Hem Blommor Kvantfältteori. Emil akhmedov om olösta problem i fysiken Problemet med kvantgravitation

Blommor

Kvantfältteori. Emil akhmedov om olösta problem i fysiken Problemet med kvantgravitation

Fysikern Emil Akhmedov om Newtons andra lag, Minkowski-metriken och rumtidens natur.

Du kan ägna år av ditt liv åt att definiera vad tid är. Detta är en personlig fråga för varje person som upptar sin egen civilisationsnisch. Att försöka svara på sådana frågor är förstås en del av den mänskliga kulturen. Men för en fysiker är sambanden mellan olika ämnen viktiga, och sambanden är inte verbala, utan formella. Som exempel på ett sådant förhållande kan vi nämna Newtons andra lag. Han hävdar att F = ma - kraften får en kropp med massan m att röra sig med acceleration a. Du kan spendera flera år av ditt liv på att ta reda på innebörden av makt. Du kan ägna flera år av ditt liv åt att försöka avgöra vad massans substans är. Men för en fysiker är formelförhållandet mellan kraft, massa och acceleration viktigt. Nu ska jag betona i vilken mening.

Det hävdas att lagen F = ma, Newtons andra lag, följer av experiment. Detta betyder inte att det finns ett specifikt experiment där kraft, massa, acceleration mäts och det konstateras att F = ma. Det finns en rad naturfenomen som är kortfattat beskrivna i form av denna formel och andra formler och förhållanden. För en fysiker är det just detta som är viktigt: det finns en kvantitet som mäts i newton, det är en kraft; det finns en mängd mätt i kilogram - detta är massa; det finns ett värde som mäts i meter per sekund i kvadrat - detta är acceleration. Från barndomen insåg jag själv att fysik är en vetenskap som etablerar samband mellan storheter som kan mätas i kilogram, meter och sekunder. Newton uttrycks med denna formel i termer av kilogram, meter och sekunder.

Försök att svara på frågan "Vad är tidens natur?" Denna fråga är legitim, men för en fysiker och ingenjör är det inte ett abstrakt svar som är viktigt, utan en formel som kopplar ihop tid med något, med vänster och höger sida. Efter det kommer frågan "Vad är karaktären på det som är till höger och med vilken tid är kopplat?" att bli legitim. Den som vill, låt honom svara på det. Men fysiken är viktig om förhållandet mellan det ena och det andra, orsak-verkan-sambandet: om jag ändrar det på det här sättet, då förändras det så. Detta är ett faktum av objektiv verklighet, oavsett hur vi förhåller oss till det.

Vad är tiden för en fysiker? Det finns en tidsnorm, som till exempel hålls i Paris. Jag vet inte vad som nu tas som en tidsnorm, men jag kan ta en enda vibration av en molekyl som en tidsnorm. Och om en molekyl gjorde 10 miljarder vibrationer, brukade den kallas en sekund. Tidigare togs en sekund som standard, men nu kan du ta en enda vibration, då är en andra 10 miljarder vibrationer av en molekyl. En atomklocka, en kronometer, mäts helt enkelt som en räkning av antalet svängningar mellan det initiala momentet och det sista momentet för en given molekyl. Så här mäts tid, sådan är dess natur för en fysiker.

Du kan också fråga: vad är rummets natur, hur är det ordnat på mikroskopisk nivå? Om du får ett svar på den här frågan i form av en formel som förbinder vissa egenskaper hos rymden med något annat, då är jag redo att diskutera det. Som fysiker är detta intressant för mig. Om du börjar säga att rymden som substans liknar lera eller något annat är detta inte intressant för mig, det här påståendet är inte informativt för mig.

Rymdens natur för en fysiker är följande: i rymden kan du gå in i ett koordinatnät, det vill säga föreställa dig koordinataxlarna i rymden och ställa in vägen för att bestämma positionen i dessa koordinater, såväl som avståndet mellan två punkter i rymden. Hur mäter man avstånd på ett plan? Du anger ett koordinatnät - Y-axel och X-axel Du definierar en punkt, den har två koordinater. Till exempel vill du hitta avståndet från denna punkt till punkt Y, den har också sina egna koordinater. Man räknar ut skillnaden i koordinater längs den ena och andra axeln, kvadrerar dem, adderar enligt Pythagoras sats och extraherar kvadratroten. Detta är avståndet mellan två punkter - det euklidiska planet, det euklidiska tvådimensionella rummet. Så här definieras det. För mig behövs inget annat för tillfället för att göra förutsägelser. Då kan man fråga sig: var kommer denna formel ifrån, varför är den korrekt? Men återigen, svaret kommer att vara av intresse för mig bara i formeln och inte i den verbala.

Rymd i newtonsk mekanik är ett tredimensionellt utrymme där det finns tre axlar: den vertikala Z-axeln, de horisontella X och Y vinkelräta mot dem. Positionen för en punkt i detta utrymme definieras som tre koordinatvärden. Jag valde något utanför koordinatcentrum, till exempel en vinkel i det här rummet, riktade axlarna vinkelräta mot varandra, och jag säger att punkten är tre meter från origo i en riktning, fem i den andra och tio i den andra. tredje riktningen. Efter det måste jag ställa in en formel som bestämmer avståndet mellan denna punkt och vilken annan punkt som helst. På samma sätt beräknar jag längderna på detta segment längs tre axlar (jag har ett segment som förbinder dessa punkter, det har tre projektioner på tre axlar). Jag summerar kvadraterna på projektionerna, extraherar kvadratroten och det ger mig svaret på vad som är längden på linjeavsnittet. Så snart jag skrev den här formeln kan jag studera rörelsen av materiella punkter, partiklar under påverkan av krafter. Till exempel, under påverkan av vissa krafter, gör min partikel någon form av rörelse. Jag skrev den här kurvan och med hjälp av formeln kan jag bestämma alla egenskaper hos denna kurva och ta reda på numeriskt vilken kraft och i vilket ögonblick som verkade på partikeln och gav den en sådan och sådan acceleration, partikeln hade en sådan och en sådan massa, och så vidare. Efter det kommer jag att fastställa lagens riktighet - till exempel F = ma. Eller, med hjälp av lagen F = ma, kommer jag att förutsäga hur en partikel kommer att röra sig under påverkan av en eller annan kraft.

