Menschen halten Raum immer für selbstverständlich. Immerhin ist es nur eine Leere - ein Behälter für alles andere. Die Zeit vergeht auch ununterbrochen. Aber Physiker sind solche Menschen, sie müssen immer etwas komplizieren. Sie versuchten regelmäßig, ihre Theorien zu vereinheitlichen und fanden heraus, dass Raum und Zeit in einem System verschmelzen, das so komplex ist, dass ein gewöhnlicher Mensch es nicht verstehen kann.
Albert Einstein erkannte, was uns im November 1916 erwartete. Ein Jahr zuvor formulierte er die allgemeine Relativitätstheorie, wonach die Schwerkraft keine Kraft ist, die sich im Raum ausbreitet, sondern eine Eigenschaft der Raumzeit selbst. Wenn Sie den Ball in die Luft werfen, fliegt er in einem Bogen und kehrt zum Boden zurück, da sich die Erde Raum-Zeit um ihn biegt, sodass sich die Wege des Balls und des Bodens wieder kreuzen. In einem Brief an einen Freund diskutierte Einstein das Problem der Verschmelzung der allgemeinen Relativitätstheorie mit seiner anderen Idee, der aufkommenden Theorie der Quantenmechanik. Aber seine mathematischen Fähigkeiten waren einfach nicht genug. "Wie ich mich damit gefoltert habe!", Schrieb er.
Einstein hat es in dieser Hinsicht nie geschafft. Noch heute scheint die Idee, eine Quantentheorie der Schwerkraft zu schaffen, äußerst weit entfernt zu sein. Streitigkeiten verbergen eine wichtige Wahrheit: Wettbewerbsansätze, bei denen man sagt, dass der Raum irgendwo tiefer geboren wird - und diese Idee bricht das seit 2500 Jahren bestehende wissenschaftliche und philosophische Verständnis davon.
Das schwarze Loch runter
Ein gewöhnlicher Kühlschrankmagnet veranschaulicht perfekt das Problem, mit dem Physiker konfrontiert sind. Er kann ein Stück Papier feststecken und der Schwerkraft der gesamten Erde widerstehen. Die Schwerkraft ist schwächer als Magnetismus oder andere elektrische oder nukleare Kräfte. Welche Quanteneffekte auch immer dahinter stehen, sie werden schwächer sein. Der einzige greifbare Beweis dafür, dass diese Prozesse überhaupt ablaufen, ist das bunte Bild der Materie im frühesten Universum - das vermutlich durch Quantenfluktuationen im Gravitationsfeld gezeichnet wurde.
Schwarze Löcher sind der beste Weg, um die Quantengravitation zu testen. "Dies ist die am besten geeignete Sache zum Experimentieren", sagt Ted Jacobson von der University of Maryland, College Park. Er und andere Theoretiker untersuchen Schwarze Löcher als theoretische Dreh- und Angelpunkte. Was passiert, wenn Sie Gleichungen, die in einer Laborumgebung perfekt funktionieren, in die extremsten Situationen bringen, die Sie sich vorstellen können? Wird es subtile Mängel geben?
Die allgemeine Theorie sagt relativ voraus, dass Materie, die in ein Schwarzes Loch fällt, sich unendlich zusammenzieht, wenn sie sich ihrem Zentrum nähert - eine mathematische Sackgasse, die als Singularität bezeichnet wird. Theoretiker können sich die Flugbahn eines Objekts nicht jenseits der Singularität vorstellen; Alle Linien laufen darauf zusammen. Selbst wenn man von einem Ort spricht, ist das problematisch, weil die Raumzeit selbst, die den Ort der Singularität bestimmt, nicht mehr existiert. Wissenschaftler hoffen, dass die Quantentheorie uns ein Mikroskop liefern kann, mit dem wir diesen infinitesimalen Punkt unendlicher Dichte untersuchen und verstehen können, was mit der Materie geschieht, die in sie fällt.
