Bendrajai reliatyvumo teorijai – 100: nebaigtas Einšteino šedevras (32)
Einšteino Bendroji reliatyvumo teorija (BRT), be abejonės, yra genialus darbas.
Tačiau ir po 100 metų ji tebekelia daug klausimų – ir fizikai toliau tebeieško ko nors geresnio
|
Visi šio ciklo įrašai |
|
|
|
|
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Juodųjų bedugnių paradoksas
Skaitykite plačiau
Supermasyvios juodosios bedugnės tūno visų galaktikų centre – tačiau iki šiol niekam nepavyko išsiaiškinti, kas nutinka, kai juodoji bedugnė praryja materijąVis dar nėra visko teorijos
Skaitykite plačiau
Bendrasis reliatyvumas ir kvantų teorija yra fundamentaliai nesuderinamos realybės teorijos. Kaip taip gali būti ir ką galime padaryti?Einšteino liudijimai danguje
Skaitykite plačiau
Kosminio mikrobangų fono (KMF) tyrimai pateikė neprilygstamai tikslų kosmoso paveikslą – bet jame yra tamsių spektrųTrūkstamos dėlionės detalės
Skaitykite plačiau
Gravitacinės bangos yra paskutinioji nepatvirtinta* neįtikėtinai sėkmingos Einšteino teorijos prognozė – o kas, jeigu jų taip ir nerasime?
Juodųjų bedugnių paradoksas
Supermasyvios juodosios bedugnė tūno visų galaktikų centre – tačiau iki šiol niekam nepavyko išsiaiškinti, kas nutinka, kai juodoji bedugnė praryja materiją
1915 – 1916 metų žiemą, tarnaudamas Vokietijos armijoje Rusijos fronte, fizikas Karlas Schwarzschildas atsiuntė Albertui Einšteinui straipsnį. Jis pirmą kartą išsprendė Einšteino bendrojo reliatyvumo lygtis, ir parodė, kas nutinka erdvėlaiviui masyvaus objekto viduje ir išorėje – šiuo atveju, idealiai sferinėje, nesisukančioje žvaigždėje. Einšteinas buvo sujaudintas.
Tačiau iš Schwarzschildo darbo kylančios implikacijos jo nedžiugino. Jei žvaigždė taptų pakankamai kompaktiška, jos gravitacinė trauka galėtų tapti tokia stipri, ir erdvėlaikį iškreiptų taip stipriai, kad netgi šviesa negalėtų pasprukti.
Vos po kelių mėnesių po apsikeitimo korespondencija su Einšteinu, Schwarzschildas mirė. Šių įdomių kompaktiškų objektų, kurių paviršius vadinamas Schwarzschildo singuliarumu, detales teko išsiaiškinti kietiems.
Tarp jų svarbiausias buvo jaunas Indijos fizikas Subrahmanyanas Chandrasekharas. 1930 metais jis garlaiviu atplaukė iš Indijos į JK, kur gavo Cambridge'o universiteto stipendiją. Per savo 18 dienų kelionę, jis aiškinosi itin kompaktiškų žvaigždžių – baltųjų nykštukių – savybes. Jis atrado, kad jeigu jų masė viršija Saulės daugiau nei 1,4 kartus, veikiamos savo pačių traukos jos sugniužtų į save, formuodamos Schwarzschildo singuliarumą.
Tokia žinia nebuvo gerai sutikta. Karališkosios Astronomijos Draugijos susitikime 1935 m., žymus astrofizikas Arthuras Eddingtonas paskelbė, kad „turi būti gamtos dėsnis, neleidžiantis žvaigždei taip absurdiškai elgtis“. 1939 metais, pats Einšteinas publikavo straipsnį, aiškinantį, kodėl Schwarzschildo singuliarumai negali egzistuoti niekur kitur, tik teoretikų protuose.
