Що таке фізичний простір? Теоретична фізика: походження простору та часу.
Поняття простору та часу, вироблені у класичній фізиці, є результатом теоретичного аналізу механічного руху.
У головній роботі І.Ньютона «Математичні засади натуральної філософії», виданої 1687 р., було сформульовано основні закони руху та дано визначення понять простору та часу.
Поняття «простір» і «час» були визначені І. Ньютоном у суворій відповідності до тієї методологічної установки, яка була прийнята досвідченою наукою Нового Часу, що формується, а саме, пізнання сутності (законів природи) через явища. Він: «Час, простір, місце і рух становлять поняття загальновідомі. Проте слід зазначити, що це поняття зазвичай відносять до того, що осягається нашими почуттями. Звідси походять деякі неправильні судження, для усунення яких необхідно вищенаведені поняття поділити на абсолютні та відносні, істинні та здаються, математичні та звичайні».
Ньютон чітко розрізняв два типи часу та простору – абсолютне та відносне, і дав їм такі визначення:
« Абсолютний, справжній, математичний чассаме по собі і за своєю сутністю, без жодного відношення до чогось зовнішнього, протікає рівномірно та інакше називається тривалістю.
« Відносний, здається, або звичайний часє або точна, або мінлива, осягана почуттями, зовнішня міра тривалості, що вживається у повсякденному житті замість справжнього математичного часу, а саме: годину, день, місяць, рік.
« Абсолютний простірза своєю сутністю, безвідносно до чогось зовнішнього, залишається завжди однаковим і нерухомим.
« Відносний простірє міра або якась обмежена рухлива частина, яка визначається нашими почуттями за становищем його щодо деяких тіл і яке в повсякденному житті приймається за простір нерухоме».
Чим викликано це розрізнення?
Насамперед, воно пов'язане з особливостями теоретичного та емпіричного рівнів пізнання простору та часу.
Теоретично простір і час є ідеалізованими об'єктами, у яких виділяється лише одна характеристика: для часу – бути «чистою тривалістю», а для простору бути «чистою протяжністю».
На емпіричному рівні простір і час постають як відносні, тобто пов'язані з конкретними фізичними процесами та їх сприйняттям на рівні почуттів.
Таким чином, і для часу, і для простору термін «відносний» використовувався в сенсі «вимірювана величина» (яка осягається нашими почуттями), а «абсолютний» - у сенсі «математична модель».
Чому Ньютон ввів розмежування теоретичного та емпіричного змісту цих понять?
Співвідношення між поняттями абсолютного та відносного часу та необхідність у них ясно видно з наступного пояснення.
Час, як відомо, можна виміряти за допомогою рівномірного періодичного процесу. Однак ми знаємо, що процеси рівномірні? Очевидними є логічні труднощі у визначенні подібних первинних понять.
Інша складність пов'язана з тим, що два однаково рівномірні на даному рівні точності процесу можуть виявитися відносно нерівномірними при більш точному вимірі. І ми постійно опиняємося перед необхідністю вибору дедалі надійнішого зразка рівномірності ходу часу.
Абсолютний час відрізняється в астрономії від звичайного сонячного часу рівнянням часу. Бо природна сонячна доба, що приймається при повсякденному вимірі часу як рівна, насправді між собою нерівна. Ця нерівність і виправляється астрономами, щоб при вимірах рухів небесних світил застосовувати більш правильний час. Можливо, що немає (у природі) такого рівномірного руху, яким час міг би вимірюватися з досконалою точністю. Всі рухи можуть прискорюватися або сповільнюватися, протягом абсолютного часу змінюватися не може.
Таким чином, відносний час Ньютона є вимірюваний час, тоді як час абсолютний є його математична модель з властивостями, що виводяться з відносного часу за допомогою абстрагування.
Перейдемо до поняття абсолютного простору.
Важливу роль розвитку природознавства зіграв принцип відносності для механічного руху, вперше встановлений Г.Галилеем і остаточно сформульований у механіці Ньютоном.
Батьком принципу відносності вважається Галілео Галілей, який звернув увагу на те, що, перебуваючи в замкнутій фізичній системі, неможливо визначити, чи спочиває ця система, чи рівномірно рухається. За часів Галілея люди мали справу здебільшого з суто механічними явищами. У своїй книзі «Діалоги про дві системи світу» Галілей сформулював принцип відносності таким чином: для предметів, захоплених рівномірним рухом, це останнє як би не існує, і виявляє свою дію тільки на речах, які не беруть у ньому участі.
