Что такое пространство-время на самом деле? / Блог компании Wolfram Research / Хабр
Перевод поста Стивена Вольфрама «What Is Spacetime, Really?».
Выражаю огромную благодарность Кириллу Гузенко KirillGuzenko за помощь в переводе и подготовке публикации.
Примечание: данный пост Стивена Вольфрама неразрывно связан с теорией клеточных автоматов и других смежных понятий, а также с его книгой A New Kind of Science (Новый вид науки), на которую из этой статьи идёт большое количество ссылок. Пост хорошо иллюстрирует применение программирования в научной сфере, в частности, Стивен показывает (код приводится в книге) множество примеров программирования на языке Wolfram Language в области физики, математики, теории вычислимости, дискретных систем и др.
Содержание
Простая теория всего?
Структура данных Вселенной
Пространство как граф
Может быть, нет ничего, кроме пространства
Что есть время?
Формирование сети
Вывод СТО
Вывод ОТО (Общей теории относительности)
Частицы, квантовая механика и прочее
В поисках вселенной
Ок, покажите мне Вселенную
Заниматься физикой или нет — вот в чем вопрос
Что требуется?
Но пришло ли время?
Сто лет назад
Альберт Эйнштейнопубликовал общую теорию относительности — блестящую, элегантную теорию, которая пережила целый век и открыла единственный успешный путь к описанию
пространства-времени(
пространственно-временного континуума).
Есть много различных моментов в теории, указывающих, что общая теория относительности — не последняя точка в истории о пространстве-времени. И в самом деле, пускай мне нравится ОТО как абстрактная теория, однако я пришел к мысли, что она, возможно, на целый век увела нас от пути познания истинной природы пространства и времени.
Я размышлял об устройстве пространства и времени немногим более сорока лет. В начале, будучи молодым физиком-теоретиком, я просто принимал эйнштейновскую математическую постановку задачи специальной и общей теории относительности, а так же занимался некоторой работой в квантовой теории поля, космологии и других областях, основываясь на ней.
Но около 35 лет назад, отчасти вдохновленный своим опытом в технических областях, я начал более детально исследовать фундаментальные вопросы теоретической науки, с чего и начался мой длинный путь выхода за рамки традиционных математических уравнений и использования вместо них вычислений и программ как основных моделей в науке. Вскоре после этого мне довелось выяснить, что даже очень простые программы могут демонстрировать очень сложное поведение, а затем, спустя годы, я обнаружил, что системы любого вида могут быть представлены в терминах этих программ.
Воодушевившись этим успехом, я стал размышлять, может ли это иметь отношение к важнейшему из научных вопросов — физической теории всего.
Во-первых, такой подход казался не слишком перспективным — хотя бы потому, что модели, которые я изучал (клеточные автоматы), казалось, работали так, что это полностью противоречило всему тому, что я знал из физики. Но где-то в 88-м году — в то время, когда вышла первая версия Mathematica, я начал понимать, что если бы я изменил свои представления о пространстве и времени, возможно, это к чему то бы меня привело.
Простая теория всего?
Из статьи
вовсе не кажется очевидным, что теория всего для нашей вселенной должна быть проста. И в самом деле, история физики привносит дополнительные сомнения, ведь чем больше мы узнаем, тем вещи оказываются более сложными, во всяком случае, в терминах математического аппарата, вводимого ими. Но, как отмечалось, к примеру, богословами много веков назад, есть очевидная черта нашей вселенной — в ней есть порядок. Частицы нашей вселенной не просто подчиняются каким-то своим законам, но и подчиняются определённому набору общих законов.
Но насколько простой может быть теория всего для нашей Вселенной? Скажем, мы можем представить её в виде программы, допустим, в Wolfram Language. Насколько большой будет эта программа? Будет ли оно сравнима с длиной человеческого генома, или больше походить по объему на операционную систему? Или же она будет значительно меньше?
Если бы я отвечал на этот вопрос до того, как начал исследовать вычислительную вселенную простых программ, я бы, скорее всего, ответил, что подобная программа должна быть чем то весьма сложным. Однако мне удалось обнаружить, что в вычислительной вселенной даже чрезвычайно простые программы могут демонстрировать сколь угодно сложное поведение (этот факт отражен в общем принципе вычислительной эквивалентности).
Структура данных Вселенной
Но какой должна быть такая программа?
Ясно одно: если программа и вправду может быть чрезвычайно простой, то она будет слишком мала для того, чтобы в явной форме кодировать некоторые очевидные особенности нашей Вселенной, такие как массы частиц, разного рода симметрию, или даже пространственную размерность. Все эти вещи должны появляться каким-то образом из чего-то более низкоуровневого и фундаментального.
Но если поведение вселенной определяются простой программой, то какова структура данных, с которыми эта программа работает? Сперва я предположил, что это должно быть нечто простое для описания, как, к примеру, структура клеток, которая появляется в клеточном автомате. Но даже если подобная структура хорошо работает для описания моделей различных вещей, представляется, что она должна быть весьма неправдоподобной для фундаментальных физических моделей. Да, можно найти такие правила, что будут демонстрировать поведение, которое в большом масштабе не будет показывать очевидное свойства структуры. Однако если физика действительно может описываться некоторой простой моделью, то представляется, что столь жёсткая структура для пространства не может быть в неё включена, и что свойства пространства должны из чего-то проистекать.
Так какова альтернатива? Нам потребуется более низкоуровневое понятие, чем пространство, из которого оное и будет рождаться. Также нам потребуется базовая структура данных, которая будет максимально гибкой. Я размышлял об этом много лет, изучая самые разнообразные вычислительные и математические формальные системы. Но в конце концов я понял, что по сути все, с чем я сталкивался, может быть представлено одним способом — с помощью сетей.
Сеть — она же граф — состоит из некоторого количества узлов, которые соединены связями. И все свойства графа следуют из структуры этих связей.
Пространство как граф
Так может ли
пространство состоять из чего-то подобного? В классической физике и ОТО пространство не представляется как состоящее из чего бы то ни было. Оно представляется в виде некоторой математической конструкции, которая служит чем-то вроде сцены, на которой имеется непрерывный диапазон возможных положений, занимаемых разными объектами.
Однако можем ли мы точно сказать, что пространство является непрерывным? Когда квантовая механика зарождалась, была популярна идея о том, что пространство, как и всё остальное, квантуется. Но было не ясно, как эту идею можно сопрячь со СТО, собственно, не было и явных доказательств дискретности пространства. Когда я начал заниматься физикой в семидесятых, обсуждение дискретности пространства сошло на нет, плюс экспериментально было доказано, что в масштабах до 10
Однако есть мнение, что она должна проявиться в масштабах около планковской длины — 10-34 метра. Но когда люди размышляют об этом, скажем, в контексте спиновых сетей, петлевой гравитации или чего бы ты ни было, то они склонны предполагать, что всё, что там происходит, тесно связано с формализмами и понятиями квантовой механики.
Но что, если пространство — вероятно, в планковских масштабах — есть лишь старый добрый граф, лишённый квантовых свойств? Звучит не особо впечатляюще, однако для задания подобного графа требуется значительно меньше информации — достаточно просто сказать, какие узлы с какими соединены.
Но как подобное может порождать пространство? Прежде всего, откуда на больших масштабах возникает видимая непрерывность пространства? На самом деле, всё очень даже просто: это может быть следствием большого количество узлов и связей. Немного напоминает то, что происходит в жидкостях — скажем, в воде. В малых масштабах мы можем наблюдать молекулы, мечущиеся в тепловом движении. Однако масштабный эффект заставляет все эти молекулы порождать то, что мы воспринимаем как непрерывную жидкость.
Так получилось, что в середине 80-х я много времени уделял изучению этого феномена — это было частью моей работы, в которой я разбирался в природе кажущейся случайности турбулентных потоков жидкости. В частности, мне удалось показать, что если представить молекулы как клетки клеточного автомата, то их крупномасштабное поведение будет точно описываться дифференциальными уравнениями для потоков жидкости.
И потому, когда я начал размышлять о возможности существования подструктуры пространства, которое можно представить в виде сети, мне подумалось, что здесь можно использовать те же методы, и что это может свести уравнения ОТО Эйнштейна к другим, существенно более низкоуровневым.
Может быть, нет ничего, кроме пространства
Хорошо. Допустим, пространство есть сеть. Но что можно сказать обо всех вещах, располагаемых в пространстве? Что можно сказать об электронах, кварках, протонах и прочем? Стандартные физические представления говорят о том, что пространство есть сцена, на которой располагаются частицы, струны или что бы то ни было. Однако подобное представление становится весьма сложным. Но есть и более простой вариант: возможно, всё в нашей вселенной состоит из пространства.
В последние годы своей жизни Эйнштейн был весьма увлечен этой идеей. Он полагал, что, быть может, такие частицы, как электроны, можно рассматривать как нечто вроде черных дыр, что состоят из одного лишь пространства. Однако, опираясь лишь на формализм ОТО, Эйнштейн не смог развить эту идею, в результате чего она была заброшена.
И, так уж было, что за сотню лет до этого в умах некоторых людей жили подобные идеи. Это были времена до СТО, когда люди думали, что пространство заполнено средой, подобной жидкости — эфиром (по иронии судьбы в настоящее время мы вернулись к модели заполненного пространства — полем Хиггса, квантовыми флуктуациями в вакууме и прочим). Между тем, было понятно, что существуют различные типы атомов, соответствующие различным химическим элементам. И было выдвинуто предположение (в частности, Кельвином), что разным атомам можно сопоставить различные узлы эфира.
Это интересная идея, хоть и неправильная. Но, представляя пространство как сеть, можно рассмотреть схожую идею: возможно, частицы соответствуют определенным структурам сети. Быть может, всё сущее во вселенной есть сеть, а материи соответствуют какие-то структуры этой сети. Подобные вещи легко можно обнаружить на поле клеточного автомата. Даже если каждая клетка подчиняется некоторым простым правилам, в системе появляются определенные структуры со своими свойствами — прямо как частицы с физикой взаимодействия друг с другом.
То, как всё это может реализовываться на сетях — отдельная и очень большая тема. Однако сперва нам стоит обсудить одну очень важную вещь — время.
Что есть время?
В 19-ом веке были понятия пространства и времени. Оба описывались координатами, а с помощью некоторых математических формализмов появлялись схожим путем. Однако мысль о том, что пространство и время в некотором роде есть одно и то же, не была в ходу. Но потом появился Эйнштейн с ОТО, и люди начали
говорить о пространстве-времени, в котором пространство и время есть грани некоего единого понятия.
Оно вносит множество смыслов в СТО, в которой, к примеру, перемещение с переменной скоростью есть суть вращение в четырехмерном пространстве-времени. И весь этот век физики полагали пространство-время некоей сущностью, в которой пространство и время не имеют фундаментальных различий.
Но как всё это будет работать в контексте сетевой модели пространства? Конечно, можно ввести четырёхмерную сеть, в которой время будет работать так же, как и пространство. А потом просто сказать, что нашей вселенной соответствует некоторая пространственно-временная сеть (или семейство сетей). Каждая сеть должна определяться некоторыми ограничениями: наша вселенная обладает такими и такими свойствами, и, получается, удовлетворяет таким и таким уравнениям. Однако это представляется неконструктивным подходом — он не говорит о том, как вселенная ведет себя, а лишь о том, что если что-то обладает таким-то поведением, то это что-то может быть вселенной.
И, к примеру, в контексте программ пространство и время проявляются весьма по-разному. В клеточных автоматах, к примеру, клетки располагаются в пространстве, однако поведение системы возникает в пошаговых изменениях времени. Но вот какой момент: из того, что низкоуровневые правила сильно разграничивают поведения пространства и времени, не следует, что на больших масштабах они не будут вести себя схожим образом — как и полагается в современной физике.
Формирование сети
Итак, давайте предположим, что сеть есть подпространственная структура. Как эта
сеть формируется? Можно ввести простую гипотезу, которая заключается в том, что существует некое местное правило, которое говорит, что если вы видите некоторый фрагмент сети, выглядящий некоторым образом, то его следует заменить на фрагмент, который выглядит так.
Но теперь все становится немного сложнее. Ведь может быть много мест в сети, где можно применить подобное правило. Так что определяет порядок обработки каждого фрагмента?
По сути, каждое возможное упорядочение соответствует своему временному потоку. И можно было бы вообразить теорию, в которой все потоки имеют место быть, и наша вселенная имеет множественную историю.
Но мы можем обойтись и без этой гипотезы. Вместо этого, вполне возможно, существует лишь одна нить времени — и это хорошо соотносится с тем, что мы знаем о мире, с нашим опытом. И чтобы понять это, нам следует сделать нечто наподобие того, что сделал Эйнштейн, формулируя СТО: нам следует ввести более реалистичную модель того, чем может являться наблюдатель.
Излишне говорить, что какой-либо реальный наблюдатель должен иметь возможность существовать в нашей вселенной. Таким образом, если вселенная представляет собой сеть, то наблюдатель должен быть некоей частью этой сети. Вспомним теперь о постоянных небольших изменениях, которые происходят в сети. Чтобы знать, что подобное изменение (обновление) произошло, наблюдатель и сам должен быть изменен (обновлен).
Если вы проведете всю эту мысленную цепочку, которую я провел в книге A New Kind of Science (NKS), то поймете, что единственное, что могут воспринимать наблюдатели в истории вселенной — причинную сеть — то, когда одно событие вызывает другое.
А потом выясняется, что есть определенный класс базисных правил, для которых различные порядки базисных обновлений не влияют на причинно-следственную сеть. Их я называю «причинно-следственно инвариантными» правилами.
Причинная инвариантность является интересным свойством, которое имеет аналоги в различных вычислительных и математических системах, например в том, что преобразования в алгебре могут быть применены в любом порядке и будут давать один и тот же конечный результат. Но в контексте вселенной его следствием является то, что он гарантирует, что есть только один поток времени во вселенной.
Вывод СТО
Так что насчёт пространства-времени и СТО? Тут, как я понял в середине 90-х, происходит
нечто захватывающее: если есть причинно-следственная инвариантность, то из этого следует, что на больших масштабах СТО будет появляться сама собой. Другими словами, даже если на самом низком уровне пространства и времени всё происходит совсем по-другому, то в большем масштабе всё это порождает то, что предписывает СТО.
Грубо говоря, системы отсчета в специальной теории относительности — связанные, например, с перемещениями при разных скоростях — соответствуют различным последовательностям низкоуровневых изменений сети. Но из-за причинной инвариантности общее поведение, ассоциированное с различными последовательностями, получается точно таким-же — таким образом, система удовлетворяет принципам СТО.
В начале данная ситуация могла бы показаться безнадежной: как может сеть, которая рассматривает пространство и время по-разному, сойтись со СТО? Но это работает. И в самом деле, я не знаю никакой другой модели, которая может успешно вывести принципы СТО из чего-то более низкоуровневого; в современной физике это всегда представлялось как данность.
Вывод ОТО (Общей теории относительности)
Ок, СТО можно получить из простых моделей, основанных на сетях. Но что можно сказать об ОТО? Есть очень хорошая новость: опираясь на различные предположения, в конце 90-х мне удалось
вывести уравнения Эйнштейнаиз динамики сетей.
Вся эта история в действительности несколько сложнее, но вот примерный пересказ. Во-первых, нам стоит вообразить, как сеть формирует из себя пространство. Следует помнить, что сеть есть лишь набор узлов и связей. Притом узлы могут располагаться в одномерном, двумерном или любом n-мерном пространстве.
Легко увидеть, что есть сети, которые в больших масштабах представляются двумерными или трехмерными. На самом деле, есть простой тест для определения эффективной размерности сети. Возьмем некоторый узел, а затем посмотрим на все узлы, отстоящие от него на r связей. Если сеть проявляет себя как d-мерная, то число узлов в этой «сфере» будет около rd.
И тут вещи приобретают интересный оборот. Если сеть ведет себя как неискаженное в пространстве большей размерности d-мерное пространство, то число узлов всегда будет около rd. Но если поведение подобно искривленному пространству (как в ОТО), то будет иметь место поправочный член, пропорциональный такому математическому объекту, как тензор Риччи. И это весьма интересно, ведь тензор Риччи как раз и возникает в уравнениях Эйнштейна.
Тут много математических сложностей. Следует рассмотреть кратчайшие пути — геодезические линии сети. Следует понять, как сделать что бы то ни было не только в пространстве, но и на сети с течением времени. Так же следует понять то, до каких масштабов проявляются свойства сети.
При выводе математических результатов важно иметь возможность получать разного рода средние значения. По сути, это подобно выведению уравнений для жидкости из динамики молекул: нужно иметь возможность принимать среднее из некоторого диапазона случайных значений в низкоуровневых взаимодействиях.
Но хорошая новость заключается в том, что существует необъятное количество систем, построенных даже на чрезвычайно простых правилах, которые подобны цифрам числа пи, то есть для любых прикладных целей являются достаточно случайными. Получается, что даже если особенности причинной сети полностью определены для того, кто знает исходное состояние сети, то большая часть этих особенностей будут являться, по сути, случайными.
Вот что имеем в итоге. Если ввести предположение об эффективной микроскопической случайности и предположить, что поведение системы в целом не приводит к изменению во всех ограничивающих размерностях, то из этого следует, что масштабное поведение системы удовлетворяет уравнениям Эйнштейна!
Полагаю, это очень интересно. Уравнения Эйнштейна можно получить практически из ничего. Это означает, что эти простые сети воспроизводят черты гравитации, которые мы знаем из современной физики.
Есть ряд деталей, которые не подходят под формат этой статьи. Многие из них я озвучивал довольно давно в NKS, особенно в заметках в конце.
Некоторые из вещей, возможно, стоит упомянуть. Во-первых, стоит отметить, что эти базисные сети не только представляются в обычном непрерывно определенном пространстве, но и не определяют такие топологические понятия, как внутри и снаружи. Все эти понятия являются следствием и выводятся.
Когда дело доходит до вывода уравнений Эйнштейна, тензоры Риччи рождаются из геодезических линий на сети вместе с ростом сфер, которые берут начало из каждой точки на геодезической линии.
Полученные уравнения Эйнштейна являются уравнениями Эйнштейна для вакуума. Но как и в случае с гравитационными волнами, можно эффективно отделить особенности пространства, связанные с материей, а затем получить полные уравнения Эйнштейна в терминах материи-энергии-импульса.
Когда я пишу это, то понимаю, насколько легко скатываюсь к «языку физиков» (вероятно, это связано с тем, что я занимался физикой в молодости…). Но достаточно просто сказать, что на высоком уровне появляется захватывающая вещь, которая заключается в том, что из простой идеи о сетях и причинно-следственно инвариантных правил замены можно вывести уравнения ОТО. Сделав удивительно мало, мы получаем яркую звезду физики 20-го века: общую теорию относительности.
