Fizicianul Emil Akhmedov despre a doua lege a lui Newton, metrica Minkowski și natura spațiu-timpului.
Îți poți petrece ani din viață definind ce este timpul. Aceasta este o chestiune personală pentru fiecare persoană care își ocupă propria nișă civilizațională. Desigur, încercarea de a răspunde la astfel de întrebări face parte din cultura umană. Dar pentru un fizician, conexiunile dintre diferite substanțe sunt importante, iar relațiile nu sunt verbale, ci formulaice. Un exemplu de astfel de relație este a doua lege a lui Newton. El afirmă că F=ma - o forță face ca un corp cu masa m să se miște cu accelerația a. Îți poți petrece ani din viață încercând să definești semnificația puterii. Puteți petrece ani din viață încercând să determinați care este substanța unei mase. Dar pentru un fizician, relația formulă dintre forță, masă și accelerație este importantă. Acum voi sublinia în ce sens.
Se afirmă că legea F=ma, a doua lege a lui Newton, decurge din experiment. Asta nu inseamna ca exista un experiment anume in care se masoara forta, masa, acceleratia si se stabileste ca F=ma. Există o serie de fenomene naturale care sunt descrise succint sub forma acestei formule și a altor formule și relații. Pentru un fizician, tocmai asta este important: există o cantitate măsurată în newtoni - aceasta este forța; există o cantitate măsurată în kilograme - aceasta este masa; Există o cantitate măsurată în metri pe secundă pătrat - aceasta este accelerația. Încă din copilărie, am înțeles pentru mine că fizica este o știință care stabilește relații între mărimi care pot fi măsurate în kilograme, metri și secunde. Newton este exprimat folosind această formulă în kilograme, metri și secunde.
Încercați să răspundeți la întrebarea „Care este natura timpului?” Această întrebare este legitimă, dar pentru un fizician și inginer, important nu este răspunsul abstract, ci formula care leagă timpul cu ceva, cu partea stângă și dreaptă. După aceasta, întrebarea „Care este natura a ceea ce este în dreapta și cu ce este legat timpul?” va deveni legitimă. Cine vrea, să răspundă. Dar ceea ce este important pentru un fizician este relația dintre un lucru și altul, relația cauză-efect: dacă o schimb așa, atunci se schimbă așa. Acesta este un fapt al realității obiective, indiferent cum o privim.
Care este timpul pentru un fizician? Există un standard de timp, care, de exemplu, se păstrează la Paris. Nu știu ce este acum considerat standard de timp, dar pot lua o singură vibrație a unei molecule ca standard de timp. Și dacă o moleculă făcea 10 miliarde de vibrații, se numea o secundă. Anterior, o secundă era luată ca standard, dar acum puteți lua o singură vibrație, apoi o secundă înseamnă 10 miliarde de vibrații ale unei molecule. Un ceas atomic, un cronometru, măsoară pur și simplu numărând numărul de vibrații dintre momentul inițial și momentul final al unei molecule date. Așa se măsoară timpul, aceasta este natura lui pentru un fizician.
Se mai poate întreba: care este natura spațiului, cum este structurat la nivel microscopic? Dacă obțineți răspunsul la această întrebare sub forma unei formule care leagă unele caracteristici ale spațiului cu altceva, atunci sunt gata să o discut. Ca fizician, acest lucru este interesant pentru mine. Dacă începi să spui că spațiul ca substanță este ca argila sau altceva, nu mă interesează acest lucru, pentru mine această afirmație este neinformativă.
Natura spațiului pentru un fizician este următoarea: în spațiu puteți introduce o grilă de coordonate, adică să vă imaginați axe de coordonate în spațiu și să setați o modalitate de a determina poziția în aceste coordonate, precum și distanța dintre oricare două puncte din spaţiu. Cum se măsoară distanța într-un avion? Introduceți o grilă de coordonate - axa Y și axa X. Specificați un punct, acesta are două coordonate. De exemplu, doriți să găsiți distanța de la acest punct la punctul Y, are și propriile coordonate. Calculați diferența dintre coordonatele de-a lungul uneia și celeilalte axe, le pătrați, le adăugați folosind teorema lui Pitagora și luați rădăcina pătrată. Aceasta este distanța dintre două puncte - planul euclidian, spațiul bidimensional euclidian. Așa se definește. Nu am nevoie de nimic altceva în acest moment pentru a face predicții. Atunci te poți întreba: de unde vine această formulă, de ce este corectă? Dar din nou, răspunsul va fi interesant pentru mine doar într-o formulă, nu una verbală.
Spațiul în mecanica newtoniană este un spațiu tridimensional în care există trei axe: axa verticală Z, axa orizontală X și axa Y perpendiculară pe acestea. Poziția unui punct în acest spațiu este definită ca trei valori de coordonate. Aleg ceva ca centru de coordonate, de exemplu un colț în această cameră, îndrept axele perpendiculare între ele și spun că punctul este la trei metri de la origine într-o direcție, cinci în alta și zece într-o a treia direcție. După aceea, trebuie să stabilesc o formulă care să determine distanța dintre acest punct și oricare altul. În același mod, calculez lungimile acestui segment de-a lungul a trei axe (am un segment care leagă aceste puncte, are trei proiecții pe trei axe). Însumez pătratele proiecțiilor, iau rădăcina pătrată și asta îmi dă răspunsul pentru care este lungimea segmentului. De îndată ce am scris această formulă, pot studia mișcarea punctelor materiale și a particulelor sub influența forțelor. De exemplu, sub influența unor forțe, particula mea face un fel de mișcare. Am scris această curbă și, folosind formula, pot determina toate caracteristicile acestei curbe și pot afla numeric ce forță și în ce moment a acționat asupra particulei și i-a dat o astfel de accelerație, particula a avut o astfel de masă și curând. După aceasta voi stabili valabilitatea legii - de exemplu, F=ma. Sau, folosind legea F=ma, voi prezice cum se va mișca particula sub influența unei forțe sau alteia.
Acesta a fost cazul în mecanica newtoniană, unde timpul a fost măsurat separat folosind ceva. Galileo a numărat vibrațiile candelabrelor din catedrala din Piazza dei Miracoli, din Pisa, și-a numărat propriul puls: de câte ori i-a ticăit pulsul și de câte ori i s-a legănat candelabru. Pentru el, unitatea de măsură era o șaizecime dintr-o secundă. Altcineva poate construi un cronometru elvețian, dar altcineva nu este mulțumit de asta și cere să existe un cronometru atomic. Totul depinde de gradul de acuratețe al declarației pe care dorește să o primească.
În mecanica newtoniană, timpul și distanțele în timp au fost măsurate separat. Pur și simplu, distanța în timp a fost măsurată folosind următoarea formulă: între un moment și altul au avut loc atâtea oscilații, de exemplu, ale unui pendul. Aceasta înseamnă că am măsurat timpul ca număr de oscilații. Am măsurat distanța în spațiu exact în același mod - așa a funcționat mecanica newtoniană.
În teoria relativității speciale, a apărut o nouă afirmație conform căreia nu există o modalitate separată de a măsura distanțe de-a lungul timpului și nu există o modalitate separată de a măsura distanțe de-a lungul spațiului, dar există o singură modalitate de a măsura distanțe în spațiu-timp. Această metodă este dată de formula Minkowski, care afirmă că distanța dintre două puncte din spațiu-timp se calculează prin următoarea formulă: c 2 înmulțit cu durata timpului, cu delta t 2, minus pătratul lungimii în spațiu - c2 *At2-(x1-x0)2-(y1-y0)2-(z1-z0) 2. Același pătrat de lungime, adică minus distanța de-a lungul X pătrat minus distanța de-a lungul Y pătrat minus distanța de-a lungul Z pătrat.
