Вне ткани пространства. Или что такое теория квантовой гравитации.

2-D проекция содержит все детали, необходимые для 3-D карты черной дыры. Некоторые физики считают, что пространство и время могут возникать через аналогичную взаимосвязь.

Действительно ли пространство и время фундаментальны?

   Из всех тайн жизни и вселенной, ни одна не сопротивляется выслеживанию лучших частных детективов от науки более упрямо, чем окончательная природа пространства и времени.

   Примерно каждые несколько столетий происходит действительно глубокое проникновение в суть, делая бессмертными имена своих исследователей: Евклида (систематизировавшего достижения своих предшественников), Галилео, Ньютона, Эйнштейна. Все же, каждое продвижение вперед оставляет без ответа еще более глубокие вопросы. И теперь, в 21 веке, лучшие умы все еще не могут сказать наверняка, является ли пространство и время фундаментальными строительными блоками естественного существования, или сами построены из более исконных компонентов, до сих пор неустановленных.

   Ньютон просто объявил пространство и время абсолютными и постоянными, обеспечив удобную арену для действия его законов движения и силы тяжести. Эйнштейн увидел и показал, что с развитием событий пространство и время фактически меняют форму или скорость; масса и движение деформируют пространство, изменяя течение времени.

   Преодоление подобного рода разногласий потребовало слияния пространства и времени в  пространство-время. Вследствие объединения,  получаем модель для развития космоса от начального пятнышка материи и энергии к гигантскому шару мультигалактической сети.

   В настоящее время, тем не менее, способность пространства-времени вместить явления природы начала исчерпывать себя, поскольку физики продвигают свои исследования к пределам расстояния и продолжительности. Ниже определенного крошечного расстояния, длина не может далее быть измеряемой или даже определяемой. Время находится перед подобным пределом, когда продолжительность его приближается к очень незначительной.

   Сегодняшние ведущие теории для того, чтобы ответить на самые значимые космические вопросы предполагают, что ни время, ни пространство не являются составляющими окончательного рецепта действительности. Где-нибудь между печью и столом, пространство и время появляются, приготовленные из уравнений, лежащих в основе мироздания, без линейки и часов. По крайней мере, это - “широко распространенное текущее убеждение”, говорит физик Джо Полчинский из Института теоретической физики Кавли Калифорнийского университета, Санта-Барбара.

Пространство как общество

   Чтобы проиллюстрировать это, Ф.Маркополо из Института Теоретической Физики в Ватерлоо, Канада, сравнивает пространство с обществом. У пространства, как и у общества, есть особенности, которые могут быть описаны — учебники геометрии систематизируют  свойства пространства и их значения. Но пространство, как это отражено в геометрии, не должно присутствовать в начале. Оно могло возникнуть из взаимодействия материи и силы так же, как и общество осуществляется вследствие взаимодействия между людьми.

   “У нас есть капиталистические общества, сельскохозяйственные общества, тоталитарные общества, ” писал Маркополо в статье 2008 года. Никого не смущают выражения, такие как “наше общество является зависимым от кредитов”. Но это не означает, что общество - фундаментальный признак существования.

 

   “Общество не существует независимое от его участников, ” как отмечал Маркополо. “Мы можем рассматривать геометрию пространства-времени как аналог по отношению к обществу, где роль индивидуальностей играет материя в её динамике”.

   Как отмечает Полчански, установление статуса пространство-время по отношению к материи, является частью поиска теории квантовой гравитации, способной объединить теорию относительности Эйнштейна, описывающую пространство-время в больших масштабах с квантовой физикой, управляющей микромиром. Ключевая подсказка в этих поисках – корреспонденция (взаимосвязь) между поверхностью чёрной дыры, бездонной гравитационной ямы, из которой ничто не может вырваться, и её внутренним пространством. Оказывается, математическое описание внешней границы чёрной дыры (точки невозврата для объектов, пересекающих её пределы) содержит всю необходимую информацию для определения трёхмерного строения внутри. В сущности, это означает, что трёхмерное пространство внутри каким-то образом появляется из физики двухмерной поверхности.

Время материализовалось

   Обобщение особенностей чёрных дыр по отношению к обычному пространству и времени остаётся проблемой исследований физиков в квантовой гравитации. Однако большинство соглашаются с тем, что рано или поздно пространству и времени придётся уйти.