Частицы, квантовая механика и прочее
Весьма здорово — иметь возможность вывести ОТО. Но на этом физика не заканчивается. Другой очень важной её частью является
квантовая механика. Боюсь, я не смогу в рамках этой статьи подробно развернуть эту тему, но, по-видимому, такие частицы, как электроны, кварки или бозоны Хиггса должны представляться в виде некоторых особых областей сети. В качественном смысле они могут не сильно отличаться от «эфирных узлов» Кельвина.
Но тогда их поведение должно следовать правилам, которые мы знаем из квантовой механики — или, если более конкретно — из квантовой теории поля. Ключевой особенностью квантовой механики является то, что она может быть сформулирована в терминах множественных поведений, каждое из которых связано с определенной квантовой амплитудой. Я не до конца со всем этим разобрался, однако есть намек на то, что нечто подобное происходит, если смотреть на эволюцию сети с различными возможными последовательностями низкоуровневых замен.
Моя сетевая модель, говоря строго, не имеет никаких квантовых амплитуд. Она больше похожа (но не в точности) на классическую, по сути, вероятностную модель. И в течение полувека люди считали, что с подобными моделями сопряжены практически нерешаемые проблемы. Ведь есть такая теорема Белла, в которой говориться, что если нет мгновенных нелокальных распространений информации, то не найдется и такой модели «скрытых переменных», что сможет воспроизвести квантово-механические результаты, наблюдаемые экспериментально.
Но есть принципиальные замечания. Вполне себе ясно, что означает нелокальность в обычном пространстве некоторой размерности. Но что можно сказать в контексте сетей? Тут всё по-другому. Потому что все определяется одними лишь связями. И хоть сеть и может в больших масштабах представляться трехмерной, остаётся возможность, что есть некие «нити», соединяющие некоторые области, которые без оных были бы отделены друг от друга. И мне не даёт покоя одна мысль — есть основания полагать, что эти нити могут генерироваться подобными частицам структурами, распространяющимися в сети.
В поисках вселенной
Хорошо, получается, что некоторые модели на основе сетей могут воспроизвести модели современной физики. Но с чего стоит начать поиск модели, в точности воспроизводящей нашу вселенную?
Первая мысль — начать с существующей физики и попытаться адаптировать инженерно-прикладные правила так, чтобы воспроизвести её. Но единственный ли это путь? А что если просто начать перечислять все возможные правила, ища среди них те, что будут описывать нашу вселенную?
Не начав изучение вычислительной вселенной простейших программ, я бы подумал, что это безумная затея: правила нашей вселенной никак не могут быть достаточно простыми для того, чтобы их можно было бы найти простым перечислением. Но увидев, что творится в вычислительной вселенной и увидев некоторые другие примеры, в которых потрясающие вещи были найдены одним лишь перебором, я понял, что ошибаюсь.
Но что будет, если кто-то действительно начнет осуществлять подобный поиск? Вот подборка сетей, полученных после довольно небольшого числа шагов, используя все возможные правила определенного, весьма простого типа:
Некоторые из этих сетей явно не соответствуют нашей вселенной. Они просто замирали спустя несколько итераций, то есть время в них, по сути, останавливалось. Или структура их пространства была слишком простой. Или у них было бесконечное число измерений. Или какие-то другие проблемы.
Здорово, что с такой удивительной быстротой мы можем найти те правила, которые явно не соответствуют нашей вселенной. А сказать то, что именно этот объект — наша вселенная, является значительно более сложной задачей. Потому что даже если смоделировать большое количество шагов, то невероятно сложно будет показать то, что поведение этой системы демонстрирует то же самое, что говорят нам физические законы о ранних моментах жизни вселенной.
Хотя есть ряд обнадеживающих вещей. Например, эти вселенные могут рождаться с фактически бесконечным числом измерений, а затем постепенно сжиматься до конечного числа измерений, потенциально устраняя необходимость в явной инфляции в ранней Вселенной.
А если рассуждать на более высоком уровне, то следует помнить, что если использовать весьма простые модели, то будет иметь место большое расстояние между «соседними моделями», так что, скорее всего, эти модели будут либо точно воспроизводить известные физические построения, либо будут далеки от истины.
В конце концов, нужно воспроизвести не только правила, но и начальное состояние вселенной. И как только мы узнаем его, то мы принципиально сможем узнать точную эволюцию вселенной. Так означает ли это, что можно было бы сразу узнать все о вселенной? Однозначно нет. Из-за явления, которое я называю «вычислительной несводимостью», и которое подразумевает, что если знать правила и начальное состояние для системы, она по-прежнему может требовать неприводимое количество вычислительной работы для прослеживания каждого шага системы в выяснения того, что она делает.
Тем не менее, существует вероятность, что кто-то сможет найти простое правило и начальное состояние, сказав: «Смотрите-ка, это наша вселенная!» Мы нашли бы нашу вселенную в пространстве всех возможных вселенных.
Конечно, это было бы знаменательным днём для науки.
Но возникло бы множество других вопросов. Почему именно это правило, а не другое? И почему наша Вселенная должна иметь правило, которое появляется достаточно рано в нашем списке всех возможных вселенных, и которое мы можем найти простым перечислением?
Можно было бы подумать, что именно особенности нашей вселенной и тот факт, что мы в ней находимся, заставят нас сформировать правила перечисления так, что вселенная появится достаточно рано. Но в настоящее время я полагаю, что всё должно быть значительно более экстравагантно, как, например, в случае с наблюдателем во вселенной — все из большого класса нетривиальных возможных правил для вселенных в действительности эквивалентны, потому можно выбрать любое из них и получить точно такие же результаты, просто по-другому.
Ок, покажите мне Вселенную
Но всё это лишь догадки. И пока мы и в самом деле не найдем кандидата на правило нашей вселенной, вероятно, на обсуждение этих вещей не стоит тратить много времени.
Так, хорошо. Какова наша текущая позиция во всем этом? Большую часть из того, что сейчас обсуждалось, я понял где-то в 99-ом — за несколько лет до окончания A New Kind of Science. И хоть я и писал на простом языке, а не в формате статьи по физике, мне удалось покрыть основные моменты этой темы в девятой главе книги, добавив некоторые технические детали в примечаниях в конце.
Но после того, как в 2002 году книга была закончена, я снова начал работать над физическими проблемами. Будет забавным сказать, что в моём подвале стоял компьютер, который искал фундаментальную физическую теорию. Но вот что на самом деле он делал: перечислял возможные правила различных типов и пытался обнаружить соответствие их поведения определенным критериям, которые могли бы сделать их правдоподобными в качестве моделей физики.
Я весьма скрупулёзно проделывал это работу, черпая идеи из простых случаев, последовательно продвигаясь к более реалистичным. Было много технических вопросов. Как представлять большие эфолюционирующие последовательности графов. Или как быстро распознавать слабоуловимые закономерности, которые показывают, что правило не соответствует нашей вселенной.
Работа разрослась на тысячи страниц, если её представлять в печатной форме, постепенно приближая к пониманию основ того, что могут делать системы, основанные на сетях.
В некотором смысле это было чем-то вроде хобби, которым я занимался параллельно с текучкой по управлению компанией и ее технологическим развитием. И был еще один отвлекающий фактор. В течение многих лет я занимался проблемой вычислительных знаний и построением движка, который мог бы всесторонне их реализовывать. И по результатам моей работы над A New Kind of Science я убедился, что это возможно, и что сейчас подходящее время для реализации этого.
К 2005 году стало ясно, что это действительно возможно реализовать, и потому я решил посвятить себя этому направлению. В результате получилась Wolfram|Alpha. И как только Wolfram|Alpha была запущена, то стало ясно, что можно сделать значительно большее — и я посвятил своё, пожалуй, наиболее продуктивное десятилетие на создание огромной системы из идей и технологий, которая дала возможность реализовать Wolfram Language в его нынешнем виде, а так же множество других вещей.
Заниматься физикой или нет — вот в чем вопрос
Но в течение этого десятилетия я не занимался физикой. И когда сейчас я смотрю на файловую систему на своем компьютере, я вижу большое количество ноутбуков с материалами по физике, сгруппированные с полученными мною результатами, и все это оставалось брошенным и нетронутым с начала 2005 года.
Должен ли я вернуться к вопросам физики? Я определенно хочу этого. Хотя есть и другие вещи, которые я хотел бы реализовать.
Я провел большую часть своей жизни, работая над очень большими проектами. И я упорно трудился, планируя то, что собираюсь сделать, пытаясь их распланировать на ближайшее десятилетие. Иногда я откладывал проекты, потому что существующие на тот момент технологии или инфраструктура были ещё не готовы к ним. Но как только я приступал к работе над проектом, я давал себе обещание найти способ его успешно завершить, даже если для его реализации потребуется много лет напряженной работы.
Однако поиск фундаментальной физической теории, пожалуй, несколько отличается от проектов, над которыми мне приходилось работать раньше. В некотором смысле критерии его успеха гораздо жестче: он или решает проблему и находит теорию, или нет. Да, можно было бы найти множество интересных абстрактных понятий из формирующийся теории (как в теории струн). И вполне вероятно, что такое исследование даст интересные побочные результаты.
Но в отличие от создания технологий или исследования научных областей, формулирование содержания этого проекта вне нашего контроля. Его содержание определяется нашей вселенной. И, вполне возможно, я просто ошибаюсь в предположениях о том, как работает наша вселенная. Или, быть может, что я прав, но есть практически непреодолимый барьер из-за вычислительной несводимости, который лишает нас возможностей познать эту сферу.
Кто-то может сказать, что есть вероятность того, что мы найдем некоторую вселенную, которая будет походить на нашу, но мы так никогда и не узнаем, наша ли она в действительности. Я, на самом деле, не особо беспокоюсь об этом. Я думаю, что есть достаточное количество аномалий в существующей физике, приписываемых таким вещам, как темная материя, объяснение которых даст нам полную уверенность в том, что мы нашли верную теорию. Будет здорово, если можно будет сделать предположение и быстро проверить его. Но к тому времени, как мы выведем все, казалось бы, произвольные массы частиц, и другие известные особенности физики, можно будет быть уверенным, что мы имеем дело с верной теорией.
Было занятно в течение многих лет спрашивать у своих друзей, должен ли я заниматься фундаментальными вопросами физики. И получал я три совершенно разных типа ответов.
Первый — простой: «Ты должен заниматься этим!» Они говорили, что проект является самым увлекательным и важным из тех, что можно себе вообразить, и не могут понять, зачем ждать ещё хоть один лишний день, прежде чем к нему приступить.
Второй тип ответов: «Зачем тебе этим заниматься?» Затем они говорят нечто вроде «Почему бы не решить проблему искусственного интеллекта, или молекулярной инженерии, биологического бессмертия, или, по крайней мере, не построить огромную многомиллиардную компанию? Зачем заниматься чем-то столь абстрактным и теоретическим, когда можно сделать что-то насущное и изменить тем самым мир?»
А есть третий тип ответов — весьма ожидаемый, если иметь в виду историю науки. В основном он исходит от моих друзей-физиков, и это некая комбинация из «Не трать своё время на это!» и «Пожалуйста, не надо этим заниматься«.
Дело в том, что нынешний подход к фундаментальной физике, основанный на теории квантового поля, насчитывает почти 90 лет. Он имел ряд успехов, однако не привел нас к фундаментальной физической теории. Но для большинства современных физиков нынешний подход и есть суть сама физика. И когда они слышат о том, над чем я работаю, им это кажется чем-то столь незнакомым, будто это на самом деле и не физика.
И некоторые из моих друзей прямо так и говорят: «Я надеюсь, что у тебя ничего не получится, потому что тогда все, над чем я работал, пойдет коту под хвост«. Ну, да, многое из сделанного окажется бессмысленным. Но вы всегда сталкиваетесь с этим риском, когда занимаетесь проектом, в котором природа решает что верно, а что нет. Но я должен сказать, что даже если можно будет найти по-настоящему фундаментальную физическую теорию, то останется ещё очень большое поле для работы квантовой теории поля, к примеру — объяснение различных эффектов на масштабах, с которыми мы работаем в настоящее время на ускорителях частиц.
Что требуется?
Так, хорошо, если я запущу проект по поиску фундаментальной физической теории, то что мне следует делать? Это сложный проект, которому потребуюсь не только я, но также и разнородная группа талантливых людей.
Будет ли он в конечном счете работать — не знаю, но думаю, что будет довольно интересно за ним наблюдать, и я планирую представить его в прозрачном формате, сделав его максимально доступным и познавательным (конечно, это будет ободряющим контрастом с тем режимом отшельника, в котором я работал над A New Kind of Science в течение десяти лет).
Безусловно, я не могу знать, насколько сложен этот проект, и принесет ли он вообще результаты. В конечном счете это зависит от того, какова есть на самом деле наша вселенная. Но, основываясь на том, что я сделал десять лет назад, у меня есть четкий план относительно того, с чего начать и каких людей свести вместе в рамках одной команды.
Тут потребуются как хорошие учёные, так и прикладники/инженеры. Потребуется проделать много работы в области разработки алгоритмов эволюции сетей и их анализа. Я уверен, что тут потребуется теория графов, современная геометрия, теория групп и, возможно, некоторые другие разделы абстрактной алгебры. И я не удивлюсь, если в итоге будут задействовано большое количество других областей математики и теоретической информатики.
Тут потребуется сложная и серьёзная физика, с понимаем основ квантовой теории поля, теории струн и, возможно, таких разделов, как спиновые сети. Также, вероятно, потребуются методы статистической физики и её современных теоретических основ. Потребуется понимание общей теории относительности и космологии. И, если дела идут хорошо, потребуется работа над большим количеством разнообразных физических экспериментов, а также их интерпретация.
Будут и технические проблемы — понять, к примеру, то, как проводить огромную вычислительную работу по сетям и визуализировать получаемые результаты. Но я подозреваю, что самые большие проблемы будут в строительстве здания новой теории и понимании того, что необходимо для изучения различных видов сетевых систем, которые я хочу исследовать. Будет не лишней поддержка из существующих ныне областей. Но, в конце концов, подозреваю, потребуется построение существенно новой интеллектуальной структуры, которая не будет похожа ни на что из того, что имеется сейчас.
Но пришло ли время?
Подходящее ли сейчас время для реализации подобного проекта? Может быть, следует подождать, пока компьютеры получат больше вычислительных возможностей. Или когда некоторые области математики продвинутся дальше. Или пока не будут получены ответы на еще несколько вопросов из физики.
Я не уверен. Но я и не вижу никаких непреодолимых препятствий, а лишь то, что на этот проект потребуются усилия и ресурсы. И кто знает: может быть, это окажется проще, чем мы думаем, и мы, оглядываясь назад, будем задаваться вопросом — почему этого никто не сделал ранее.
Одним из ключевых моментов, который привел к общей теории относительности 100 лет назад, заключался в том, что пятый постулат Евклида («параллельные линии никогда не пересекаются») может и не выполняться в реальной вселенной, давая возможность существования искривленного пространства. Но если мои подозрения о космосе и вселенной верны, то это означает, что на самом деле есть и более фундаментальная проблема в основаниях Евклида — в самых первых его определениях. Ведь если существует дискретная подпространственная сеть, то предположения Евклида о точках и линиях, которые могут занимать любые пространственные положения, попросту не верны.
ОТО — отличная теория, но мы уже знаем, что она не может быть окончательной. И теперь мы должны задаться вопросом — сколько пройдет времени, прежде чем мы придем к окончательной теории. Надеюсь, не слишком много. И я надеюсь, что ОТО отпразднует не слишком много юбилеев прежде, чем мы узнаем, что же есть пространство-время на самом деле.
Что такое пространство-время?
С точки зрения физики, исследуя ничтожно малое пространство, мы увидим, что оно состоит из квантов. Но что это за кирпичики?
Люди, как правило, воспринимают пространство как нечто само собой разумеющееся. Ну, в самом деле: это просто-напросто пустота, фон для всего остального. Время тоже простая штука: беспрестанно тикает и тикает. Однако, если физики, долгие годы бившиеся над объединением их фундаментальных теорий, и сумели извлечь из этого хоть что-то полезное, так это то, что пространство и время образуют систему такой ошеломляющей сложности, что любые, даже самые отчаянные попытки осмыслить её могут оказаться тщетными.
Альберт Эйнштейн увидел этот назревавший результат уже в ноябре 1916 года. Годом ранее он сформулировал общую теорию относительности, согласно которой гравитация является не силой, действующей в пространстве, а свойством самого пространства-времени. Шар, брошенный высоко вверх, по дуге возвращается к земле, потому что Земля так искажает окружающее его пространство-время, что пути шара и земли снова пересекаются. В письме к другу Эйнштейн размышлял о проблеме объединения общей теории относительности и его другого детища — зарождавшейся квантовой механики. Получалось, что, если объединение состоится, разговорами о том, что пространство искажается, ограничиться не удастся: придётся вести речь о его демонтаже. Обдумывая математические расчёты, он плохо понимал, с чего следует начать. «Как же я измучил себя на этом пути!» — написал он.
Продвинуться далеко Эйнштейну не удалось. Даже сейчас конкурирующих версий квантовой теории гравитации почти столько же, сколько учёных, работающих над данной темой. В горячих спорах упускают из виду важную истину: все конкурирующие версии говорят о том, что пространство происходит от чего-то более глубокого. Эта идея идёт вразрез с 2500-летним опытом научного и философского осмысления пространства.
Вглубь чёрной дыры
Проблему, стоящую перед физиками, прекрасно иллюстрирует обычный магнит. Он легко поднимает с пола скрепку, несмотря на гравитацию целой планеты Земля. Гравитация слабее магнетизма, электрических и ядерных связей. Какими бы ни были квантовые эффекты, они чрезвычайно слабы. Единственное осязаемое свидетельство того, что они всё же существуют, — это пёстрый узор ранней Вселенной, который, как полагают, не мог появиться без участия квантовых флуктуаций гравитационного поля.
Лучше всего исследовать квантовую гравитацию с помощью чёрных дыр. «Они самые подходящие объекты для проведения экспериментов», — говорит Тед Джекобсон (Ted Jacobson) из Мэрилендского университета в Колледж-Парке (University of Maryland, College Park). Он и другие теоретики изучают чёрные дыры как теоретические точки опоры. Что произойдёт, если взять уравнения, которые отлично работают в ходе лабораторных исследований, и применить их для чёрной дыры — самого экстремального объекта? Проявится ли какой-нибудь тонкий изъян?
Согласно общей теории относительности, стоит какому-то материальному предмету попасть в центр чёрной дыры — и он окажется бесконечно сжатым. Это математический тупик, называемый сингулярностью. Теоретики не могут экстраполировать траекторию попавшего в чёрную дыру предмета за пределы сингулярности; там пресекается не только траектория, но и линия времени. Даже говорить про «там» проблематично, ибо само пространство-время, определяющее местоположение сингулярности, перестаёт существовать. Исследователи надеются, что квантовой теории удастся выступить в роли микроскопа, дающего возможность разглядеть, что происходит с материальным предметом, попадающим в сингулярность.