Formula Minkowski rezultă din același loc cu F=ma - din descrierea totalității datelor experimentale. Dacă acceptați această formulă, atunci descrieți succint o anumită gamă de date experimentale. Nu mai trebuie spus nimic despre această formulă în această etapă.
Când vorbesc despre continuum spațiu-timp sau spațiu-timp, se referă de fapt la metoda de specificare a coordonatelor în spațiu și la metoda de specificare a distanței folosind metrica Minkowski. Aceasta este natura spațiu-timpului pentru un fizician.
Formula Minkowski este foarte diferită de formula euclidiană, de metoda de precizare a distanțelor în spațiul euclidian. Din acest motiv, din punctul de vedere al unei persoane familiarizate cu geometria euclidiană, majoritatea afirmațiilor geometriei Minkowski arată foarte paradoxal, astfel încât majoritatea afirmațiilor din teoria relativității speciale par paradoxale. Dar, în același timp, o persoană nu realizează că vorbim despre fenomene foarte subtile.
Orice lege fizică, oricât de fundamentală ar fi, are limite de aplicabilitate. El nu are absolut dreptate. Spre deosebire de legile logicii, o lege fizică are limite de aplicabilitate. De exemplu, mecanica newtoniană este aplicabilă dacă ne mișcăm cu viteze mult mai mici decât viteza luminii, avem de-a face cu accelerații suficient de mici, iar câmpul gravitațional este suficient de slab. Dacă începem să ne mișcăm cu viteze mari, avem de-a face cu câmpuri gravitaționale foarte puternice, mecanica newtoniană este înlocuită de teoria relativității specială și generală. Nu o infirmă, ci o includ ca componentă. Doar că dacă luăm mecanica relativității speciale și generale și mergem la câmpuri gravitaționale mici și viteze mici, obținem aceleași legi ca și în mecanica newtoniană.
Formula Minkowski este aplicabilă doar ca aproximare, atunci când neglijăm curbura spațiu-timp și când vorbim de cadre de referință inerțiale. Dacă vorbim de sisteme de referință non-inerțiale, atunci formula nu mai este aplicabilă. Și dacă spațiu-timp este curbat, atunci această formulă nu este aplicabilă. Majoritatea paradoxurilor relativității speciale apar pentru că oamenii uită de limitele de aplicabilitate ale acestei formule.
Emil Akhmedov, doctor în științe fizice și matematice, cercetător principal la Institutul de fizică teoretică și experimentală, numit după A. I. Alikhanov, profesor al Departamentului de fizică teoretică la MIPT.
| Comentarii: 0 |
Emil Ahmedov
Vă voi spune ce este supersimetria. Supersimetria este un fenomen care nu a fost încă descoperit experimental, dar, în primul rând, s-au pus mari speranțe în el la momentul nașterii și, în al doilea rând, este o parte importantă a fizicii și matematicii matematice. În ciuda faptului că nu a fost descoperit experimental în acest moment, nimeni nu a spus că nu va fi descoperit în viitor, este o parte importantă a științei moderne. Aceasta înseamnă că, pentru a spune ce este supersimetria, trebuie să spun ce sunt coordonatele supersimetrice sau ce sunt coordonatele în general.
Emil Ahmedov
Ce este o particulă elementară? Cuvântul „particulă” provine de la cuvântul „parte”, așa că de obicei se închipuie că este un fel de cărămidă din care construim întregul. O cărămidă este asociată cu ceva solid, dur, compact, mic, iar o particulă este asociată cu un fel de minge (acesta este primul lucru care vine în minte omului obișnuit când spune „particulă elementară”). Fizicianul Emil Akhmedov despre modelul atomic al lui Thomson, particulele alfa și împrăștierea Rutherford.
Emil Ahmedov
Este o afirmație binecunoscută că viteza luminii nu depinde de cadrul de referință. Această afirmație este adevărată numai în spațiu-timp plat, și nu într-unul curbat și, în plus, numai atunci când se trece de la un cadru de referință inerțial la unul inerțial. Dacă ați trecut în spațiu-timp plat de la un cadru de referință inerțial la unul inerțial, atunci viteza luminii nu depinde de viteza de mișcare a unui cadru față de altul. Dar dacă treceți la un sistem de referință non-inerțial, atunci viteza luminii nu mai este o vaca atât de sfântă, poate depinde chiar de coordonate, dacă o înțelegeți ca împărțirea unui increment spațial cu un increment temporal. Fizicianul Emil Akhmedov despre principiul lui Fermat, gravitația newtoniană și efectele relativității generale.
Emil Ahmedov
În înțelegerea modernă, se dovedește că legea conservării energiei și legea conservării impulsului decurg dintr-un principiu mai fundamental, care constă în așa-numita invarianță translațională în spațiu și timp. Ce înseamnă? Ce înseamnă invarianța traducerii în general?
Emil Ahmedov
Povestea mea va fi mai istorică: voi vorbi despre cum a apărut teoria lui Maxwell și conceptul undelor electromagnetice. Au fost cunoscute legile lui Coulomb, legea lui Biot-Savart, diverse legi Faraday ale inducției și altele. Maxwell a încercat să descrie acest set de date experimentale teoretic. Din câte știu eu, opera lui este alcătuită din aproximativ șase sute de pagini. El a încercat să explice legile lui Faraday pur mecanic, descriind câmpul electromagnetic ca un set de roți dințate cu diferite tipuri de roți dințate. În secolul al XIX-lea, descrierea mecanică a naturii era foarte populară. Cele mai multe dintre acele șase sute de pagini s-au pierdut pentru că nu au făcut declarații constructive. Poate că exagerez puțin, dar singurul lucru constructiv din această lucrare a lui Maxwell au fost ecuațiile și formulele lui.
Emil Ahmedov
Fizicianul Emil Akhmedov despre determinarea poziției pe un plan și în spațiu, coordonatele necesare și ceasurile atomice. Voi vorbi despre principiile generale de funcționare ale GPS și GLONASS. Apoi voi explica cum se leagă acest lucru cu relativitatea specială și generală. Voi începe de departe. Un triunghi este o figură rigidă pe un plan în sensul că, dacă luați trei balamale și le conectați cu trei bastoane rigide, atunci aceste balamale nu pot fi deplasate, nu pot fi mutate. Dacă luați patru articulații sau mai multe și le conectați cu un număr adecvat de bastoane pentru a forma un poligon, atunci acest poligon se poate mișca. Un patrulater poate fi deformat, prin urmare, dacă există mai mult de trei colțuri, figura din plan nu mai este rigidă.
Emil Ahmedov
Secolele XVIII-XIX au fost marcate de succesul mecanicii newtoniene, care a arătat o eficiență uimitoare în descrierea mișcării planetelor Sistemului Solar. Dar știința a început să avanseze când a abandonat această abordare mecanicistă. Sub semnul tuturor acestor întâmplări, a apărut un paradox Laplace, care sugerează că voința este absentă peste tot. Adică, o persoană nu poate acționa din proprie voință, totul este predeterminat și previzibil. Fizicianul Emil Akhmedov despre ecuații diferențiale, drepte și puncte ideale și soluția paradoxului lui Laplace.