Så var fallet inom newtonsk mekanik, där tiden mättes separat med hjälp av något. Galileo räknade ljuskronornas svängningar i katedralen på Piazza dei Miracoli, i Pisa, han räknade sin egen puls: hur många gånger hans puls tickade och hur många gånger hans ljuskrona svajade. För honom var måttenheten en sextiondels sekund. Någon annan kan bygga en schweizisk kronometer medan andra inte nöjer sig med detta och kräver att det ska finnas en atomkronometer. Allt beror på graden av noggrannhet i uttalandet han vill få.

I newtonsk mekanik mättes tid och avstånd i tid separat. Det är bara det att avståndet i tid mättes enligt följande formel: mellan det ena och det andra ögonblicket var det så många svängningar, till exempel av en pendel. Det betyder att vi har mätt tiden som antalet svängningar. På samma sätt mätte vi avstånd i rymden – så fungerade Newtons mekanik.

I den speciella relativitetsteorin har ett nytt påstående dykt upp att det inte finns något separat sätt att mäta avstånd längs tiden och det finns inget separat sätt att mäta avstånd längs rymden, utan det finns ett enda sätt att mäta avstånd i rum-tid. Denna metod ges av Minkowski-formeln, som säger att avståndet mellan två punkter i rum-tid beräknas med följande formel: multiplicera c 2 med tidslängden, med delta t 2, minus kvadraten på längden i rymden - c 2 * Δt 2 - (x 1 - x 0) 2 - (y 1 - y 0) 2 - ( z 1 - z 0) 2. Samma längdkvadrat, det vill säga minus X-avståndet i kvadrat minus Y-kvadratavståndet minus Z-kvadratavståndet.

Minkowskis formel följer från samma plats som F = ma - från beskrivningen av mängden experimentella data. Om du accepterar den här formeln, beskriver du kapaciöst ett visst spektrum av experimentella data. Det finns inget behov av att säga något mer om denna formel i detta skede.

När de talar om rum-tidskontinuum eller rum-tid, menar de faktiskt sättet att specificera koordinater i rymden och sättet att specificera avståndet med Minkowski-metriken. Detta är rymdtidens natur för en fysiker.

Minkowskis formel skiljer sig mycket från Euklids formel, från sättet att ange avstånd i det euklidiska rummet. På grund av detta, från synvinkeln av en person som är bekant med Euklids geometri, ser de flesta av uttalandena om Minkowskis geometri väldigt paradoxala ut, så de flesta uttalandena från den speciella relativitetsteorin ser paradoxala ut. Men samtidigt inser en person inte att vi pratar om väldigt subtila fenomen.

Varje fysisk lag, oavsett hur grundläggande den kan vara, har gränser för tillämplighet. Han har inte helt rätt. Till skillnad från logikens lagar har en fysisk lag gränser för tillämplighet. Till exempel är newtonsk mekanik tillämplig om vi rör oss med hastigheter som är mycket mindre än ljusets hastighet, vi har att göra med accelerationer som är tillräckligt små och gravitationsfältet är tillräckligt svagt. Om vi börjar röra oss i höga hastigheter har vi att göra med mycket starka gravitationsfält, den newtonska mekaniken ersätts av den speciella och allmänna relativitetsteorin. De motbevisar det inte, utan tar med det som en komponent. Det är bara det att om vi tar mekaniken i speciell och allmän relativitet och går till små gravitationsfält och låga hastigheter så får vi samma lagar som i Newtons mekanik.

Minkowski-formeln är endast tillämpbar i approximationen när vi försummar krökningen av rum-tid och när vi talar om tröghetsreferensramar. Om vi talar om icke-tröghetsreferensramar, är formeln inte längre tillämplig. Och om rum-tid är krökt, är denna formel inte tillämplig. De flesta av paradoxerna med speciell relativitet härrör från det faktum att människor glömmer gränserna för tillämpligheten av denna formel.

Emil Akhmedov, doktor i fysikaliska och matematiska vetenskaper, ledande forskare vid Alikhanov-institutet för teoretisk och experimentell fysik, professor vid institutionen för teoretisk fysik vid Moskvainstitutet för fysik och teknik.

Kommentarer: 0

Emil Akhmedov

Jag ska berätta vad supersymmetri är. Supersymmetri är ännu inte ett experimentellt upptäckt fenomen, men för det första ställdes stora förhoppningar till det vid det ögonblick då det föddes, och för det andra är det en viktig del av matematisk fysik och matematik. Trots att det inte har upptäckts experimentellt för tillfället var det ingen som sa att det inte kommer att hittas i framtiden, det är en viktig del av modern vetenskap. Så för att kunna säga vad supersymmetri är, måste jag säga vad supersymmetriska koordinater är eller i allmänhet vad koordinater är.

Emil Akhmedov

Vad är en elementarpartikel? Ordet "partikel" kommer från ordet "del", så det brukar verka som att det är någon sorts tegelsten som vi bygger helheten av. En tegelsten är förknippad med något fast, fast, kompakt, litet och en partikel - med någon form av boll (detta är det första som kommer till en lekmans sinne när de säger "elementarpartikel"). Fysikern Emil Akhmedov om Thomsons modell av atomen, alfapartiklar och Rutherfords spridning.

Emil Akhmedov

Det är känt att ljusets hastighet inte beror på referensramen. Detta påstående är sant endast i platt rum-tid, och inte krökt, och dessutom endast i övergången från en tröghetsreferensram till en tröghetsram. Om du har passerat i platt rymdtid från en tröghetsreferensram till en tröghetsram, så beror inte ljusets hastighet på rörelsehastigheten för en ram i förhållande till en annan. Men om man går till en icke-tröghetsreferensram så är inte ljusets hastighet en sådan helig ko, den kan till och med bero på koordinater, om man förstår det som att man dividerar ett rumsligt inkrement med ett temporalt inkrement. Fysikern Emil Akhmedov om Fermats princip, Newtonsk gravitation och effekterna av allmän relativitet.

Emil Akhmedov

I den moderna förståelsen visar det sig att lagen om bevarande av energi och lagen om bevarande av momentum följer av en mer grundläggande princip, som är den så kallade translationella invariansen i rum och tid. Vad betyder det? Vad betyder translationell invarians i allmänhet?