На подступах к чёрной дыре материя не настолько сжата и гравитация не настолько сильна, чтобы не работали известные нам законы физики. Однако они, как это ни странно, не работают. Границей чёрной дыры является горизонт событий, рубеж невозврата: материя, которая сюда попадает, вернуться не может. Спуск в дыру необратим, и это — физическая проблема, ибо все известные ныне законы фундаментальной физики, в том числе квантовой механики в её обычной интерпретации, обратимы. У вас должна быть, по крайней мере, принципиальная возможность обратить вспять движение всех частиц и восстановить то, что у вас было.
Очень похожая проблема встала перед физиками в конце 1800-х годов, когда они исследовали математику «чёрного тела», идеализированная модель которого представляет собой полость, заполненную электромагнитным излучением. Согласно теории электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла, такой объект должен поглощать всё падающее на него излучение и никогда не сможет прийти к равновесию с окружающей средой. «Он поглощает бесконечное количество тепла из резервуара, температура которого остаётся постоянной», — объясняет Рафаэль Соркин (Rafael Sorkin) из Института теоретической физики «Периметр» (Perimeter Institute for Theoretical Physics) в Онтарио. Говоря на языке термодинамики, температура этого объекта фактически равна абсолютному нулю. Данный вывод противоречит результатам наблюдения за реальными чёрными телами (такими как печь). Опираясь на исследования Макса Планка, Эйнштейн показал, что чёрное тело может достичь теплового равновесия, если излучаемую энергию получают дискретные единицы, или кванты.
Над проблемой равновесия чёрных дыр физики-теоретики бьются уже почти полвека. В середине 1970-х годов недавно почивший Стивен Хокинг (Stephen Hawking) из Кембриджского университета (University of Cambridge) сделал огромный шаг вперёд: изучая с помощью квантовой теории поле излучения вокруг чёрных дыр, он показал, что температура этих объектов не является нулевой. В таком случае, они не только поглощают, но и излучают энергию. Хотя благодаря Хокингу чёрные дыры прописались в термодинамике, проблема необратимости усугубилась. Излучение чёрной дыры не несёт никакой информации о том, что у неё внутри. Это случайная тепловая энергия. Если, запустив данный процесс в обратном порядке, вы вернёте дыре её энергию, то поглощённая ею материя не выскочит назад; вы просто получите больше тепла. И нет оснований считать, будто попавшие в дыру материальные предметы всего лишь заперты в ней, но продолжают существовать, ибо, излучая, дыра сжимается и, согласно расчётам Хокинга, в конце концов неминуемо исчезает.
Эту проблему называют информационным парадоксом, так как чёрная дыра съедает ту информацию о поглощённых ею частицах, с помощью которой вы могли бы обратить их движение вспять. Если физика чёрных дыр действительно допускает обратимость любого процесса, то что-то должно нести информацию из этих дыр, и, чтобы так оно и было, возможно, нашу концепцию пространства-времени следует изменить.
Атомы пространства-времени
Тепло — это хаотическое движение микроскопических частиц, таких как молекулы газа. Поскольку чёрные дыры могут нагреваться и остывать, разумно предполагать, что они включают в себя частицы — в общем, имеют микроскопическую структуру. А поскольку чёрная дыра — это всего-навсего пустое пространство (согласно общей теории относительности, поглощаемая материя проходит через горизонт событий, но не может не исчезнуть), её частицы должны быть частицами самого пространства. Чёрная дыра, простая настолько, насколько может быть простым простор пустого пространства, скрывает в себе беспредельную сложность.
Даже теории, провозглашающие свою приверженность обычному пониманию пространства-времени, в конечном итоге приходят к выводу, что за этим безликим фасадом что-то скрывается. Например, в конце 1970-х годов Стивен Вайнберг (Steven Weinberg), ныне работающий в Техасском университете в Остине (University of Texas at Austin), стремился дать описание гравитации, похожее на описание других сил природы. Однако и он вынужден был отметить, что пространство-время, если брать его в том масштабе, в каком оно проявляет себя максимально ярко, выглядит весьма и весьма необычно.
Первоначально физики изображали микроскопическое пространство в виде мозаики, сложенной из маленьких кусков. Считалось, что взглянув на него в масштабе Планка, то есть имея дело с умопомрачительно малой единицей длины, составляющей 10−35 метров, мы увидим нечто вроде шахматной доски. Однако, на самом деле, картина пространства будет несколько иной. И, прежде всего, следует отметить, что в сетке этой шахматной доски разные направления неравноценны, в результате чего имеют место асимметрии, противоречащие специальной теории относительности. Например, скорость света может зависеть от его цвета — точь-в-точь как в стеклянной призме, расщепляющей свет на цвета радуги. И эти нарушения относительности будут бросаться в глаза, хотя обычно, имея дело с малыми масштабами, трудно наблюдать какие-либо эффекты.
Кроме того, термодинамика чёрных дыр заставляет усомниться в том, что пространство представляет собой простую мозаику. Измеряя тепловое поведение любой системы, вы можете более или менее точно рассчитать число входящих в неё частей. Вбросьте в систему энергию и посмотрите на термометр. Если температура взлетела, вброшенную энергию получило сравнительно небольшое количество молекул. В сущности, то, что вы измеряете, — это энтропия. Она характеризует микроскопическую сложность системы.
Если вы имеете дело с обычной материей, с увеличением изучаемого объёма растёт число молекул. Тут всё закономерно: увеличьте радиус пляжного мяча в 10 раз — и внутри него окажется в 1000 раз больше молекул. Однако, увеличив в 10 раз радиус чёрной дыры, вы получите всего лишь стократное увеличение числа её «молекул». Количество частиц, из которых состоит дыра, пропорционально площади её поверхности, а не её объёму. Чёрная дыра выглядит трёхмерной, а ведёт себя, как двухмерная.
Этот странный эффект называют голографическим принципом, потому что он ассоциируется с голограммой. Глядя на голограмму, мы видим трёхмерный объект, хотя, на самом деле, перед нами двухмерный лист плёнки. Если голографический принцип учитывает микроскопические частицы пространства и его содержание, — а с этим согласны многие физики-теоретики, — то для создания пространства мало простого объединения маленьких кусочков.
Во всяком случае, отношение части к целому редко бывает простым. Молекула H2O — это не просто частица воды. Вспомним известные нам свойства данной жидкости: она течёт, образует капли, рябь и волны, замерзает и кипит. Отдельная молекула H2O ничего такого не делает: молекул должно быть много. Аналогично, кирпичики пространства могут не быть пространственными. «Атомы пространства не являются мельчайшими частицами пространства, — говорит Даниэле Орити (Daniele Oriti) из Института гравитационной физики Общества Макса Планка (нем. Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik) в Потсдаме, Германия. — Они лишь то, из чего образуется пространство. Геометрические свойства пространства — новые, коллективные, более или менее точные свойства системы, состоящей из многих таких атомов».
Что именно представляют собой эти кирпичики, зависит от теории. В теории петлевой квантовой гравитации это — кванты объёма, взаимодействующие на основе квантовых принципов. В теории струн это — родственные электромагнитным поля, живущие в плоскости, образуемой движущейся струной — нитью или петлёй энергии. В М-теории, которую можно рассматривать как фундамент теории струн, это — особый тип частиц: мембрана, сжатая в точку. В теории причинностного множества (causal sets theory) это — события, связанные сетью причины и следствия. В теории амплитуэдра и некоторых других теоретических схемах никаких кирпичиков, образующих пространство, нет вообще — по крайней мере, в том смысле, в каком их обычно понимают.
Во всех этих теориях, несмотря на разные принципы их построения, используется так называемый «реляционизм» немецкого философа XVII—XVIII веков Готфрида Лейбница. С точки зрения реляционизма, пространство возникает из определённой структуры корреляций между объектами. Выходит, оно — своеобразный пазл. Вы начинаете с большой кучи кусочков, смотрите, какие между ними связи, и соответственно складываете из этих кусочков какую-то картину. Если два кусочка имеют что-то схожее, например цвет, их, по-видимому, следует разместить рядом; если же они сильно отличаются друг от друга, вы постараетесь разместить их так, чтобы между ними было большое расстояние. Выражаясь языком физики, это — сеть с определённой структурой связности. Отношения здесь задаются законами квантовой теории или другими принципами, и на этой основе образуется пространство.
Ещё одна общая для разных теорий тема — фазовые переходы. Пространство, которое складывается из кирпичиков, можно и разобрать. Затем из его кирпичиков можно создать нечто, совсем непохожее на пространство. «Подобно тому, как вещество имеет разные фазовые состояния, такие как лёд, вода и водяной пар, у атомов пространства, благодаря их способности перенастраиваться, тоже есть разные фазы», — утверждает Тхану Падманабхан (Thanu Padmanabhan) из Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики (Inter-University Center for Astronomy and Astrophysics) в Индии. С этой точки зрения, чёрные дыры могут быть местами исчезновения пространства в ходе фазового перехода. Привычные теории рушатся, и нужна более фундаментальная теория для описания нового фазового состояния атомов пространства. Физика продолжает работать даже там, где исчезает пространство.
Запутанные сети
Большой интеллектуальный прогресс последних лет, разрушивший старые границы физических теорий, состоит в осознании того, что изучаемые физикой отношения могут быть связаны с квантовой запутанностью. Будучи сверхмощным типом корреляции, который исследуется в рамках квантовой механики, запутанность, по-видимому, первичнее пространства. К примеру, экспериментатор может сделать так, чтобы две частицы полетели в противоположных направлениях. Если эти частицы запутаны, то, каким бы огромным ни было разделяющее их пространство, между ними сохранится координация.
Обычно в разговорах о «квантовой» гравитации обсуждали квантовую дискретность, квантовые флуктуации, кучу других квантовых эффектов, но только не квантовую запутанность. Ситуация изменилась, когда в эти разговоры вмешались чёрные дыры. Пока существует чёрная дыра, в неё попадают запутанные частицы. Их партнёры, не поглощённые дырой, с её исчезновением остаются запутанными… ни с чем. «Хокинг назвал бы это проблемой запутанности», — говорит Самир Матур (Samir Mathur) из Университета штата Огайо (The Ohio State University).
Даже в вакууме, при отсутствии частиц, электромагнитные и другие поля демонстрируют внутреннюю запутанность. Измеряя поле в двух разных местах, вы увидите, что показания вашего прибора колеблются случайным, но скоординированным образом. И если вы разделите какую-то область на две части, эти части будут коррелировать друг с другом со степенью корреляции, зависящей от единственной общей для них геометрической величины — площади их контакта. В 1995 году Джекобсон заявил, что запутанность обеспечивает связь между наличием вещества и геометрией пространства-времени, а значит, может объяснить закон гравитации. «Чем больше запутанности, тем слабее гравитация, то есть жёстче пространство-время», — утверждает он.
В настоящее время целый ряд концепций квантовой гравитации — и, прежде всего, теория струн — отводит запутанности решающую роль. Теория струн применяет голографический принцип не только к чёрным дырам, но и ко всей Вселенной. При этом получился рецепт создания пространства — по крайней мере, некоторых его видов. Например, структурированные особым образом поля, пронизывая двухмерное пространство, генерируют дополнительное измерение. С появлением третьего измерения исходное двухмерное пространство превращается в границу более роскошного царства, известного как объёмное пространство. И то, что объединяет объёмное пространство в сопредельное целое, это — запутанность.
Для обоснования данной гипотезы Марк ван Раамсдонк (Mark Van Raamsdonk) из Университета Британской Колумбии (University of British Columbia) в 2009 году провёл элегантное доказательство. Предположим, что поля на границе не запутаны. Образуя пару некоррелирующих систем, они соответствуют двум автономным вселенным. Путешествовать из одной в другую невозможно. Когда системы запутываются, между автономными вселенными возникает нечто похожее на туннель или лаз, благодаря чему космический корабль получает возможность пролететь из одной вселенной в другую. С усилением запутанности туннель всё короче и короче, вселенные всё ближе и ближе друг к другу, и, наконец, их сближение достигает такой фазы, на которой говорить о них как о двух вселенных уже бессмысленно. «Появление большого пространства-времени напрямую связано с запутыванием степеней свободы, имеющихся у полей», — считает ван Раамсдонк. Наблюдаемые нами корреляции в электромагнитных и других полях являются остатком запутанности, обеспечивающей единство пространства.
По-видимому, запутанность определяет не только сопредельность пространства, но и многие другие его свойства. Ван Раамсдонк и Брайан Свингл (Brian Swingle), ныне работающий в Мэрилендском университете в Колледж-Парке, объясняют универсальный характер гравитации — то, что она затрагивает все объекты и не поддаётся экранированию, — вездесущностью запутанности. Что касается чёрных дыр, то Леонард Сасскинд (Leonard Susskind) из Стэнфордского университета (Stanford University) и Хуан Мальдацена (Juan Maldacena) из Института перспективных исследований (Institute for Advanced Study) в Принстоне, штат Нью-Джерси, считают, что запутанность между чёрной дырой и её излучением создаёт лаз — чёрный вход в дыру. Возможно, это поможет физике чёрных дыр решить проблему сохранения информации и обратимости.
Данные идеи теории струн работают только в рамках конкретных геометрий и реконструируют только одно измерение пространства. Некоторые исследователи попытались объяснить, как всё пространство может возникнуть с чистого листа. К примеру, Чуньцзюнь Цао (ChunJun Cao), Спиридон Михалакис (Spyridon Michalakis) и Шон М. Кэрролл, все из Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology), начинают с минималистского квантового описания системы, введённой без прямой ссылки на пространство-время и даже на материю. Если система имеет правильную структуру корреляций, её можно расщепить на составные части, которые могут быть идентифицированы как разные области пространства-времени. В этой модели степень запутанности определяет понятие пространственного расстояния.
Не только в физике, но и в других естественных науках пространство и время — основа всех теорий. Однако мы не можем наблюдать пространство-время непосредственно. Мы выводим его существование из нашего повседневного опыта. Мы предполагаем, что некий механизм, действующий в пространстве-времени, — это наиболее экономичное объяснение наблюдаемых нами явлений. Но главный урок, который следует извлечь из теории квантовой гравитации, состоит в следующем: не все явления аккуратно вписываются в пространство-время. Физикам нужно найти какой-то новый фундамент, и, найдя его, они смогут завершить революцию, начатую чуть более века назад Альбертом Эйнштейном.
Четыре взгляда на пространство и время
Когда-то философ и теолог Августин сказал, что пока его не спрашивают, что такое «время», он знает, что это такое, а когда спрашивают – он не знает, что ответить. Слова «пространство» и «время» часто наделяют весьма отличающимися друг от друга смыслами. А разное понимание пространства и времени приводит к различным картинам мира, способам мыслить и жить. Что же такое пространство и время на самом деле и что нам известно об их природе?
Всё просто
Большинство людей еще со школы помнят, что мы живем в трехмерном пространстве и несвязанном с ним одномерном времени, у которого только одно направление движения – от прошлого к будущему. Такие обыденные представления очень напоминают субстанциональный подход к пространству и времени, который в наше время ученые считают изрядно устаревшим.
С точки зрения этой теории, пространство и время понимаются как отдельный вид вещества или субстанции. Получается, что пространство вокруг – это «пустота», «вместилище» для материальных объектов. Например, вы выпили кофе, а чашка осталась. Мы можем мысленно исключить все физические объекты и события, а пространство останется неизменным.
Еще древнегреческий мыслитель Демокрит говорил, что в мире существуют только «атомы и пустота». Согласно философу, атомы – это мельчайшие, неделимые частички вещества, из которых образуются абсолютно все вещи в мире. Они имеют границы, непрерывно движутся – «мечутся во все стороны» и могут соединяться между собой, благодаря чему мы наблюдаем разнообразие мира.
Пространство Демокрит считал бесконечным, неподвижным, неделимым, то есть во всем противоположным атомам. А время – это просто равнодушный фон происходящих в мире событий, который ни от чего не зависит и ни на что не влияет. Вот вы сидите в своей комнате и ваше тело, состоящее из атомов, занимает место в пространстве – пройдут сотни лет и вас уже не будет, а пространство вашей комнаты останется таким же неизменным.
Спустя две тысячи лет эти идеи знаменитый физик Исаак Ньютон положил в основу классической механики. Следуя этим постулатам, мы всегда можем сказать, где находится объект и когда произошло событие. Но так ли это?
Всё относительно
Возможно, пространство и время – вовсе не физические объекты, а отношения. Такой подход называют – реляционным, от английского «relation» — отношение, связь. Уже древнегреческий философ Аристотель считал, что пространство и материя, которая его наполняет, не могли бы существовать отдельно друг от друга.
В начале XVIII века философ и математик Г. Лейбниц говорил, что пространство – это отношения между вещами. Нельзя говорить о пространстве без указания на соотносимые вещи! Это так же бессмысленно, как если спросить: «какое расстояние между?», но не сказать, между чем именно.
В XX веке Альберт Эйнштейн положил реляционный подход к пространству и времени в основу своей знаменитой теории относительности. Он описал гравитационное поле не как что-то, что пронизывает пространство, а высказал идею, что оно и есть само пространство! Это было удивительное открытие, которое изменило картину мира.
Пространство больше не является чем-то отделенным от материи: оно волнообразно двигается, искривляется, деформируется и является одной из материальных составляющих мира. Пространство изгибается вокруг звезд, и благодаря этому появляются орбиты планет; свет не движется по прямой лини, а отклоняется.
А возле Солнца время идет быстрее, чем на Земле, потому что замедление времени больше там, где гравитация сильнее. Представьте, что у вас есть близнец, который живет высоко в горах, а вы всю жизнь живете на уровне моря. Когда вы встретитесь, окажется, что он старше вас.
Наш мир оказался намного интереснее и удивительнее, чем его представляли древние философы. Мы живем в пульсирующем межзвездном пространстве, в котором возникают черные дыры, замедляется время и рождаются галактики.
Всё субъективно
Китайский философ Хун Цзычен сказал: «Продолжительность времени зависит от нашего настроения. Размеры пространства обусловлены нашим сознанием». Такое отношение к пространству и времени можно назвать субъективистским.
Европейские философы XVIII века Дж. Беркли и Д. Юм считали, что пространство и время – всего лишь человеческие представления, которые определяются обманчивым чувственным опытом. А в физическом мире им не обязательно что-то соответствует.
Немецкий философ И. Кант говорил о пространстве и времени как об априорных формах человеческого рассудка. Априорный – от латинского «a priori», «из предшествующего» — означает такой, который имеется до всякого опыта. То есть, что бы ни говорили ученые об устройстве мира, человек просто не способен ничего представить вне пространства и времени.
