раз, внутри него поместится в 1000 раз больше молекул. Но если увеличить радиус черной дыры в 10 раз, число молекул в ней умножится всего в 100 раз. Число молекул, из которых она состоит, должно быть пропорциональным не ее объему, а площади поверхности. Черная дыра может казаться трехмерной, но ведет себя как двумерный объект.
Этот странный эффект получил название голографического принципа, потому что напоминает голограмму, которая видится нам как трехмерный объект, а при ближайшем рассмотрении оказывается изображением, произведенным двумерной пленкой. Если голографический принцип учитывает микроскопические составляющие пространства и его содержимого — что физики допускают, хоть и не все — для создания пространства будет недостаточно простого сопряжения мельчайших его кусочков.
Запутанные сети
В последние годы ученые осознали, что в этом всем должна быть замешана квантовая запутанность. Это глубокое свойство квантовой механики, чрезвычайно мощный тип связи, кажется намного примитивнее пространства. Например, экспериментаторы могут создать две частицы, летящие в противоположные направления. Если они будут запутаны, они останутся связанными вне зависимости от разделяющего их расстояния.
Время относительно, не стоит об этом забывать
Традиционно, когда люди говорили о «квантовой» гравитации, они имели в виду квантовую дискретность, квантовые флуктуации и все остальные квантовые эффекты — но не квантовую запутанность. Все изменилось, благодаря черным дырам. За время жизни черной дыры в нее попадают запутанные частицы, но когда черная дыра полностью испаряется, партнеры за пределами черной дыры остаются запутанными — ни с чем. «Хокингу стоило назвать это проблемой запутанности», говорит Самир Матур из Университета штата Огайо.
Даже в вакууме, где нет никаких частиц, электромагнитные и другие поля внутренне запутаны. Если измерить поле в двух разных места, ваши показания будут незначительно колебаться, но останутся в координации. Если разделить область на две части, эти части будут в корреляции, а степень корреляции будет зависеть от геометрического свойство, которое у них есть: площадь интерфейса. В 1995 году Якобсон заявил, что запутанность обеспечивает связь между присутствием материи и геометрией пространства-времени — а значит, могла бы объяснить и закон гравитации. «Больше запутанности — гравитация слабее», говорил он.
Некоторые подходы к квантовой гравитации — прежде всего, теория струн — рассматриваю запутанность как важный краеугольный камень. Теория струн применяет голографический принцип не только к черным дырам, но и вселенной в целом, обеспечивая рецепт создания пространства — или, по крайней мере, некоторой его части. Оригинальное двумерное пространство будет служить границей более обширного объемного пространства. А запутанность будет связывать объемное пространство в единое и непрерывное целое.
В 2009 году Марк Ван Раамсдонк из Университета Британской Колумбии предоставил элегантное объяснение этому процессу. Предположим, поля на границе не запутаны — они образуют пару систем вне корреляции. Они соответствуют двум отдельным вселенным, между которыми нет никакого способа связи. Когда системы становятся запутанными, образуется как бы туннель, червоточина, между этими вселенными и космические корабли могут между ними перемещаться. Чем выше степень запутанности, тем меньше длина червоточины. Вселенные сливаются в одну и больше не являются двумя отдельными. «Появление большого пространства-времени напрямую связывает запутанность с этими степенями свободы теории поля», говорит Ван Раамсдонк. Когда мы наблюдаем корреляции в электромагнитном и других полях, они являются остатком сцепления, которое связывает пространство воедино.
Многие другие особенности пространства, помимо его связанности, также могут отражать запутанность. Ван Раамсдонк и Брайан Свингл, работающий в Университете Мэриленда, утверждает, что вездесущность запутанности объясняет универсальность гравитации — что она воздействует на все объекты и проникает везде. Что касается черных дыр, Леонард Сасскинд и Хуан Малдасена считают, что запутанность между черной дырой и испускаемым ей излучением создает червоточину — черный вход в черную дыру. Таким образом сохраняется информация и физика черной дыры оказывается необратимой.
Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.