Werbevideo:
Am Rande eines Schwarzen Lochs ist die Materie noch nicht so komprimiert, die Schwerkraft ist schwächer und nach unserem Kenntnisstand sollten alle Gesetze der Physik funktionieren. Und umso entmutigender ist die Tatsache, dass sie nicht funktionieren. Das Schwarze Loch ist durch den Ereignishorizont begrenzt, den Punkt ohne Wiederkehr: Materie, die den Ereignishorizont überschreitet, wird niemals zurückkehren. Der Abstieg ist irreversibel. Dies ist ein Problem, da alle bekannten Gesetze der Grundphysik, einschließlich der quantenmechanischen, reversibel sind. Zumindest im Prinzip sollten Sie theoretisch in der Lage sein, Bewegungen umzukehren und alle Partikel wiederherzustellen, die Sie hatten.
Die Physiker hatten Ende des 19. Jahrhunderts ein ähnliches Rätsel, als sie die Mathematik eines "schwarzen Körpers" betrachteten, der als Hohlraum mit elektromagnetischer Strahlung idealisiert war. Die Theorie des Elektromagnetismus von James Clerk Maxwell sagte voraus, dass ein solches Objekt die gesamte Strahlung absorbieren würde, die auf es fällt, und niemals mit der umgebenden Materie ins Gleichgewicht kommen würde. „Es kann unendlich viel Wärme aus einem Reservoir aufnehmen, das auf einer konstanten Temperatur gehalten wird“, erklärt Raphael Sorkin vom Perimeter Institute for Theoretical Physics in Ontario. Aus thermischer Sicht hat es eine Temperatur von absolut Null. Diese Schlussfolgerung widerspricht den Beobachtungen von echten schwarzen Körpern (wie dem Ofen). Einstein setzte seine Arbeit an Max Plancks Theorie fort und zeigte, dass ein schwarzer Körper ein thermisches Gleichgewicht erreichen kann.ob die Strahlungsenergie in diskreten Einheiten oder Quanten kommt.
Seit fast einem halben Jahrhundert versuchen theoretische Physiker, eine ähnliche Lösung für Schwarze Löcher zu finden. Der verstorbene Stephen Hawking von der University of Cambridge machte Mitte der 70er Jahre einen wichtigen Schritt, indem er die Quantentheorie auf das Strahlungsfeld um Schwarze Löcher anwendete und zeigte, dass sie Temperaturen ungleich Null haben. Daher können sie Energie nicht nur absorbieren, sondern auch abgeben. Obwohl seine Analyse schwarze Löcher in den Bereich der Thermodynamik schraubte, verschärfte er auch das Problem der Irreversibilität. Die ausgehende Strahlung wird am Rand des Schwarzen Lochs emittiert und enthält keine Informationen aus dem Inneren. Dies ist zufällige Wärmeenergie. Wenn Sie den Prozess umkehren und diese Energie einem Schwarzen Loch zuführen, taucht nichts auf: Sie erhalten nur noch mehr Wärme. Und es ist unmöglich sich vorzustellen, dass im Schwarzen Loch noch etwas übrig ist, das nur gefangen ist, denn wenn das Schwarze Loch Strahlung aussendet, zieht es sich zusammen und,verschwindet schließlich nach Hawkings Analyse.
Dieses Problem wird als Informationsparadox bezeichnet, da das Schwarze Loch Informationen über die Partikel zerstört, die in das Schwarze Loch gefallen sind und die Sie wiederherstellen könnten. Wenn die Physik der Schwarzen Löcher wirklich irreversibel ist, muss etwas Informationen zurückgeben, und unser Konzept der Raumzeit muss möglicherweise geändert werden, um dieser Tatsache Rechnung zu tragen.
Atome der Raumzeit
Wärme ist die zufällige Bewegung mikroskopischer Partikel wie Gasmoleküle. Da sich Schwarze Löcher erwärmen und abkühlen können, ist anzunehmen, dass sie aus Teilen bestehen - oder allgemeiner aus mikroskopischer Struktur. Und da ein Schwarzes Loch nur ein leerer Raum ist (gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie passiert Materie, die in ein Schwarzes Loch fällt, ohne anzuhalten den Ereignishorizont), müssen Teile eines Schwarzen Lochs Teile des Raums selbst sein. Und unter der trügerischen Einfachheit eines flachen, leeren Raums liegt eine enorme Komplexität.