Получается, что мы привносим в мир наши представления о последовательности событий и называем это временем, а представления о порядке называем пространством. Человек приписывает миру свойства, и вполне возможно, что картины мира в результате получаются совершенно разные.
Субъективное переживание пространства и времени связано с особенностями восприятия. Достаточно часто мы испытываем искажения времени и пространства, которые связаны с состояниями нашего сознания и окружающей обстановкой.
Например, скучная лекция может тянуться бесконечно долго, а несколько часов в Интернете пролететь за «пять минут». Так же чем старше мы становимся, тем быстрее «летит» время, потому что один год в жизни шестилетнего ребенка – это очень много, 1/6 всей его жизни, тогда как один год 80-летнего человека пролетает быстро, ведь это 1/80 от того, что он уже прожил.
Всё сложно
Совсем необычным образом пространство и время понимается в культуре. В религии, истории или искусстве время может двигаться в разных направлениях или вовсе по кругу, пространство становится многомерным и виртуальным. В таких случаях время и пространство не имеют прямого отношения к физическим явлениям, а связаны с представлениями человека или общества о своем месте в мире.
Время – это не объективная категория, поэтому целые народы могут жить в своем прошлом, поддерживая культ предков и ностальгируя об ушедшем «золотом времени». Либо жить мечтами о том, что следующие поколения будут жить лучше, а наша задача – приблизить это светлое будущее. Есть и общества, которые живут «одним днем», они словно берут кредит у будущего и не заботятся о том, что впереди.
Для традиционных восточных культур, например, китайской и индийской, время – это не стрела, направленная из прошлого в будущее, а круг, по которому движутся одни и те же события. На этом основаны 12-летний китайский зодиакальный цикл и представления индусов о «колесе перерождений».
В литературном произведении пространство-время не подчиняется никаким нормам и правилам, сюжет может разворачиваться в любых направлениях одновременно, как в романе Милорада Павича «Хазарский словарь», а пространство может вовсе отсутствовать, как в произведении Виктора Пелевина «Чапаев и Пустота».
Творчество писателей, художников, архитекторов и музыкантов открывает о пространстве и времени не меньше нового и интересного, чем научные исследования астрофизиков и математиков.
Текст: Евгения Иванова
Пространство-время до Эйнштейна: теория относительности Германа Минковского
Когда мы слышим об объединении пространства и времени в единое пространство-время, первое, что приходит в голову, — это личность Альберта Эйнштейна с его теорией относительности. Однако (как признавал и сам великий ученый) идея принадлежала не ему. Впервые объяснил пространство-время и создал его геометрическую модель немецкий ученый Герман Минковский в 1908 году. Хотя сам Минковский опирался на работы Анри Пуанкаре, [1] увидевшие свет тремя годами раньше, именно ему принадлежит теория о пространстве-времени и его подробное описание.
Биографическая справкаГерман Минковский родился 22 июня 1864 года в Алексотах (Российская империя, ныне Литва), став четвертым ребенком в состоятельной еврейской семье. [2] Уже в 17 лет, вскоре после окончания гимназии, юный студент получил премию Парижской Академии Наук Grand Prix des Sciences mathématiques за доказательство возможности представить целые числа как сумму пяти квадратов. [3] Работу приняли и отметили, хотя она и была написана по-немецки, в нарушение правил конкурса.
Еще через четыре года Герман защищает докторскую диссертацию, также по теории квадратичных форм. Он преподает во многих немецких университетах: в Кенигсберге, Бонне, Берлине и Цюрихе (где как раз и становится одним из учителей Эйнштейна). С 1902 года он занимает должность преподавателя Геттингенского университета, где и проработает до конца жизни. Именно там он создал теорию пространства-времени. [2]
Пространство — время нам больше известно из теории относительности Эйнштейна — точнее, той ее части, которая называется специальной теорией относительности. Она утверждает, что скорость света в вакууме не зависит от движения источника или приемника и одинакова во всех направлениях. Из этой теории следует принцип причинности, который утверждает: никакая информация не может передаваться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, иначе могло бы случиться так, что последствие предшествует причине.
Однако именно Герман Минковский заложил основы этой теории и дал ей максимально наглядное геометрическое представление, которое мы сегодня попробуем кратко объяснить.
Мы, люди, привыкли воспринимать пространство и время по отдельности. Именно поэтому некоторые вещи — например, ограничение максимальной скорости, возможной во Вселенной, скоростью света в вакууме — нелегко даются нашему пониманию. Но если воспринимать пространство и время как единое целое, добавив четвертое измерение к привычным нам трем, все становится понятнее. Давайте посмотрим, что происходит, если каждая точка имеет не три, а четыре координаты: время, длину, ширину и высоту (t, x, y, z).
Если мы сидим абсолютно неподвижно, замерев в пространстве, тогда мы движемся во времени с полной скоростью света — приблизительно 300 километров в час. Более того, именно это состояние воспринимается нами как привычное. Теория относительности оперирует величинами, существенно отличающимися от человеческих измерений, так что сразу представить это сложно. Чтобы это стало проще, можно подумать о том, что, сидя точно так же неподвижно, мы одновременно движемся в пространстве с огромной скоростью относительно Луны, с еще большей — относительно Солнца, и просто с ошеломительной — относительно нашей местной группы галактик. Приблизительно так же происходит и процесс движения во времени, хотя мы его и не ощущаем.
Читайте еще: Время и другой: три возможности общения
Однако, когда мы начинаем движение в пространстве — даже когда просто встаем с дивана и идем налить себе кофе — время для нас замедляется. Разумеется, любой придуманный человечеством транспорт движется настолько медленно в сравнении со светом, что его скоростью можно пренебречь — поэтому с нашей точки зрения время не меняется, даже когда мы летим на сверхзвуковом истребителе. Но если представить, что мы можем разогнаться до скорости, близкой к скорости света в вакууме, то время начнет видимо замедляться, пока не остановится совсем. Такое должно происходить, например, на границе горизонта событий черной дыры. Мы не сможем остановить время «больше, чем совсем», поэтому и разгоняться после скорости света нам будет некуда.
Представим, что на этом рисунке все наше трехмерное пространство расположено по оси x, а время — по оси t. Пусть скорость света в вакууме будет обозначена желтым лучом (поскольку скорость света постоянна, все лучи на рисунке одинаковой длины).
Наш привычный мир — это луч, направленный вертикально вверх (так как в сравнении со светом мы стоим на месте). Однако, когда мы начинаем разгоняться, этот луч начинает отклоняться от вертикали. Если представить, что один сантиметр по оси t — это одна секунда времени, то, если кто-то разгонится до скорости света (то есть луч ляжет горизонтально), для смотрящих на него эта секунда никогда не наступит. Именно это мы можем наблюдать в научно-фантастических фильмах вроде «Интерстеллара» — когда герои фильма высадились на планету возле черной дыры (и «наклонили» свой луч к горизонтали), для них это заняло всего несколько часов, но когда они вернулись на корабль, то обнаружили, что для их коллеги, оставшегося на борту, прошло несколько лет.
Такая разница означает, что два наблюдателя, движущиеся в пространстве-времени с разной скоростью, уже не смогут одинаково измерить расстояние между двумя объектами, поскольку будут видеть его по-разному. В обычном трехмерном пространстве расстояние между любыми объектами (обозначим его буквой D) вычисляется по формуле D2 = x2 + y2 + z2, где x, y и z — это различие между объектами по длине, ширине и высоте. Эта формула работает независимо от того, кто и где ее вычисляет и смотрит ли он на эти же объекты под другим углом.
В пространстве-времени все работает иначе. Там появляется новый постоянный для всех параметр — интервал пространства-времени, связанный со скоростью света. Каждый наблюдатель, как бы быстро и в каком бы направлении он ни двигался, согласится с тем, что интервал пространства-времени S будет вычисляться так: S2 = x2 + y2 + z2 – (Ct)2, где C — это скорость света в вакууме, а t — это время. То есть вместо «где?» мы опираемся на «где и когда?».
Из этого следует еще более интересная вещь: разделение событий на абсолютное будущее и абсолютное прошлое, существующее в пространстве Минковского.
Пусть наше трехмерное пространство снова расположено по оси x, а время — по оси t. Пусть в точке A, где мы сейчас находимся, произошла яркая вспышка. Свет (желтый пунктир) распространяется в пространстве все дальше за некоторое время, отсекая определенную часть между ним и осью t. Точка B находится внутри этой части, поэтому наблюдатели в «там и тогда» B увидят вспышку в A. Если в A произошла не вспышка, а прозвучал громкий звук (то есть волны будут распространяться со скоростью звука) — часть будет более узкой, как та, которая обозначена зеленым пунктиром. А вот в точке C, лежащей за пределами этой части, никогда не узнают о вспышке в A — ведь для того, чтобы попасть в «там и тогда» C, из A должен выйти сигнал быстрее света, а это невозможно.
Если провернуть наш рисунок вокруг оси t, то есть превратить наше пространство x из одномерного луча в двухмерную плоскость, желтый пунктир распространения света образует конус вокруг оси t. Он называется световым конусом.
Этот конус — конус будущего света. В нем лежит все, на что может повлиять наблюдатель. Однако существует еще один конус, отраженный вниз — конус прошлого света. В нем, наоборот, находится все, что когда-либо могло повлиять на точку, в которой сейчас находится наблюдатель. А вот все, что лежит в пространстве-времени за пределами этих двух конусов, навсегда останется для наблюдателя неизвестным — во всяком случае, в том «там и тогда», где он находится сейчас.
Работы Минковского и его геометрическое представление пространства-времени стали основой для теории относительности его ученика Эйнштейна, открывшей физикам целый новый мир и возможность объяснить ранее непостижимые явления Вселенной. Однако, к сожалению, в отличие от Эйнштейна, имя Минковского упоминается намного реже. В честь ученого назван кратер на Луне и астероид 12493 (Minkowski). [2]
Текст: Дарья Цепкова
Перевод с украинского: Мила Кац
Источники:
[1] А. Пуанкаре. Измерение времени
[2] Минковский, Герман — Википедия
[3] Минковский, Герман — Еврейская энциклопедия
Видео, объясняющее природу пространства-времени и то, как время замедляется с возрастанием скорости (англ.)
Видео, объясняющее изменения пространства-времени на трехмерной модели (англ.)
Видео, иллюстрирующее понятие светового конуса и причинности (англ.)
ВРЕМЯ — это… Что такое ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ?
- ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ
ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ, центральная концепция в теории ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ, объединяющая три измерения ПРОСТРАНСТВА (длину, ширину и высоту) с ВРЕМЕНЕМ, образуя четырехмерную систему отсчета. Продолжительность и скорость процессов зависят от относительного положения движения наблюдателя и наблюдаемой системы. Первым, кто пролил свет на понятие относительности, был Герман Минковский, учитель Альберта ЭЙНШТЕЙНА, описавший в 1907 г. пространство и время в терминах четырехмерной геометрии. Событие в пространстве-времени обозначается тремя координатами пространства и координатой времени. Линия, проведенная в четырехмерном пространстве, представляет движение частицы как в трехмерном пространстве, так и во времени. Эйнштейн ввел эту идею в свою теорию относительности: в общей теории ГРАВИТАЦИЯ является искажением пространства-времени ВЕЩЕСТВОМ. Выводом из этого релятивистского представления о времени является то, что два события могут происходить одновременно только для одного наблюдателя: другой наблюдатель не увидит одновременности этих событий. см. также СЖАТИЕ ЛОРЕНЦА-ФИЦДЖЕРАЛЬДА.
Научно-технический энциклопедический словарь.
- ПРОСТРАНСТВО
- ПРОТАКТИНИЙ
Смотреть что такое «ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ» в других словарях:
пространство-время — пространство время, пространства времени … Орфографический словарь-справочник
Пространство-время — Общая теория относительности … Википедия
ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ — термин, обозначающий геометрия, конструкцию, к рая описывает пространственные и временные отношения в тех физич. теориях, в к рых эти отношения рассматриваются как взаимозависящие (эти теории принято наз. релятивистскими). Впервые понятие П. в.… … Математическая энциклопедия
пространство-время — простра/нство вре/мя, простра/нства вре/мени … Слитно. Раздельно. Через дефис.
Пространство, время, материя — «ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ, МАТЕРИЯ» ставший классическим итоговый труд Г. Вейля по теории относительности (Weyl H. Raum, Zeit, Materie. Verlesungen ueber allgemeine Relativitaetstheorie. Berlin, 1. Aufl. 1918; 5. Aufl. 1923; рус. пер.: Вейль П … Энциклопедия эпистемологии и философии науки
Пространство-время теории Ньютона — Для улучшения этой статьи желательно?: Дополнить статью (статья слишком короткая либо содержит лишь словарное определение). Абсолютное п … Википедия
МИНКОВСКОГО ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ — четырехмерное пр во, объединяющее физ. трёхмерное пр во и время; введено нем. учёным Г. Минковским (Н. Minkowski) в 1907 08. Точки в М. п. в. соответствуют «событиям» спец. теории относительности (СТО; (см. ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ТЕОРИЯ)). Положение… … Физическая энциклопедия
КЁРРА ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ — четырёхмерное стационарное аксиально симметричное асимптотически плоское пространство время. Его метрика является точным решением ур ний Эйнштейна общей теории относительности (ОТО) в вакууме ( Риччи тензор Rik= = 0). Впервые найдено Р. Керром (R … Физическая энциклопедия
ШВАРЦШИЛЬДА ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ — пространство время вне массивного невращающегося тела в вакууме (тензор Риччи Rik = 0). Элемент длины ds определяется выражением где r,q, f сферические координаты с центром в центре массивного тела, M масса тела. Это решение ур ний Эйнштейна… … Физическая энциклопедия
ДИСКРЕТНОЕ ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ — одна из гипотез возможной структуры пространства в микромире, характеризуемая представлением об элементарных попарно несвязных компонентах пространства, точки к рых не разделяются наблюдаемыми величинами. Приемлемой формализацией Д. п. в. могут… … Математическая энциклопедия
время — это… Что такое Пространство-время?
Простра́нство-вре́мя (простра́нственно-временно́й конти́нуум) — физическая модель, дополняющая пространство равноправным[1] временны́м измерением и таким образом создающая теоретико-физическую конструкцию, которая называется пространственно-временным континуумом.
В соответствии с теорией относительности, Вселенная имеет три пространственных измерения и одно временное измерение, и все четыре измерения органически связаны в единое целое, являясь почти равноправными и в определенных рамках (см. примечания ниже) способными переходить друг в друга при смене наблюдателем системы отсчёта.
В рамках общей теории относительности пространство-время имеет и единую динамическую природу, а его взаимодействие со всеми остальными физическими объектами (телами, полями) и есть гравитация. Таким образом, теория гравитации в рамках ОТО и других метрических теорий гравитации есть теория пространства-времени, полагаемого не плоским, а способным динамически менять свою кривизну.
Пространство-время непрерывно и с математической точки зрения представляет собой многообразие с лоренцевой метрикой.
Современные представления
Первый развёрнутый вариант модели естественного объединения пространства и времени, пространство Минковского, был создан Германом Минковским в 1908 году[2] на основе специальной теории относительности Эйнштейна, а несколько ранее (в 1905 году), ключевое продвижение на этом пути сделал Анри Пуанкаре, заложивший основы четырехмерного пространственно-временного формализма.
Концепцию пространства-времени допускает и классическая механика[3], но в ней это объединение искусственно, так как пространство-время классической механики — прямое произведение пространства на время, то есть пространство и время независимы друг от друга. Однако уже классическая электродинамика требует при смене системы отсчета преобразований координат, включающих время «наравне» с пространственными координатами (т. н. преобразований Лоренца), если желать, чтобы уравнения электродинамики имели одинаковый вид в любой инерциальной системе отсчета. Непосредственно наблюдаемые временные характеристики электромагнитных процессов (периоды колебаний, времена распространения электромагнитных волн и т. п.) уже в классической электродинамике оказываются зависящими от системы отсчета (или, иначе говоря, от относительного движения наблюдателя и объекта наблюдения), то есть оказываются не «абсолютными», а определенным образом связанными с пространственным движением и даже положением в пространстве системы отсчёта, что и явилось первым толчком для формирования современной физической концепции единого пространства-времени.
Ключевым математическим отличием пространства-времени (пространства Минковского, или, в случае общей теории относительности — четырехмерного многообразия с лоренцевой метрикой) от обычного евклидова 4-мерного пространства является то, что при вычислении расстояния (интервала) квадраты значений разностей времени и длин пространственных координат берутся с противоположными знаками (в обычном пространстве соответствующие значения равноправны для любой оси координат и имеют одинаковый знак). Из этого вытекает следующее: прямая между двумя точками этого континуума (под прямой понимается движение по инерции) даёт максимальную продолжительность собственного времени (интервала). Для пространственной же длины прямая — это минимальная, а не максимальная величина.
В контексте теории относительности время неотделимо от трёх пространственных измерений и зависит от скорости наблюдателя[4] (см. собственное время).
Концепция пространства-времени сыграла исторически ключевую роль в создании геометрической теории гравитации. В рамках общей теории относительности гравитационное поле сводится к проявлениям геометрии четырехмерного пространства-времени, которое в этой теории не является плоским (гравитационный потенциал в ней отождествлен с метрикой пространства-времени).
Количество измерений, необходимых для описания Вселенной, окончательно не определено. Теория струн (суперструн), например, требовала наличия 10 (считая время), а теперь даже 11 измерений (в рамках М-теории). Предполагается, что дополнительные (ненаблюдаемые) 6 или 7 измерений свёрнуты (компактифицированы) до планковских размеров, так что экспериментально они пока не могут быть обнаружены. Ожидается, тем не менее, что эти измерения каким-то образом проявляют себя в макроскопическом масштабе. В самом старом — бозонном — варианте теория струн требует 26-мерного объемлющего пространства-времени; предполагается, что «лишние» измерения этой теории также должны или могут быть компактифицированы сперва до 10, сводясь таким образом к теории суперструн, а потом уже, как упомянуто здесь чуть выше, до 4 обычных измерений.
См. также
Примечания
- ↑ Точнее, почти равноправным: на самом деле практически в любой современной формулировке временное измерение сохраняет некоторое отличие от пространственных, хотя это часто замаскировано. Это отличие проявляется прежде всего в сигнатуре метрики пространства-времени (см. Пространство Минковского).
- ↑ Hermann Minkowski, «Raum und Zeit», 80. Versammlung Deutscher Naturforscher (Köln, 1908). Published in Physikalische Zeitschrift 10 104—111 (1909) and Jahresbericht der Deutschen Mathematiker-Vereinigung 18 75-88 (1909).
- ↑ Работы В. И. Арнольда, в частности, «Математические методы классической механики».