Emil Ahmedov
Aproape toată lumea cunoaște relația E0=mc^2. Orice persoană educată știe că E=mc^2. În același timp, ei uită că dacă te uiți mai atent și îl privești în mod non-coloquial, atunci relația arată ca E0=mc^2, E are indicele 0 și conectează energia de repaus cu masa și viteza luminii. Trebuie amintit că energia este conceptul cheie aici. Aceasta înseamnă, vorbind colocvial, această relație spune că orice masă este energie, dar nu toată energia este masă. Nu trebuie să uităm despre asta, că nu toată energia este masă! Orice masă este energie, dar contrariul nu este adevărat. Și nu pentru orice energie, ci doar pentru energia de repaus, este adevărat că este egală cu mc^2. De unde vine acest raport? Fizicianul Emil Akhmedov despre relația dintre masă și energie, spațiu-timp Minkowski și coordonatele vectorului 4.
Emil Ahmedov
Ce observații stau la baza teoriei relativității speciale? Cum a fost derivat postulatul că viteza luminii nu depinde de cadrul de referință? Despre ce este teorema lui Noether? Și există fenomene care contrazic SRT? Doctorul în fizică și matematică Emil Akhmedov vorbește despre asta.
Emil Ahmedov
Doctorul în Fizică și Matematică Emil Akhmedov vorbește despre transformările Lorentz, teoria relativității speciale, paradoxul gemenilor și paradoxul tojei și hambarului.
Centrul cultural și educațional „Arhe” invită doctorul în științe fizice și matematice Emil Akhmedov la curs „Fizica fundamentală”.
Tema celei de-a doua prelegeri: „Teoria câmpului cuantic”.
Prelegerea va vorbi despre ce este un domeniu și cum să-l cuantificăm. Atunci să vorbim despre ce fenomene noi apar atunci când câmpul este cuantificat. La finalul prelegerii vom vorbi despre efectul Hawking și problemele fundamentale ale teoriei câmpurilor cuantice.
Despre lector:
- Doctor în Științe Fizice și Matematice, cercetător principal la Institutul de Fizică Teoretică și Experimentală numită după A. I. Alikhanov, Conferențiar al Departamentului de Fizică Teoretică la MIPT, Conferentiar la Facultatea de Matematică din cadrul Școlii Superioare de Economie a Universității Naționale de Cercetare .
Despre cursul „Fizica fundamentală”:
Prelegerile sunt destinate elevilor de liceu, tinerilor și persoanelor interesate de matematică și fizică. Folosind exemple simple și clare, folosind formule elementare, lectorul va încerca să răspundă la următoarele întrebări:
- Ce este Teoria Specială a Relativității și cum funcționează geometria spațiului-timp? De ce viteza luminii nu depinde de cadrul de referință și de ce nu poate fi depășită? Vor fi discutate mai multe exemple de paradoxuri (de exemplu, paradoxul gemenilor) și modul în care acestea sunt rezolvate.
- Cum funcționează spațiu-timp curbat și ce este relativitatea generală? Vor fi discutate câteva exemple simple și clare de spații curbe.
- Ce sunt găurile negre? Cum să le prezint? Ce se întâmplă cu obiectele din apropierea găurilor negre?
- Ce este mecanica cuantică? Cum are loc trecerea de la mecanica particulelor la mecanica ondulatorie? De unde vine interpretarea probabilistică a mecanicii cuantice? Vor fi explorate mai multe paradoxuri. De exemplu, paradoxul pisicii lui Schrödinger și paradoxul Einstein-Podolsky-Rosen.
- Ce este un câmp? Ce este teoria cuantică a câmpului? Ce este câmpul Higgs și cum funcționează?
- Ce este radiația Hawking?
- Ce este teoria corzilor? De ce este nevoie?
Fizicianul Emil Akhmedov despre ecuații diferențiale, drepte și puncte ideale și soluția paradoxului lui Laplace.
Secolele XVIII-XIX au fost marcate de succesul mecanicii newtoniene, care a arătat o eficiență uimitoare în descrierea mișcării planetelor Sistemului Solar. În plus, a dus, desigur, la succese în alte domenii, mai banale, și s-a dovedit a fi eficient în descrierea naturii căldurii și a termodinamicii. Adică, termodinamica gazelor a fost descrisă sub forma mișcării atomilor în ea pur mecanic. Iar Maxwell, când își scria ecuațiile electrodinamicii, a încercat să descrie mecanic chiar și câmpurile electromagnetice, cu ajutorul angrenajelor și angrenajelor. Dar, de fapt, acest lucru nu are nimic de-a face cu natura câmpurilor electromagnetice, iar știința a început să se miște atunci când a abandonat această abordare mecanicistă.
Sub semnul tuturor acestor întâmplări, a apărut un paradox Laplace, care sugerează că voința este absentă peste tot. Adică, o persoană nu poate acționa din proprie voință, totul este predeterminat și previzibil.
Dacă credeți atât în abordarea mecanicistă, cât și în cea de câmp, atunci toate fenomenele naturale sunt descrise sub forma anumitor funcții și ecuații diferențiale pentru ele. Vom discuta acum ce sunt funcțiile și ecuațiile diferențiale. De exemplu, cea mai simplă funcție este poziția unei particule. Acestea sunt trei funcții, adică coordonate în trei direcții. Există o poziție a unei particule la un moment dat de timp t în această poziție, în următorul moment de timp într-o poziție diferită și așa mai departe.
Funcția rezultată este dependența de timp a poziției particulei. Această funcție este descrisă de o binecunoscută ecuație diferențială numită a doua lege a lui Newton. Este diferențială deoarece conține două derivate ale acestei funcții. Aceasta este accelerația înmulțită cu masă și toate acestea sunt determinate de forța care acționează asupra acestei particule. Iată o ecuație diferențială pentru tine. Dacă specificați poziția inițială a particulei și viteza inițială a acesteia, atunci soluția acestei ecuații este determinată în mod unic.
În termodinamică, totul este, de asemenea, descris fără ambiguitate. Nu aveți decât o particulă, ci multe dintre ele. O idee despre câte particule sunt conținute într-un gaz este dată de numărul lui Avogadro. Există un număr mare de particule într-un anumit volum de gaz. Aceste particule se mișcă, se ciocnesc între ele, se ciocnesc cu pereții, iar acest lucru duce la fenomene termodinamice. Se pare că, dacă aveți un computer suficient de puternic care poate funcționa cu o cantitate atât de mare de date, atunci, cunoscând poziția inițială a tuturor particulelor și vitezele lor inițiale, puteți determina fără ambiguitate evoluția ulterioară și comportamentul gazului, prezice complet toate detaliile comportării gazului și a particulelor sale constitutive și așa mai departe.
Această idee poate fi continuată mai departe. De asemenea, suntem formați din molecule, atomi care interacționează între ei, acționând unul asupra celuilalt cu un fel de forță. Și dacă stabilim pozițiile inițiale și viteza inițială a tuturor acestor particule din care suntem alcătuiți, atunci comportamentul nostru este complet predeterminat, deoarece conștiința noastră și orice altceva, dacă credem în acest model mecanicist, este determinat complet de acele reacții chimice. având loc în creierul și corpurile noastre și așa mai departe. În consecință, nu există voință. Oricare dintre acțiunile mele ulterioare este predeterminată de tot ceea ce se întâmplă în jurul meu. Aceasta înseamnă că acesta este paradoxul Laplace, că totul este predeterminat.