Теория струн - наиболее изученный подход к квантовой гравитации - предлагает несколько моделей того, как пространство вместо того, чтобы быть фундаментальным, проявляет себя в существовании -  утверждает физик Натан Зайберг из Института специальных исследований в Принстоне, Нью-Джерси, в статье 2006 года.

   По наблюдению Зайберга, если  материя, например, в самой своей основе состоит из крошечных вибрирующих струн, то становится невозможным исследование пространства для  любого произвольно короткого расстояния. Это еще один способ доказать, что для расстояний  меньших, чем  некая (очень короткая) длина, идея пространства становится бессмысленной.

    Зайберг уверен, дальнейшие исследования беспространственных теорий могут помочь в решении серьёзных проблем, стоящих перед физиками сегодня. Теория  струн  подразумевает бесчисленно возможные состояния вакуума – то есть пространства, отличающиеся по своим физическим свойствам, без очевидного метода определения, какая из видимых вселенных должна быть выбрана. Знание того, как пространство возникает из беспространства, могло бы помочь объяснить, почему человечество существует в одном особом пространстве из числа бесчисленно возможных.  

                                                                                                                                  

   Зайберг допускает, отказ от времени ставит еще более трудноразрешимые вопросы.  Основные понятия в физике, такие как понимание причин, предшествующих эффектам, или предсказание результатов экспериментов до проведения самих экспериментов, теряют своё значение, если нет самого времени, чтобы определить, до или после. Поэтому, некоторые физики, один из которых Макрополо, предполагают, что если даже пространство находится на стадии возникновения, время  может оставаться фундаментальным. Фактически, они предполагают, что время необходимо для того, чтобы дать возможность квантовым процессам создать видимое пространство. Возможно, вначале вокруг и не было пространства, но то, что начало было бы мертворожденным без времени, факт.

   

   Тем не менее, Зайберг полагает, что пространство и время должны вместе утекать в космический сток.

   “По моему личному убеждению, эти возражения и вопросы не являются препятствием  для существования времени на стадии становления” - пишет Зайберг. “Вместо этого, они должны  рассматриваться как вызовы и возможно даже ключи к разгадке ответов”.     

    Еще более интригующе, по его наблюдениям то, что окончательный статус пространства и времени в природе может что-то сказать о научной практике. Большая часть современной науки основана на понятии редукционизма – объяснение крупномасштабных явлений законами, работающими в меньших масштабах. Это понятие, в конечном счете, перестанет действовать, если будет применяться самый маленький масштаб, ниже которого пространство больше не существует.

   “Поэтому, как только мы поймём, каким образом пространство-время возникает, мы сможем все еще искать более основательные фундаментальные законы, но эти же законы перестают действовать для более коротких расстояний” - пишет он. “Из чего можно сделать вполне очевидный вывод, понятие "более коротких расстояний" не будет иметь смысла. Это могло бы ознаменовать конец стандартного редукционизма". И начало нового представления не только пространства и времени, но и науки непосредственно.

Наименьшее из возможного

   Существующие теории не способны описать пространство и время ниже некоторых пределов, определяемых тем, что называется “натуральными числами”. Эти числа, предложенные немецким физиком Максом Планком, получены из фундаментальных расчетов, таких как скорость света. Теория, объединяющая квантовую механику с гравитацией, будет необходима, чтобы показать, являются ли пространство и время значащими понятиями при меньших масштабах.

Длина Планка: 1,616 х10ˉ35 м.  

   Длина Планка получена из гравитационной константы Ньютона, скорости света и собственной константы Планка из квантовой теории. Это неизмеримо мало: сравнение её размера по отношению к размеру бактерии подобно сравнению размера бактерии к размеру видимой вселенной. Многие физики уверены, что пространство не может быть исследовано при более коротких длинах и понятие расстояния теряет свое значение.

Время Планка 5,391х10ˉ44 сек.

   Время Планка также рассчитано из гравитационной постоянной и скорости света таким образом, при котором перемещение на некоторую длину Планка за некоторое время Планка, было бы равно скорости света. Существующие теории не способны описать вселенную в возрасте  моложе, чем время Планка; физики надеются, что теория квантовой гравитации сможет осветить эту эпоху.

С оригиналом статьи можно ознакомиться по этой ссылке