Хотя эти идеи теории струн работают только для конкретных геометрий и реконструируют только одно измерение пространства, некоторые ученые пытаются объяснить появление пространства с нуля.
В физике, да и в целом, в естественных науках, пространство и время — основа для всех теорий. Но мы никогда не замечаем пространства-времени напрямую. Скорее, выводим его существование из нашего повседневного опыта. Мы предполагаем, что наиболее логичным объяснением явлений, которые мы видим, будет некоторый механизм, который функционирует в пространстве-времени. Но квантовая гравитация говорит нам, что не все явления идеально вписываются в такую картину мира. Физикам нужно понять, что находится еще глубже, подноготную пространства, обратную сторону гладкого зеркала. Если им удастся, мы закончим революцию, начатую больше века назад Эйнштейном.
14 научных теорий и фактов о времени, которые расширят ваши перспективы и горизонты
Научные теории, которые заставят вас по-новому взглянуть на реальность, наш мир и Вселенную.
Время влияет на каждый аспект нашей жизни. Мы ориентируемся на него, когда просыпаемся, идем на работу, приступаем к еде, ложимся спать. И несмотря на такие, казалось бы, «близкие отношения», вы едва ли ответите: что же такое время?
Тысячелетиями философы и ученые со всего мира строили собственные теории о времени, но лишь единицы из них привели к какому-либо консенсусу. И хотя до сих пор не существует полного общепринятого определения, грубо говоря, время — это единица измерения.
Мы используем его для описания событий или продолжительности между ними. И это определение работает как в повседневной жизни, так и в точных науках, например в математике. В разговорной речи мы часто употребляем обороты «время идет» и «время летит», когда речь идет о поступательном движении жизни. А физики называют этот опыт «стрелой времени».
Однако истинная сущность этого явления по сей день остается противоречивой и загадочной. Несмотря на то что физики могут активно использовать единицы времени в своих уравнениях, вопрос «как работает время?» продолжает приводить в недоумение все научное сообщество.
Действительно, за пределами поверхностных слоев времени здравый смысл и интуитивные идеи подвергаются сомнению, что затрудняет разговор о существовании, без упоминания о чем-то более метафизическом. В результате загадка времени фактически заставила некоторых философов и ученых переосмыслить всю модель нашей Вселенной.
Сегодня наша редакция решила рассказать вам о 14 научных теориях о времени, которые ставят под сомнение наше собственное восприятие реальности.
1. Время — это иллюзия
Возможно, вы когда-нибудь слышали от вашего учителя физики, преподавателя естественных наук или энергичного гостя на «модном» официальном приеме, что время нереально. И хотя это утверждение по своей природе необязательно неверно, основной принцип, который лежит в его основе (и порой называется B-теорией времени), на самом деле утверждает, что время является иллюзией.
Говоря более конкретно, наш опыт времени (прошлого, настоящего и будущего) больше связан с нашими собственными субъективными ощущениями, чем с какой-либо фундаментальной особенностью существования.
Большинство современных физиков поддерживают эту точку зрения, утверждая, что время, которое мы воспринимаем нашим человеческим разумом на местном уровне, значительно отличается от изначального поведения времени в масштабе Вселенной.
2. Время — это измерение
Мы все понимаем основную концепцию трехмерного пространства. Технически это значит, что каждая точка в нашей Вселенной имеет физический адрес, который можно определить по координате вдоль трех перпендикулярных плоскостей (X, Y и Z). Это просто одна из многих интересных вещей о космосе. Но действительно ли точка в пространстве «существует» без времени, в которое это можно сделать?
Нет такого физического закона, который бы требовал, чтобы время было измерением. Однако специальная теория относительности Альберта Эйнштейна привела именно к этому утверждению. Называя его четвертым измерением, широкий круг современных ученых признает, что время плавно переплетается с трехмерным пространством в континууме «пространство-время».
3. Время относительно
Утверждения Эйнштейна не закончились на взаимозависимости пространства-времени. Специальная теория относительности вывела идею о том, что время и скорость напрямую связаны.