- ↑ Притом, что формально переход к движущейся системе отсчета аналогичен повороту осей в пространстве Минковского (и это даёт простой и компактный способ пересчета реальных физических величин, то есть имеет вполне наблюдаемые нетривиальные физические следствия!), тем не менее, как бы не интерпретировать эту формальную аналогию с поворотом в обычном пространстве, на повороты в пространстве-времени наложены существенные физические ограничения, также определяющие ограничения аналогии пространства-времени с обычным евклидовым пространством, хотя бы и четырёхмерным (то есть описываемое в этом примечании — это ещё одна сторона качественного отличия пространства-время теории относительности от «просто» четырёхмерного пространства). Так, в рамках специальной теории относительности невозможен, а в рамках общей (где надежный анализ всех сложных случаев сильно затруднен) — крайне сомнителен, плавный непрерывный поворот движения наблюдателя в сторону обратного движения по времени (тогда как в обычном пространстве можно поворачивать в любую сторону).
Ссылки
Пространство и время. Философия: Конспект лекций
Читайте также
2.5. Пространство и время
2.5. Пространство и время Объект со стороны явления кроме качественных и количественных характеризуется пространственно-временными моментами.В истории философии и науки продолжительное время ведущей была метафизическая концепция пространства и времени, в которой
4. Пространство и время
4. Пространство и время Понятие пространства и времениДля обыденно-житейских представлений пространство и время — нечто привычное, известное и даже в какой-то мере очевидное. Но если задуматься над тем, что же все-таки такое пространство и время, то возникают сложные
Пространство-время
Пространство-время То, что пространство и время не являются абсолютными, полностью независимыми друг от друга категориями, нам известно благодаря теории относительности, объединившей их в единое четырехмерное пространство-время. Однако представляется, что это единство
Пространство и время
Пространство и время Пространство и время – важнейшие атрибуты бытия. В мире нет материальных систем, не обладающих пространственно временными свойствами. Пространство характеризует протяженность, структурность, сосуществование и взаимодействие элементов во всех
2. Движение. Пространство и время
2. Движение. Пространство и время Исходные положения диалектической и метафизической концепций движения были сформулированы еще в античной философии. Истоки диалектической концепции движения восходят к Гераклиту. Как отмечал Ф. Энгельс, «первоначальный, наивный, но по
4. Пространство и время
4. Пространство и время Чтобы полнее осветить суть философского понимания пространства и времени – важнейших феноменов человеческой культуры и сущностных характеристик нашего индивидуального существования, необходимо кратко проанализировать те представления о них,
ДВИЖЕНИЕ, ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ
ДВИЖЕНИЕ, ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ Движение:это все изменения и процессы во Вселенной. Это всякий процесс изменения и перехода из одного состояния в другое.Оно делится на материальное движение и идеальное.Материальное движение — это все изменения происходящие в
Пространство и время
Пространство и время Чему могут нас научить, спрашивал Кант, эти, сбивающие нас с толку, антиномии? Его ответ гласит: наши представления о пространстве и времени неприменимы к миру как целому. Представления о пространстве и времени применимы, разумеется, к обычным
5. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ
5. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ Признавая существование объективной реальности, т.е. движущейся материи, независимо от нашего сознания, материализм неизбежно должен признавать также объективную реальность времени и пространства, в отличие, прежде всего, от кантианства, которое
Глава 12. ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ
Глава 12. ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ Современная физика самым драматическим образом подтвердила одно из основных положений восточного мистицизма, смысл которого заключается в том, что все используемые нами для описания природы понятия ограничены, что они являются не свойствами
9. Пространство и время
9. Пространство и время Понятия пространства и времени. Все тела имеют определенную протяженность — длину, ширину, высоту. Они различным образом расположены друг относительно друга, составляют части той или иной системы. Пространство есть форма координации
Пространство и время
Пространство и время Время есть величайшая иллюзия. Оно есть только внутренняя призма, через которую мы разлагаем бытие и жизнь. Анри Фредерик Амиель Первичность категорий триединства: материя, информация и мера означает, что категории пространство и время являются
Пространство и время
Пространство и время Есть ли Сознание в физическом пространстве между вами и мной?Все, что есть, — это Сознание. Вы и я являемся просто объектами, спроецированными в этом пространстве. Все, что есть, это Сознание. Пространство и время — это просто концепции, механизм для
Что такое пространство-время? | Живая наука
Ткань пространства-времени — это концептуальная модель, сочетающая три измерения пространства с четвертым измерением времени. Согласно лучшим современным физическим теориям, пространство-время объясняет необычные релятивистские эффекты, возникающие в результате путешествия со скоростью, близкой к скорости света, а также движения массивных объектов во Вселенной.
Кто открыл пространство-время?
Знаменитый физик Альберт Эйнштейн помог развить идею пространства-времени как часть своей теории относительности.До его новаторской работы у ученых были две отдельные теории для объяснения физических явлений: согласно НАСА, законы физики Исаака Ньютона описывали движение массивных объектов, а электромагнитные модели Джеймса Клерка Максвелла объясняли свойства света.
Связано: Законы движения Ньютона
Но эксперименты, проведенные в конце XIX века, показали, что в свете есть что-то особенное. Измерения показали, что свет всегда движется с одинаковой скоростью, несмотря ни на что.А в 1898 году французский физик и математик Анри Пуанкаре предположил, что скорость света может быть непревзойденным пределом. Примерно в то же время другие исследователи рассматривали возможность изменения размеров и массы объектов в зависимости от их скорости.
Эйнштейн объединил все эти идеи в своей специальной теории относительности 1905 года, которая постулировала, что скорость света постоянна. Чтобы это было правдой, пространство и время должны были быть объединены в единую структуру, которая сговорилась, чтобы скорость света была одинаковой для всех наблюдателей.
Человек в сверхбыстрой ракете будет измерять время, чтобы двигаться медленнее, а длина объектов — меньше по сравнению с человеком, движущимся с гораздо меньшей скоростью. Это потому, что пространство и время относительны — они зависят от скорости наблюдателя. Но скорость света более фундаментальна, чем любая другая.
Эйнштейн не пришел к выводу, что пространство-время представляет собой единую ткань. Эта идея пришла от немецкого математика Германа Минковского, который сказал на коллоквиуме 1908 года: «Отныне пространство само по себе и время само по себе обречены исчезнуть в простых тенях, и только своего рода союз этих двух сохранит независимую реальность. .»
Пространство-время, которое он описал, до сих пор известно как пространство-время Минковского и служит фоном для вычислений как в теории относительности, так и в квантовой теории поля. Последняя описывает динамику субатомных частиц как поля, по словам астрофизика и писателя-исследователя. Итан Сигел.
Как работает пространство-время
В наши дни, когда люди говорят о пространстве-времени, они часто описывают его как нечто похожее на лист резины. Согласно теории относительности, сила тяжести возникла из-за кривых в ткани пространства-времени.
Массивные объекты — такие как Земля, Солнце или вы — создают искажения в пространстве-времени, вызывающие его изгиб. Эти кривые, в свою очередь, сужают пути, которыми движется все во Вселенной, потому что объекты должны следовать траекториям по этой искривленной кривизне. Движение под действием силы тяжести — это на самом деле движение по изгибам и поворотам пространства-времени.
Миссия НАСА под названием Gravity Probe B (GP-B) измерила форму пространственно-временного вихря вокруг Земли в 2011 году и обнаружила, что она полностью соответствует предсказаниям Эйнштейна.
Связано: Рябь в пространстве-времени может раскрыть форму червоточин
Но многое из этого по-прежнему трудно понять большинству людей. Хотя мы можем обсуждать пространство-время как нечто подобное листу резины, аналогия в конечном итоге разрушается. Резиновый лист двумерен, а пространство-время четырехмерно. Лист представляет собой не только деформацию в пространстве, но и деформацию во времени. Сложные уравнения, используемые для объяснения всего этого, сложны даже для физиков.
«Эйнштейн создал красивую машину, но он не оставил нам руководство пользователя», — написал астрофизик Пол Саттер для сайта-партнера Live Science Space.com. «Чтобы понять суть, общая теория относительности настолько сложна, что, когда кто-то обнаруживает решение уравнений, он получает решение, названное в его честь, и само по себе становится полулегендарным».
Самый простой способ понять структуру пространства-времени — это представить себе изогнутый лист резины, который управляет движением всего во Вселенной.Но аналогия не совсем точна, потому что пространство-время имеет четыре измерения, а лист резины — только два. (Изображение предоставлено Shutterstock)То, что ученые до сих пор не знают
Несмотря на свою сложность, относительность остается лучшим способом объяснения физических явлений, о которых мы знаем. Тем не менее, ученые знают, что их модели неполны, потому что теория относительности все еще не полностью согласована с квантовой механикой, которая объясняет свойства субатомных частиц с чрезвычайной точностью, но не учитывает силу гравитации.
Квантовая механика основана на том факте, что крошечные частицы, составляющие Вселенную, дискретны или квантованы. Итак, фотоны, частицы, из которых состоит свет, похожи на маленькие кусочки света, которые входят в отдельные пакеты.
Некоторые теоретики предположили, что, возможно, само пространство-время также входит в эти квантованные фрагменты, помогая объединить теорию относительности и квантовую механику. Исследователи из Европейского космического агентства предложили Международной лаборатории гамма-астрономии для квантового исследования пространства-времени (GrailQuest) миссию, которая будет облетать нашу планету и производить сверхточные измерения далеких мощных взрывов, называемых гамма-всплесками, которые может раскрыть близкую природу пространства-времени.
Такая миссия не запускалась бы по крайней мере полтора десятилетия, но если бы она была запущена, она, возможно, помогла бы решить некоторые из самых больших загадок, оставшихся в физике.
Дополнительные ресурсы
Эта статья была обновлена 20 мая 2021 г. редактором журнала Live Science Кимберли Хикок.
пространство-время | Определение и факты
Пространство-время , в физической науке единая концепция, признающая единство пространства и времени, впервые предложенная математиком Германом Минковским в 1908 году как способ переформулировать специальную теорию относительности Альберта Эйнштейна (1905).
Общая интуиция ранее предполагала отсутствие связи между пространством и временем. Физическое пространство считалось плоским трехмерным континуумом, то есть набором всех возможных точек, к которому применимы постулаты Евклида. Для такого пространственного многообразия декартовы координаты казались наиболее естественными, и прямые линии могли быть удобно приспособлены. Время рассматривалось независимо от пространства — как отдельный одномерный континуум, полностью однородный на своем бесконечном протяжении.Любое «сейчас» во времени можно рассматривать как источник, из которого можно перейти в прошлое или будущее к любому другому моменту времени. Равномерно движущиеся системы пространственных координат, привязанные к единым временным континуумам, представляют все неускоренные движения, особый класс так называемых инерциальных систем отсчета. Вселенная согласно этому соглашению была названа ньютоновской. В ньютоновской вселенной законы физики были бы одинаковыми во всех инерциальных системах отсчета, так что нельзя было бы выделить какую-то одну как представляющую абсолютное состояние покоя.
Британская викторина
Викторина «Все о физике»
Кто был первым ученым, проведшим эксперимент по управляемой цепной ядерной реакции? Какая единица измерения для циклов в секунду? Проверьте свою физическую хватку с помощью этой викторины.
Во вселенной Минковского временная координата одной системы координат зависит как от временных, так и от пространственных координат другой относительно движущейся системы в соответствии с правилом, которое формирует существенное изменение, необходимое для специальной теории относительности Эйнштейна; согласно теории Эйнштейна не существует такой вещи, как «одновременность» в двух разных точках пространства, следовательно, нет абсолютного времени, как в ньютоновской вселенной.Вселенная Минковского, как и ее предшественница, содержит особый класс инерциальных систем отсчета, но теперь пространственные размеры, масса и скорости относятся к инерциальной системе отсчета наблюдателя в соответствии с определенными законами, впервые сформулированными Х.А. Лоренца, а позже сформировал основные правила теории Эйнштейна и ее интерпретации Минковского. Только скорость света одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Каждый набор координат или конкретное пространственно-временное событие в такой вселенной описывается как «здесь-сейчас» или мировая точка.В каждой инерциальной системе отсчета все физические законы остаются неизменными.
Общая теория относительности Эйнштейна (1916) снова использует четырехмерное пространство-время, но включает гравитационные эффекты. Гравитация больше не рассматривается как сила, как в системе Ньютона, а как причина «искривления» пространства-времени, эффекта, явно описываемого системой уравнений, сформулированных Эйнштейном. В результате получается «искривленное» пространство-время, в отличие от «плоского» пространства-времени Минковского, где траектории частиц представляют собой прямые линии в инерциальной системе координат.В искривленном пространстве-времени Эйнштейна, прямом расширении понятия искривленного пространства Римана (1854 г.), частица движется по мировой линии или геодезической, что в некоторой степени аналогично тому, как бильярдный шар на искривленной поверхности двигался бы по траектории, определяемой искривлением. или искривление поверхности. Один из основных принципов общей теории относительности заключается в том, что внутри контейнера, следующего за геодезической системой пространства-времени, например, у лифта в свободном падении или спутника, вращающегося вокруг Земли, эффект будет таким же, как и при полном отсутствии гравитации.Пути световых лучей также являются геодезическими в пространстве-времени особого вида, называемыми «нулевыми геодезическими». Скорость света снова имеет ту же постоянную скорость c.
Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчасКак в теории Ньютона, так и в теории Эйнштейна, путь от гравитационных масс к траекториям частиц довольно окольный. В ньютоновской формулировке массы определяют общую гравитационную силу в любой точке, которая по третьему закону Ньютона определяет ускорение частицы.Фактический путь, как и на орбите планеты, находится путем решения дифференциального уравнения. В общей теории относительности необходимо решить уравнения Эйнштейна для данной ситуации, чтобы определить соответствующую структуру пространства-времени, а затем решить вторую систему уравнений, чтобы найти путь частицы. Однако, применив общий принцип эквивалентности между эффектами гравитации и равномерного ускорения, Эйнштейн смог вывести определенные эффекты, такие как отклонение света при прохождении массивного объекта, такого как звезда.
Первое точное решение уравнений Эйнштейна для одной сферической массы было выполнено немецким астрономом Карлом Шварцшильдом (1916). Для так называемых малых масс решение не слишком сильно отличается от того, что дает закон тяготения Ньютона, но достаточно, чтобы учесть ранее необъяснимый размер продвижения перигелия Меркурия. Для «больших» масс решение Шварцшильда предсказывает необычные свойства. Астрономические наблюдения карликовых звезд в конечном итоге привели американских физиков Дж.Роберт Оппенгеймер и Х. Снайдер (1939) постулируют сверхплотные состояния материи. Эти и другие гипотетические условия гравитационного коллапса были подтверждены более поздними открытиями пульсаров, нейтронных звезд и черных дыр.
Следующая статья Эйнштейна (1917) применяет общую теорию относительности к космологии и фактически представляет собой рождение современной космологии. В нем Эйнштейн ищет модели всей Вселенной, которые удовлетворяют его уравнениям при подходящих предположениях о крупномасштабной структуре Вселенной, например о ее «однородности», что означает, что пространство-время в любой части выглядит так же, как и любая другая часть. («космологический принцип»).При этих предположениях решения, казалось, подразумевали, что пространство-время либо расширяется, либо сжимается, и для того, чтобы построить вселенную, которая не делала ни того, ни другого, Эйнштейн добавил к своим уравнениям дополнительный член, так называемую «космологическую постоянную». Когда позднее данные наблюдений показали, что Вселенная действительно расширяется, Эйнштейн отказался от этого предположения. Однако более тщательный анализ расширения Вселенной в конце 1990-х годов снова привел астрономов к мысли, что космологическая постоянная действительно должна быть включена в уравнения Эйнштейна.2. Но, несмотря на то, что общая теория относительности существует уже более 100 лет, она является величайшим достижением Эйнштейна — в значительной степени загадочна для всех, от широкой публики до студентов и аспирантов, изучающих физику. Катя Москович хочет прояснить этот вопрос для «Спроси Итана» на этой неделе:
Не могли бы вы когда-нибудь написать рассказ, объясняющий непрофессионалу, что такое метрика в GR?
Прежде чем мы перейдем к «метрике», давайте начнем с самого начала и поговорим о том, как мы концептуализируем Вселенную в первую очередь.
Кванты, будь то волны, частицы или что-то среднее между ними, обладают свойствами, которые определяют, что они из себя представляют …. [+] Но им нужна сцена, на которой можно взаимодействовать и разыгрывать историю Вселенной. Изображение предоставлено пользователем Wikimedia Commons Машен.
На фундаментальном уровне Вселенная состоит из квантов — сущностей с физическими свойствами, такими как масса, заряд, импульс и т. Д., Которые могут взаимодействовать друг с другом. Квант может быть частицей, волной или чем-то еще в каком-то странном промежуточном состоянии, в зависимости от того, как на это смотреть.Два или более кванта могут связываться вместе, создавая сложные структуры, такие как протоны, атомы, молекулы или человеческие существа, и все это нормально. Квантовая физика может быть относительно новой, она была основана в основном в 20 веке, но идея о том, что Вселенная состоит из неделимых сущностей, которые взаимодействуют друг с другом, восходит к более чем 2000 годам, по крайней мере, к Демокриту Абдерскому.
Но независимо от того, из чего состоит Вселенная, вещи, из которых она состоит, нуждаются в сцене, чтобы двигаться дальше, если они собираются взаимодействовать.
Закон всемирного тяготения Ньютона был заменен общей теорией относительности Эйнштейна, но … [+] опирался на концепцию мгновенного действия (силы) на расстоянии. Изображение предоставлено пользователем Wikimedia Commons Деннисом Нильссоном.
Во Вселенной Ньютона эта сцена была плоским, пустым, абсолютным пространством. Само пространство было фиксированной сущностью, вроде декартовой сетки: трехмерной структурой с осями x , y и z . Время всегда шло с одинаковой скоростью, и тоже было абсолютным.Для любого наблюдателя, частицы, волны или кванта где бы то ни было, они должны воспринимать пространство и время точно так же, как друг друга. Но к концу XIX века стало ясно, что концепция Ньютона ошибочна. Частицы, которые двигались со скоростью, близкой к скорости света, по-разному воспринимали время (оно расширяется) и пространство (оно сжимается) по-разному, по сравнению с частицей, которая двигалась либо медленно, либо находилась в состоянии покоя. Энергия или импульс частицы внезапно стали зависимыми от системы отсчета, а это означало, что пространство и время не были абсолютными величинами; то, как вы познали Вселенную, зависело от вашего движения через нее.
«Световые часы» будут работать по-разному для наблюдателей, движущихся с разной относительной скоростью, но … [+] это связано с постоянством скорости света. Специальная теория относительности Эйнштейна определяет, как происходят эти преобразования времени и расстояния. Изображение предоставлено: Джон Д. Нортон, через http://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/Special_relativity_clocks_rods/.