Emil Akhmedov

Min berättelse kommer att vara mer historisk: Jag kommer att prata om hur Maxwells teori och begreppet elektromagnetiska vågor uppstod. Coulombs lagar, Bio-Savards lag, olika Faradays induktionslagar och andra var kända. Denna uppsättning experimentella data försökte Maxwell beskriva teoretiskt. Såvitt jag vet är hans verk ungefär sexhundra sidor långt. Han försökte förklara Faradays lagar rent mekaniskt och beskrev det elektromagnetiska fältet som en uppsättning kugghjul med olika typer av ingrepp. På 1800-talet var den mekaniska naturbeskrivningen mycket populär. De flesta av dessa 600 sidor saknas eftersom de inte innehöll några konstruktiva uttalanden. Jag kanske överdriver lite, men det enda konstruktiva som fanns i detta verk av Maxwell är hans ekvationer, formler.

Emil Akhmedov

Fysikern Emil Akhmedov om att bestämma positionen på planet och i rymden, nödvändiga koordinater och atomur. Jag kommer att prata om de allmänna principerna för GPS- och GLONASS-drift. Sedan ska jag förklara hur detta har att göra med speciell och allmän relativitet. Jag börjar på långt håll. En triangel är en stel figur på ett plan i den meningen att om du tar tre gångjärn och förbinder dem med tre stela pinnar, så kan dessa gångjärn inte förskjutas, inte kunna flyttas. Om du tar fyra eller fler gångjärn och ansluter dem med lämpligt antal pinnar för att göra en polygon, då kan den polygonen skaka. Fyrkanten kan deformeras, därför, om det finns mer än tre vinklar, är figuren på planet redan icke-styv.

Emil Akhmedov

1700- och 1800-talen präglades av framgången med Newtons mekanik, som visade fantastisk effektivitet när det gällde att beskriva rörelsen hos solsystemets planeter. Men vetenskapen började gå framåt när den övergav detta mekanistiska tillvägagångssätt. Under tecken på att allt detta händer uppstod en sådan Laplace-paradox som säger att det inte finns någon vilja överallt. Det vill säga, en person kan inte agera av egen fri vilja, allt är förutbestämt och förutsägbart. Fysikern Emil Akhmedov om differentialekvationer, ideala linjer och punkter och lösningen av Laplace-paradoxen.

Emil Akhmedov

Nästan alla känner till förhållandet E0 = mc ^ 2. Alla utbildade personer vet att E = mc ^ 2. Samtidigt glömmer de att om man tittar närmare och tittar på det icke-alldagligt, så ser förhållandet ut som E0 = mc ^ 2, E har ett index på 0, och det kopplar samman resten av energin med massan och hastigheten av ljus. Man bör komma ihåg att energi är ett nyckelbegrepp här. Så, i vardagsspråk, säger detta förhållande att vilken massa som helst är energi, men inte vilken energi som helst är massa. Vi får inte glömma detta, att all energi inte är massa! Vilken massa som helst är energi, men motsatsen är inte sant. Och inte för någon energi, utan bara för resten energi, det är sant att det är lika med mc ^ 2. Var kommer detta förhållande ifrån? Fysikern Emil Akhmedov om förhållandet mellan massa och energi, Minkowskis rum-tid och 4-vektorkoordinater.

Emil Akhmedov

Vilka observationer ligger till grund för den speciella relativitetsteorin? Hur härleddes postulatet att ljusets hastighet inte beror på referensramen? Vad handlar Noethers teorem om? Och finns det några fenomen som motsäger SRT? Emil Akhmedov, doktor i fysikaliska och matematiska vetenskaper, berättar om detta.

Emil Akhmedov

Emil Akhmedov, doktor i fysikaliska och matematiska vetenskaper, berättar om Lorentz-transformationerna, den speciella relativitetsteorin, tvillingarnas paradox och stavens och ladugårdens paradox.

Kultur- och utbildningscentrum "Arche" inbjuder till kursen Doktor i fysikaliska och matematiska vetenskaper Emil Akhmedov "Fundamental fysik".

Ämne för den andra föreläsningen: "Kvantfältteori".

Föreläsningen kommer att prata om vad ett fält är och hur man kan kvantisera det. Låt oss sedan prata om vilka nya fenomen som uppstår när fältet kvantiseras. I slutet av föreläsningen kommer vi att prata om Hawking-effekten och kvantfältteorins grundläggande problem.

Om föreläsaren:
- Doktor i fysikaliska och matematiska vetenskaper, ledande forskare vid Alikhanov-institutet för teoretisk och experimentell fysik, docent vid institutionen för teoretisk fysik vid MIPT, docent vid matematiska fakulteten vid Handelshögskolan.

Om föreläsningsförloppet "Fundamental Physics":

Föreläsningarna vänder sig till gymnasieelever, yngre elever och personer som är intresserade av matematik och fysik. Med hjälp av enkla och tydliga exempel, med hjälp av elementära formler, kommer föreläsaren att försöka svara på följande frågor:

Vad är speciell relativitet, och hur fungerar rum-tidens geometri? Varför är ljusets hastighet oberoende av referensramen och varför den inte kan överskridas? Flera exempel på paradoxer (t.ex. tvillingparadoxen) kommer att diskuteras och hur de löses.
Hur fungerar krökt rumtid, och vad är allmän relativitet? Några enkla och visuella exempel på krökta utrymmen kommer att analyseras.
Vad är svarta hål? Hur presenterar man dem? Vad händer med föremål nära svarta hål?
Vad är kvantmekanik? Hur går övergången från partikelmekanik till vågmekanik? Var kommer den probabilistiska tolkningen av kvantmekaniken ifrån? Flera paradoxer kommer att redas ut. Till exempel Schrödingers katt-paradoxen och Einstein-Podolsky-Rosen-paradoxen.
Vad är ett fält? Vad är kvantfältteori? Vad är Higgsfältet och hur fungerar det?
Vad är Hawking-strålning?
Vad är strängteori? Varför behövs det?

Fysikern Emil Akhmedov om differentialekvationer, ideala linjer och punkter och lösningen av Laplace-paradoxen.

1700- och 1800-talen präglades av framgången med Newtons mekanik, som visade fantastisk effektivitet när det gällde att beskriva rörelsen hos solsystemets planeter. Dessutom ledde det utan tvekan till framgångar inom andra, mer vardagliga områden, och visade sig vara effektivt för att beskriva värmens och termodynamikens natur. Det vill säga, gasernas termodynamik beskrevs i form av atomernas rörelse i den rent mekanistiskt. Och när Maxwell skrev sina ekvationer för elektrodynamik, försökte han mekaniskt, med hjälp av kugghjul och kugghjul, beskriva även elektromagnetiska fält. Men i själva verket har detta ingenting att göra med de elektromagnetiska fältens natur, och vetenskapen började röra på sig när den övergav detta mekanistiska tillvägagångssätt.

