У природничих науках простір і час є основою всіх теорій. Але ми ніколи не спостерігаємо їх безпосередньо та просто віримо власному досвіду. Теорія квантової гравітації показує нам, що не всі явища акуратно вписуються в простір-час. Фізикам доведеться знайти нову фундаментальну структуру, щоб завершити революцію, яку розпочав Ейнштейн.

Люди завжди сприймали простір як належне, ніби це просто пустота, тло для чогось важливішого. Те ж саме стосується і часу, який просто тече безперервно. Але якщо фізики й навчились чогось за останнє століття, то простір і час утворюють систему такого рівня складності, що усі наші спроби зрозуміти її виглядають досить жалюгідно.

Альберт Ейнштейн сформулював загальну теорію відносності, яка постулює, що сила тяжіння – це особливість простору-часу, а не сила, яка поширюється через простір. Коли ви підкидаєте м’яча догори, він повертається тому, що Земля спотворює простір-час навколо нього, через що шляхи планети та м’яча знову перетинаються. У листі до друга Ейнштейн розглядав злиття загальної теорії відносності зі своїм іншим творінням, теорією квантової механіки, яка тільки почала зароджуватись. Це могло б не просто спотворювати простір, але й зовсім знищити його, але вчений не знав, з чого почати математично.

Він так і не просунувся далі. Навіть сьогодні існує майже стільки ж суперечливих ідей для квантової теорії гравітації, як і вчених, що працюють над цією темою. Суперечки відкривають важливу істину: конкуруючі підходи говорять, що простір походить від чогось глибшого, ідеї, яка розвивається разом з наукою та філософією вже 2,5 тисячі років.

Крізь Чорну діру

Кухонний магніт лаконічно демонструє проблему, з якою стикаються фізики. Він може втримати папір на вертикальній поверхні попри силу тяжіння всієї Землі. Гравітація слабша, ніж магнетизм, електричні чи ядерні сили, навіть попри квантові ефекти, які вона має. Єдиним відчутним свідченням того, що ці процеси відбуваються взагалі, є розмаїта картина матерії в самому ранньому Всесвіті, викликана, як вважається, квантовими флуктуаціями гравітаційного поля.

Чорні діри є найкращим тестом для квантової гравітації. Багато теоретиків вивчають чорні діри у якості точки опори. Наприклад, що буде, якщо взяти рівняння, яке відмінно працює у лабораторних умовах та екстраполювати його у максимально екстремальну ситуацію? Чи виявиться у них якийсь тонкий недолік?

Загальна теорія відносності передбачає, що матерія, що потрапляє в чорну діру, без обмеження стискається, коли наближається до центру – математичний глухий кут, названий сингулярністю. Теоретики не можуть екстраполювати траєкторію об’єкта за межі сингулярності; її часова лінія закінчується там. Навіть говорити про “там” проблематично, тому що простір-час, який би визначав місце розташування сингулярності, перестає існувати. Дослідники сподіваються, що квантова теорія може сфокусуватися на цій точці і відстежувати, що відбувається з матеріалом, який потрапляє туди.

На межі отвору матерія не настільки стиснута, сила тяжкості слабшає, тож відомі закони фізики повинні зберігатися. Ти більше дивно, що вони цього не роблять. Чорна діра демаркується горизонтом подій, точкою неповернення: матерія, яка потрапляє туди, не може повернутись назад. Це є проблемою, оскільки всі відомі закони фундаментальної фізики, у тому числі квантової механіки, є оборотними. Принаймні, ви повинні бути в змозі обернути назад рух всіх частинок і відновити те, що було.

У кінці 1800-х рр. фізики зустрілися зі схожою загадкою, коли розглядали математику “чорного тіла“, ідеалізованого як порожнини, наповненої електромагнітним випромінюванням. Теорія електромагнетизму Джеймса Клерка Максвела передбачала, що такий об’єкт буде поглинати все випромінювання, спрямоване на нього, і що він ніколи не зможе досягти рівноваги з навколишнім середовищем.

Він поглине нескінченну кількість тепла з резервуара, що підтримується при фіксованій температурі, пояснює Рафаель Соркін з Інституту теоретичної фізики Онтаріо. Він фактично матиме температуру абсолютного нуля. Цей висновок суперечив спостереженням реальних чорних тіл (таких як піч).

Слідуючи міркуванням Макса Планка, Ейнштейн вказав, що чорне тіло може досягти теплової рівноваги, якщо випромінювана енергія поступає у дискретних одиницях (квантах).

Фізики-теоретики протягом майже півстоліття намагалися досягти еквівалентного правила для чорних дір. Стівен Хокінг зробив величезний крок у середині 1970-х років, коли застосував квантову теорію до поля випромінювання навколо чорних дір і показав, що вони мають ненульову температуру. Таким чином, вони можуть не тільки поглинати, але й виділяти енергію. Хоча його аналіз переніс чорні діри до наукового поля термодинаміки, це поглибило проблему незворотності. Вихідне випромінювання з’являється з-за кордону отвору діри і не містить інформації про її внутрішню частину. Це випадкова теплова енергія. Якщо ви скасуєте процес і повернете енергію назад, то речовина, яка туди потрапить, не вискочить знову; ви просто отримаєте більше тепла.

На жаль, ви не зможете уявляти, як речі існують, замкнені у нутрощах чорної діри. Діра стискається та випромінює радіацію, а отже, згідно з аналізом Хокінга, поступово зникає.

Ця проблема називається інформаційним парадоксом, оскільки чорна діра знищує інформацію про атакуючі частинки, які дозволяють вам перемотати їх рух назад. Якщо фізика чорної діри дійсно є оборотною, то щось повинне повертати інформацію назад, тому концепція простору-часу потребує суттєвих змін.

Дізнатись більше :

Scientific American