Ідеї Галілея знайшли розвиток в механіці Ньютона, який дав наукове формулювання принципу відносності: відносні рухи тіл один до одного, укладені в якомусь просторі, однакові, чи цей простір спочиває, чи рухається рівномірно і прямолінійно без обертання.
Іншими словами, згідно з принципом відносності Галілея, закони механіки є інваріантними, тобто залишаються незмінними при тих чи інших перетвореннях щодо інерційних систем відліку. Перехід від однієї інерційної системи відліку до іншої здійснюється на основі так званих перетворень Галілея, де х, у та z означають координати тіла, v – швидкість, а t – час:
Сенс принципу відносності у тому, що у всіх інерційних системах відліку закони класичної механіки мають однакову математичну форму записи.
У період створення механіки перед Ньютоном неминуче постало питання: а чи існують взагалі інерційні системи? Якщо існує хоча б одна така система, то може існувати безліч, бо будь-яка система, що рухається рівномірно і прямолінійно щодо даної, теж буде інерційною. Цілком очевидно, що у природі інерційних систем відліку немає. На Землі з достатньою мірою точності дотримується принцип інерції, проте Земля - система неінерційна: вона обертається навколо Сонця і навколо власної осі. Не може бути інерційною і система, пов'язана із Сонцем, бо Сонце обертається навколо центру Галактики. Але якщо жодна реальна система відліку не є строго інерційною, то чи не виявляються фікцією основні закони механіки?
Пошуки відповіді це питання призвели до поняття абсолютного простору. Воно уявлялося абсолютно нерухомим, а пов'язана з ним система відліку – інерційною. Передбачалося, що до абсолютного простору закони механіки виконуються суворим чином.
У перетвореннях Галілея відображені основні властивості простору та часу, як вони розумілися у класичній механіці.
Які ці властивості?
1. Простір і час існують як самостійні сутності, які пов'язані друг з одним.
Просторові та часові координати входять до рівнянь нерівноправним чином. Просторова координата в системі, що рухається, залежить і від просторової і від тимчасової координати в нерухомій системі (х" = х - vt). Тимчасова ж координата в системі, що рухається, залежить тільки від тимчасової координати в нерухомій і ніяк не пов'язана з просторовими координатами (t" = t ).
Таким чином, час мислиться як щось абсолютно самостійне по відношенню до простору.
2. Абсолютність простору та часу, тобто абсолютний характер довжини та часових інтервалів, а також абсолютний характер одночасності подій.
Основними метричними характеристиками простору та часу є відстань між двома точками у просторі (довжина) та відстань між двома подіями у часі (проміжок). У перетвореннях Галілея зафіксовано абсолютний характер довжини та проміжку. Щодо тимчасового проміжку це безпосередньо видно з рівняння t" = t. Час не залежить від системи відліку, воно одне і те ж у всіх системах, скрізь і всюди тече рівномірно і однаково.
Таким чином, у всіх інерційних системах відліку рівномірно тече єдиний безперервний абсолютний час і здійснюється абсолютний синхронізм (тобто одночасність подій не залежить від системи відліку, вона абсолютна), основою якого могли виступати лише далекосяжні миттєві сили - ця роль у системі Ньютона відводилася тяжіння (закон всесвітнього тяжіння). Проте статус далекодії визначається не природою гравітації, а самою субстанціальною природою простору та часу в рамках механістичної картини світу.
У класичній механіці Ньютона простір запроваджується за допомогою евклідової тривимірної геометрії. З огляду на це воно безперервно, впорядковане, тривимірно, нескінченно, безмежно - це тривимірний континуум точок.
Ньютонівська концепція простору та часу та принцип відносності Галілея, на основі яких будувалася фізична картина світу, панували аж до кінця XIX ст.
Міністерство науки, вищої школи та технічної політики
Російської Федерації
Саратовський ордена трудового червоного прапора державний
університет ім. Н. Г. Чернишевського
РЕФЕРАТ З ФІЛОСОФІЇ
здобувача звання к.ф.-м.н.
інженера кафедри фізики твердого тіла
Бабаяна Андрія Володимировича.
Тема: Простір та час у фізиці.
м.Саратов – 1994 р.
ВСТУП 2
1. Розвиток просторово-часових уявлень
у класичній механіці 3
2. Простір та час у теорії відносності
Альберта Ейнштейна 8
2.1. Спеціальна теорія відносності 8
2.2. Простір та час у загальній теорії
відносності та релятивістської
космології 10
3. Простір та час у фізиці мікросвіту 15
3.1. Просторово-часові уявлення
квантової механіки 15
3.2. Перервність і безперервність простору та
часу у фізиці мікросвіту 18
3.3. Проблема макроскопічності простору та
часу в мікросвіті 20
ВИСНОВОК 23
ЛІТЕРАТУРА 24
ВСТУП.