Under tecken på att allt detta händer uppstod en sådan Laplace-paradox som säger att det inte finns någon vilja överallt. Det vill säga, en person kan inte agera av egen fri vilja, allt är förutbestämt och förutsägbart.

Om vi tror på både det mekanistiska och fältmässiga tillvägagångssättet, så beskrivs alla naturfenomen i form av några funktioner och differentialekvationer på dem. Vi ska nu diskutera vad funktioner och differentialekvationer är. Till exempel är den enklaste funktionen positionen för en partikel. Det är tre funktioner, det vill säga en koordinat i tre riktningar. Det finns positionen för partikeln vid ett givet ögonblick t i denna position, i nästa ögonblick i en annan position, och så vidare.

Resultatet är en funktion - tidsberoendet av partikelns position. Denna funktion beskrivs av den välkända differentialekvationen, kallad Newtons andra lag. Den är differentiell eftersom den innehåller två derivator av denna funktion. Detta är acceleration multiplicerad med massa, och allt detta bestäms av kraften som verkar på denna partikel. Här är en differentialekvation. Om du anger partikelns initiala position och dess initiala hastighet, är lösningen på denna ekvation unikt bestämd.

Inom termodynamiken beskrivs också allt entydigt. Du har bara inte en partikel, utan många av dem. Avogadro-talet ger en uppfattning om hur många partiklar som finns i gasen. Det finns ett stort antal partiklar i en viss volym gas. Dessa partiklar rör sig, kolliderar med varandra, kolliderar med väggar, och detta leder till termodynamiska fenomen. Det visar sig att om du har en tillräckligt kraftfull dator som kan arbeta med en sådan enorm mängd data, då du känner till den initiala positionen för alla partiklar och deras initiala hastigheter, kan otvetydigt bestämma deras efterföljande utveckling och gasbeteende, helt förutsäga alla detaljerna om gasens beteende, och dess ingående partiklar och så vidare.

Denna idé kan föras vidare. Vi består också av molekyler, atomer som interagerar med varandra, verkar på varandra med någon form av krafter. Och om vi ställer in de initiala positionerna och starthastigheten för alla dessa partiklar som vi består av, så är vårt beteende helt förutbestämt, eftersom vårt medvetande och allt annat, om du tror på denna mekanistiska modell, helt bestäms av de kemiska reaktionerna som äger rum i vår hjärna och kropp och så vidare. Följaktligen finns det ingen vilja. Alla mina efterföljande handlingar är förutbestämda av allt som händer runt omkring. Det betyder att detta är Laplace-paradoxen att allt är förutbestämt.

Man trodde att Laplace-paradoxen löses av kvantmekanik, eftersom det finns en probabilistisk tolkning. En probabilistisk tolkning av kvantmekaniken uppstår dock när systemet öppnas. Det vill säga, om man agerar på ett litet kvantsystem med ett stort klassiskt system kallas detta för en mätning, det kvantmekaniska systemets tillstånd mäts och i detta ögonblick uppstår en probabilistisk tolkning. Och om det kvantmekaniska systemet är stängt, så beskrivs det helt av den så kallade vågfunktionen. På grund av sin probabilistiska tolkning kallas det en sannolikhetsvåg, men det spelar ingen roll.

Vad det än heter så beskrivs ett slutet kvantmekaniskt system av en vågfunktion, som också lyder en differentialekvation som kallas Schrödinger-ekvationen. Följande är viktigt: om du känner till de initiala villkoren för denna differentialekvation, det vill säga de initiala värdena för vågfunktionen, dess derivator, så återställer du efter det entydigt vågfunktionen hela tiden. Och ett kvantmekaniskt system, om det är stängt, beskrivs unikt med denna vågfunktion. Och ingen probabilistisk tolkning behövs eftersom du inte öppnar systemet.

Vi kan säga att allt är förutbestämt igen. Man kan argumentera med detta, men vilken teori vi än har att göra med - med relativitetsteorin, med den allmänna relativitetsteorin, med gravitationsekvationen, med Maxwells ekvationer, ekvationer som beskriver svaga och starka interaktioner - alla dessa krafter beskrivs av differentialekvationer av andra ordningen... Dessa ekvationer innehåller fält som är funktioner av koordinater, det vill säga av positionen i rummet och i tiden, värdet av ett fält. Dess förändringar i rum och tid beskrivs med en differentialekvation. Det vill säga allt verkar vara förutbestämt igen.

Var kommer paradoxerna ifrån? Låt oss avvika för en sekund och försöka förklara vad som händer i allmänhet. En väsentlig del av paradoxerna uppstår när vi försöker extrapolera någon slags naturlag för alla tillfällen. Till exempel den välkända paradoxen: vad kom före - hönan eller ägget? Ett filosofiskt problem som antyder att det i hela universums historia fanns kycklingar som lade ägg, kycklingar som kläcktes från ägg osv. Det är tydligt att så inte alltid var fallet. Som ett resultat av evolutionen fanns det mellantillstånd som födde något som liknade ett ägg, närmare och närmare och mer som ett ägg, och från dessa ägg, eller liknande av ägg, kläcktes fåglar eller djur, som var mer och mer nära till vad vi nu kallar en kyckling. Kyckling-och-ägg-paradoxen löses på detta sätt.

För att återgå till Laplaces paradox använder vi naturvetare alltid en viss approximation. Vilken naturvetenskaplig lag som helst, oavsett hur grundläggande den kan vara, är alltid sann i någon approximation. Newtons andra lag är sann om vi har att göra med tillräckligt stora föremål - från ett korn och mer - som rör sig med hastigheter som är mycket mindre än ljusets hastighet, med accelerationer nära det vi upplever på jorden och i solsystemet, i gravitation fält som skapar något som solen, stjärnor som solen eller planeter som jorden. Om vi börjar diskutera objekt som rör sig i mycket höga hastigheter måste vi ta itu med den speciella relativitetsteorin. Om vi diskuterar mycket starka gravitationsfält måste vi ta itu med generell relativitetsteori. Om vi har att göra med mycket små föremål, måste vi hantera kvantmekanik. Om vi har att göra med mycket höga hastigheter för mycket små föremål, måste vi hantera kvantfältteorin. I nästa steg, om vi vill syssla med kvantfältteori i mycket starka gravitationsfält, kommer vi troligen att behöva ta itu med något som kvantgravitation, som fortfarande är i vardande, och resten av teorierna har utvecklats.

