Naučnici ponovo preispituju prostor i vreme: Da li teorija relativiteta i kvantna mehanika ipak mogu da važe zajedno? Naučnici ponovo preispituju prostor i vreme: Da li teorija relativiteta i kvantna mehanika ipak mogu da važe zajedno?
Naučnici su nabasali na još jednu potencijalnu vezu između opšte teorije relativiteta i kvantne mehanike – dve vodeće, ali naizgled suprotstavljene teorije u fizici.... Naučnici ponovo preispituju prostor i vreme: Da li teorija relativiteta i kvantna mehanika ipak mogu da važe zajedno?

Naučnici su nabasali na još jednu potencijalnu vezu između opšte teorije relativiteta i kvantne mehanike – dve vodeće, ali naizgled suprotstavljene teorije u fizici. Ovo otkriće nas može naterati da preispitamo naše sadašnje shvatanje prirode prostora i vremena.

Najveći problem u fizici danas predstavlja činjenica da u okviru jedne nauke postoje dve vrste “pravilnika” po kojima svet funkcioniše. Kao da jedan set zakona važi za mikro, a sasvim drugi za makro svet.

Sudar makro i mikro sveta: Sukob teorije relativiteta i kvantne mehanike

Teorija relativiteta i kvantna mehanika su dve fundamentalno različite teorije sa potpuno različitim formulacijama, iako obe pretenduju da objasne istu stvar – svet u kome živimo. To su dve naizgled nekompatibilne teorije realnosti. Problem je što i jedna i druga važe u nekom domenu realnosti, ali ne i na svim njenim planovima.

Opšta teorija relativiteta Alberta Ajnštajna predstavlja zakone makro sveta, sveta velikog. Njome objašnjavamo kako funkcioniše vidljiv svet u kojem živimo i ponašanje tela u kosmosu koji nas okružuje. Ona opisuje gravitaciju kao svojstvo prostora i vremena, tj. svojstvo samih tela koje možemo osetiti. Što je veća masa objekta, to je veće krivljenje prostor-vremena i to krivljenje osećamo kao gravitaciju.

U teoriji relativiteta stvarnost teče glatko, stabilno, kontinuirano, događaji su deterministički. Svaki uzrok ima odgovarajuću specifičnu posledicu i ne može imati neki drugi efekat. Stvari tako imaju očekivane ishode.

Kvantna mehanika se bavi mikro svetom. Njome objašnjavamo događanja na mikro nivou – šta se događa pri raspadu atoma uranijuma, ili pri sudaru čestica… Za razliku od teorije relativiteta, stvarnost kojom se ona bavi je sačinjena od kvantnih skokova i kao da se protivi zakonima klasične fizike. Ishodi događaja u njoj nisu definitivni, već verovatni. Kretanje subatomskih čestica nije kontinuirano. One mogu biti na više mesta istovremeno…

Zakoni kvantne mehanike jednostavno dopuštaju ono što po zakonima klasične fizike nije moguće. U kvantnoj mehanici je dokazano da dve čestice (dva elektrona) instantno mogu uticati jedan na drugi, čak iako su kilometrima udaljeni. Kvantna teorija ugrožava kauzalnost stvarnosti.

Kada pokušamo da primenimo relativističke zakone na kvantni svet, ili kvantne zakone na makro kosmos, stvari jednostavno ne funkcionišu. Ova dva sveta zajedno čine jedan, a kao da uopšte ne pripadaju istoj stvarnosti.

Gravitacija se opire svakom našem pokušaju da je primenimo na kvantni svet. Ona ne funkcioniše u kvantnoj mehanici. Po njenim zakonima masa i energija su ekvivalenti – što je veća masa tela, veća je i njegova sposobnost da krivi prostor-vreme. Tu sposobnost tela, tj. njegovu energiju osećamo kao gravitaciju. Međutim, teorija gravitacije se oslanja na poznavanje tačnog oblika, tj. geometrije prostor-vremena. Masa ima određenu veličinu i oblik. U mikro svetu kvantne mehanike tako nešto nije moguće. Tu nema nikakve sigurnosti u pogledu oblika prostor-vremena. Na polju kvantne mehanike baratamo isključivo sa verovatnoćama i bezdimenzionim česticama.