Этот принцип, известный как «замедление времени», гласит, что время замедляется для движущихся объектов: чем быстрее движется предмет, тем медленнее для него проходит время. Бесчисленные эксперименты подтвердили эту теорию, доказав, что часы в движении «идут» медленнее, чем их синхронизированные аналоги, пребывающие в состоянии покоя.
Несмотря на то что этот эффект невозможно обнаружить на человеческих скоростях, они становятся заметнее с увеличением скорости.
К примеру, двухлетний полет космического корабля со скоростью света эквивалентен 30 годам на Земле. В таком случае, возможно, недостижимый источник молодости человечества вовсе не место, а космическое путешествие?
4. Время объективно
В противовес специальной теории относительности Эйнштейна и современному пониманию пространства-времени, которое существует в научном сообществе, некоторые физики и философы представляют время как независимое и фундаментальное свойство нашей Вселенной.
К примеру, согласно теории Ньютона, не зависит от внешних факторов. Известная как концепция «абсолютного времени и пространства», она утверждает, что эти особенности нашей Вселенной действуют как своего рода сцена и фон для всего, что в ней содержится и происходит.
5. Путешествие во времени возможно
Один неоспоримый закон существования гласит, что если поднимается тема времени, ее сопровождают разговоры о временных путешествиях. И хотя было выпущено множество книг, фильмов и телешоу, посвященных этой теме, науке не хватало доказательств правдоподобия перемещений во времени.
В игру снова вступает теория относительности Эйнштейна с утверждением о том, что путешествие во времени действительно возможно, но для этого требуется скорость, близкая к скорости света, — что-то, что в настоящее время находится за пределами технической досягаемости.
Тем не менее, если решить эту проблему, математика поддерживает только путешествие в будущее, но не в прошлое, как мы привыкли видеть в художественной литературе и кинематографе.
Еще одна популярная концепция, которая может учитывать движение как вперед, так и назад, — это искривление пространства-времени. Теоретически эта концепция считается возможной, но при условии задействования кротовой норы. Но вновь возникает вопрос: как создать эту самую червоточину?
Выступая в качестве святого грааля путешествий во времени, эта концепция постепенно переходит из области фантастики к тяжелой науке.
Ее потенциальная возможность приводит к возникновению множества парадоксов и вопросов.
Например, если в один прекрасный день путешествие во времени станет возможным, почему никто до сих пор не вернулся из будущего, чтобы сказать нам, как это сделать?
6. Возможно, нельзя узнать, что произошло до Большого взрыва, поскольку времени вовсе не существовало
Направляя свои телескопы в далекую Вселенную, космологи фактически имеют возможность заглянуть в прошлое. Дело в том, что свету требуется время, чтобы преодолевать большие расстояния, и когда он «доходит» до нас, проходит невообразимое количество лет.
Если однажды мы действительно сможем запечатлеть начало времени, маловероятно, что мы когда-нибудь узнаем, что было до этого. Одна из причин связана с нашими ограниченными методами исследования.
В основном они полагаются на известные законы физики, которые, предположительно, перестают работать за пределами нашей Вселенной. Другая причина — сама природа Вселенной.
По крайней мере, не в том виде, который мы знаем и можем понять.
7. Время может существовать в другом месте
Все больше ученых считают, что наша Вселенная является лишь одной из множества. Так гласит теория Мультивселенной. Одни ученые предсказывают, что эти вселенные могут быть идентичными или лишь слегка отличаться от нашей, в то время как другие представляют их совершенно уникальными.
В первом случае время, скорее всего, существует и ведет себя так же, как и в нашей Вселенной. Но если вселенная радикально отличается от той, в которой живем мы с вами, в ней может существовать нечто подобное времени или, быть может, что-то еще более ошеломляющее и экзотическое. При таком раскладе почти невозможно представить, как будет функционировать подобная вселенная.