Var kommer denna uppskattning ifrån? Matematik, som de gärna säger med stort patos, är det som gör att vi kan hitta någon form av ordning i kaoset som omger oss. Det vill säga att vi alltid använder matematiska formler för att beskriva något matematiskt idealiserat, som ungefär beskriver vad som faktiskt händer i naturen. Och vi kan till och med bestämma i vilken approximation, och till och med förbättra denna approximation, när vi närmar oss den verkliga situationen. Till exempel finns det inga idealiska, oändligt tunna raka linjer, det finns inga idealiska punkter och storlekslösa föremål, det finns inga idealiska tröghetsreferensramar.

Men i verkligheten, vad är det som händer? Vi kan beräkna avkastningen från ett givet område och beskriva det med en rektangel eller polygon, vars kanter är sammansatta av raka linjesegment, med tanke på dem oändligt tunna. Detta gör att vi kan uppskatta arean av denna platta figur och skörden som vi kommer att samla in, ofta bortse från det faktum att denna yta inte är platt, men inuti denna polygon finns det kullar, fördjupningar och så vidare. Frågan är i vilken uppskattning vi arbetar.

På samma sätt, med hjälp av perfekta tunna linjer, prickar och så vidare, kan vi beräkna hemma. För noggrannheten räcker det med några millimeter för att beräkna hus så att vi inte har luckor i fönstren. Å andra sidan, med vilken noggrannhet behöver vi för att beräkna ett objekt som en detektor i en accelerator (och det är något som kan jämföras med en tre-, fyra- eller femvåningsbyggnad)? Där är dess olika delar anpassade till varandra med mikronprecision. Där behövs noggrannheten högre, eftersom det är nödvändigt att bestämma spåren av partiklar och topparna av reaktioner med sådan noggrannhet. Frågan är hur exakt vad vi vill beskriva. Därför gör vi alltid någon form av approximation, begränsar oss till någon precision med vilken vi vill beskriva något, och från detta flödar allt.

Därför är differentialekvationerna som beskriver naturlagarna faktiskt någon form av approximation till vad som verkligen händer i naturen. Ingen sa att om vi går till ännu mindre storlekar kommer vi att se en fin struktur i rum och tid, någon slags granulär struktur, vars beteende inte längre kommer att beskrivas av differentialekvationer, utan av finita-differensekvationer. Ja, i sådana ekvationer igen kommer det att finnas ett problem med att allt är förutsägbart. Men vad händer om dessa inte är ekvationer med ändlig skillnad? Faktum är att Laplace-paradoxen med största sannolikhet förklaras av det faktum att det inte är nödvändigt att extrapolera naturlagarna, som är tillämpliga på en given situation, till alla fall i livet och naturen.

Kommentarer: 0

Fri vilja är ett gammalt filosofiskt problem, men det har skett många intressanta framsteg på detta område under de senaste decennierna. Deltagarna i samtalet kommer att diskutera dessa innovationer. Talet kommer i synnerhet att handla om "Exempel på Frankfurt", "Manipulativt argument" av D. Pereboom och "Principen om yttersta ansvar" av R. Kane. Övervägande av dessa och andra konceptuella verktyg kommer att tillåta deltagarna i samtalet att bedöma de verkliga framstegen i att förstå problemet med fri vilja.

Determinism är ett allmänt vetenskapligt begrepp och filosofisk doktrin om kausalitet, regelbundenhet, genetisk koppling, interaktion och villkorlighet för alla fenomen och processer som förekommer i världen.

Med hjälp av en anestesiläkare, Jennifer Aniston, och en vetenskapsman beväpnad med en slägga, söker professor Marcus du Sautoy svaret på frågan om vad "jag" är. För att göra detta utsätter han sig för flera intressanta och ovanliga experiment. Marcus lär sig vid vilken ålder vår självmedvetenhet uppträder och om andra levande varelser besitter den. Han får sitt sinne att sova i en bedövningsupplevelse för att bättre förstå det, sedan får han en upplevelse utanför kroppen för att lokalisera sig själv. Marcus reser sedan till Hollywood för att förstå hur kändisar hjälper till att bättre förstå den mikroskopiska aktiviteten i våra hjärnor. Han deltar sedan i ett tankeläsexperiment som radikalt förändrar hans förståelse av vad "jag" är.

Om de initiala förhållandena för systemet är kända är det möjligt att med hjälp av naturlagarna förutsäga dess slutliga tillstånd.

Fri vilja är en viktig del av att tänka på fri vilja i allmänhet. Religioner skiljer sig mycket åt i hur de svarar på huvudargumentet mot den fria viljan, och kan därmed ge olika svar på paradoxen med fri vilja - påståendet att allvetande är oförenligt med fri vilja.

”Moderna händelser har ett samband med tidigare händelser, baserat på den självklara principen att inget föremål kan börja vara utan orsaken som producerade det ... Viljan, hur fri den än är, kan inte utan ett visst motiv ge upphov till handlingar , även de som anses vara neutrala ... Vi måste betrakta universums nuvarande tillstånd som ett resultat av dess tidigare tillstånd och orsaken till det efterföljande. Sinnet, som för varje givet ögonblick skulle känna till alla krafter som verkar i naturen och den relativa placeringen av dess beståndsdelar, om det dessutom var tillräckligt stort för att utsätta dessa data för analys, skulle i en enda formel omfatta rörelserna av de mest enorma kropparna i universum och den lättaste atomen; för honom skulle det inte vara något dunkelt, och framtiden, liksom det förflutna, skulle vara framför hans ögon ... vad som är påtvingat av vår okunnighet "

Det finns ett problem i förenligheten mellan vårt begrepp om frihet och hur världen fungerar. Å ena sidan vet vi att varje händelse har sin egen orsak. Orsakskedjan går väldigt långt. Och det verkar som att det som händer idag är förutbestämt av det förflutnas händelser. Å andra sidan finns tanken att vi kan initiera handling själva, vi kan verkligen förändra framtiden. Det metafysiska problemet med fri vilja är problemet med förhållandet mellan kausalordningen, mellan det faktum att alla händelser är deterministiska och det faktum att vi gör ett fritt val eller en fri handling. Men detta är inget abstrakt problem. Begreppet personlighet och ansvar bygger på begreppet frihet. Kan vi utföra fria handlingar, vad bygger moraliskt och juridiskt ansvar på, och kommer en robot att bli en person? I det här numret inbjuder vi dig att diskutera Derk Perebooms manipulationsargument.