Отсюда и возникло понятие специальной теории относительности Эйнштейна: некоторые вещи были инвариантными, например, масса покоя частицы или скорость света, но другие трансформировались в зависимости от того, как вы двигались в пространстве и времени.В 1907 году бывший профессор Эйнштейна Герман Минковский совершил блестящий прорыв: он показал, что пространство и время можно представить в единой формулировке. Одним махом он разработал формализм пространства-времени. Это предоставило возможность частицам перемещаться по Вселенной (относительно друг друга) и взаимодействовать друг с другом, но не включая гравитацию. Разработанное им пространство-время — все еще известное как пространство Минковского — описывает всю специальную теорию относительности, а также обеспечивает основу для подавляющего большинства расчетов квантовой теории поля, которые мы делаем.
Расчеты в квантовой теории поля обычно выполняются в плоском пространстве, но общая теория относительности выходит … [+] за рамки этого, включая искривленное пространство. Расчеты QFT там намного сложнее. Изображение предоставлено Национальной ускорительной лабораторией SLAC.
Если бы не было такой вещи, как гравитационная сила, пространство-время Минковского сделало бы все, что нам нужно. Пространство-время было бы простым, неизогнутым и просто предоставляло бы материю площадку для движения и взаимодействия.Единственный способ ускориться — это взаимодействие с другой частицей. Но в нашей Вселенной у нас есть гравитационная сила, и принцип эквивалентности Эйнштейна сказал нам, что до тех пор, пока вы не видите, что вас ускоряет, гравитация относится к вам так же, как и к любому другому ускорению.
Идентичное поведение шара, падающего на пол в ускоренной ракете (слева) и на Земле … [+] (справа) является демонстрацией принципа эквивалентности Эйнштейна.Изображение предоставлено пользователем Wikimedia Commons Маркусом Песселем, обработано Pbroks13.
Именно это открытие и разработка, которая математически связала это с концепцией пространства-времени Минковского — концепцией пространства-времени, привели к общей теории относительности. Основное различие между пространством Минковского специальной теории относительности и искривленным пространством, которое появляется в общей теории относительности, заключается в математическом формализме, известном как метрический тензор, иногда называемый метрическим тензором Эйнштейна или метрикой Римана. Риман был чистым математиком в 19 веке (и бывшим учеником Гаусса, возможно, величайшим математиком из всех), и он дал формализм о том, как любые поля, линии, дуги, расстояния и т. Д., могут существовать и быть четко определены в произвольно искривленном пространстве любого числа измерений. Эйнштейну (и ряду сотрудников) потребовалось почти десять лет, чтобы справиться со сложностями математики, но все было сказано и сделано, у нас была общая теория относительности: теория, описывающая нашу трехмерную, трехмерную и одномерную Вселенную. , где существовала гравитация.
Искривление пространства-времени гравитационными массами, как это показано в общей теории относительности …. [+] Изображение предоставлено: LIGO / T.Пайл.
Концептуально метрический тензор определяет искривление самого пространства-времени. Его кривизна зависит от вещества, энергии и напряжений, присутствующих в нем; содержимое вашей Вселенной определяет ее кривизну пространства-времени. Точно так же то, как изогнута ваша Вселенная, говорит вам, как материя и энергия будут двигаться через нее. Нам нравится думать, что движущийся объект будет продолжать движение: первый закон Ньютона. Мы концептуализируем это как прямую линию, но искривленное пространство говорит нам, что вместо этого движущийся объект, продолжая движение, следует геодезической, которая представляет собой особенно изогнутую линию, которая соответствует неускоренному движению.По иронии судьбы, это геодезическая, не обязательно прямая линия, это кратчайшее расстояние между двумя точками. Это проявляется даже в космических масштабах, где искривленное пространство-время из-за наличия необычайных масс может искривлять фоновый свет сзади, иногда на несколько изображений.
Пример / иллюстрация гравитационного линзирования и искривления звездного света из-за массы. Изображение … [+] кредит: NASA / STScI, через http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2000/07/image/c/.
Физически существует ряд различных элементов, которые вносят вклад в метрический тензор в общей теории относительности. Мы думаем, что гравитация обусловлена массами: расположение и величина различных масс определяют гравитационную силу. В общей теории относительности это соответствует плотности массы и вносит свой вклад, но это один из 16 компонентов метрического тензора! Есть также составляющие давления (такие как радиационное давление, вакуумное давление или давление, создаваемое быстродвижущимися частицами), которые вносят вклад, которые вносят три дополнительных фактора (по одному для каждого из трех пространственных направлений) в Metric Tensor.И, наконец, есть шесть других компонентов, которые говорят нам, как объемы изменяются и деформируются в присутствии масс и приливных сил, а также как эти силы искажают форму движущегося тела. Это применимо ко всему, от планеты, подобной Земле, до нейтронной звезды и безмассовой волны, движущейся в космосе: гравитационного излучения.
Когда массы движутся в пространстве-времени относительно друг друга, они вызывают излучение гравитационных … [+] волн: рябь через ткань самого пространства.Эти колебания математически закодированы в Metric Tensor. Изображение предоставлено: ESO / L. Calçada.
Вы могли заметить, что 1 + 3 + 6 ≠ 16, но 10, а если и заметили, хороший глаз! Метрический тензор может быть объектом 4 × 4, но он симметричен, что означает, что есть четыре «диагональных» компонента (компоненты плотности и давления) и шесть недиагональных компонентов (компоненты объема / деформации), которые являются независимыми; тогда остальные шесть недиагональных компонентов однозначно определяются симметрией.Метрика говорит нам о взаимосвязи между всей материей / энергией во Вселенной и кривизной самого пространства-времени. Фактически, уникальная сила общей теории относительности говорит нам, что если бы вы знали, где находится вся материя / энергия во Вселенной и что она делала в любой момент, вы могли бы определить всю эволюционную историю Вселенной — прошлую, настоящую и будущее — на всю вечность.
Четыре возможных судьбы Вселенной, нижний пример лучше всего соответствует данным: Вселенная… [+] с темной энергией. Изображение предоставлено: Э. Сигель.
Так началась моя подотрасль теоретической физики, космологии! Открытие расширяющейся Вселенной, ее появление в результате Большого взрыва и доминирование темной энергии, которое приведет к холодной и пустой судьбе, можно понять только в контексте общей теории относительности, а это означает понимание этой ключевой взаимосвязи: между материей / энергия и пространство-время. Вселенная — это игра, которая разворачивается каждый раз, когда одна частица взаимодействует с другой, а пространство-время — это сцена, на которой все это происходит.Вы должны иметь в виду одну ключевую нелогичную вещь? Сцена не является постоянным фоном для всех, но она тоже развивается вместе с самой Вселенной.
Есть вопрос для Спросить Итана? Отправьте его на startwithabang в gmail dot com!
Как работает время? | Космос
Рассматривая время, легко быстро потеряться в сложности темы. Время повсюду вокруг нас — оно всегда присутствует и является основой того, как мы регистрируем жизнь на Земле.Это константа, которая поддерживает движение мира, Солнечной системы и даже Вселенной.
Цивилизации возникали и падали, звезды рождались и гасли, и наш единственный метод отслеживания каждого события во Вселенной и на Земле — это сравнение их с сегодняшним днем с обычным течением времени. Но действительно ли это константа? Время действительно так же просто, как движение от одной секунды к другой?
13,8 миллиарда лет назад Вселенная родилась, и с тех пор время пролетело до наших дней, наблюдая за созданием галактик и расширением пространства .Но когда дело доходит до сравнения времени, сложно понять, как мало времени мы на самом деле испытали.
Земле может быть 4,5 миллиарда лет, но современные люди населяли ее около 300 000 лет — это всего 0,002% возраста Вселенной. Все еще чувствуете себя маленьким и незначительным? Становится хуже. Мы так мало прожили на Земле, что с астрономической точки зрения ничтожно малы.
В 17 веке физик Исаак Ньютон видел время как стрелу, выпущенную из лука, летящую по прямой прямой линии и никогда не отклоняющуюся от своего пути.Для Ньютона одна секунда на Земле была таким же отрезком времени, как и та же секунда на Марсе, Юпитере или в глубоком космосе. Он считал, что абсолютное движение невозможно обнаружить, а это значит, что ничто во Вселенной не имеет постоянной скорости, даже свет. Применяя эту теорию, он смог предположить, что если скорость света может изменяться, то время должно быть постоянным. Время должно идти от одной секунды к другой, без разницы между продолжительностью любых двух секунд. Это то, что легко считать правдой.Каждый день длится примерно 24 часа; у вас нет одного дня с 26 и одного с 23.
Как это работает
(Изображение предоставлено: Будущее)Эту статью предлагает вам Как это работает .
How It Works — это насыщенный событиями журнал, который изобилует захватывающей информацией о последних достижениях науки и технологий и содержит все, что вам нужно знать о том, как устроен мир вокруг вас — и Вселенная.
Однако в 1905 году Альберт Эйнштейн утверждал, что скорость света не меняется, а скорее постоянна и движется со скоростью примерно 186 282 мили в секунду (299 792 километра в секунду). Он предположил, что время больше похоже на реку, приливы и отливы в зависимости от эффектов гравитации и пространства-времени. Время ускорялось и замедлялось вокруг космологических тел с разными массами и скоростями, и поэтому одна секунда на Земле не была одинаковым отрезком времени во всей Вселенной.
Связанная история: Что такое пространство-время?
Это создало проблему. Если скорость света действительно постоянна, тогда должна быть какая-то переменная, которая изменяется на больших расстояниях во Вселенной. Когда Вселенная расширяется, а планеты и галактики движутся в огромных галактических масштабах, что-то должно было дать, чтобы учесть эти небольшие колебания. И эта переменная должна была быть временем.
В конечном итоге теория Эйнштейна не только считалась истиной, но и оказалась полностью точной.В октябре 1971 года два физика по имени Дж. К. Хафеле и Ричард Китинг приступили к доказательству его справедливости. Для этого они запустили четыре атомных часа с цезием в самолетах по всему миру, сначала на восток, а затем на запад.
Согласно теории Эйнштейна, по сравнению с наземными атомными часами — в данном случае в Военно-морской обсерватории США в Вашингтоне, округ Колумбия — воздушные часы Хафеле и Китинга будут примерно на 40 наносекунд медленнее после их путешествия на восток и примерно на 275 наносекунд быстрее. после путешествия на запад из-за гравитационного воздействия Земли на скорость самолетов, согласно их исследованию 1972 года, опубликованному в журнале Science.Невероятно, но часы действительно регистрировали разницу при путешествии на восток и запад вокруг света — примерно на 59 наносекунд медленнее и на 273 наносекунды быстрее, соответственно, по сравнению с Военно-морской обсерваторией США. Это доказало, что Эйнштейн был прав, особенно со своей теорией замедления времени, и что время действительно колебалось по всей Вселенной.
Что происходит при замедлении времени?
Что означает специальная теория относительности в терминах времени? Мы бы предложили сначала прочитать наше объяснение специальной теории относительности, чтобы по-настоящему понять замедление времени.
Но Ньютон и Эйнштейн согласились в одном — время идет вперед. Пока нет свидетельств того, что во Вселенной есть что-то, что способно уклоняться от времени и двигаться вперед и назад по своему желанию. В конечном итоге все движется вперед во времени, будь то обычным темпом или слегка искаженным, приближаясь к скорости света. Но можем ли мы ответить, почему время идет вперед? Не совсем, хотя есть несколько теорий, почему это так. Один из них вводит законы термодинамики, в частности, второй закон.Это говорит о том, что все во Вселенной хочет перейти от низкой энтропии к высокой или от однородности к беспорядку, начиная с простоты Большого взрыва и переходя к почти случайному расположению галактик и их обитателей в наши дни. Это известно как «стрела времени» или иногда «стрела времени», вероятно, изобретенная британским астрономом Артуром Эддингтоном в 1928 году, сказал философ-аналитик Хью Прайс в Séminaire Poincaré в 2006 году.
Эддингтон предположил, что время не было симметричным: «Если бы следуя за стрелкой, мы обнаруживаем все больше и больше случайных элементов в состоянии мира, тогда стрелка указывает в будущее; если случайный элемент уменьшается, стрелка указывает в прошлое », — писал он в« The Nature of the Physical World »в 1928 году.Например, если вы наблюдали за звездой почти однородно, но позже видели, как она взорвалась как сверхновая и превратилась в рассеянную туманность, вы бы знали, что время перешло от равенства к хаосу.
Другая теория предполагает, что течение времени происходит из-за расширения Вселенной. По мере того, как Вселенная расширяется, она увлекает за собой время, поскольку пространство и время связаны как одно целое, но это означало бы, что если бы Вселенная достигла теоретического предела расширения и начала сжиматься, то время повернулось бы вспять — небольшой парадокс для ученых. и астрономы.Действительно ли время пойдет вспять, когда все вернется в эру простоты и закончится « Big Crunch »? Маловероятно, что мы сможем это выяснить, но мы можем предположить, что, по нашему мнению, может произойти.
Невероятно представить себе прогресс, которого мы достигли в понимании времени за последнее столетие. От древних солнечных часов до современных атомных часов , мы можем даже отслеживать время секунды точнее, чем когда-либо прежде. Время остается сложной темой, но благодаря ученым-провидцам мы приближаемся к раскрытию секретов этой не столь постоянной универсальной константы.
Концептуальная иллюстрация «стрелы времени». (Изображение предоставлено NASA / GSFC)Важность специальной теории относительности Эйнштейна
Специальная теория относительности Эйнштейна основана на одном ключевом факте: скорость света одинакова, независимо от того, как на нее смотреть. Чтобы применить этот на практике, представьте, что вы едете в машине со скоростью 20 миль в час (32 км / ч) и проезжаете мимо друга, который стоит на месте. Обгоняя их, вы бросаете мяч перед автомобилем на скорости 10 миль в час (16 км / ч).
Вашему другу скорость мяча сочетается со скоростью автомобиля, и поэтому кажется, что он движется со скоростью 30 миль в час (48 км / ч). Однако относительно вас мяч движется только со скоростью 10 миль в час, а вы уже едете со скоростью 20 миль в час.
Теперь представьте тот же сценарий, но на этот раз вы обгоните своего неподвижного друга, путешествуя со скоростью вдвое меньшей скорости света. Через какое-то воображаемое изобретение ваш друг может наблюдать за вами, когда вы проезжаете мимо. На этот раз вы направите луч света из лобового стекла автомобиля.
В нашем предыдущем расчете мы сложили вместе скорость мяча и машины, чтобы узнать, что видел ваш друг, так что в этом случае ваш друг видит луч света, движущийся со скоростью, в полтора раза превышающей скорость? света?
Согласно Эйнштейну, ответ отрицательный. Скорость света всегда остается постоянной, и ничто не может двигаться быстрее нее. В этом случае и вы, и ваш друг наблюдаете скорость света, движущуюся по общепринятому значению, примерно 186 282 мили в секунду.Это специальная теория относительности, и она очень важна, когда речь идет о времени.
Время: четвертое измерение вселенной
Когда-то считалось, что пространство и время разделены, и что Вселенная представляет собой просто набор космических тел, расположенных в трех измерениях. Эйнштейн, однако, ввел понятие четвертого измерения — времени — это означало, что пространство и время были неразрывно связаны. Общая теория относительности предполагает, что пространство-время расширяется и сжимается в зависимости от импульса и массы ближайшего вещества.Теория была здравой, но все, что требовалось, — это доказательства.
Это доказательство было любезно предоставлено НАСА Gravity Probe B , который продемонстрировал, что пространство и время действительно связаны. Четыре гироскопа были направлены в сторону далекой звезды, и если бы гравитация не влияла на пространство и время, они оставались бы заблокированными в том же положении. Однако ученые четко наблюдали эффект «перетаскивания кадра» из-за гравитации Земли, что означало, что гироскопы очень немного сдвигались с места.Это, кажется, доказывает, что ткань самого пространства может быть изменена, и если пространство и время связаны, то само время может растягиваться и сокращаться под действием силы тяжести.
Художественная концепция космического корабля Gravity Probe B на орбите. (Изображение предоставлено NASA / MSFC)Сколько длится секунда?
Существует два основных способа измерения времени: динамическое и атомное время. Первый полагается на движение небесных тел, включая Землю, для отслеживания времени, будь то время вращения далекой вращающейся звезды, такой как пульсар, движение звезды по ночному небу или вращение Земли.Однако, несмотря на вращающуюся звезду, которую трудно наблюдать, эти методы не всегда полностью точны.
Старое определение секунды основывалось на вращении Земли. Поскольку солнцу требуется один день, чтобы встать на востоке, зайти на западе и снова встать, день почти произвольно разделен на 24 часа, час на 60 минут и минута на 60 секунд. Однако Земля не вращается равномерно. Его вращение уменьшается примерно на 30 секунд каждые 10 000 лет из-за таких факторов, как приливное трение .Ученые изобрели способы учета изменяющейся скорости вращения Земли, введя дополнительные секунды », но для наиболее точного времени вам нужно пойти еще меньше.
Атомное время зависит от перехода энергии в атоме определенного элемента, обычно цезия. Определив секунду, используя количество этих переходов, время можно измерить с точностью до крошечной доли секунды за миллион лет. Определение секунды теперь определяется как 9 192 631 770 переходов в атоме цезия, сообщает журнал Scientific American .
Атомные часы: наиболее точный отсчет времени
Самыми точными часами во Вселенной, вероятно, была бы вращающаяся звезда, такая как пульсар, но на Земле атомные часы обеспечивают наиболее точное отслеживание времени. Вся система GPS на орбите вокруг Земли использует атомные часы для точного отслеживания местоположения и передачи данных на планету, в то время как целые научные центры созданы для расчета наиболее точной меры времени — обычно путем измерения переходов внутри атома цезия.
История по теме: Более точные часы могут добавить больше беспорядка во Вселенную, говорят ученые
В то время как большинство атомных часов полагаются на магнитных полей , современные часы используют лазеры для отслеживания и обнаружения энергетических переходов в атомах цезия и держите более определенную меру времени. Хотя цезиевые часы в настоящее время используются для отсчета времени во всем мире, стронциевые часы обещают вдвое большую точность, в то время как экспериментальный дизайн, основанный на заряженных атомах ртути, может уменьшить расхождения еще больше до менее 1 секунды, потерянной или полученной за 400 миллионов лет.
Gravity Probe B — Вопросы и ответы по специальной и общей теории относительности
Что такое пространственно-временной континуум?
В 1906 году, вскоре после того, как Альберт Эйнштейн объявил о своей специальной теории теории относительности, его бывший преподаватель математики в колледже Герман Минковский, разработал новую схему мышления о пространстве и времени, в которой подчеркивается его геометрические качества. В своей знаменитой цитате, произнесенной на публике лекцию по теории относительности, он объявил, что,
«Виды пространства и времени, которые я хочу изложить, прежде чем вы начнете из почвы экспериментальной физики, и в этом их сила.Они радикальны. отныне пространство само по себе и время само по себе обречены на исчезнут в простых тенях, и только своего рода союз этих двоих сохранит независимая реальность ».