8. Время не имеет настоящего
Кадр из фильма «Назад в Будущее»
Наиболее распространенные представления о времени связаны с тем, как человеческий вид, то есть мы, его испытываем. Мы пребываем в настоящем моменте. Этот момент проходит, становится прошлым, а будущее становится нашим новым настоящим.
Эта серия временных отрезков продолжается и продолжается без задержек и сбоев. Однако с опорой на теорию относительности философский подход этернализм предполагает, что мы обитаем в «блок-вселенной», где течения времени вовсе не существует.
С этой точки зрения прошлое, настоящее и будущее являются частью единого, статичного блока «пространства-времени».
9. Время динамично
Sian Butcher / BuzzFeed
В то время как этерналистская «блок-вселенная» предполагает, что все, что происходит в прошлом и будущем, так же реально, как и в настоящем, все больше и больше ученых и философов обращаются к концепции презентизма, согласно которой время динамично и имеет физическую природу.
Другими словами, с этой точки зрения течение времени реально. Существует только настоящее, в котором мы живем. Прошлое остается в прошлом, а будущее — это то, чего еще не было.
10. Время может быть чьим-то творением
В «Матрице» персонаж Киану Ривза, Нео, с удивлением обнаруживает, что все его переживания происходят в рамках сложной компьютерной программы. А его реальный разум и тело вырабатывают биоэлектрическую энергию, необходимую для выживания машин с искусственным интеллектом.
Гипотеза не утверждает, что наши тела и умы (обязательно) были узурпированы гнусными роботами. На самом деле, она даже не требует, чтобы у нас было тело и разум. Согласно концепции, наша реальность — это симулированный опыт, где наши предположения о том, что является «реальным», — продукт какого-то внешнего, более высокого интеллекта.
Если бы это было действительно так, то весь наш опыт, включая опыт времени, был бы алгоритмической конструкцией, созданной специально для смоделированного мира, в котором мы сейчас находимся.
11. Время циклично
Циклическая теория Вселенной предполагает, что наша Вселенная рождается, разрушается и вновь возрождается. И не без оснований. Наша реальность вызвана Большим взрывом — с одной стороны, периодом расширения, за которым следует период сокращения, и Большим кризисом — с другой.
Этот, возможно, вечный цикл не предполагает существование каких-либо предшествующих или последующих вселенных. Однако, если они похожи на наше нынешнее существование, пространство и время, скорее всего, будут найдены внутри них.
12. Время повторяется
Фраза «Время — это плоский круг», которая обрела особую популярность благодаря персонажу Мэттью МакКонахи из «Настоящего детектива», своим происхождением обязана ницшеанской философии. Однако Фридрих Ницше не высказывал идеи о постоянно повторяющихся жизни и существовании.
Обнаруженная во многих мировых религиозных текстах, концепция вечного возвращения является популярной и древней по своему существу.
Подобно цикличной теории Вселенной, приверженцы вечного возвращения предполагают, что каждый момент бытия может повториться бесконечное число раз, поскольку его время бесконечно, а число элементов ограничено.
Хотя научных доказательств такой идеи недостаточно, некоторые ученые считают, что в достаточно большой вселенной с ограниченным числом возможностей точные молекулярные конфигурации и даже точные моменты все же могут повторяться.
13. Время имеет конец
Особо популярная теория о том, как наша Вселенная встретит свой конец, известна как Большое замораживание. В момент, когда Вселенная достигнет максимальной энтропии, она переживет процесс тепловой смерти.
Поскольку энергия равномерно распределена по всему пространству, которое мы называем реальностью, ничто не будет двигаться вперед — ни материя, ни пространство, ни стрела времени. И мы ничего не сможем сделать, чтобы это остановить.
14. Время бесконечно
Хотя наша Вселенная невероятных размеров, большинство физиков все же считают ее конечной. Тем не менее интерпретация многих миров, которая имеет некоторые общие черты с гипотезой Мультивселенной, утверждает, что существует бесконечное количество миров или вселенных, схожих с нашими собственными, где происходит все, что когда-либо могло произойти.
Если это так, то само время должно происходить в бесконечном количестве случаев, что означает, что оно не имеет конца.