Діалектичний матеріалізм виходить із того, що "у світі
немає нічого, крім матерії, що рухається, і матерія, що рухається, не
може рухатися інакше, як у просторі та в часі”(*).
Простір і час, отже, виступають фундаментальними
формами існування матерії. Класична фізика
розглядала просторово – тимчасовий континуум як
Універсальну арену динаміки фізичних об'єктів. Однак
розвиток некласичної фізики (фізики елементарних частинок,
квантової фізики та ін.) висунула нові уявлення про
простору та часу. Виявилось, що ці категорії нерозривно
зв'язані між собою. Виникли різні концепції: згідно з одним,
у світі взагалі нічого немає, крім порожнього викривленого
простору, а фізичні об'єкти є лише проявами
цього простору. Згідно з іншими, простір та час
притаманні лише макроскопічним об'єктам.
Як видно, сучасна фізика настільки розрослася і
втратила єдність, що у її різних розділах існують прямо
протилежні твердження про природу та статус простору та
часу. Цей факт вимагає ретельного дослідження, оскільки
може здатися, що уявлення сучасної фізики
суперечать фундаментальним положенням діалектичного
матеріалізму.
Щоправда, слід зазначити, що у сучасній фізиці мова
йдеться про простір і час як про фізичні поняття, як про
конкретних математичних структур, наділених
відповідними семантичними та емпіричними інтерпретаціями
в рамках оределенных теорій, і що з'ясування макроскопічності
подібних структур не має прямого відношення до положення
діалектичного матеріалізму про універсальність простору та
часу, тому що в цьому йдеться вже про філософські категорії.
Починати дослідження доцільно з уявлень
античної натурфілософії, аналізуючи потім весь процес розвитку
просторово – тимчасових уявлень аж до наших днів.
ДДДДДДДДД
(*) Ленін В.І. ПСС, т. 18, с. 181.
1. РОЗВИТОК ПРОСТОРОВО-ТИМЧАСОВИХ
ПРЕДСТАВ У КЛАСИЧНІЙ ФІЗИЦІ.
В аналізі античних доктрин про простір та час
зупинимося на двох: атомізмі Демокріта та системі Аристотеля.
Атомістична доктрина була розвинена матеріалістами
Стародавню Грецію Левкіпп і Демокріт. Відповідно до цієї доктрини,
все природне різноманіття складається з найдрібніших частинок
матерії (атомів), які рухаються, стикаються і
поєднуються у порожньому просторі. Атоми (буття) та порожнеча (
небуття) є першоосновами світу. Атоми не виникають і не
знищуються, їхня вічність походить з безначальності
часу. Атоми рухаються у порожнечі нескінченний час.
Нескінченному простору відповідає нескінченний час.
Прихильники цієї концепції вважали, що атоми фізично
неподільні через щільність і відсутність у них порожнечі. Безліч
атомів, які не поділяються порожнечею, перетворюються на один
великий атом, що вичерпує собою світ.
Сама ж концепція була заснована на атомах, які в
поєднанні з порожнечею утворюють весь зміст реального світу. У
основі цих атомів лежать амери (просторовий мінімум
матерії). Відсутність у амерів частин є критерієм
математичної неподільності. Атоми не розпадаються на амери, а
останні не існують у вільному стані. Це збігається з
уявленнями сучасної фізики про кварки.
Характеризуючи систему Демокриту як теотію структурних
рівнів матерії - фізичного (атоми та порожнеча) та
математичного (амери), ми стикаємося з двома
просторами: безперервний фізичний простір як
вмістилище та математичний простір, заснований на амерах
як масштабні одиниці протягу матерії.
Відповідно до атомістичної концепції простору
Демокріт вирішував питання про природу часу та руху. У
Надалі вони були розвинені Епікур в систему. Епікур
розглядав властивості механічного руху виходячи з
дискретного характеру простору та часу. Наприклад,
властивість ізотахії полягає в тому, що всі атоми рухаються з
однаковою швидкістю. На математичному рівні суть ізотахії
полягає в тому, що в процесі переміщення атоми проходять один
"атом" простору за один "атом" часу.
Таким чином, давньогрецькі атомісти розрізняли два типи
простору та часу. У їхніх уявленнях було реалізовано
субстанційна та атрибутивна концепції.
Аристотель починає аналіз із загального питання про
існування часу, потім трансформує його в питання про
існування діленого часу. Подальший аналіз часу
ведеться Аристотелем вже фізично, де основне
увагу він приділяє взаємозв'язку часу та руху. Арістотель
показує. що час немислимий, не існує без руху, але
воно не є і сам рух.