Se credea că paradoxul lui Laplace este rezolvat de mecanica cuantică deoarece introduce o interpretare probabilistică. Cu toate acestea, o interpretare probabilistică a mecanicii cuantice apare atunci când sistemul este deconectat. Adică dacă influențezi un sistem cuantic mic cu un sistem clasic mare, aceasta se numește măsurare, se măsoară starea sistemului cuantic mecanic și în acest moment apare o interpretare probabilistică. Și dacă un sistem mecanic cuantic este închis, atunci este complet descris de așa-numita funcție de undă. Din cauza interpretării sale probabilistice, se numește undă de probabilitate, dar asta nu contează.
Oricare ar fi numele său, un sistem mecanic cuantic închis este descris de o funcție de undă, care se supune și unei ecuații diferențiale numită ecuația Schrödinger. Important este că, dacă cunoașteți condițiile inițiale pentru această ecuație diferențială, adică valorile inițiale ale funcției de undă, derivatele sale, apoi reconstruiți în mod unic funcția de undă în orice moment. Și un sistem mecanic cuantic, dacă este închis, este descris în mod unic folosind această funcție de undă. Și nu este nevoie de interpretare probabilistică, pentru că nu deschideți sistemul.
Putem spune că iarăși totul este prestabilit. Se poate argumenta cu acest lucru, dar indiferent de teoria cu care avem de-a face - teoria relativității, teoria generală a relativității, ecuația gravitației, ecuațiile lui Maxwell, ecuațiile care descriu interacțiuni slabe și puternice - toate aceste forțe sunt descrise prin secunda... ordonați ecuațiile diferențiale. Aceste ecuații conțin câmpuri care sunt funcții de coordonate, adică poziția în spațiu și timp a valorii unui câmp. Schimbările sale în spațiu și timp sunt descrise printr-o ecuație diferențială. Adică, din nou totul pare a fi prestabilit.
De unde paradoxurile? Să ne abatem pentru o secundă și să încercăm să explicăm ce se întâmplă. O parte semnificativă a paradoxurilor apare atunci când încercăm să extrapolăm o anumită lege a naturii la toate cazurile vieții. De exemplu, cunoscutul paradox: care a fost primul - găina sau oul? O problemă filozofică care sugerează că de-a lungul istoriei Universului au existat găini care au depus ouă, ouă eclozate în găini și așa mai departe. Este clar că nu a fost întotdeauna așa. Ca urmare a evoluției, au existat stări intermediare care au dat naștere la ceva asemănător unui ou, din ce în ce mai aproape de ou, iar din aceste ouă sau asemănarea ouălor au clocit păsări sau animale care se apropiau din ce în ce mai mult de ceea ce numim acum. o găină. Paradoxul puiului și al ouului se rezolvă astfel.
Dacă ne întoarcem la paradoxul lui Laplace, noi, oamenii de știință implicați în știința naturii, folosim întotdeauna o aproximare. Orice lege științifică naturală, oricât de fundamentală ar fi, este întotdeauna fidelă unei aproximări. A doua lege a lui Newton este adevărată dacă avem de-a face cu obiecte suficient de mari - dintr-un bob și mai mari - care se deplasează la viteze mult mai mici decât viteza luminii, cu accelerații apropiate de cele pe care le experimentăm pe Pământ și în sistemul solar, în câmpuri gravitaționale care creează ceva ca Soarele, stele precum Soarele sau planete precum Pământul. Dacă începem să discutăm despre obiecte care se mișcă la viteze foarte mari, trebuie să ne ocupăm de teoria relativității speciale. Dacă discutăm despre câmpuri gravitaționale foarte puternice, trebuie să ne ocupăm de relativitatea generală. Dacă avem de-a face cu obiecte foarte mici, trebuie să ne ocupăm de mecanica cuantică. Dacă avem de-a face cu viteze foarte mari pentru obiecte foarte mici, trebuie să ne ocupăm de teoria cuantică a câmpului. În pasul următor, dacă vrem să ne ocupăm de teoria câmpului cuantic în câmpuri gravitaționale foarte puternice, probabil că va trebui să ne ocupăm de ceva de genul gravitației cuantice, care este încă la început, în timp ce restul teoriilor au fost dezvoltate.
De unde aceasta aproximare? Matematica, așa cum le place să spună cu mare patos, este ceea ce ne permite să găsim un fel de ordine în haosul din jurul nostru. Adică folosim întotdeauna formule matematice pentru a descrie ceva idealizat matematic, care descrie aproximativ ceea ce se întâmplă de fapt în natură. Și putem chiar să stabilim ce aproximare, și chiar să îmbunătățim această aproximare, apropiindu-ne mai mult de situația reală. De exemplu, nu există linii drepte ideale, infinit de subțiri, nu există puncte ideale și obiecte fără dimensiune și nu există sisteme de referință inerțiale ideale.
Dar în realitate ce se întâmplă? Putem calcula randamentul de recoltat dintr-o zonă dată descriindu-l folosind un dreptunghi sau un poligon ale cărui margini constau din segmente drepte, considerându-le infinit de subțiri. Acest lucru ne permite să estimăm suprafața acestei figuri plate și recolta pe care o vom culege, neglijând adesea faptul că această suprafață nu este plană, iar în interiorul acestui poligon există dealuri, depresiuni și așa mai departe. Întrebarea este în ce aproximare lucrăm.
În același mod, folosind linii subțiri ideale, puncte și așa mai departe, putem număra acasă. Pentru acuratețe în calcularea caselor, câțiva milimetri sunt suficienți pentru a nu avea crăpături la ferestre. Pe de altă parte, cu ce precizie avem nevoie pentru a calcula un obiect, cum ar fi un detector într-un accelerator (și acesta este ceva comparabil cu o clădire cu trei, patru sau cinci etaje)? Acolo, diferitele sale părți sunt ajustate între ele cu precizie micronică. Acolo, este nevoie de o precizie mai mare, deoarece este necesar să se determine urmele de particule și vârfurile de reacție cu o asemenea precizie. Întrebarea este cu ce acuratețe vrem să descriem. Prin urmare, facem întotdeauna un fel de aproximare, limitându-ne la o anumită acuratețe cu care vrem să descriem ceva și totul decurge din asta.
Prin urmare, ecuațiile diferențiale care descriu legile naturii sunt de fapt un fel de aproximare a ceea ce se întâmplă de fapt în natură. Nimeni nu a spus că dacă mergem la dimensiuni și mai mici, vom vedea o structură fină în spațiu și timp, un fel de structură granulară, al cărei comportament nu va mai fi descris prin ecuații diferențiale, ci prin cele cu diferențe finite. Da, în astfel de ecuații, problema va apărea din nou cu faptul că totul este previzibil. Dar dacă acestea nu sunt ecuații cu diferențe finite? Faptul este că, cel mai probabil, paradoxul lui Laplace se explică prin faptul că nu este nevoie să extrapolăm legile naturii care se aplică unei situații date la toate cazurile din viață și din natură.
Emil Akhmedov, doctor în științe fizice și matematice, cercetător principal la Institutul de fizică teoretică și experimentală, numit după A. I. Alikhanov, profesor al Departamentului de fizică teoretică la MIPT.
| Comentarii: 0 |
Problema liberului arbitru este una dintre vechile probleme filozofice, dar în ultimele decenii au existat multe evoluții interesante în acest domeniu. Participanții la conversație vor discuta despre aceste inovații. Vom vorbi, în special, despre „Exemple de la Frankfurt”, „Argument manipulativ” de D. Pereboom și „Principiul responsabilității finale” de R. Kane. Luarea în considerare a acestor și a altor instrumente conceptuale va permite participanților la conversație să evalueze progresul real în înțelegerea problemei liberului arbitru.