Эта новая реальность заключалась в том, что пространство и время как физические конструкции должны быть объединены в новую математическую / физическую сущность под названием «пространство-время», потому что уравнения относительности показывают, что как пространственные, так и временные координаты любое событие должно быть смешано математикой, чтобы точно опишите то, что мы видим.Потому что пространство состоит из трех измерений, а время является одномерным, поэтому пространство-время должно быть четырехмерным объектом. Считается, что это «континуум», потому что, насколько нам известно, нет недостающие точки в пространстве или моменты времени, и то и другое можно разделить без видимых ограничений по размеру или продолжительности. Итак, физики сейчас обычно считают, что наш мир встроен в это 4-мерное пространство-время. континуум, а также все события, места, моменты истории, действия и т. д. описываются с точки зрения их местоположения в Пространстве-Времени.
Пространство-время не развивается, оно просто существует. Когда мы исследуем конкретный объект с точки зрения его пространственно-временного представления, каждая частица расположен вдоль его мировой линии. Это похожая на спагетти линия, которая тянется из прошлого в будущее, показывая пространственный местоположение частицы в каждый момент времени. Эта мировая линия существует как законченный объект, который можно разрезать кое-где так, чтобы вы могли видеть где частица находится в пространстве в определенный момент.Однажды ты определить полную мировую линию частицы по силам, действующим на это, вы «решили» для его полного история. Эта мировая линия не меняется со временем, а просто существует как вневременной объект. Точно так же в общей теории относительности, когда вы решаете уравнения для формы пространства-времени эта форма не меняется во времени, но существует как целостный вневременной объект. Вы можете разрезать его здесь и там, чтобы изучить как выглядит геометрия пространства в конкретный момент. Изучение последовательные срезы во времени позволят вам увидеть, например, вселенная расширяется или нет.
Вернуться на страницу вопросов и ответов по специальной и общей теории относительности.
Все ответы предоставлены доктором Стеном Оденвальдом (Raytheon STX) для астрономического кафе НАСА, являющегося частью образовательной и общественной программы НАСА.
Что такое на самом деле пространство-время? —Стивен Вольфрам Писания
Сегодня сто лет назад Альберт Эйнштейн опубликовал свою Общую теорию относительности — блестящую, элегантную теорию, которая пережила столетие и обеспечивает единственный успешный способ описания пространства-времени.
Однако есть множество теоретических указаний на то, что общая теория относительности — это не конец истории пространства-времени. И на самом деле, как бы мне ни нравилась общая теория относительности как абстрактная теория, я начал подозревать, что она, возможно, на самом деле привела нас к вековому обходному пути в понимании истинной природы пространства и времени.
Я размышляю о физике пространства и времени чуть больше 40 лет. Вначале, будучи молодым физиком-теоретиком, я в основном просто предполагал всю математическую схему Эйнштейна — Специальную и общую теорию относительности — и продолжал свою работу в области квантовой теории поля, космологии и т. Д.на этом основании.
Но около 35 лет назад, отчасти вдохновленный моим опытом создания технологий, я начал более глубоко думать о фундаментальных проблемах теоретической науки — и начал свой долгий путь, чтобы выйти за рамки традиционных математических уравнений и вместо этого использовать вычисления и программы в качестве базовых моделей. в науке. Довольно скоро я сделал базовое открытие, что даже очень простые программы могут демонстрировать чрезвычайно сложное поведение — и с годами я обнаружил, что все виды систем, наконец, могут быть поняты в терминах таких программ.
Ободренный этим успехом, я тогда начал задаваться вопросом, могут ли обнаруженные мной вещи иметь отношение к самому главному из научных вопросов: фундаментальной теории физики.
Поначалу это не казалось слишком многообещающим, не в последнюю очередь потому, что модели, которые я особенно изучал (клеточные автоматы), казалось, работали совершенно несовместимо с тем, что я знал из физики. Но где-то в 1988 году — примерно в то время, когда была выпущена первая версия Mathematica — я начал понимать, что если я изменю свой основной способ мышления о пространстве и времени, то действительно смогу чего-то добиться.
Простая окончательная теория?
Говоря абстрактно, далеко не очевидно, что должна существовать простая окончательная теория нашей Вселенной. Действительно, история физики до сих пор может вызвать у нас сомнения — потому что кажется, что всякий раз, когда мы узнаем больше, все становится все сложнее, по крайней мере, с точки зрения математических структур, которые они включают. Но — как отмечали, например, ранние богословы — одна очень очевидная особенность нашей Вселенной — это то, что в ней есть порядок. Не все частицы во Вселенной делают свои собственные дела; они следуют определенному набору общих законов.
Но насколько простой может быть окончательная теория Вселенной? Допустим, мы можем представить это как программу, скажем, на языке Wolfram Language. Как долго будет программа? Будет ли он такой же длины, как геном человека или как код операционной системы? Или он был бы намного меньше?
До того, как приступить к работе над вычислительной вселенной простых программ, я мог предположить, что если есть программа для вселенной, она должна быть, по крайней мере, в некоторой степени сложной. Но я обнаружил, что в вычислительной вселенной даже очень простые программы могут демонстрировать столь же сложное поведение, как и все остальное (факт, воплощенный в моем общем Принципе вычислительной эквивалентности).Итак, возникает вопрос: может ли одна из этих простых программ вычислительной вселенной действительно быть программой для нашей физической вселенной?
Структура данных Вселенной
Но на что будет похожа такая программа? Ясно одно: если программа действительно будет чрезвычайно простой, она будет слишком маленькой, чтобы явно кодировать очевидные особенности нашей реальной Вселенной, такие как массы частиц, калибровочные симметрии или даже количество измерений пространства.Каким-то образом все эти вещи должны возникать из чего-то гораздо более низкого и более фундаментального.
Итак, если поведение Вселенной определяется простой программой, какова основная «структура данных», на которой работает эта программа? Сначала я предполагал, что это должно быть что-то простое для описания, например, решетка клеток, существующая в клеточном автомате. Но даже при том, что такая структура хорошо работает для моделей многих вещей, она кажется в лучшем случае невероятно неправдоподобной в качестве фундаментальной модели физики.Да, можно найти правила, определяющие поведение, которое в больших масштабах не обнаруживает явных признаков решетки. Но если действительно будет простая модель физики, то кажется неправильным, что такая жесткая структура пространства должна быть выжжена, в то время как все остальные особенности физики просто проявляются.
Так какая альтернатива? Нужно что-то в некотором смысле «под» пространством: что-то, из чего пространство, как мы его знаем, может возникнуть. И нужна как можно более гибкая базовая структура данных.Я думал об этом в течение многих лет и смотрел на всевозможные вычислительные и математические формализмы. Но в конце концов я понял, что практически все, на что я смотрел, на самом деле можно было представить таким же образом: как сеть.
Сеть — или граф — просто состоит из группы узлов, соединенных соединениями. И все, что внутренне определено на графике, — это образец этих связей.
Пространство как сеть
Так может ли это быть то, из чего сделано пространство? В традиционной физике — и в общей теории относительности — пространство не «сделано» из чего-либо.Мы просто думаем о пространстве как о математической конструкции, которая служит своего рода фоном, на котором существует непрерывный диапазон возможных позиций, в которые могут быть помещены предметы.
Но знаем ли мы, что пространство такое непрерывное? На заре квантовой механики действительно предполагалось, что пространство будет квантовано, как и все остальное. Но было неясно, как это могло соответствовать специальной теории относительности, и не было очевидных доказательств дискретности. К тому времени, когда я начал заниматься физикой в 1970-х, никто больше не говорил о дискретности пространства, и экспериментально было известно, что дискретности нет вплоть до 10 -18 метров (1/1000 радиуса протона, или 1 аттометр).Сорок лет — и ускорители частиц на несколько десятков миллиардов долларов — позже все еще не наблюдается дискретности в космосе, и предел составляет примерно 10 –22 метров (или 100 йоктометров).
Тем не менее, долгое время существовало подозрение, что нужно что-то квантовать относительно космоса на планковской длине примерно 10 -34 метров. Но когда люди думали об этом — и обсуждали спиновые сети, петлевую квантовую гравитацию или что-то еще — они склонны предполагать, что все, что там происходит, должно быть глубоко связано с формализмом квантовой механики и с понятием квантовых амплитуд для вещей. .
Но что, если пространство — возможно, в масштабе Планка — это просто старая простая сеть без явных квантовых амплитуд или чего-то подобного? Это не звучит так впечатляюще или загадочно, но определенно требуется гораздо меньше информации, чтобы определить такую сеть: вам просто нужно сказать, какие узлы связаны с какими другими.
Но как это могло быть то, из чего сделано пространство? Прежде всего, как могла возникнуть очевидная непрерывность пространства в больших масштабах? На самом деле, это не очень сложно: это может быть просто следствием большого количества узлов и соединений.Это немного похоже на то, что происходит с жидкостью, например с водой. В небольшом масштабе вокруг прыгает куча дискретных молекул. Но крупномасштабный эффект всех этих молекул заключается в создании того, что нам кажется сплошной жидкостью.
Так получилось, что я много изучал это явление в середине 1980-х годов — в рамках моих усилий понять происхождение очевидной случайности в турбулентности жидкости. В частности, я показал, что даже когда лежащие в основе «молекулы» являются клетками в простом клеточном автомате, можно получить крупномасштабное поведение, которое точно следует стандартным дифференциальным уравнениям потока жидкости.
Итак, когда я начал думать о возможности того, что под космосом может быть сеть, я подумал, что, возможно, можно использовать те же методы — и что на самом деле можно вывести уравнения общей теории относительности Эйнштейна на более низком уровне.
Может быть, нет ничего, кроме космоса
Но, хорошо, если пространство — это сеть, как насчет всего того, что находится в космосе? А как насчет электронов, кварков, фотонов и так далее? В обычной формулировке физики пространство — это фон, на котором существуют все частицы, или струны, или что-то еще.Но это довольно сложно. Есть и более простой вариант: может быть, в каком-то смысле все во Вселенной просто «сделано из пространства».
Как оказалось, в последние годы жизни Эйнштейн был весьма очарован этой идеей. Он подумал, что, возможно, частицы, такие как электроны, могут быть связаны с чем-то вроде черных дыр, которые не содержат ничего, кроме пространства. Но в рамках формализма общей теории относительности Эйнштейну так и не удалось заставить это работать, и от этой идеи в основном отказались.
Как оказалось, почти 100 лет назад были в чем-то похожие идеи.Это было время до создания специальной теории относительности, когда люди все еще думали, что пространство заполнено жидким эфиром. (По иронии судьбы, в наше время мы снова возвращаемся к мысли о пространстве, заполненном фоновым полем Хиггса, флуктуациями вакуума в квантовых полях и т. Д.) Между тем было понятно, что существуют разные типы дискретных атомов, соответствующие к различным химическим элементам. И поэтому было высказано предположение (в частности, Кельвином), что, возможно, все эти разные типы атомов могут быть связаны с разными типами узлов в эфире.
Это была интересная идея. Но это было неправильно. Но если рассматривать пространство как сеть, возникает связанная с этим идея: возможно, частицы просто соответствуют определенным структурам в сети. Может быть, все, что должно существовать во Вселенной, — это сеть, и тогда материя во Вселенной просто соответствует определенным характеристикам этой сети. Подобные вещи легко увидеть в клеточных автоматах на решетке. Несмотря на то, что каждая ячейка следует одним и тем же простым правилам, в системе существуют определенные структуры, которые ведут себя совершенно как частицы с целой физикой взаимодействия частиц.
Предстоит целая дискуссия о том, как это работает в сетях. Но сначала очень важно поговорить о другом: времени.
Что такое время?
Еще в 1800-х годах было пространство и было время. Оба описывались координатами, и в некоторых математических формализмах оба проявлялись родственными способами. Но не было понятия, что пространство и время в каком-то смысле «одно и то же». Но затем появилась Специальная теория относительности Эйнштейна, и люди начали говорить о «пространстве-времени», в котором пространство и время в некотором роде являются гранями одного и того же.
Это имеет большой смысл в формализме специальной теории относительности, в которой, например, путешествие с другой скоростью похоже на вращение в 4-мерном пространстве-времени. В течение примерно столетия физика в значительной степени просто предполагала, что пространство-время — это вещь, и что пространство и время ничем не отличаются друг от друга.
Итак, как это работает в контексте сетевой модели пространства? Конечно, можно построить четырехмерные сети, в которых время работает так же, как пространство.И тогда нужно просто сказать, что история Вселенной соответствует некоторой конкретной пространственно-временной сети (или семейству сетей). То, какая это сеть, должно определяться каким-то ограничением: наша Вселенная обладает такими-то свойствами или, по сути, удовлетворяет такому-то уравнению. Но это кажется очень неконструктивным: он не говорит о том, как ведет себя Вселенная, он просто говорит, что если поведение выглядит так, то это может быть Вселенная.
И, например, когда мы думаем о программах, пространство и время работают по-разному.Например, в клеточном автомате клетки расположены в пространстве, но поведение системы происходит в виде последовательности шагов во времени. Но вот в чем дело: то, что основные правила трактуют пространство и время по-разному, не означает, что в больших масштабах они не могут эффективно вести себя одинаково, как в современной физике.
Развитие сети
Хорошо, допустим, что под пробелом есть сеть. Как эта сеть развивается? Простая гипотеза состоит в том, чтобы предположить, что существует какое-то локальное правило, которое, по сути, гласит, что если вы видите часть сети, которая выглядит так, замените ее другой, которая выглядит так.
Но теперь все немного усложняется. Потому что в сети может быть много мест, где может применяться правило. Так что же определяет порядок обработки каждого предмета?
По сути, каждый возможный порядок подобен отдельной нити времени. И можно представить себе теорию, в которой соблюдаются все нити, а Вселенная, по сути, имеет много историй.
Но это не должно быть так. Напротив, вполне возможно, что существует только одна нить времени — примерно так, как мы ее переживаем.И чтобы понять это, мы должны сделать нечто похожее на то, что сделал Эйнштейн при формулировании специальной теории относительности: мы должны создать более реалистичную модель того, чем может быть «наблюдатель».
Излишне говорить, что любой реалистичный наблюдатель должен существовать в нашей Вселенной. Итак, если Вселенная представляет собой сеть, наблюдатель должен быть лишь частью этой сети. А теперь подумайте обо всех тех небольших обновлениях сети, которые происходят. Чтобы «знать», что произошло данное обновление, сами наблюдатели должны быть обновлены.
Если вы проследите все это до конца — как я это сделал в своей книге A New Kind of Science — вы поймете, что единственное, что наблюдатели могут когда-либо действительно наблюдать в истории вселенной, — это причинная сеть того, какие события вызывают какое еще событие.
И затем оказывается, что существует определенный класс базовых правил, для которых различный порядок базовых обновлений не влияет на причинную сеть. Это то, что я называю «причинно-инвариантными» правилами.
Причинная инвариантность — интересное свойство, имеющее аналоги во множестве вычислительных и математических систем, например, в том факте, что преобразования в алгебре могут применяться в любом порядке и при этом давать тот же конечный результат.Но в контексте Вселенной его следствие состоит в том, что он гарантирует, что во Вселенной существует только одна нить времени.
Получение специальной теории относительности
Так что насчет пространства-времени и специальной теории относительности? Здесь, как я понял в середине 1990-х, происходит кое-что захватывающее: как только появляется причинная инвариантность, из этого, по сути, следует, что специальная теория относительности появится в большом масштабе. Другими словами, хотя на самом нижнем уровне пространство и время — это совершенно разные вещи, в большем масштабе они смешиваются вместе точно так, как предписано специальной теорией относительности.
Примерно происходит следующее: разные «системы отсчета» в специальной теории относительности — соответствующие, например, перемещению с разными скоростями — соответствуют разным подробным последовательностям низкоуровневых обновлений в сети. Но из-за причинной инвариантности общее поведение, связанное с этими различными подробными последовательностями, одинаково, так что система следует принципам специальной теории относительности.
Вначале это могло показаться безнадежным: как могла сеть, которая по-разному трактовать пространство и время, закончить Специальную теорию относительности? Но это работает.На самом деле, я не знаю другой модели, в которой можно было бы успешно вывести специальную теорию относительности из чего-то более низкого уровня; в современной физике это всегда просто как данность.
Вывод общей теории относительности
Хорошо, можно вывести специальную теорию относительности из простых моделей, основанных на сетях. А как насчет общей теории относительности — что, в конце концов, мы сегодня празднуем? Здесь новости тоже очень хорошие: при различных предположениях мне удалось в конце 1990-х вывести уравнения Эйнштейна из динамики сетей.
Вся история несколько сложна. Но вот примерно как это происходит. Во-первых, мы должны подумать о том, как сеть на самом деле представляет пространство. Теперь помните, сеть — это просто набор узлов и соединений. Узлы не сообщают, как они расположены в одномерном, двумерном или каком-либо пространстве.
Легко видеть, что есть сети, которые в большом масштабе кажутся, скажем, двумерными или трехмерными. На самом деле, есть простой тест на эффективное измерение сети.Просто начните с узла, а затем посмотрите на все узлы, которые находятся на расстоянии не более r подключений. Если сеть ведет себя так, как будто она имеет размер d , то количество узлов в этом «шаре» будет примерно r d .
Вот где начинается самое интересное. Если сеть ведет себя как плоское d -мерное пространство, то количество узлов всегда будет близко к r d . Но если он ведет себя как искривленное пространство, как в общей теории относительности, тогда есть поправочный член, который пропорционален математическому объекту, называемому скаляром Риччи.И это интересно, потому что скаляр Риччи — это именно то, что входит в уравнения Эйнштейна.
Здесь много математической сложности. Нужно смотреть на кратчайшие пути — или геодезические — в сети. Нужно видеть, как все делать не только в космосе, но и в сетях, которые развиваются во времени. И нужно понимать, как работают масштабные ограничения сетей.
При получении математических результатов важно уметь вычислять определенные средние значения.На самом деле это примерно то же самое, что требуется для вывода уравнений жидкости из динамики молекул: нужно иметь возможность предположить определенную степень эффективной случайности в низкоуровневых взаимодействиях, чтобы оправдать усреднение.
Но хорошая новость заключается в том, что невероятный набор систем, даже с очень простыми правилами, работает немного как цифры числа Пи и генерирует то, что для всех практических целей кажется случайным. И в результате, даже если детали причинно-следственной сети полностью определены, когда кто-то знает сеть, из которой он начинает, многие из этих деталей будут казаться фактически случайными.
Итак, вот окончательный результат. Если предположить эффективную микроскопическую случайность и предположить, что поведение всей системы не приводит к изменению общих предельных размеров, то из этого следует, что крупномасштабное поведение системы удовлетворяет уравнениям Эйнштейна!