У такій моделі часу реалізовано реляційну концепцію.
Виміряти час і вибрати одиниці його виміру можна за допомогою
будь-якого періодичного руху, але, щоб отримана
величина була універсальною, необхідно використовувати рух з
максимальною швидкістю. У сучасній фізиці це швидкість
світла, в античній та середньовічній філософії - швидкість руху
небесної сфери.
Простір для Аристотеля виступає як такий собі
відносини предметів матеріального світу, воно розуміється як
Механіка Аристотеля функціонувала лише у його моделі
світу. Вона була побудована на очевидних явищах земного світу. Але
це лише один із рівнів космосу Аристотеля. Його
космологічна модель функціонувала в кінцевому неоднорідному
просторі, центр якого збігався із центром Землі. Космос
був поділений на земний та небесний рівні. Земний складається з
чотирьох стихій - землі, води, повітря та вогню; небесний - з
ефірних тіл, які перебувають у нескінченному круговому русі.
Ця модель проіснувала близько двох тисячоліть.
Однак у системі Аристотеля були й інші положення,
які виявилися більш життєздатними та багато в чому визначили
розвиток науки аж до нашого часу. Мова йде про
логічне вчення Аристотеля на основі якого були
розроблено перші наукові теорії, зокрема геометрія
У геометрії Евкліда поряд з визначеннями та аксіомами
трапляються і постулати, що властиво більше фізиці, ніж
арифметиці. У постулатах сформульовані ті завдання, які
вважалися вирішеними. У такому підході представлена модель
теорії, яка працює і сьогодні: аксіоматична система та
Емпіричний базис пов'язуються операційними правилами.
Геометрія Евкліда є першою логічною системою понять,
що трактують поведінку якихось природних об'єктів. Величезний
заслугою Евкліда є вибір як об'єкти теорії
твердого тіла та світлових променів.
Г.Галілей розкрив неспроможність арістотелівської картини
світу як і емпіричному, і у теоретико-логическом плані. З
допомогою телескопа він наочно показав наскільки глибокі були
революційні уявлення М. Коперника, який розвинув
геліоцентричну модель світу. Першим кроком розвитку теорії
1. Кожна планета рухається еліпсом, в одному з фокусів
якого знаходиться Сонце.
2. Площа сектора орбіти, що описується радіус-вектором планети,
змінюється пропорційно до часу.
3. Квадрати часів обертання планет навколо Сонця відносяться як
куби середніх відстаней від Сонця.
Галілей, Декарт та Ньютон розглядали різні поєднання
концепцій простору та інерції: у Галілея визнається порожнє
простір та круговий інерційний рух, Декарт дійшов до
ідеї прямолінійного інерційного руху, але заперечував порожнє
простір, і тільки Ньютон об'єднав порожній простір і
прямолінійний інерційний рух.
Для Декарта не характерний усвідомлений та систематичний
облік відносності руху. Його уявлення обмежені
рамками геометризації фізичних об'єктів, йому чужа
ньютонівське трактування маси як інерційного опору
зміни. Для Ньютона ж характерне динамічне трактування
маси, і в його системі це поняття зіграло основоположну
роль. Тіло зберігає для Декарта стан руху чи спокою,
бо це потрібно незмінністю божества. Теж саме
достовірно для Ньютона через масу тіла.
Поняття простору та часу вводяться Ньютоном на
Простір і час у фізиці визначаються у загальному вигляді як фундаментальні структури координації матеріальних об'єктів та їх станів: система відносин, що відображає координацію співіснуючих об'єктів (відстань, орієнтацію тощо), утворює простір, а система відносин, що відображає координацію станів, що змінюють один одного. чи явищ (послідовність, тривалість тощо. буд.), утворює час. Простір та час є організуючими структурами різних рівнів фізичного пізнання та відіграють важливу роль у міжрівневих взаєминах. Вони (або пов'язані з ними конструкції) багато в чому визначають структуру (метричну, топологічну і т. д.) фундаментальних фізичних теорій, задають структуру емпіричні інтерпретації та верифікації фізичних теорій, структуру операційних процедур (в основі яких лежать фіксації просторово-часових збігів актах, з урахуванням специфіки використовуваних фізичних взаємодій), а також організують фіз. картини світу. До такого уявлення вів весь історичний шлях концептуального розвитку
Після того, як фізики дійшли висновку про хвильову природу світла, виникло поняття ефіру - середовища в якому світло поширюється. Кожна частка ефіру могла бути представлена як джерело вторинних хвиль, і можна було пояснити величезну швидкість світла величезною твердістю та пружністю частинок ефіру. Іншими словами, ефір був матеріалізацією Ньютонівського абсолютного простору. Але це йшло у розріз із основними положеннями доктрини Ньютона про простір.