Determinismul este un concept științific general și o doctrină filozofică despre cauzalitate, tipare, conexiuni genetice, interacțiune și condiționalitate a tuturor fenomenelor și proceselor care au loc în lume.
Cu ajutorul unui anestezist, Jennifer Aniston, și al unui om de știință înarmat cu un baros, profesorul Marcus du Sautoy caută răspunsul la întrebarea ce sunt „eu”. Pentru a face acest lucru, el se supune la mai multe experimente interesante și neobișnuite. Marcus află la ce vârstă apare conștiința noastră de sine și dacă alte ființe vii o au. Își adoarme mintea într-o experiență anestezică pentru a o înțelege mai bine, apoi are o experiență în afara corpului pentru a-și localiza sinele. După aceea, Marcus merge la Hollywood pentru a înțelege cum vedetele ajută la înțelegerea mai bună a activității microscopice a creierului nostru. Apoi participă la un experiment de citire a minții care îi schimbă radical înțelegerea despre ceea ce este „eu”.
Dacă se cunosc condițiile inițiale ale unui sistem, este posibil, folosind legile naturii, să se prezică starea finală a acestuia.
Liberul arbitru este o parte importantă a opiniilor liberului arbitru în general. Religiile diferă foarte mult în modul în care răspund la argumentul de bază împotriva liberului arbitru și, astfel, pot da răspunsuri diferite la paradoxul liberului arbitru - afirmația că omnisștiința este incompatibilă cu liberul arbitru.
„Evenimentele moderne au o legătură cu evenimentele anterioare, bazate pe principiul evident că niciun obiect nu poate începe să fie fără o cauză care l-a produs... Voința, oricât de liberă ar fi, nu poate da naștere la acțiuni fără un motiv anume, chiar și cele care sunt considerate neutre... Trebuie să considerăm starea actuală a Universului ca rezultat al stării sale anterioare și cauza celei ulterioare. O minte care, pentru un moment dat, ar cunoaste toate fortele care actioneaza in natura si pozitiile relative ale partilor sale constitutive, daca ar fi, de altfel, suficient de larga pentru a supune aceste date analizei, ar cuprinde intr-o singura formula miscarile. dintre cele mai enorme corpuri din Univers și cel mai ușor atom; pentru el nu ar fi nimic neclar, iar viitorul, ca și trecutul, ar fi în fața ochilor lui... Curba descrisă de o moleculă de aer sau abur este controlată la fel de strict și sigur ca orbitele planetare: singura diferență între ele. este ceea ce este impus de ignoranța noastră”
Există o problemă în compatibilitatea ideii noastre de libertate și a modului în care funcționează lumea. Pe de o parte, știm că fiecare eveniment are propria sa cauză. Lanțul cauzelor merge înapoi foarte departe. Și se pare că ceea ce se întâmplă astăzi este predeterminat de evenimentele din trecut. Pe de altă parte, există ideea că suntem capabili să inițiem noi înșine acțiunea, putem schimba cu adevărat viitorul. Problema metafizică a liberului arbitru este problema relației dintre ordinea cauzală, între faptul că toate evenimentele sunt determinate și faptul că facem o alegere liberă sau o acțiune liberă. Dar aceasta nu este o problemă abstractă. Ideea de personalitate și responsabilitate este construită pe ideea de libertate. Putem efectua acțiuni gratuite, pe ce se bazează responsabilitatea morală și legală și va deveni un robot o persoană? În acest episod oferim o discuție despre argumentul manipulării lui Derk Pereboom.
Ilya Șciurov
Când a fost introdus conceptul de „funcție” în circulația științifică? Ce soluții au fost propuse pentru problema vibrației corzilor? Ce abordări au existat pentru înțelegerea funcțiilor? Și cum s-a dezvoltat disputa despre șnur? Matematicianul Ilya Shchurov vorbește despre asta.
În fizica fundamentală, spre deosebire de matematică, există doar trei probleme principale nerezolvate pe care practic toți oamenii de știință din acest domeniu al științei le studiază: problema constantei cosmologice, problema confinării cuarcilor și problema gravitației cuantice.
Problema constantei cosmologice
Imaginează-ți o gaură cu o minge în ea. Dacă îl miști, va începe să oscileze și fără frecare va oscila pentru totdeauna - obții un oscilator clasic. Dar dacă nu atingeți mingea, aceasta va rămâne doar pe fund.
Cu toate acestea, o particulă cuantică nu este o minge, ci o undă. Prin urmare, starea fundamentală a unui oscilator cuantic are energie diferită de zero. Acesta este un val cu o singură creastă în interiorul unei găuri. Adică, o particulă cuantică oscilează chiar și în starea fundamentală. Acestea sunt așa-numitele oscilații zero. Ele apar în orice sistem cuantic, inclusiv în teoria câmpului cuantic.
În teoria câmpului cuantic, un vid nu este un vid. Constă din oscilații zero. Dacă nu există gravitație, atunci energia este calculată din energia totală a acestor oscilații în punctul zero. Se pare că sunt aruncate. Și toate particulele din teoria câmpului cuantic sunt excitații peste oscilații de la zero.
Cu toate acestea, în prezența gravitației, oscilațiile în punctul zero nu pot fi eliminate. Ei „cântăresc” ceva, adică îndoaie spațiu-timp. Prin urmare, există o problemă.
Se prezice teoretic că oscilațiile în punctul zero reprezintă o energie enormă a vidului. Cu toate acestea, observațiile arată că energia vidului din Universul nostru este foarte mică. Aceasta este ceea ce se numește acum energie întunecată în spațiu. Ea duce la expansiunea accelerată a Universului, deoarece ceva „cântărește”. Aceasta este tocmai problema constantei cosmologice: pe de o parte, teoria cuantică a câmpului prezice că este uriașă, dar, pe de altă parte, observăm că este foarte mică. Unde se duce enorma energie a vidului prezisă de teoria câmpului cuantic? Care este atunci natura energiei întunecate?
Problemă de izolare a Quarkului
Se știe că nucleul este format din protoni și neutroni. Ele interacționează între ele folosind forțe nucleare. Dacă ne ciocnim protonii, crescând energia, vom vedea nașterea unei varietăți uriașe de noi particule - hadronii.
Toți hadronii sunt descriși într-un singur fel: sunt formați din quarci. Acest lucru se observă prin împrăștierea unui electron pe un proton la energii foarte mari. Se pare că în acest caz electronul este împrăștiat aproape în același mod ca particulele alfa de pe atomi. Acesta din urmă a fost studiat de Rutherford la începutul secolului al XX-lea: a văzut că o particulă alfa este împrăștiată de un centru foarte concentrat al unui nucleu, care are o dimensiune foarte mică. Se pare că un electron este împrăștiat de un proton exact în același mod, dar cu o singură avertizare: protonul pare să aibă trei centre cu sarcini corespunzătoare.