Ilya Shchurov

När introducerades begreppet "funktion" i den vetenskapliga cirkulationen? Vilka var de föreslagna lösningarna på problemet med strängvibrationer? Vilka var tillvägagångssätten för att förstå funktionen? Och hur utvecklades strängkontroversen? Matematikern Ilya Shchurov talar om detta.

Inom fundamental fysik, till skillnad från matematik, finns det bara tre olösta huvudproblem som praktiskt taget alla vetenskapsmän från detta vetenskapsområde är engagerade i - problemet med den kosmologiska konstanten, problemet med kvarkinneslutning och problemet med kvantgravitationen.

Det kosmologiska konstanta problemet

Föreställ dig ett hål som innehåller en boll. Om du flyttar den kommer den att börja svänga och utan friktion kommer den att svänga för alltid - du får en klassisk oscillator. Men om bollen inte rörs, så kommer den helt enkelt att ligga i botten.

En kvantpartikel är dock inte en boll, utan en våg. Därför har grundtillståndet för en kvantoscillator energi som inte är noll. Detta är en våg med en enda krön inne i hålet. Det vill säga en kvantpartikel vibrerar även i marktillståndet. Dessa är de så kallade nollfluktuationerna. De förekommer i vilket kvantsystem som helst, inklusive kvantfältteori.

I kvantfältteorin är ett vakuum inte ett tomrum. Den består av nollpunktsfluktuationer. Om det inte finns någon gravitation, så beräknas energin från den totala energin av dessa nollpunktsvibrationer. De verkar slängas. Och alla partiklar i kvantfältteorin är excitation över nollpunktsvibrationer.

Men i närvaro av gravitation kan nollpunktssvängningar inte kasseras. De "väger" trots allt något, det vill säga de förvränger rum-tid. Därför uppstår ett problem.

Det förutspås teoretiskt att nollpunktsvibrationer utgör enorm vakuumenergi. Men observationer visar att vakuumenergin i vårt universum är mycket liten. Detta är vad som nu kallas mörk energi i rymden. Det leder till en accelererad expansion av universum, eftersom något "väger". Detta är just problemet med den kosmologiska konstanten: å ena sidan förutspår kvantfältteorin att den är enorm, och å andra sidan observerar vi den mycket liten. Vart tar den enorma vakuumenergin som förutsägs av kvantfältteorin vägen? Och vad är då mörk energis natur?

Quark-inneslutningsproblemet

Det är känt att kärnan består av protoner och neutroner. De interagerar med varandra med hjälp av kärnkrafter. Om protoner kolliderar, vilket ökar energin, kommer vi att se födelsen av en enorm mängd nya partiklar - hadroner.

Alla hadroner beskrivs på ett sätt: de är uppbyggda av kvarkar. Detta observeras genom att sprida en elektron på en proton vid mycket höga energier. Det visar sig att i det här fallet är elektronen spridd på ungefär samma sätt som alfapartiklar på atomer. Det sistnämnda studerades av Rutherford i början av 1900-talet: han såg att en alfapartikel är utspridda i ett mycket koncentrerat centrum av kärnan, som är mycket liten i storlek. Det visar sig att på samma sätt sprids en elektron av en proton, men med en varning: protonen verkar ha tre centra med motsvarande laddningar.

Det finns faktiskt tre kvarkar inuti protonen. Men av någon okänd anledning kan vi inte separat erhålla dessa kvarkar, vi ser dem alltid bara i sammansättningen av hadroner. Vi känner till teorin om kvarkar, och detta är kvantkromodynamik, som beskriver kvarkar och gluoner. De senare överför interaktioner mellan kvarkar, precis som fotoner mellan elektriska laddningar. Vi förstår kvantkromodynamik väl vid höga energier. Sedan beskriver den verkligen hadronernas fysik. Men vid låga energier sprids elektronen av hadroner som helhet. Hur går en beskrivning, med hjälp av praktiskt taget fria kvarkar, till en annan – i form av hadroner som bundna tillstånd från kvarkar? Och varför existerar inte kvarkar individuellt? Dessa frågor är kärnan i inneslutningsproblemet.

Problemet med kvantgravitation

Kvantfältteorin har problem med förekomsten av oändliga frekvenser. Grovt sett kan fältet böjas efter önskemål, med en godtyckligt hög noggrannhet. På grund av detta uppstår så kallade divergenser, nämligen: vid beräkning av olika fysikaliska storheter i kvantfältteorin får vi oändliga bidrag. I alla för närvarande utvecklade kvantfältsteorier som vi behandlar kan dessa divergenser elimineras genom att omdefiniera flera kopplingskonstanter, såsom laddningar och massor av partiklar, till exempel.

Dessutom, för att eliminera ett liknande problem vid kvantisering av gravitationen, är det nödvändigt att omdefiniera ett oändligt antal kopplingskonstanter. När energin stiger behöver teorin kompliceras mer och mer. Detta antyder att gravitationsteorin är tillämpbar endast vid låga energier, och bör baseras på en mer fundamental (högenergi) teori som vi ännu inte känner till.

I september 2015, Stephen Hawking på en ny idé som, enligt fysiker, kommer att hjälpa till att lösa den 40-åriga paradoxen med informationsförlust i svarta hål. Denna paradox är formulerad i gränssnittet mellan kvantfältteori och allmän relativitet, så dess upplösning kan hjälpa till att formulera teorin om kvantgravitation.
Forskaren hänvisade i sitt meddelande till några speciella egenskaper hos rymden, med hjälp av korrekt som det är möjligt att indikera hur och i vilken form informationen lämnar det svarta hålet. "Hot on the heels" efter tillkännagivandet har vi redan listat ut Hawkings förslag, men alla detaljer i hypotesen väntade fortfarande på publicering.

Tre månader senare, nästan omedelbart efter nyår, dök en artikel upp på den elektroniska preprint-tjänsten arXiv.org, där fysikern tillsammans med kollegor - Andrew Strominger och Malcolm Perry - avslöjade kärnan i hans förslag mer i detalj. Samtidigt med publiceringen av förtrycket skickade Hawking artikeln för publicering till en av de mest respekterade fysiktidskrifterna - Fysiska granskningsbrev... Fem månader senare granskades arbetet och dök upp den 6 juni på tidskriftens hemsida.