Революція у фізиці почалася відкриттям Ромера - з'ясувалося, що швидкість світла кінцева і дорівнює приблизно 300"000 км/с. У 1728 Бредрі відкрив явище зоряної аберації. приймача.
О.Френель показав, що ефір може частково захоплюватися тілами, що рухаються, проте досвід А.Майкельсона (1881 р.) повністю це спростував.
Таким чином виникла незрозуміла неузгодженість, оптичні явища дедалі гірше зводилися до механіки. Але остаточно механістичну картину світу підірвало відкриття Фарадея - Максвелла: світло виявилося різновидом електромагнітних хвиль. Численні експериментальні закони відбито у системі рівнянь Максвелла, які описують принципово нові закономірності. Ареною цих законів є весь простір, а чи не одні точки, у яких перебуває речовина чи заряди, як і приймається для механічних законів.
Так виникла електромагнітна теорія матерії. Фізики дійшли висновку існування дискретних елементарних об'єктів у межах електромагнітної картини світу (електронів). Основні досягнення у галузі дослідження електричних та оптичних явищ пов'язані з електронною теорією Г.Лоренца. Лоренц стояв на позиції класичної механіки. Він знайшов вихід, який рятував абсолютний простір і час класичної механіки, а також пояснював результат досвіду Майкельсона, правда йому довелося відмовитись від перетворень координат Галілея та ввести свої власні, засновані на неінваріантності часу. t"=t-(vx/ce), де v - швидкість руху системи відносно ефіру, а х - координата тієї точки в системі, що рухається, в якій проводиться вимірювання часу. Час t" він назвав "локальним часом". На основі цієї теорії видно ефект зміни розмірів тіл L2/L1=1+(vэ/2cэ). Сам Лоренц пояснив це спираючись на свою електронну теорію: тіла зазнають скорочення внаслідок сплющування електронів.
Теорія Лоренца вичерпала можливості класичної фізики. Подальший розвиток фізики було на шляху ревізії фундаментальних концепцій класичної фізики, відмови від прийняття будь-яких виділених систем відліку, відмови від абсолютного руху, ревізії концепції абсолютного простору та часу. Це було зроблено лише у спеціальній теорії відносності Ейнштейна.
Марк Ван Раамсдонк (Mark Van Raamsdonk)фізик, Університет Британської Колумбії, Ванкувер, Канада Уявіть собі, якось ви прокидаєтеся і розумієте, що живете всередині комп'ютерної гри. Якщо це так, тоді все навколо, весь тривимірний світ - це лише ілюзія, інформація, закодована на двовимірній поверхні.
Це зробило б наш Всесвіт з його трьома просторовими вимірами, свого роду голограмою, джерело якої знаходиться в нижчих вимірах.
Цей «голографічний принцип» є досить незвичайним для теоретичної фізики. Але Ван Раамсдонк є членом невеликої групи дослідників, які вважають, що це цілком нормально. Просто жоден із стовпів сучасної фізики: ні загальна теорія відносності, яка описує гравітацію як викривлення простору та часу, ні квантова механіка, не можуть пояснити існування простору та часу. Навіть теорія струн, що описує елементарні нитки енергії, неспроможна цього.
Ван Раамсдонк та його колеги переконані, що необхідно дати конкретне уявлення понять простору та часу, нехай навіть таке багато в чому безглузде, як голографія. Вони стверджують, що радикальне переосмислення реальності є єдиним способом пояснити, що відбувається, коли нескінченно щільна сингулярність у центрі чорної діри спотворює простір-час до невпізнання. Воно також допоможе об'єднати квантову теорію і загальну теорію відносності, а цього теоретики намагаються досягти вже не одне десятиліття.
Всі наші досліди свідчать про те, що замість двох полярних концепцій реальності має бути знайдена одна всеосяжна теорія.
Гравітація як термодинаміка
Але навіщо всі ці спроби? І як знайти те саме «серце» теоретичної фізики?
Ряд разючих відкриттів, зроблених на початку 1970-х років, наштовхнули на думку, що квантова механіка та гравітація тісно пов'язані з термодинамікою.