Sogar Theorien, die die traditionelle Sicht der Raumzeit bewahren sollten, sind zu dem Schluss gekommen, dass unter dieser glatten Oberfläche etwas lauert. Zum Beispiel versuchte Steven Weinberg, jetzt an der Universität von Texas in Austin, Ende der 1970er Jahre, die Schwerkraft so zu beschreiben, wie andere Naturkräfte sie beschreiben. Und ich fand heraus, dass die Raumzeit im kleinsten Maßstab radikal verändert wurde.
Die Physiker stellten sich den mikroskopischen Raum ursprünglich als Mosaik kleiner Raumstücke vor. Wenn Sie sie auf die Planck-Skala vergrößern, die unermesslich klein zwischen 10 und 35 Metern ist, glauben Wissenschaftler, dass Sie so etwas wie ein Schachbrett sehen können. Oder vielleicht nicht. Ein solches Netzwerk von Schachraumlinien wird einerseits eine Richtung der anderen vorziehen und Asymmetrien erzeugen, die der speziellen Relativitätstheorie widersprechen. Zum Beispiel bewegt sich Licht unterschiedlicher Farben mit unterschiedlicher Geschwindigkeit - wie bei einem Glasprisma, das Licht in seine Teilfarben zerlegt. Und obwohl Manifestationen in kleinem Maßstab sehr schwer zu bemerken sein werden, werden Verstöße gegen die allgemeine Relativitätstheorie offenkundig offensichtlich sein.
Die Thermodynamik der Schwarzen Löcher stellt das Bild des Raumes als einfaches Mosaik in Frage. Indem Sie das Wärmeverhalten eines Systems messen, können Sie zumindest im Prinzip seine Teile zählen. Geben Sie Energie frei und schauen Sie auf das Thermometer. Wenn die Säule abgenommen hat, sollte die Energie auf relativ wenige Moleküle verteilt werden. Tatsächlich messen Sie die Entropie eines Systems, die seine mikroskopische Komplexität darstellt.
Wenn Sie dies mit einer gewöhnlichen Substanz tun, nimmt die Anzahl der Moleküle mit dem Volumen des Materials zu. Auf jeden Fall sollte es so sein: Wenn Sie den Radius eines Wasserballs um das Zehnfache vergrößern, passt er 1000-mal mehr Moleküle hinein. Wenn Sie jedoch den Radius eines Schwarzen Lochs um das 10-fache vergrößern, multipliziert sich die Anzahl der darin enthaltenen Moleküle nur um das 100-fache. Die Anzahl der Moleküle, aus denen es besteht, sollte nicht proportional zu seinem Volumen, sondern zur Oberfläche sein. Ein Schwarzes Loch mag dreidimensional erscheinen, verhält sich aber wie ein zweidimensionales Objekt.
Dieser seltsame Effekt wird als holographisches Prinzip bezeichnet, da er einem Hologramm ähnelt, das wir als dreidimensionales Objekt betrachten. Bei näherer Betrachtung stellt sich jedoch heraus, dass es sich um ein Bild handelt, das von einem zweidimensionalen Film erzeugt wird. Wenn das holographische Prinzip die mikroskopischen Komponenten des Raums und seine Inhalte berücksichtigt - was die Physiker zugeben, wenn auch nicht alle -, reicht es nicht aus, Raum zu schaffen, indem einfach die kleinsten Teile davon miteinander verbunden werden.
Verwickeltes Netz
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler erkannt, dass Quantenverschränkung beteiligt sein muss. Diese tiefe Eigenschaft der Quantenmechanik, eine äußerst mächtige Art der Verbindung, scheint viel primitiver als der Raum. Zum Beispiel können Experimentatoren zwei Partikel erzeugen, die in entgegengesetzte Richtungen fliegen. Wenn sie sich verwickeln, bleiben sie unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen verbunden.
Wenn Menschen über "Quantengravitation" sprachen, meinten sie traditionell Quantendiskriminierung, Quantenfluktuationen und alle anderen Quanteneffekte - nicht Quantenverschränkung. Dank der Schwarzen Löcher hat sich alles verändert. Während des Lebens eines Schwarzen Lochs treten verwickelte Partikel in das Schwarze Loch ein, aber wenn das Schwarze Loch vollständig verdunstet, bleiben die Partner außerhalb des Schwarzen Lochs verwickelt - mit nichts. "Hawking hätte es als Verwicklungsproblem bezeichnen sollen", sagt Samir Mathur von der Ohio State University.