Există de fapt trei quarci în interiorul unui proton. Dar dintr-un motiv necunoscut, nu putem obține acești quarci separat; îi vedem întotdeauna doar ca parte a hadronilor. Cunoaștem teoria quarcilor, iar aceasta este cromodinamica cuantică, care descrie quarcii și gluonii. Acestea din urmă transferă interacțiuni între quarci, la fel ca fotonii între sarcini electrice. Înțelegem bine cromodinamica cuantică la energii înalte. Apoi descrie cu adevărat fizica hadronilor. Dar la energii joase electronul este împrăștiat de hadroni ca întreg. Cum o descriere, folosind practic quarci liberi, trece la alta - sub formă de hadroni ca stări legate de quarci? Și de ce quarkurile nu există separat? Aceste întrebări sunt esența problemei izolării.
Problema gravitației cuantice
Teoria cuantică a câmpului are probleme cu existența unor frecvențe infinite. În linii mari, câmpul poate fi îndoit în orice fel, cu câtă precizie se dorește. Din această cauză apar așa-numitele divergențe, și anume: la calcularea diferitelor mărimi fizice în teoria cuantică a câmpului, obținem contribuții infinite. În toate teoriile de câmp cuantice dezvoltate în prezent, care ne preocupă, aceste divergențe pot fi eliminate prin redefinirea mai multor constante de cuplare, cum ar fi sarcinile și masele particulelor, de exemplu.
Mai mult, pentru a elimina o problemă similară la cuantificarea gravitației, este necesar să se redefinească un număr infinit de constante de cuplare. Pe măsură ce energia crește, teoria trebuie să devină din ce în ce mai complicată. Acest lucru sugerează că teoria gravitației este aplicabilă numai la energii joase și trebuie să se bazeze pe o teorie mai fundamentală (de energie înaltă) pe care încă nu o cunoaștem.
În septembrie 2015, Stephen Hawking a vorbit despre o nouă idee care, potrivit fizicianului, va ajuta la rezolvarea paradoxului de 40 de ani al pierderii de informații în găurile negre. Acest paradox este formulat la interfața dintre teoria cuantică a câmpului și relativitatea generală, astfel încât rezoluția sa poate ajuta la formularea teoriei gravitației cuantice.
Omul de știință s-a referit în mesajul său la unele proprietăți speciale ale spațiului, care, dacă sunt utilizate corect, pot indica cum și sub ce formă informațiile părăsesc gaura neagră. „Pe călcâie” după anunț, ne-am dat deja seama de propunerea lui Hawking, dar toate detaliile ipotezei încă așteptau publicarea.
Trei luni mai târziu, aproape imediat după Anul Nou, pe serviciul electronic de pretipărire arXiv.org a apărut un articol, în care fizicianul, împreună cu colegii săi Andrew Strominger și Malcolm Parry, dezvăluiau mai detaliat esența propunerii sale. Concomitent cu publicarea preprintului, Hawking a trimis articolul spre publicare într-una dintre cele mai autorizate reviste de fizică - Scrisori de revizuire fizică. Cinci luni mai târziu, lucrarea a fost revizuită și a apărut pe site-ul revistei pe 6 iunie.
Acest lucru a provocat o creștere neașteptată a publicațiilor despre portaluri către alte universuri situate în găuri negre și alte fenomene ciudate. Sursa lor este o prelegere științifică populară pe care Hawking a susținut-o în august 2015. În lucrarea publicată nu există niciun cuvânt despre universuri alternative, dar există aceleași detalii care explică cum să faci față paradoxului informațional.
Astăzi ne întoarcem la discuția despre paradoxul informației și ne-am adresat din nou pentru comentarii la Emil Akhmedov, doctor în științe fizice și matematice și cercetător principal la Institutul de fizică teoretică și experimentală.
Inainte sa incepi
Pentru a formula paradoxul informațional, este necesar să amintim câteva proprietăți importante ale găurilor negre. Cel mai faimos dintre ele este că o gaură neagră are o anumită suprafață numită orizont de evenimente, cândva în spatele căreia nici măcar lumina nu poate părăsi vecinătatea obiectului. A doua proprietate importantă este așa-numita „teoremă fără păr a găurii negre”. Potrivit acesteia, orice câmpuri pe care le creează o gaură neagră în repaus sunt staționare, adică nu se schimbă în timp. Această proprietate a unei găuri negre rezultă din proprietățile orizontului de evenimente.
Un pas important în apariția paradoxului informațional a fost predicția radiației Hawking, datorită căreia o gaură neagră se evaporă încet. Acesta este un efect cuantic asociat cu amplificarea (amplificarea) oscilațiilor în punctul zero ca urmare a colapsului - procesul de formare a unei găuri negre.
Spectrul energetic al acestei radiații este termic, iar cu cât gaura neagră este mai mică, cu atât temperatura care corespunde acestei radiații este mai mare. Acest lucru se datorează faptului că o gaură neagră nu va putea conține excitații cuantice cu o lungime de undă mai mare decât dimensiunea sa. Prin urmare, din considerente generale, va emite cu o lungime de undă caracteristică de ordinul mărimii orizontului său. Și raza orizontului unei găuri negre este proporțională cu masa acesteia. În consecință, energia de radiație caracteristică, fiind proporțională cu frecvența, ar trebui să fie invers proporțională cu masa găurii negre. Dar energia caracteristică a cuantelor de radiație este temperatura acesteia. Aceste argumente euristice, care aparțin lui Vladimir Naumovich Gribov, sunt confirmate de calcule detaliate.
Temperatura Hawking este foarte scăzută - pentru o gaură neagră cu masa Soarelui, aceasta va fi de zece milioane de kelvin. Și o gaură neagră cu o masă și mai mare va avea, în consecință, o temperatură și mai mică. Prin urmare, este cel mai probabil imposibil să vedem radiațiile Hawking în practică în viitorul apropiat. Cu excepția cazului în care va fi posibilă detectarea decăderii așa-numitelor găuri negre primordiale care s-au format în etapele incipiente ale dezvoltării universului. Într-adevăr, atunci densitatea materiei ar fi trebuit să fie foarte mare și, prin urmare, s-ar putea forma găuri negre de masă foarte mică. Astfel de găuri ar avea temperaturi foarte ridicate. Se poate spera să se vadă rezultatele degradării lor în radiația Hawking dacă ne uităm la cele mai îndepărtate, adică cele mai vechi, regiuni din partea vizibilă a universului. Dar până acum astfel de fenomene nu au fost descoperite.
Radiația Hawking nu depinde de materialul din care s-a format gaura neagră ca urmare a prăbușirii. În ea, pentru o anumită energie, pot apărea diferite particule cu probabilitate egală - să zicem, fotoni și pi-mezoni neutri. Rezultatul este o situație inacceptabilă pentru fizică - se pierde posibilitatea fundamentală de a restabili „soarta” unui atom individual prins într-o gaură neagră. În limbajul matematicii, aceasta înseamnă că matricea de transformare care transferă sistemul din starea de dinaintea formării unei găuri negre în starea după evaporarea acesteia se dovedește a fi neunitară (vorbim despre matricea S, una a obiectelor centrale în teoria câmpului cuantic). Aceasta înseamnă, de exemplu, că probabilitățile unor procese pot fi mai mari decât unu.
Acesta este paradoxul pierderii de informații – pe baza teoriei generale a relativității și a teoriei cuantice a câmpului, Hawking a reușit să obțină o situație care pur și simplu nu ar trebui să existe în fizică. Se pot avea atitudini diferite față de formularea acestui paradox, dar solubilitatea sa clară și precisă este una dintre proprietățile teoriei „reale” a gravitației cuantice.