У 1974 році Стівен Хокінг з Кембриджського університету у Великій Британії показав, що квантові ефекти в космосі навколо чорної діри можуть призвести до викиду випромінювання високої температури. Інші фізики швидко наголосили, що це явище є досить загальним. Навіть у абсолютно порожньому просторі астронавт, який зазнає прискорення, відчуватиме навколо себе тепло. Ефект занадто малий, щоб його можна було помітити у випадку з космічним кораблем, але саме собою припущення здавалося фундаментальним. І якщо квантова теорія та загальна теорія відносності правильні (що підтверджується експериментами), то випромінювання Хокінга справді існує.
Після цього було друге ключове відкриття. У стандартній термодинаміці об'єкт може випромінювати тепло лише за рахунок зменшення ентропії, міри кількості квантових станів усередині нього. Те саме і з чорними дірками; ще до появи доповіді Хокінга в 1974 році Джейкоб Бекенштейн (Jacob Bekenstein), яка в даний час працює в Єврейському університеті в Єрусалимі, припустив, що чорні діри мають ентропію. Але є різниця. У більшості об'єктів ентропія пропорційна числу атомів об'єкта, отже, і обсягу. Але ентропія чорної діри пропорційна площі її обрії подій, межі, з якої навіть світло не може вирватися. Начебто в цій поверхні закодована інформація про те, що всередині (прямо як двовимірні голограми кодують тривимірне зображення).
У 1995 році Тед Джекобсон (Ted Jacobson), фізик з Мерілендського університету в Коледж-Парку, скомбінував ці два відкриття і припустив, що кожна точка в просторі знаходиться на крихітному горизонті чорної діри, який також підпорядковується пропорції ентропія. Навіть рівняння Ейнштейна задовольняють цій умові (природно, фізик оперував термодинамічні поняття, а не простором-часом).
«Можливо це дозволить нам дізнатися більше про походження гравітації», - каже Якобсон. Закони термодинаміки є статистичними, тому його результат дозволяє припустити, що гравітація – явище також статистичне (макроскопічне наближення до невидимих компонентів простору-часу).
У 2010 році ця ідея зробила крок ще далі. Ерік Верлінде (Erik Verlinde), фахівець з теорії струн з університету Амстердама, припустив, що статистична термодинаміка просторово-часових складових могла дати поштовх закону Ньютона про гравітаційне тяжіння.
В іншій роботі Тану Падманабан (Thanu Padmanabhan), космолог із Міжвузівського центру астрономії та астрофізики в Пуні, показав, що рівняння Ейнштейна можна переписати у формі, ідентичній законам термодинаміки, як і багато інших альтернативних теорій тяжкості. В даний час Падманабан працює над узагальненням термодинамічного підходу, намагаючись пояснити походження та величину темної енергії, таємничої космічної сили, яка прискорює розширення Всесвіту.
Подібні ідеї перевірити емпірично дуже складно, але не неможливо. Щоб зрозуміти, чи складається простір-час з окремих компонентів, можна провести спостереження за затримкою фотонів високих енергій, що подорожують до Землі від далеких космічних об'єктів, таких як наднові та γ-сплески.
Наднові- Зірки, блиск яких збільшується на десятки зіркових величин за добу. Протягом малого періоду часу вибухова наднова може бути яскравішою, ніж усі зірки її рідної галактики.
Існує два типи наднових: Тип I і Тип II. Вважається, що Тип II є кінцевим етапом еволюції одиночної зірки масою М*=10±3Мsun. Тип I пов'язаний, мабуть, з подвійною системою, в якій одна із зірок білий карлик, на який йде акреція з другої зірки.
Гамма-сплески- викиди гамма-випромінювання, пов'язані з найвищими енергетичними вибухами. Спочатку гамма-випромінювання випускається протягом часу від десятка мілісекунд до кількох хвилин, за ним слідує післясвітлення на більш довгих хвилях.
Більшість гамма-сплесків пов'язана з утворенням нейтронних зірок і чорних дірок після вибухів наднових, найкоротші сплески виникають при зіткненні двох нейтронних зірок.
У квітні Джованні Амеліно-Камелія (Giovanni Amelino-Camelia), дослідник квантової гравітації з Римського Університету, та його колеги виявили натяки саме на подібні затримки фотонів, що йдуть від γ-сплеску. Як каже Амеліно-Камелія, результати не остаточні, але група планує розширити свої пошуки, щоб зафіксувати час руху нейтрино високих енергій, створюваних космічними подіями.
Джованні Амеліно-Камелія (Giovanni Amelino-Camelia)дослідник квантової гравітації, Римський університет Якщо теорія може бути перевірена, то наука мені немає. Вона перетворюється на релігійні переконання, які не становлять для мене жодного інтересу.