Tokia nuomonė vyravo iki septintojo dešimtmečio, kai tokie fizikai, kaip Rogeris Penrose'as įrodė, kad juodosios bedugnės (JB) – terminas, kurį panašiu laiku sugalvojo tikriausiai astrofizikas Johnas Archibaldas Wheeleris – yra neišvengiama masyvių žvaigždžių kolapso pasekmė. JB tokie fiziniai dydžiai, kaip erdvėlaikio kreivumas, tampa begaliniai ir bendrosios reliatyvumo lygtys praranda prasmę.
Ne tik tai, bet ir JB vidus būtų visam laikui paslėptas už įvykių horizonto, ribos iš už kurios negrįžtų net šviesa. Savo ruožtu tai reiškė, kad joks viduje vykstantis procesas negalėtų daryti įtakos įvykiams išorėje, kadangi jokia masė ar energija negalėtų pasprukti. „Pirmasis didelis paradigmos poslinkis buvo supratimas, kad šie [bendrojo reliatyvumo] sprendiniai turi prasmę, ir kad yra tokia sąvoka, kaip horizontas, ir kad tai yra priežastinis barjeras, skiriantis vidų nuo išorės,“ sako fizikos teoretikas Don Marolf iš Kalifornijos universiteto Santa Barbara'oje (UCSB).
Nors JB tiesiogiai matyti negalime, 1970 metais astronomai, stebėdami kompaktišką objektą Šaulio žvaigždyne, išvydo rentgeno spindulių žybsnius, atitinkančius teorines karštos materijos, spirale lekiančios link įvykių horizonto spinduliavimo prognozes. Nuo tada įsitikinimas JB realumu tik stiprėjo. Panašu, kad visų galaktikų, įskaitant ir mūsiškę Paukščių Tako centre tūno supermasyvus tokio darinio pavyzdys (žr. „Kaip rengiuosi nufotografuoti juodąją bedugnę“).
Tačiau dėl JB sandaros ir veikimo karštai tebediskutuojama – ne paskutinėje eilėje ir bendrojo reliatyvumo nederėjimas su kvantų teorija (žr „Vis dar nėra visko teorijos“). „Aplinka turi būti išties ekstremali, kad abi šios teorijos būtų svarbios tuo pat metu, ir juodosios bedugnės idealiai tam tinka,“ sako teoretikas Joseph Polchinski, taip pat iš UCSB.
Įtampa augo aštuntajame dešimtmetyje, kai fizikai Jacob Bekenstein ir Stephenas Hawkingas parodė, kad JB privalo turėti temperatūrą. Kūnai, turintys temperatūrą, turi ir su ja susijusią entropiją, o pagal kvantų mechaniką, entropija – kūno netvarkingumo matas – implikuoja mikrostruktūros egzistavimą. Tuo tarpu Einšteino lygtys apibūdina juodąsias bedugnes kaip glotnius, beženklius erdvėlaikio iškraipymus. Hawkingas taip pat parodė, kad dėl kvantiniai efektų, vykstančių įvykių horizonte ir šalia jo, JB turėtų nuolat garuoti, tuo pačiu skleisdamos tai, ką dabar vadiname Hawkingo spinduliavimu.
Bet jeigu JB galiausiai išnyksta be pėdsako, kas nutinka į jas sukritusiai medžiagai? Fundamentaliu lygiu, materija ir energija perneša informaciją, ir pagal kvantų mechaniką, informacija negali būti sunaikinta. Galbūt užkoduota informacija išrūksta kaip Hawkingo spinduliavimas, bet ši idėja susiduria su kita problema: tada juodąją bedugnę turi gaubti švytinčių, energingų dalelių „ugniasienė“, ką BRT draudžia. 2012 metais, Polchinskis, Marolfas ir jų kolegos parodė, kad JB negali tuo pačiu metu išlaikyti informaciją ir turėti horizontą, kuriame niekas nevyksta:
Išnykimas
Šis „ugniasienės paradoksas“ tebėra aktuali tema. Viena iš vis labiau viliojančių idėjų – Einšteino erdvėlaikio glotnus audinys randasi iš kvantiškai susietų dalelių vienoje ir kitoje įvykių horizonto pusėje, per struktūras, vadinamąsias kirmgraužas.