Emil Akhmedov aparține grupului de fizicieni care cred că nu există paradox cu pierderea de informații. Ambiguitatea din jurul paradoxului este cauzată de numărul mare de presupuneri brute pe care Hawking le-a făcut în formularea sa. Printre altele acestea sunt:
1) Energia particulelor de radiație a găurii negre este destul de mică în comparație cu energia totală sau masa găurii negre.
2) Orizontul evenimentelor este suficient de departe de singularitate și i se aplică relativitatea generală.
3) Corecțiile cuantice au o mică contribuție la spectrul radiației Hawking.
Cu toate acestea, Emil consideră că este foarte important să înțelegem în detaliu cum se descompun găurile negre și cum produsele de descompunere transportă informații despre starea inițială a materiei care se prăbușește.
Noul loc de muncă și premisele sale
Noua lucrare a lui Hawking, Strominger și Parry se numește „Părul moale pe găurile negre”. Potrivit unei expoziții populare a lui Gary Horowitz, profesor emerit de fizică la Universitatea din California, lucrarea reconsideră faptele fundamentale care stau la baza paradoxului, cum ar fi valabilitatea „teoremei fără păr a găurii negre”.
N+1: După cum am înțeles, în timpul care a trecut de la lansarea preprintului, probabil că au avut loc deja mai multe seminarii, examinând munca lui Hawking în detaliu?
Emil Akhmedov: Am ținut chiar și o școală-conferință pentru studenți și absolvenți în aprilie. I-am invitat pe studenții lui Malcolm Parry și Hawking, care au ținut prelegeri și am înțeles mai mult sau mai puțin ce se spunea în lucrare. S-ar putea spune că am ajuns la o profundă neînțelegere.
N+1: Strominger, Parry și Hawking au examinat două propuneri care au fost făcute de Stephen Hawking în lucrarea originală din 1975. Se pare că au spus că nu e chiar așa. De unde această afirmație?
E.A.:Îți amintești, ți-am explicat data trecută că există așa-numita „teoremă fără păr”? Spațiu-timp în prezența unei găuri negre la un moment dat în timp, la orice distanță de el, caracterizat prin trei numere: masa, cuplul și sarcina. În consecință, starea fundamentală a teoriei câmpului cuantic pe fundalul unei găuri negre ar trebui să fie caracterizată de acești parametri. Și din moment ce radiația Hawking nu conține nicio informație, înseamnă că aproape tot ce era înainte de prăbușire se pierde.
Acum Strominger, Parry și Hawking au revizuit această declarație. Pentru început, ei spun că dacă te îndepărtezi de la o gaură neagră la distanțe lungi nu la un moment dat în timp, ci în direcția infinitului luminii - adică deplasându-te împreună cu lumina - atunci caracteristicile acestei radiații conțin mult mai mulți parametri, mai precis - infinit de mulți parametri.
N+1: Deci nu sunt limitate de momentul unghiular, sarcina și masa găurii negre?
E.A.: Da. Pot da chiar și un analog din electromagnetism, care probabil va fi mai de înțeles.
Să ne uităm la câmpul electromagnetic al unui grup de sarcini. Dacă luăm un anumit moment în timp și privim pur și simplu acest grup de la o distanță foarte mare, atunci vom vedea pur și simplu un câmp Coulomb. Pot apărea corecții - moment dipol, moment cvadrupol, dar cantitatea dominantă la distanțe mari va fi câmpul Coulomb.
În plus, există un analog al „teoremei fără păr” - soluția ecuațiilor lui Maxwell, care nu se schimbă atunci când se întoarce în jurul centrului și scade la zero la distanțe mari - singura, și acesta este câmpul Coulomb. Singura sa caracteristică este încărcarea. În acest sens, situația este similară cu „teorema fără păr”. Dacă nu există o invarianță în ceea ce privește rotațiile, atunci se pot face corecții sub formă de dipol, cvadrupol și momente mai mari.
Toate cele de mai sus sunt adevărate dacă ne uităm la încărcături la un moment dat și uităm de mișcarea lor. Dacă încărcăturile fac mișcări, atunci emit ceva. Apoi, pe lângă caracteristicile de mai sus, veți avea și caracteristici de radiație. Și chiar și la mare distanță, pe lângă câmpul Coulomb, va exista și un câmp de radiații care poartă infinite de caracteristici. O situație similară există în prezența câmpurilor gravitaționale și a radiațiilor. Aș dori să subliniez că până acum toate acestea nu au nicio legătură directă cu rezolvarea paradoxului informațional.
Acesta este ceea ce se știa înainte de articolul lui Hawking, Strominger și Parry - încă din anii 60-70. Un nou interes pentru această problemă a apărut datorită lucrării lui Strominger și a studenților și coautorilor săi. Ideea este că acest număr infinit de caracteristici ale radiației la o distanță mare este asociat cu existența unei simetrii asimptotice foarte mari în această parte a spațiului-timp. Este ceea ce a studiat Strominger, încercând să generalizeze principiul corespondenței AdS/CFT la cazul spațiului plat. [puteți găsi puțin mai multe despre acest lucru în interviul anterior]
Ce nou au oferit Hawking, Perry și Strominger?
E.A.: Tot ce am spus despre numărul infinit de caracteristici ale radiațiilor adevărat, când ai mers foarte departe de tot felul de surse de câmpuri gravitaționale și electromagnetice. Și anume, acest lucru este adevărat în aproximarea grosieră a ordinii de conducere la infinitul luminii, adică fără nicio corecție. Hawking, Perry și Strominger spun acum că o situație similară ar trebui să existe nu numai la o distanță infinită de sursele de radiație, ci și în apropierea orizontului de evenimente al unei găuri negre.
N+1: Cu siguranță nu este o distanță infinită
E.A.: Da, aceasta nu este cu siguranță o distanță infinit de distanță, dar Hawking și coautorii susțin că au putut descrie modul în care simetriile descrise mai sus pot fi extinse de la infinit la orizontul unei găuri negre. Mai mult, nu pentru cazul cel mai general al câmpurilor, ci deocamdată doar pentru radiația electromagnetică.
Există multe întrebări despre această afirmație. Ei spun literal că există literalmente aceeași simetrie la orizontul unei găuri negre ca la infinit. Nu am reușit să înțeleg în detaliu de unde vine această afirmație. Dacă te uiți la articolul lui Hawking, Strominger și Parry, nu sunt multe formule, sunt mai multe cuvinte. Și nu am putut extrage o formulă testabilă din aceste cuvinte.
N+1: De unde a venit atunci această afirmație?
E.A.: Hawking a fost interesat de faptul că metrica spațiu-timp la distanțe mari de o gaură neagră poate fi descrisă prin mai mulți parametri decât doar sarcina, masa și momentul unghiular. Aceasta este o încălcare evidentă a „teoremei fără păr”. El a crezut că același lucru ar putea fi generalizat la caracteristicile metricii spațiu-timp din apropierea orizontului de evenimente al unei găuri negre.
Într-adevăr, din considerente generale, este clar că dacă luăm în considerare influența asupra găurii negre a particulelor/undelor care cad sau evadează din orizontul evenimentelor Hawking, atunci acest orizont va fi cumva deformat. Aceste deformații pot fi caracterizate printr-un număr infinit de parametri, deoarece pot apărea local în orice parte a acestuia. Și această imagine este similară cu modul în care spațiu-timp este deformat la infinitul luminii ca urmare a radiației care circulă acolo. Adică, analogia dintre orizontul evenimentelor și infinitul luminii este evidentă.