Інші фізики концентруються на лабораторних випробуваннях. У 2012 році, наприклад, дослідники з Віденського університету та Імперського коледжу Лондона провели настільний експеримент, у якому мікроскопічні дзеркала переміщуються за допомогою лазерів. Вони стверджували, що простір-час у Планківському масштабі призведе до зміни світла, відбитого від дзеркала.
Петльова квантова гравітація
Навіть якщо термодинамічний підхід вірний, він все одно нічого не говорить про фундаментальні складові простору та часу. Якщо простір-час є тканиною, то які її нитки?
Одна з можливих відповідей цілком буквальна. Теорія петльової квантової гравітації, яку висунув у середині 1980-х Аштекар та його колеги, описує тканину простору-часу як зростаючу павутину з ниток, які несуть інформацію про квантовані площі та обсяги областей, через які вони проходять. Окремі нитки мережі мають, зрештою, утворювати петлі. Звідси й назва теорії. Правда, вона не має нічого спільного з набагато більш відомою теорією струн. Останні рухаються навколо простору-часу, тоді як нитки є простір-час, а інформація, яку вони несуть, визначає форму просторово-часової тканини навколо них.
Петлі - це квантові об'єкти, проте вони також визначають мінімальну одиницю площі і, багато в чому, так само, як і звичайна квантова механіка визначають мінімальну енергію електрона в атомі водню. Спробуйте вставити додаткові нитки меншої площі, вони просто від'єднаються від решти мережі і не зможуть більше зв'язатися ні з чим.
Вони ніби випадають із простору-часу.
Петльова квантова гравітація
На відео показано, як простір розвивається у петльовій квантовій гравітації. Кольори граней тетраедрів вказують на масштаб області у цій точці у момент часу.
Мінімальна площа хороша тим, що петлева квантова гравітація не може стиснути нескінченну кількість кривих у нескінченно малу точку. Це означає, що вона не може призвести до тих особливостей, коли рівняння Ейнштейна руйнуються: у момент Великого Вибуху або в центрі чорних дірок.
Скориставшись цим фактом, у 2006 році Аштекар та його колеги представили серію моделей, у яких повернули час назад та продемонстрували те, що було до Великого вибуху. У міру наближення до фундаментальної межі розміру, продиктованого петлевою квантовою гравітацією, сила відштовхування розкрила і зафіксувала сингулярність відкритою, перетворивши її на тунель до космосу, що передує нашому.
Цього року Родольфо Гамбіні (Rodolfo Gambini) з Республіканського Університету Уругваю в Монтевідео та Хорхе Пуйін (Jorge Pullin) з Університету Луїзіани до Батон-Ружу представили аналогічні моделі, але вже для чорної дірки. Якщо рухатися глибоко в серці чорної дірки, то можна виявити не сингулярність, а тонкий просторово-часовий тунель, що веде до іншої частини космосу.
Абей Аштекар (Abhay Ashtekar)фізик, Університет штату Пенсільванія, Юніверсіті-Парк, штат Пенсільванія Дуже важливо позбавитися проблеми сингулярності.
Петльова квантова гравітація не є повноцінною теорією, оскільки вона не містить жодних інших сил. Крім того, фізикам ще доведеться показати, як «вийшов» звичайний простір-час з інформаційної мережі. Але Даніеле Оріті (Daniele Oriti), фізик з Інституту гравітаційної фізики Макса Планка в Гольмі, сподівається знайти натхнення в роботі вчених, які представили екзотичні фази матерії, яка здійснює переходи, описані квантовою теорією поля. Оріті та його колеги шукають формули для опису того, як Всесвіт міг би проходити аналогічні фази від набору дискретних петель до плавного та безперервного простору-часу.
Причинний ряд
Розчарування змусили деяких дослідників дотримуватись мінімалістської програми, відомої як теорія причинного ряду. Заснована Рафаелем Соркіним (Rafael Sorkin), теорія постулює, що будівельні блоки простору-часу – це прості математичні точки, пов'язані або з минулим, або з майбутнім.
Це «скелетне» уявлення причинності, яка стверджує, що раніше подія може вплинути більш пізніше, але з навпаки. В результаті мережа як дерево, що росте, перетворюється на простір-час.
Рафаель Соркін (Rafael Sorkin)фізик, Інститут Теоретичної Фізики «Периметр» у Ватерлоо, Канада Простір з'являється з точки так само, як температура виходить із атома. Немає сенсу говорити про один атом, значення полягає в їх великій кількості.