Rugpjūtį, kalbėdamas susitikime Stockholme, Švedijoje, Sweden, Hawkingas pateikė alternatyvią versiją, iškeldamas idėją, kad JB informacijos niekada ir nepraryja. Ji lieka įvykių horizonte, nors ir sujaukta ir sunkiai iššifruojama. Praeitą mėnesį, Nobelio premijos laureatas Gerard ’t Hooft iš Nyderlandų Utrechto universiteto pasiūlė mintį, kad materijai ir energijai įkritus, jų informacija atšoka atgal.
Kai kas apeina tokias problemas, grįždami prie argumentų, primenančių Eddingtono ir Einšteino juodųjų bedugnių neigimą. pernai Laura Mersini-Houghton iš Š. Karolinos universiteto Chapel Hille, teigė, kad masyvios žvaigždės negali kolapsuoti į juodąsias bedugnes – Hawkingo spinduliavimo emisija kolapso metu neleistų žvaigždei to padaryti. Taigi, nėra įvykių horizontų ir nėra singuliarumų.
Tokiam požiūriui pritaria nedaugelis, ne menkiausią vaidmenį čia vaidina ir nemažai netiesioginių juodųjų bedugnių egzistavimo įrodymų. Tiesą sakant, ugniasienės paradoksas atvėrė naują bendrojo reliatyvumo ir kvantų mechanikos suvienijimo pastangų frontą. Šiame mūšyje vyrauja nuojauta, kad naujoji teorija bus artimesnė kvantų teorijai, sėkmingai paaiškinusiai visas gamtos jėgas, išskyrus gravitaciją, nei bendrajai reliatyvumo teorijai. Marolfas, didžiausias reliatyvistas, sako besijaučiantis blogai, kad „bendrasis reliatyvumas pralaimi“. Einšteinas, kurį neramino tiek JB, tiek ir tai, ką jis laikė kvantų teorijos ekscesais, tikriausiai jaustųsi dar blogiau. Juodosios bedugnės gali pasirodyti esančios prognozėmis, suvalgiusiomis teoriją.
Vis dar nėra visko teorijos
Bendrasis reliatyvumas ir kvantų teorija yra fundamentaliai nesuderinamos realybės teorijos. Kaip taip gali būti ir ką galime padaryti?
Du galingi dabartinės fizikos pilonai atrodo neturintys nieko bendro. Kvantų mechanika (KM) yra labai mažų objektų fizika, o bendroji reliatyvumo teorija (BRT) aprašo didžiulių objektų fiziką. Tai ne visai tikslu – pavyzdžiui, KM efektai užfiksuoti šimtų kilometrų atstumu. Ir kažkuriame taške šios dvi itin tikslios teorijos turi susitikti.
Tačiau kur jos besusieina, gražiai žaisti drauge joms nesigauna – tarkime, prie juodųjų bedugnių (žr. „Juodųjų bedugnių paradoksas“). Sukurti kvantinę gravitacijos teoriją praėjusį šimtmetį bandė daug fizikų. Einšteinas tapo itin neproduktyvus, kai ėmėsi„visko teorijos“.
Norėdami suprasti, kame glūdi tas sunkumas, turime pradėti nuo fundamentalių kvantų fizikos principų. Heisenbergo neapibrėžtumo principas įkūnija kvantų pasaulio ribų neryškumą. Pagal jį dalelės, pavyzdžiui, elektronai ar šviesos fotonai, elgtis kaip skvoteriai: jie gali skolintis energiją iš vakuumo ir naudoti ją masės kūrimui pagal garsiąją Einšteino formulę
Turint omeny tokią laisvę, galima suvokti, kad elektronas, fotonas, ar bet kokia kita dalelė gali pasinaudoti daugybe tokių nemokamų nuomų. Dėl to netgi tokių proziškų procesų, – tarkime, elektrono judėjimas iš kairės į dešinę – skaičiavimas tampa labai sudėtingas.Fiziko Richardo Feynmano žodžiais tariant, privalome „susumuoti visas įmanomas istorijas“, atsižvelgdami į begalinę įvairovę būdų, kaip virtualios dalelės gali būti sukurtos (žr. diagramą).