Teorija struna

Teorija struna je prvi pokušaj da se premosti jaz između ove dve teorije i da se one pomire. Po ovoj teoriji, koja je nastala šezdesetih godina, najsitnije, elementarne čestice (elektroni, kvarkovi, hadroni, bozoni, fermioni…) nisu tek bezdimenzione tačke u prostoru. Umesto toga, one imaju prirodu jednodimenzionih struna. Naša celokupna stvarnost, vidljivi makro svet nije sačinjen od elementarnih tačaka, već počiva na svetu vibrirajućih elemenata, čije ponašanje nalikuje ponašanju zategute žice u prostoru. Osciliranje elementarnim česticama daje naelektrisanje, masu i spin.

Ova teorija omogućava kombinovanje kvantne teorije polja i opšte relativnosti i u skladu je sa opštim postulatima kvantne gravitacije (npr. sa termodinamikom crnih rupa). Vremenom je teorija struna prerasla u mejnstrim teoriju iako ima i protivnike.

Entropija crnih rupa

Da određena veza između Ajnštajnove teorije relativiteta i kvantne mehanike može postojati pokazalo je i otkriće do kojeg su sedamdesetih godina prošlog veka došli Stephen Hawking i Jacob Bekenstein. Oni su zapazili nešto čudno u vezi sa crnim rupama.

1974. godine otkriveno je Bekenstein-Hawking zračenje – zračenje iz crne rupe. Ovo je u početku delovalo kao potpuno nemoguće. Smatralo se da crne rupe samo proždiru materiju, a ništa ne emituju. Međutim, proračuni su jasno pokazali da se iz crne rupe zaista emituje neko zračenje. Zabeležena je entropija crne rupe.

Izračunali su da, kada materija upadne u crnu rupu, entropija crne rupe raste. Do sad je sve ok, ali najluđe tek sledi. Porast entropije crne rupe ima veze sa porastom njene površine, ali nema nikakve veze sa njenom masom. Entropija crnih rupa je proporcionalna površini horizonta događaja crne rupe. Dakle, veza između površine crne rupe i njenje mikroskopske kvantne strukture određuje entropiju crne rupe.

Ispostavilo se da čak i ogromna tela u kosmosu, poput crnih rupa, mogu ispoljavati kvantne karakteristike, tj. ponašati se po kvantnim zakonima, koji u svetlu klasične fizike nemaju logike. Meriti etropiju crne rupe prema njenoj površini isto je kao i meriti koliko fascikli ima u nekoj fioci merenjem njene površine, ali ne i dubine. Kao što rekosmo, logike bez, ali dobili smo vezu koja je nedostajala.

Kvantna zapletenost

Tri decenije kasnije, teoretski fizičar Juan Maldacena zapazio je vezu između gravitacije i sveta kvantne mehanike. Naime, on je došao do najpouzdanije realizacije holografskog principa, koja je postala poznata kao  AdS/CFT korespodencija.

Ona predstavlja vezu između dve različite vrste teorija u fizici – s jedne strane su AdS teorjije (anti-de Sitter spaces), teorije o kvantnoj gravitaciji formulisane po principima teorije struna, a sa druge strane CFT teorije (conformal field theories), teorije kvantnog polja, formulisane po principima teorije o elementarnim česticama.

Ta veza je dovela do stvaranja novog modela prostor-vremena prema kome prostor-vreme može biti stvoren ili uništen promenom količine zapletenosti površinskih regija objekta.

Drugim rečima, ovo implicira da je prostor-vreme proizvod zapletenosti objekata, barem kako je definisano do sad.