N+1: Adică, înțeleg corect că lucrarea afirmă că radiația Hawking va avea un număr infinit de caracteristici și nu doar o distribuție a temperaturii în funcție de masă, sarcină și cuplu?
E.A.: Da. Și, în consecință, cu ajutorul acestor caracteristici puteți caracteriza pe deplin starea găurii negre. În cuvinte, toate acestea mi-au fost demult clare pentru mine și pentru mulți dintre colegii mei, dar nu am văzut formule clare și ușor de verificat pe această temă. Mai mult, chiar și de la oameni care înțeleg această problemă și au discutat-o cu Hawking, Strominger și Parry.
N+1: Se pare că aceasta este mai mult o lucrare filozofică?
E.A.: Este mai degrabă ca formularea unei idei. Ca idee, imi place. Repet, initial mi-a fost clar mie si multora dintre colegii mei. Adică, pentru mine nu este nimic nou, cu excepția faptului că astfel de oameni celebri au vorbit pe această temă în aceeași ordine de idei cu alți oameni, mai puțin celebri.
N+1: Mai a mai fost un mic moment în afară de „păr”. Hawking, Strominger și Parry spun că starea de vid nu este cumva unică?
E.A.: Caracteristicile unei găuri negre sunt aceleași cu caracteristicile vidului (starea fundamentală) în teoria câmpului cuantic pe fundalul unei găuri negre. Cert este că, chiar și în prezența radiației Hawking, avem de-a face cu starea fundamentală a teoriei câmpului cuantic, deoarece radiația Hawking este o amplificare a oscilațiilor de punct zero care sunt prezente în vid, adică în starea fundamentală. Anterior, ei credeau că există doar trei dintre aceste caracteristici, dar acum au văzut că ar trebui să existe un număr infinit de astfel de caracteristici. Se știe de mult că la infinit există un număr infinit de astfel de caracteristici, iar acum ei susțin că în regiunea unei găuri negre totul este exact la fel. Astfel, starea fundamentală a teoriei câmpului cuantic în prezența unei găuri negre are o degenerare infinit de mare, iar diferitele stări fundamentale se disting prin caracteristicile de mai sus și sunt traduse unele în altele prin transformări de simetrie infinite.
Hawking, Perry și Strominger susțin chiar că au dovedit cu rigurozitate acest lucru. Adică, dacă îl întrebi direct pe Malcolm Parry, el va spune că au dovedit această afirmație. Și este un om care nu irosește cuvintele. Pur și simplu nu prea înțeleg aceste afirmații încă.
N+1: În timpul ultimului interviu, ați menționat un alt factor de care Hawking nu l-a ținut cont. Mă întreb dacă l-au corectat atunci când „peticesc găurile” în descrierea paradoxului?
E.A.: Am spus următoarele - teoria câmpului cuantic pe fundalul unei găuri negre este într-o stare non-staționară. Poate că l-am formulat puțin diferit, dar asta am vrut să spun. Hawking, Strominger și Parry vorbesc despre vid și despre caracteristicile acestuia. Pentru mine acest lucru nu este suficient - datorită faptului că teoria cuantică a câmpului este într-o stare non-staționară pe fundalul unei găuri negre, nu rămâne într-o stare de vid, ci intră într-un fel de stare excitată. Și anume, sunt excitate gradele interne de libertate ale teoriei câmpului. Adică, pe lângă oscilațiile în punctul zero, stările excitate ale teoriei câmpului cuantic vor contribui și la radiația unei găuri negre. Și acest lucru, desigur, caracterizează și starea teoriei câmpului cuantic pe fundalul unei găuri negre și completează imaginea.
Dar ceea ce tocmai am spus nu este în niciun caz un punct de vedere general acceptat. Este împărtășit de poate cinci oameni din lume. Cu toate acestea, acest punct de vedere poate fi susținut de calcule detaliate [Emil T. Akhmedov și colab. /PRD, 2016], iar formula este obiectivă. Oricine îl poate verifica și se poate asigura că este corect sau incorect.
Experiment de gândire
N+1: Și dacă fantezi, mai este posibil să-ți imaginezi un fel de experiment care să testeze teoria? La urma urmei, fiecare teorie își face propriile predicții, care sunt criterii de corectitudine.E.A.: Desigur, toate aceste efecte sunt slabe și în momentul de față sunt de interes doar academic. Din păcate, este fără speranță să verificăm existența radiației Hawking și să vedem caracteristicile acesteia lângă acele obiecte de pe cer pe care le considerăm găuri negre.
N+1: Dacă ne imaginăm că putem trimite un dispozitiv?
E.A.: Chiar dacă ne imaginăm că putem trimite dispozitivul, aceste efecte sunt încă foarte slabe. Temperatura unei găuri negre cu masa Soarelui va fi de aproximativ zece milioane de kelvin - aceasta este o valoare neglijabilă chiar și pe fundalul radiației relicte cosmologice.
Singurul lucru în care speră oamenii de știință este să vadă fenomene din găurile negre microscopice. Când privim cerul, privim nu numai în depărtare, ci și în trecut. În primele etape ale dezvoltării Universului, când era foarte dens, se puteau forma mici găuri negre primordiale. Dacă luăm o gaură neagră cu o masă egală cu masa Muntelui Everest, atunci în loc să o emitem încet, ea explodează, deoarece temperatura ei este enormă.
N+1: Este clar - cu cât gaura neagră este mai mică, cu atât temperatura radiației este mai mare. Dar ce se întâmplă dacă putem surprinde de departe cel puțin o cuantică emisă de o gaură neagră?
E.A.: Pentru a confirma experimental observațiile lui Hawking, Strominger și Parry, o cuantă din fluxul emis de o gaură neagră nu este suficientă pentru noi. Dacă ne uităm la o gaură neagră de departe, atunci un număr infinit de caracteristici definesc întregul flux.
N+1: Adică, dacă am putea surprinde întregul flux de radiații dintr-o gaură neagră, atunci am putea obține un răspuns dacă teoria este adevărată sau nu.
E.A.: Ei bine, teoretic, dacă înconjurăm o gaură neagră cu o cutie și colectăm tot ce emite, putem determina valoarea unui număr infinit de sarcini. Aș dori să subliniez că unele dintre ele vor fi egale cu zero, iar altele nu. Toate acestea ar caracteriza complet starea unei găuri negre.
Dar voi clarifica încă o dată că acest lucru nu ar trebui făcut la infinit, pentru că poate să nu existe o singură gaură neagră, poate fi înconjurată de ceva. Aceste corpuri pot emite, de asemenea, radiații gravitaționale și electromagnetice. Pentru a obține caracteristicile unei anumite găuri negre, trebuie să captăm radiația în apropierea orizontului ei.
N+1: Se pare că trebuie doar să construim un detector imens în jurul unei găuri negre - un fel de sferă Dyson.
E.A.: N et. Desigur, nu pretind că este necesar să se efectueze un experiment atât de complex și chiar imposibil pentru a confirma observațiile de mai sus. Dacă am vedea că o gaură neagră microscopică (de exemplu, primară) radiază și caracteristicile ei se schimbă, iar radiația duce exact acele caracteristici care s-au schimbat, atunci acest lucru ar fi suficient.
Intervievat de Vladimir Korolev
Chris Friel este un fotograf britanic, autorul ilustrațiilor care au fost folosite în material. Și-a petrecut ultimii 10 ani încercând să facă o fotografie care îi plăcea. El a lucrat deja în 150 de țări și ar dori să le viziteze pe celelalte 46 înainte de a deveni un homebody.