Наприкінці 1980-х Соркін використовував цю структуру, щоб представити число точок, яке має включати Всесвіт, і дійшов висновку, що вони повинні бути причиною малої внутрішньої енергії, яка прискорює розширення Всесвіту. Через кілька років відкриття темної енергії підтвердило його здогад. "Люди часто думають, що квантова гравітація не може зробити передбачених прогнозів, але тут саме той випадок", - каже Джо Хенсон, дослідник квантової гравітації з Імперського коледжу в Лондоні. " Якщо значення темної енергії було б більше або його не було б зовсім, тоді теорія причинного ряду була б виключена".
Навряд чи знайдуться докази, проте теорія причинного ряду запропонувала кілька інших можливостей, які можна було б перевірити. Деякі фізики виявили, що набагато зручніше використовувати комп'ютерне моделювання. Ідея, що з'явилася на початку 1990-х, полягає в апроксимації невідомих фундаментальних складових крихітними шматочками звичайного простору-часу, що опинилися в бурхливому морі квантових флуктуацій, і спостереженні за тим, як ці шматочки спонтанно поєднуються у більші структури.
Рената Лолл (Renate Loll) Перші спроби апроксимації невідомих фундаментальних складових крихітними шматочками звичайного простору-часу були невдалими. Будівельні блоки простору-часу були простими гіперпірамідами, чотиривимірні прототипи тривимірних тетраедрів, а передбачуване з'єднання дозволило їм вільно комбінуватися. В результаті вийшла серія дивних "всесвітів", в яких було надто багато вимірів (або замало), частина з них існувала сама по собі, а частина руйнувалася. Це була спроба показати те, що нас оточує
Причинна динамічна тріангуляція
Причинна динамічна тріангуляція використовує лише два аспекти: простір та час. На відео показані двовимірні всесвіти, породжені часткою простору, самоорганізованими відповідно до квантових правил. Кожен колір є зрізом Всесвіту в певний момент часу після Великого вибуху, який зображений як крихітна чорна куля.
Але, як стверджують Соркін, Лолл та її колеги, з додаванням причинності все змінилося.
Рената Лолл (Renate Loll)фізик, Університет Наймегена, Нідерланди Зрештою, вимір часу не схожий на три виміри простору. Ми не можемо подорожувати назад і вперед у часі, тому візуалізація була змінена з огляду на причинність. Тоді ми виявили, що просторово-часові шматочки почали збиратися в чотиривимірні всесвіти з властивостями, подібними до нашої.
Цікаво, що моделювання також натякає на те, що невдовзі після Великого вибуху Всесвіт пройшов через дитячу фазу лише з двома вимірами: один просторовий та один тимчасовий. Цей висновок було зроблено незалежно від спроб отримати рівняння квантової гравітації, і навіть незалежно від тих, хто вважає, що поява темної енергії є ознакою того, що у нашому Всесвіті з'являється четвертий просторовий вимір.
Голографія
Тим часом Ван Раамсдонк запропонував зовсім інше уявлення про появу простору-часу, засноване на голографічному принципі. Голограмоподібний принцип того, що у чорних дірок вся ентропія знаходиться на поверхні, був вперше представлений Хуаном Малдасеною (Juan Maldacena), прихильником теорії струн з Інституту Передових Досліджень у Прінстоні. Він опублікував свою модель голографічного Всесвіту у 1998 році. У цій моделі тривимірний «інтер'єр» Всесвіту включав струни і чорні дірки, керовані виключно силою тяжіння, в той час як її двовимірна межа мала елементарні частинки і поля, що підкорялися звичайним квантовим законам, а не гравітації.
Гіпотетичні жителі тривимірного простору ніколи не побачили б цей кордон, тому що він був би нескінченно далеко.
Але це ніяк не впливає на математику: все, що відбувається в тривимірному Всесвіті, може бути однаково добре описано рівняннями у випадку двовимірної межі, і навпаки.
У 2010 році Ван Раамсдонк пояснив заплутування квантових частинок на кордоні. Це означає, що дані, отримані в одній частині, неминуче позначаться на іншій. Він виявив, що якщо кожна частка заплутується між двома окремими областями кордону, вона неухильно рухається до нуля, тому квантовий зв'язок між ними зникає, тривимірний простір починає поступово ділитися (як клітина) доти, доки не порветься останній зв'язок.
Таким чином, тривимірний простір ділиться знову і знову, тоді як двовимірний кордон залишається "на зв'язку". Ван Раамсдонк зробив висновок, що тривимірний всесвіт йде пліч-о-пліч з квантовою заплутаністю на кордоні. Це означає, що, у певному сенсі, квантова заплутаність і простір-час - це те саме.
Або, як висловився Малдасена: Це говорить про те, що квант - явище фундаментальне, а простір-час залежить від нього.