Detta orsakade en oväntad ökning av publikationer om portaler till andra universum belägna i svarta hål och andra konstiga fenomen. Deras källa är en populärvetenskaplig föreläsning som Hawking höll i augusti 2015. I det publicerade verket finns det inte ett ord om alternativa universum, men det finns själva detaljerna som förklarar hur man hanterar informationsparadoxen.

Idag återvänder vi till diskussionen om informationsparadoxen och vände oss återigen för en kommentar till Emil Akhmedov, doktor i fysikaliska och matematiska vetenskaper och en ledande forskare vid Institutet för teoretisk och experimentell fysik.

Innan du börjar

För att formulera informationsparadoxen är det nödvändigt att påminna om flera viktiga egenskaper hos svarta hål. Den mest kända av dem är att ett svart hål har en viss yta som kallas händelsehorisonten, efter att ha hittat sig bakom vilken inte ens ljus kan lämna objektets närhet. Den andra viktiga egenskapen är det så kallade "svarta hålet utan hår-sats". Enligt henne är alla fält som skapas av ett vilande svart hål stationära, det vill säga de förändras inte med tiden. Denna egenskap hos ett svart hål följer av händelsehorisontens egenskaper.

Ett viktigt steg i uppkomsten av informationsparadoxen var förutsägelsen av Hawking-strålning, på grund av vilken det svarta hålet långsamt förångas. Detta är en kvanteffekt associerad med förstärkningen (förstärkningen) av nollpunktssvängningar som ett resultat av kollaps - processen för bildandet av ett svart hål.

Energispektrumet för denna strålning är termiskt, och ju mindre svarta hålet är, desto högre temperatur motsvarar denna strålning. Detta beror på att ett svart hål inte kan innehålla kvantexcitationer med en våglängd längre än dess storlek. Därför kommer den, utifrån allmänna överväganden, att sända ut med en karakteristisk våglängd av storleksordningen på dess horisont. Och radien för horisonten för ett svart hål är proportionell mot dess massa. Följaktligen bör den karakteristiska strålningsenergin, som är proportionell mot frekvensen, vara omvänt proportionell mot det svarta hålets massa. Men den karakteristiska energin för strålningskvanta är dess temperatur. Detta heuristiska resonemang, som tillhör Vladimir Naumovich Gribov, bekräftas av en detaljerad beräkning.

Hawkings temperatur är mycket låg - för ett svart hål med solens massa blir det tio miljondelar av en kelvin. Och ett svart hål med ännu större massa kommer följaktligen att ha en ännu lägre temperatur. Därför är det med största sannolikhet omöjligt att se Hawking-strålning i praktiken inom överskådlig framtid. Om det inte kommer att vara möjligt att upptäcka förfallet av de så kallade primordiala svarta hålen, som bildades i de tidiga stadierna av universums utveckling. Faktum är att materiens densitet borde ha varit mycket hög och därför kunde svarta hål med mycket liten massa bildas. Sådana hål skulle ha mycket höga temperaturer. Man kan hoppas att se resultatet av deras förfall av Hawking-strålning, om vi tittar på de mest avlägsna, det vill säga de tidigaste, delarna av den synliga delen av universum. Men hittills har sådana fenomen inte upptäckts.

Hawking-strålning beror inte på vilket material det svarta hålet bildades av till följd av kollapsen. I den, för en given energi, kan olika partiklar dyka upp med lika stor sannolikhet - säg fotoner och neutrala pi-mesoner. Som ett resultat erhålls en situation som är oacceptabel för fysiken - den grundläggande möjligheten att återställa "ödet" för en enda atom som har fallit i ett svart hål går förlorad. På matematikens språk betyder detta att transformationsmatrisen som överför systemet från tillståndet före bildandet av det svarta hålet till tillståndet efter dess avdunstning visar sig vara icke-enhetlig (vi talar om S-matrisen, en av de centrala objekten i kvantfältteorin). Det betyder till exempel att sannolikheterna för vissa processer kan visa sig vara fler än en.

Detta är paradoxen med informationsförlust – baserat på allmän relativitet och kvantfältteori lyckades Hawking få en situation som helt enkelt inte borde existera i fysiken. Man kan behandla formuleringen av denna paradox på olika sätt, men dess tydliga och exakta löslighet är en av egenskaperna hos den "riktiga" teorin om kvantgravitation.

Emil Akhmedov tillhör den grupp fysiker som anser att det inte finns någon paradox med att förlora information. Den tvetydighet som är förknippad med paradoxen beror på det stora antalet grova antaganden Hawking gjorde i sin formulering. Dessa är bland annat:

1) Energin hos strålningspartiklarna i det svarta hålet är tillräckligt liten jämfört med det svarta hålets totala energi eller massa.
2) Händelsehorisonten är tillräckligt långt från singulariteten och den allmänna relativitetsteorin är tillämplig på den.
3) Kvantkorrigeringar ger ett litet bidrag till Hawkings strålningsspektrum.

Emil menar dock att det är mycket viktigt att i detalj förstå hur svarta hål förfaller, och hur förmultningsprodukter bär information om det initiala tillståndet för det kollapsande materialet.

Nytt jobb och dess förutsättningar

En ny artikel av Hawking, Strominger och Perry har titeln Soft Hair on Black Holes. Enligt dess populära utläggning av Gary Horowitz, Distinguished Professor of Physics vid University of California, reviderar artikeln de grundläggande fakta bakom paradoxens formulering, såsom giltigheten av "svart hål utan hår-teoremet".

N+1: Som jag förstår det har det under tiden som gått sedan förtrycket släppts förmodligen redan varit flera seminarier som analyserar Hawkings arbete i detalj?

Emil Akhmedov: Vi var till och med värdar för en grund- och forskarskolekonferens i april. Vi kallade in eleverna till Malcolm Perry och Hawking, de föreläste och vi kom mer eller mindre på vad som stod i arbetet. Vi kan säga att de har nått ett djupt missförstånd.

N+1: Strominger, Perry och Hawking undersökte två antaganden som gjordes av Stephen Hawking i den ursprungliga uppsatsen från 1975. Det verkar som om de sa att det verkligen inte är det. Var kom detta uttalande ifrån?