Selbst in einem Vakuum, in dem keine Partikel vorhanden sind, sind elektromagnetische und andere Felder intern verwickelt. Wenn Sie das Feld an zwei verschiedenen Orten messen, schwanken Ihre Messwerte geringfügig, bleiben jedoch koordiniert. Wenn Sie den Bereich in zwei Teile teilen, korrelieren diese Teile, und der Grad der Korrelation hängt von der geometrischen Eigenschaft ab, die sie haben: dem Schnittstellenbereich. Im Jahr 1995 erklärte Jacobson, dass die Verschränkung eine Verbindung zwischen der Anwesenheit von Materie und der Geometrie der Raum-Zeit herstellt - was bedeutet, dass sie das Gesetz der Schwerkraft erklären könnte. "Mehr Verstrickung bedeutet weniger Schwerkraft", sagte er.
Einige Ansätze zur Quantengravitation - insbesondere die Stringtheorie - sehen die Verschränkung als wichtigen Eckpfeiler. Die Stringtheorie wendet das holographische Prinzip nicht nur auf Schwarze Löcher an, sondern auf das gesamte Universum und liefert ein Rezept für die Schaffung von Raum - oder zumindest einen Teil davon. Der ursprüngliche zweidimensionale Raum dient als Grenze eines größeren Volumenraums. Und die Verschränkung wird den volumetrischen Raum zu einem einzigen und kontinuierlichen Ganzen verbinden.
Im Jahr 2009 lieferte Mark Van Raamsdonk von der University of British Columbia eine elegante Erklärung für diesen Prozess. Angenommen, die Felder an der Grenze sind nicht verwickelt - sie bilden ein Systempaar ohne Korrelation. Sie entsprechen zwei getrennten Universen, zwischen denen es keine Kommunikationsmöglichkeit gibt. Wenn sich Systeme verwickeln, bildet sich zwischen diesen Universen eine Art Tunnel, ein Wurmloch, und Raumschiffe können sich zwischen ihnen bewegen. Je höher der Grad der Verschränkung ist, desto kürzer ist die Länge des Wurmlochs. Die Universen verschmelzen zu einem und sind nicht länger zwei getrennt. "Das Aufkommen einer großen Raumzeit verbindet die Verschränkung direkt mit diesen Freiheitsgraden der Feldtheorie", sagt Van Raamsdonck. Wenn wir Korrelationen in elektromagnetischen und anderen Bereichen sehen, sind sie der Rest des Zusammenhalts, der den Raum zusammenhält.
Viele andere Merkmale des Raums können nicht nur miteinander verbunden sein, sondern auch die Verschränkung widerspiegeln. Van Raamsdonk und Brian Swingle von der University of Maryland argumentieren, dass die Allgegenwart der Verschränkung die Universalität der Schwerkraft erklärt - dass sie alle Objekte betrifft und überall durchdringt. Für Schwarze Löcher glauben Leonard Susskind und Juan Maldacena, dass die Verflechtung zwischen dem Schwarzen Loch und der Strahlung, die es aussendet, ein Wurmloch erzeugt - den schwarzen Eingang zum Schwarzen Loch. Somit bleiben Informationen erhalten und die Physik eines Schwarzen Lochs ist irreversibel.
Während diese Ideen der Stringtheorie nur für bestimmte Geometrien funktionieren und nur eine Dimension des Raums rekonstruieren, haben einige Wissenschaftler versucht, den Raum von Grund auf neu zu erklären.
In der Physik und allgemein in den Naturwissenschaften sind Raum und Zeit die Grundlage aller Theorien. Raum-Zeit bemerken wir aber nie direkt. Vielmehr leiten wir seine Existenz aus unserer alltäglichen Erfahrung ab. Wir gehen davon aus, dass die logischste Erklärung für die Phänomene, die wir sehen, ein Mechanismus sein wird, der in der Raumzeit funktioniert. Die Quantengravitation sagt uns jedoch, dass nicht alle Phänomene perfekt in ein solches Bild der Welt passen. Physiker müssen verstehen, was noch tiefer ist, die Vor- und Nachteile des Raums, die Rückseite eines glatten Spiegels. Wenn sie Erfolg haben, werden wir die Revolution beenden, die Einstein vor über einem Jahrhundert begonnen hat.
Ilya Khel