Kvantų teorijos taikymo gamos jėgoms istorija yra imtynių su nepaklusniomis begalybėmis istorija. Didžiulė sėkmė yra elektrosilpnoji teorija, apjungianti elektromagnetinę ir silpnąją branduolinę sąveiką ir paaiškinanti, kaip veikia elektronai ir fotonai. Visos jos prognozės, nuo dalelių masės iki skilimo spartos, yra tikslios iki 10 vietų po kablelio.
Vingiuotą kelią link elektrosilpnosios teorijos žymi bent devynios Nobelio premijos. Gautasis sėkmingas variantas, dabartinio dalelių fizikos „standartinio modelio“ pagrindas, pažabojo matematiką tada dar neatrastomis masyviomis dalelėmis, – W, Z ir Higgso bozonais.
Galiausiai sėkmė nusišypsojo tokiam drąsiam spėjimui: W ir Z bozonus CERN atrado 1983 m., Higgso bozono valanda atėjo 2012. Pirmoji iš šių sėkmių paskatino daugelį fizikų manyti, kad tokia strategija yra kaip bendras kvantinių teorijų vystymo receptas: jei modelis rodo esant begalybę, problema sprendžiama, tiesiog pridedant papildomą didelės masės dalelę.
Tad, tarkime, kad gravitaciją sudaro kvantinės dalelės gravitonai, panašai kaip šviesą sudaro fotonai. Remiantis neapibrėžtumo principu, gravitonai skolinasi energiją kitų, virtualių gravitonų kūrimui. Sudedant visas įmanomas istorijas, skaičiavimai, nenuostabu. kaip mat nuskrieja į begalybių chaosą.
Bet šį kartą toks padėties taisymas neveikia. Norint atsikratyti šių begalybių, reikia išrasti kitą dalelę, 10 milijardų milijardų (10¹⁸) kartų masyvesnę už protoną. Kaip visada, kuo daugiau energijos pasiskolinama, tuo greičiau ji turi būti grąžinta, tad šios pagalbinės dalelės gyvuotų itin trumpai. Tai reiškia, kad jos negali toli nusigauti ir užima mažutėlaitę erdvę.
Bet BRT teigia, kad masė išlenkia erdvėlaikį. Sukoncentravus pakankamai masės mažoje erdvėje, susiformuos juodoji bedugnė, begalinio erdvėlaikio iškreipimo taškas. Ir būtent tokį pavidalą naujoji dalelė turi. Gamta krečia piktą pokštą: mūsų būdas, turintis eliminuoti vieną begalybę, sukuria kitą.
Keičiame žaidimą
Bandydami apeiti tokius fundamentalius barjerus, radome tokius būdus, kaip stygų teorija, kurioje tariama, kad visos dalelės yra fundamentalesnių stygų virpėjimo pasireiškimas. Kai sudedame visas įmanomas šių „putlesnių“ objektų istorijas, virtualių dalelių kuriamos begalybės dingsta, it mostelėjus stebuklinga lazdele. Kita plačiai paplitusi idėja yra kilpinė kvantinė gravitacija (loop quantum gravity – LQG), kuri daro prielaidą, kad pats erdvėlaikis yra sudarytas iš atskirų blokelių. Toks grūdėtumas implikuoja viršutinę energijos, kurią bet kokia dalelė gali pasiskolinti, ribą, taip išvalydama skaičiavimus nuo begalybių.