Я думаю, это довольно интересно. Практически из ничего можно вывести уравнения Эйнштейна. Это означает, что эти простые сети воспроизводят особенности гравитации, которые мы знаем из современной физики.
Есть много технических вещей, которые не подходят для этого общего блога. Немало из них я уже говорил давно в A New Kind of Science — и особенно примечания на обратной стороне.
Здесь, пожалуй, стоит упомянуть несколько вещей. Во-первых, стоит отметить, что мои базовые сети не только не встраиваются в обычное пространство внутренне определенным, но и внутренне не определяют топологические понятия, такие как внутреннее и внешнее. Все это должно появиться.
Когда дело доходит до вывода уравнений Эйнштейна, тензоры Риччи создаются, глядя на геодезические в сети и на скорость роста шаров, которые начинаются из каждой точки геодезической.
Уравнения Эйнштейна — это вакуумные уравнения Эйнштейна. Но, как и в случае с гравитационными волнами, можно эффективно отделить особенности пространства, которые считаются связанными с «материей», а затем получить полные уравнения Эйнштейна, дополненные членами энергии-импульса «материи».
Когда я пишу это, я понимаю, как легко я все еще впадаю в технический «физический язык». (Я думаю, что, должно быть, я изучал физику, когда был так молод …) Но достаточно сказать, что на высоком уровне захватывающая вещь состоит в том, что из простой идеи сетей и причинно-инвариантных правил замены можно вывести уравнения общей теории относительности. Примечательно, что вкладывается мало, но остается достояние того замечательного маяка физики 20-го века: общей теории относительности.
Частицы, квантовая механика и т. Д.
Замечательно иметь возможность вывести общую теорию относительности. Но это еще не вся физика. Еще одна очень важная часть — это квантовая механика. Это уведет меня слишком далеко, чтобы говорить об этом здесь подробно, но, по-видимому, частицы — такие как электроны, кварки или бозоны Хиггса — должны существовать как определенные особые области в сети. В качественном отношении они могут не сильно отличаться от «узлов в эфире» Кельвина.
Но тогда их поведение должно подчиняться правилам, которые мы знаем из квантовой механики, или, в частности, из квантовой теории поля.Ключевой особенностью квантовой механики является то, что ее можно сформулировать в терминах нескольких путей поведения, каждый из которых связан с определенной квантовой амплитудой. Я не понял всего этого, но определенно есть намек на что-то подобное, если посмотреть на эволюцию сети с множеством возможных лежащих в основе последовательностей замен.
В моей сетевой модели нет официальных квантовых амплитуд. Это больше похоже (но не совсем похоже) на классическую, хотя и эффективно вероятностную модель.И в течение 50 лет люди почти повсеместно полагали, что с такими моделями есть серьезная проблема. Потому что существует теорема (теорема Белла), которая гласит, что без мгновенного нелокального распространения информации никакая такая модель «скрытых переменных» не может воспроизвести квантово-механические результаты, наблюдаемые экспериментально.
Но есть важная сноска. Совершенно ясно, что означает «нелокальность» в обычном пространстве с определенным измерением. А как насчет сети? Вот это другая история.Потому что все определяется связями. И даже несмотря на то, что сеть может в значительной степени соответствовать трехмерному пространству, вполне возможно, что существуют «потоки», которые соединяют то, что в противном случае было бы совершенно разделенными регионами. И что самое интересное, это то, что есть признаки того, что именно такие потоки могут быть созданы подобными частицам структурами, распространяющимися в сети.
В поисках Вселенной
Хорошо, поэтому вполне возможно, что какая-то сетевая модель могла бы воспроизвести вещи из современной физики.Как мы можем приступить к поиску такой модели, которая действительно воспроизводит нашу точную Вселенную?
Традиционный инстинкт — начать с существующей физики и попытаться реконструировать правила, которые могли бы воспроизвести ее. Но разве это единственный способ? Как насчет того, чтобы просто начать перечислять возможные правила и посмотреть, окажется ли какое-нибудь из них нашей Вселенной?
Прежде чем приступить к изучению вычислительной вселенной простых программ, я предположил, что это будет безумие: никакие правила нашей вселенной не могут быть достаточно простыми, чтобы их можно было найти с помощью такого рода перечислений.Но после того, как я увидел, что происходит в вычислительной вселенной, и увидел некоторые другие примеры, когда удивительные вещи были обнаружены просто с помощью поиска, я изменил свое мнение.
Так что же произойдет, если кто-то действительно начнет такой поиск? Вот зоопарк сетей, которые можно получить после довольно небольшого количества шагов, используя все возможные базовые правила определенного очень простого типа:
Совершенно очевидно, что некоторые из этих сетей не являются нашей вселенной. Они просто замирают после нескольких шагов, поэтому время фактически останавливается.Или у них слишком простая структура для космоса. Или они фактически имеют бесконечное количество измерений. Или другие патологии.
Но самое интересное в том, что на удивление быстро можно найти правила, которые явно не принадлежат нашей Вселенной. Сложно сказать, действительно ли они являются нашей Вселенной. Потому что, даже если имитировать множество шагов, может быть сколь угодно сложно определить, соответствует ли поведение, которое они демонстрируют, тому, что можно было бы ожидать в первые моменты существования Вселенной, которая следует законам физики в том виде, в каком мы их знаем.
Однако есть много обнадеживающих особенностей. Например, эти вселенные могут начинаться с фактически бесконечного числа измерений, а затем постепенно увеличиваться до конечного числа измерений, что потенциально устраняет необходимость явной инфляции в ранней Вселенной.
И на более высоком уровне стоит помнить, что если модели, которые вы используете, достаточно просты, существует большое расстояние между «соседними моделями», поэтому вполне вероятно, что одна из них либо точно воспроизведет известную физику, либо будет очень далеко от истины.
Однако, в конце концов, нужно воспроизвести не только правило, но и начальное условие для Вселенной. Но как только у человека есть это, он в принципе будет знать точную эволюцию Вселенной. Значит ли это, что можно сразу же понять все о Вселенной? Точно нет. Из-за явления, которое я называю «вычислительной несводимостью», что подразумевает, что даже если кто-то может знать правило и начальное условие для системы, все равно может потребоваться неснижаемый объем вычислительной работы, чтобы проследить каждый шаг в поведении системы до узнать, что он делает.
Тем не менее, существует возможность, что можно было бы просто найти простое правило — и начальное условие, — что можно было бы задержаться и сказать: «Это наша вселенная!» Мы бы нашли нашу вселенную в вычислительной вселенной всех возможных вселенных.
Конечно, это будет захватывающий день для науки.
Но это вызовет множество других вопросов. Типа: почему это правило, а не другое? И почему наша конкретная вселенная должна иметь правило, которое появляется в нашем списке всех возможных вселенных достаточно рано, чтобы мы могли найти его просто путем перечисления?
Кто-то может подумать, что это просто что-то из того, что мы находимся в этой вселенной, и что заставляет нас выбирать перечисление, которое заставляет его возникать раньше.Но сейчас я предполагаю, что это будет что-то гораздо более странное, например, что касается наблюдателей во вселенной, все из большого класса нетривиальных возможных правил вселенной на самом деле эквивалентны, так что можно выбрать любое из них и получить точно такие же результаты, только по-другому.
Хорошо, покажи мне вселенную
Но это все домыслы. И пока мы действительно не найдем серьезного кандидата в правила для нашей Вселенной, вероятно, не стоит много обсуждать эти вещи.
Итак, хорошо.Где мы сейчас со всем этим? Большую часть того, что я здесь сказал, я понял примерно к 1999 году — за несколько лет до того, как закончил A New Kind of Science . И хотя это было описано простым языком, а не на языке физики, мне удалось осветить основные моменты в главе 9 книги, дав некоторые технические детали в примечаниях на обороте.
Но после того, как книга была закончена в 2002 году, я снова начал работать над проблемой физики.Мне было немного забавно сказать, что у меня в подвале был компьютер, который искал фундаментальную теорию физики. Но на самом деле это было то, что он делал: перечислял возможные правила определенных типов и пытался увидеть, удовлетворяет ли их поведение определенным критериям, которые могли бы сделать их правдоподобными в качестве моделей физики.
Я был довольно организован в том, что делал, получая интуицию из упрощенных случаев, а затем систематически просматривая более реалистичные случаи. Было много технических проблем.Как возможность визуализировать большие развивающиеся последовательности графиков. Или способность быстро распознавать тонкие закономерности, которые показали, что что-то не могло быть нашей реальной Вселенной.
Я накопил результаты, эквивалентные тысячам страниц, и постепенно начал понимать основы науки о том, на что способны системы, основанные на сетях.
В некотором смысле, однако, это всегда было просто хобби, которое я выполнял параллельно с моей «повседневной работой» по руководству нашей компанией и ее технологическим развитием.И было еще одно «отвлечение». В течение многих лет меня интересовала проблема вычислительных знаний и создание движка, который мог бы всесторонне ее воплотить. И в результате моей работы над A New Kind of Science я убедился, что это действительно возможно — и что это может быть подходящее десятилетие для этого.
К 2005 году стало ясно, что это действительно возможно, и я решил полностью посвятить себя этому. В результате получился Wolfram | Alpha.И как только был запущен Wolfram | Alpha, стало ясно, что можно сделать еще больше — и я потратил, как мне кажется, самое продуктивное десятилетие в моей жизни, строя огромную башню идей и технологий, которая теперь сделала возможными язык Wolfram Language и гораздо более.
Заниматься физикой или не заниматься физикой?
Но все это десятилетие я не занимался физикой. И когда я теперь смотрю на свою файловую систему, я вижу большое количество записных книжек по физике, все красиво выложенные с тем, что я выяснил, — и все они оставлены заброшенными и нетронутыми с начала 2005 года.
Мне вернуться к физическому проекту? Я определенно хочу. Хотя есть и другие дела, которыми я хочу заниматься.
Я провел большую часть своей жизни, работая над очень большими проектами. И я упорно работаю над тем, чтобы спланировать то, что собираюсь делать, обычно начинаю думать о проектах на десятилетия раньше, чем на самом деле. Иногда я избегаю проекта, потому что окружающая технология или инфраструктура для его выполнения еще не готовы. Но как только я приступаю к проекту, я обязуюсь найти способ добиться его успеха, даже если для этого потребуется много лет упорной работы.
Однако поиск фундаментальной теории физики — это проект совсем другого характера, чем я делал раньше. В некотором смысле его определение успеха гораздо более жесткое: либо человек решает проблему и находит теорию, либо нет. Да, можно исследовать множество интересных абстрактных особенностей того типа теории, которую вы строите (как это сделала теория струн). И вполне вероятно, что у такого расследования будут интересные спин-оффы.
Но в отличие от создания технологии или исследования области науки, определение проекта не находится под контролем.Это определяется нашей вселенной. И может быть, я просто ошибаюсь в том, как устроена наша Вселенная. Или, может быть, я прав, но существует слишком глубокий барьер вычислительной несводимости, о котором мы не можем знать.
Можно также беспокоиться, что можно найти то, что, по его мнению, есть Вселенная, но никогда нельзя быть уверенным. На самом деле меня это не слишком беспокоит. Я думаю, что существует достаточно ключей к разгадке из существующей физики, а также из аномалий, приписываемых таким вещам, как темная материя, которые можно будет сказать совершенно определенно, если он нашел правильную теорию.Было бы здорово, если бы можно было сделать немедленный прогноз, который можно было бы проверить. Но к тому времени, когда кто-то воспроизведет все кажущиеся произвольными массы частиц и другие известные особенности физики, он будет почти уверен, что у него есть правильная теория.
На протяжении многих лет было интересно спросить моих друзей, стоит ли мне заниматься фундаментальной физикой. Я получаю три совершенно разных ответа.
Первый: «Ты должен это сделать!» Они говорят, что проект — это самое захватывающее и важное, что можно себе представить, и они не понимают, почему я жду еще день, прежде чем приступить к нему.
Второй тип ответов в основном: «Зачем вы это делаете?» Затем они говорят что-то вроде: «Почему бы вам не решить проблему искусственного интеллекта, или молекулярного конструирования, или биологического бессмертия, или хотя бы построить гигантскую многомиллиардную компанию? Зачем делать что-то абстрактное и теоретическое, если вы можете сделать что-то практическое, чтобы изменить мир? »
Есть также третий класс ответов, которых, как я полагаю, меня должны ожидать мои знания в области истории науки.Обычно они исходят от друзей-физиков и обычно представляют собой некую комбинацию фраз: «Не тратьте зря время, работая над этим!» и: «Пожалуйста, не работайте над этим».
Дело в том, что нынешнему подходу к фундаментальной физике — через квантовую теорию поля — почти 90 лет. У нее были свои успехи, но она не принесла нам фундаментальной теории физики. Но для большинства сегодняшних физиков нынешний подход — это почти определение физики. Поэтому, когда они думают о том, над чем я работаю, это кажется довольно чуждым — как будто это не совсем физика.
И некоторые из моих друзей сразу же выйдут и скажут: «Надеюсь, у вас ничего не получится, потому что тогда вся наша работа будет потрачена впустую». Что ж, да, часть работы будет потрачена зря. Но это риск, на который вы идете, когда делаете проект, в котором природа решает, что правильно. Но я должен сказать, что даже если удастся найти поистине фундаментальную теорию физики, все равно будет много пользы от того, что было сделано с помощью стандартной квантовой теории поля, например, для выяснения явлений в масштабе, в котором мы можем проводить эксперименты с ускорителями частиц. сегодня.
Что для этого потребуется?
Итак, хорошо, если бы я запустил проект, чтобы попытаться найти фундаментальную теорию физики, что бы я на самом деле сделал? Это сложный проект, в котором понадобится не только я, но и разноплановая команда талантливых людей.
Независимо от того, сработает это в конечном итоге или нет, я думаю, будет довольно интересно посмотреть — и я бы планировал сделать это как «зрелищную науку», сделав ее как можно более познавательной и доступной. (Безусловно, это было бы приятным отличием от режима отшельника, избегающего отвлечения внимания, в котором я работал над A New Kind of Science в течение десяти лет.)
Конечно, я не знаю, насколько сложен проект и будет ли он вообще работать. В конечном итоге это зависит от того, что правда о нашей Вселенной. Но на основе того, что я сделал десять лет назад, у меня есть четкий план того, с чего начать и какую команду мне нужно собрать.
Потребуются как хорошие ученые, так и хорошие технологи. Будет много разработок алгоритмов для таких вещей, как эволюция сети, и для анализа. Я уверен, что для этого понадобится абстрактная теория графов, современная геометрия и, возможно, теория групп и другие виды абстрактной алгебры.И я не удивлюсь, если для этого понадобится много других областей математики и теоретической информатики.
Для этого потребуется серьезная, сложная физика — с пониманием основ квантовой теории поля и, возможно, теории струн и таких вещей, как спиновые сети. Также, вероятно, потребуются методы, основанные на статистической физике и связанных с ней современных теоретических основах. Для этого потребуется понимание общей теории относительности и космологии. И — если все пойдет хорошо — потребуется понимание разнообразных физических экспериментов.
Также возникнут технические проблемы — например, выяснить, как на самом деле выполнять гигантские сетевые вычисления, а также собирать и визуализировать их результаты. Но я подозреваю, что самые большие проблемы будут связаны с построением башни новой теории и понимания, которое необходимо для изучения типов сетевых систем, которые я хочу исследовать. Будет полезная поддержка из существующих полей. Но, в конце концов, я подозреваю, что это потребует создания новой существенной интеллектуальной структуры, которая не будет похожа ни на что из того, что было сделано раньше.
Подходящее время?
Сейчас самое время попробовать заняться этим проектом? Может, стоит подождать, пока компьютеры станут больше и быстрее. Или некоторые области математики продвинулись дальше. Или прояснились еще какие-то вопросы по физике.
Я не уверен. Но ничто из того, что я видел, не говорит о том, что есть какие-либо немедленные препятствия — кроме приложения усилий и ресурсов, чтобы попытаться это сделать. И кто знает: может быть, это будет проще, чем мы думаем, и мы оглянемся назад и зададимся вопросом, почему это не было сделано давно.
Одно из ключевых осознаний, которые привели к общей теории относительности 100 лет назад, заключалось в том, что пятый постулат Евклида («параллельные линии никогда не пересекаются») может быть неверным в нашей реальной Вселенной, поэтому искривленное пространство возможно. Но если мои подозрения относительно космоса и Вселенной верны, то это означает, что на самом деле у Евклида есть еще более серьезная проблема — с его самыми первыми определениями. Потому что, если есть дискретная сеть «под» пространством, то предположения Евклида о точках и линиях, которые могут существовать где угодно в пространстве, просто неверны.
Общая теория относительности — великая теория, но мы уже знаем, что она не может быть окончательной теорией. И теперь мы должны задаться вопросом, сколько времени пройдет, прежде чем мы узнаем окончательную теорию. Надеюсь, это ненадолго. И я надеюсь, что, прежде чем пройдет еще слишком много юбилеев общей теории относительности, мы наконец узнаем, что такое пространство-время на самом деле.
Что такое пространство-время? Истинное происхождение ткани реальности
Смелая новая перспектива предполагает, что пространство-время не является фундаментальной сущностью, но возникает из квантовой запутанности, говорит физик Шон Кэрролл
Физика 11 сентября 2019 г.Автор Шон Кэрролл
Brett Ryder
Допустим, вы хотите встретить друга за чашечкой кофе.Вы должны сказать им, где вы собираетесь быть — ваше местоположение в космосе — но вы также должны сообщить им, когда. Оба бита информации необходимы, потому что мы живем в четырехмерном континууме: трехмерном пространстве и всем, что в нем, от дымящихся кофе-машин до звезд, взрывающихся в далеких галактиках, и все это происходит в разные моменты одномерного времени.
«Пространство-время» — это просто физическая вселенная, внутри которой мы и все остальное существуем. И все же, даже спустя тысячелетия жизни в нем, мы все еще не знаем, что такое на самом деле пространство-время.Физики пытались решить эту проблему более века. В последние годы многие из нас пытались выяснить, из каких нитей соткана ткань реальности. У нас есть идеи, у каждой из которых есть свои преимущества и недостатки. Но для моих денег самое захватывающее — самое удивительное.
Это идея о том, что пространство-время возникает из странного свойства квантового мира, которое означает, что частицы и поля, эти фундаментальные составляющие природы, могут быть связаны, даже если они находятся на противоположных концах вселенной.Если это так, мы, возможно, наконец-то нашли мост между двумя непримиримыми тотемами физики, поставив нас на порог теории квантовой гравитации. У нас также будет самая поразительная демонстрация того, что мир, который мы видим, не является миром, как он есть — что всегда есть «что-то глубоко скрытое», как…
.