Najnoviji pokušaj da se opšta teorija relativiteta i kvantna mehanika pomire učinili su ChunJun Cao i Sean Carroll sa Tehnološkog Instituta u Kaloforniji (CalTech).

Prateći ovu liniju razmišljanja, ova dva naučnika su pokušala da izvuku dinamičke osobine gravitacije (poznate iz opšte teorije relativiteta) iz postavke po kojoj prostor-vreme predstavljaju kvantnu zapletenost objekata. Njihov istraživački rad objavljen je OVDE.

Koristeći apstraktan matematički koncept Hilbertovog prostora Cao i Carroll su uspeli da pronađu dodirne tačke između formula kvantne zapletenosti i Ajnštajnovih jednačina opšte teorije relativiteta. Njihovi nalazi zaista podupiru ideju da prostor-vreme i gravitacija proizilaze iz zapletenosti. Međutim, oni to čine polazeći od još uvek diskutabilnih pretpostavki.

Sledeći korak predstavlja utvrđivanje tačnosti pretpostavki na kojima ova studija počiva. “Treba proveriti da li pretpostavljene simetrije relativiteta funkcionišu u takvoj postavci prostor-vremena. Naročito treba proveriti ideju da zakoni fizike ne zavise od toga koliko brzo se krećete kroz svemir” — rekao je Carrol.

Teorija svega

Danas sve što znamo o fizičkim aspektima našeg univerzuma može da se objasni ili opštom teorijom relativiteta, ili kvantnom mehanikom. Ova “ili-ili” situacija navela je fizičare da tragaju za nekom sasvim trećom teorijom, teorijom svega – koja bi konačno objasnila celokupnu stvarnost, obuhvatila i makro i mikro plan, mogla da objasni dešavanja u kosmosu, kao i dešavanja na atomskom i subatomskom nivou. Naučnici i dalje tragaju za ovakvom jedinstvenom teorijom, koja bi sa svoje strane objasnila prirodu prostora i vremena, koja bi mogla da objasni sve. Sada naučnici sve više veruju da jedna takva teorija uopšte ne mora biti u sukobu sa današnjim važećim teorijama.

Pošto su i gravitacija i prostor-vreme važni delovi “svega”, Carrol veruje da će istraživanje koje su Cao i on sproveli doprineti napretku ka jednoj teoriji koja će pomiriti opštu teoriju relativiteta i kvantnu mehaniku. Ipak, on dodaje da je njihov rad spekulativne prirode i time su uvidi koje on nudi ograničeni.

“Naše istraživanje još uvek ne govori mnogo o samim silama prirode, tako da smo još uvek daleko od toga da sve legne na svoje mesto” – rekao je on.

Ako bismo uspeli da rad na ovoj teoriji dovedemo do kraja, ona bi možda mogla da nam pomogne da dođemo do odgovora na najveća pitanja sa kojim se današnja nauka suočava. Možda konačno budemo u mogućnosti da shvatimo pravu prirodu tamne materije, crnih rupa i drugih misterioznih kosmičkih objekata.

Već danas, uprkos nepotpunom razumevanju, naučnici nalaze načine da koriste karakteristike kvantnog sveta za unapređivanje kompjuterske tehnologije. Pronalaženje teorije svega bi radikalno ubrzalo tehnološki napredak.

Na stranu to što bi novo otkriće na polju fizike promenilo celokupno naše shvatanje univerzuma, koliko god da su rezultati istraživanja taeoretskih fizičara za sad diskutabilni, svaki put kada se dođe do nekog novog rešenja i objašnjenja, to drastično unapredi naš tehnološki razvoj.

NiT

Smoux

Filozof, stargejzer, zanesenjak i probisvet, zaljubljenik u naučnu fantastiku, horor i nauku, u postavljanje pitanja i traženje odgovora, u umetnost i sve što oslobađa um, donosi prosvetljenje i razvejava dogmatski mrak...

No comments so far.

Be first to leave comment below.

Your email address will not be published. Required fields are marked *

11 − two =