E.A.: Kom ihåg att jag förklarade för dig förra gången att det finns en så kallad "no hair-teorem"? Rumtid i närvaro av ett svart hål vid ett givet ögonblick, på vilket avstånd som helst från henne, kännetecknas av tre tal: massa, rotationsmoment och laddning. Följaktligen bör grundtillståndet för kvantfältteorin mot bakgrunden av ett svart hål karakteriseras av dessa parametrar. Och eftersom Hawking-strålning inte bär på någon information betyder det att nästan allt som var innan kollapsen är borta.

Nu har Strominger, Perry och Hawking omprövat detta påstående. Till att börja med säger de att om du lämnar det svarta hålet för långa sträckor inte vid ett givet ögonblick, utan i riktning mot ljusets oändlighet - det vill säga rör sig med ljuset - så innehåller egenskaperna hos denna strålning mycket fler parametrar , mer exakt - oändligt många parametrar.

N+1: Det vill säga, de är inte begränsade till det svarta hålets rörelsemängd, laddning och massa?

E.A.: Ja. Jag kan till och med ge en analog från elektromagnetism, vilket förmodligen kommer att vara mer förståeligt.

Låt oss titta på det elektromagnetiska fältet för en grupp laddningar. Om vi tar ett givet ögonblick i tiden och bara tittar på den här gruppen från ett mycket långt avstånd, då kommer vi att se bara ett Coulomb-fält. Korrigeringar kan visas för det - dipolmoment, kvadrupolmoment, men den dominerande kvantiteten på stora avstånd kommer att vara Coulomb-fältet.

Dessutom finns det en analog till "no hair-teoremet" - lösningen av Maxwells ekvationer, som inte ändras när man vänder sig runt mitten och sjunker till noll på stora avstånd - den enda, och detta är Coulomb-fältet. Dess enda kännetecken är laddning. I denna mening liknar situationen "no hair-teoremet". Om det inte finns någon rotationsinvarians kan det finnas korrigeringar i form av dipol, kvadrupol och högre moment.

Allt ovanstående är sant om vi tittar på avgifterna vid en given tidpunkt och glömmer deras rörelse. Om laddningarna gör någon form av rörelse, då avger de något. Då kommer du, förutom ovanstående egenskaper, även ha strålningsegenskaper. Och även på långt avstånd, förutom Coulombfältet, kommer det också att finnas ett strålningsfält med oändligt många egenskaper. En liknande situation finns i närvaro av gravitationsfält och strålning. Jag skulle vilja betona att allt detta hittills inte är direkt relaterat till lösningen av informationsparadoxen.

Detta är vad som var känt före artikeln av Hawking, Strominger och Perry - tillbaka på 60- och 70-talen. Nytt intresse för detta nummer har uppstått tack vare Stromingers arbete med sina elever och medförfattare. Poängen är att detta oändliga antal egenskaper hos strålning på stort avstånd är associerat med förekomsten av någon mycket stor asymptotisk symmetri i denna del av rum-tiden. Strominger studerade det och försökte generalisera principen för AdS / CFT-korrespondensen till fallet med platt utrymme. [lite mer om detta i förra intervjun]

Vad är nytt föreslås av Hawking, Perry och Strominger

E.A.: Allt jag sa om strålningens oändligt stora antal egenskaper sant när du är väldigt långt borta från alla typer av gravitationskällor och elektromagnetiska fält. Detta är nämligen sant i en grov approximation av den ledande ordningen vid ljus oändlighet, det vill säga utan några korrigeringar. Hawking, Perry och Strominger säger nu att en liknande situation inte bara bör vara på ett oändligt avstånd från strålningskällor, utan också nära det svarta hålets händelsehorisont.

N+1: Det är definitivt inte ett oändligt långt avstånd.

E.A.: Ja, det här är definitivt inte ett oändligt långt avstånd, men Hawking och medförfattare hävdar att de lyckats beskriva hur symmetrierna som beskrivs ovan kan fortsätta från oändligheten till svarta hålshorisonten. Dessutom inte för det mest allmänna fallet med fält, utan hittills bara för elektromagnetisk strålning.

Det finns många frågor till detta uttalande. De säger bokstavligen att det finns bokstavligen samma symmetri vid horisonten av ett svart hål som vid oändligheten. Var detta uttalande följer, kunde jag inte förstå i detalj. Om man tittar på artikeln av Hawking, Strominger och Perry så finns det inte många formler, det finns fler ord. Och från dessa ord kunde jag inte extrahera formeln som skulle kontrolleras.

N+1: Var kom detta uttalande ifrån då?

E.A.: Hawking var intresserad av det faktum att rum-tidsmetriken på stora avstånd från ett svart hål kan beskrivas med fler parametrar än bara laddning, massa och rörelsemängd. Detta är ett uppenbart brott mot no hair-teoremet. Han trodde att detsamma kunde generaliseras till egenskaperna hos rumtidsmetriken nära det svarta hålets händelsehorisont.

I själva verket, från allmänna överväganden, är det klart att om vi tar hänsyn till påverkan på det svarta hålet av partiklar/vågor som inträffar eller emitteras av Hawking från händelsehorisonten, så kommer denna horisont på något sätt att deformeras. Dessa deformationer kan kännetecknas av ett oändligt stort antal parametrar, eftersom de kan uppstå lokalt i vilken del som helst. Och den här bilden liknar hur deformationen av rum-tid vid ljusets oändlighet uppstår som ett resultat av strålning som går dit. Det vill säga att analogin mellan händelsehorisonten och ljusets oändlighet är uppenbar.

N+1: Det vill säga, jag förstår rätt att verket hävdar att Hawking-strålning kommer att ha oändligt många egenskaper, och inte bara en temperaturfördelning som beror på massa, laddning och rörelsemängd?

E.A.: Ja. Och följaktligen, med hjälp av dessa egenskaper, kan du helt karakterisera tillståndet för ett svart hål. Med ord, allt detta har länge varit klart för mig och för många av mina kollegor, men jag har inte sett tydliga och lätt testbara formler om detta ämne. Dessutom, även från människor som förstår denna fråga och diskuterade den med Hawking, Strominger och Perry.

N+1: Så det här är mer ett filosofiskt verk?

E.A.: Det ser mer ut som att formulera en idé. Som en idé gillar jag det. Jag upprepar, det förstods från början av både jag och många av mina kollegor. Det vill säga, för mig är detta inget nytt, förutom att sådana kända personer talade om detta ämne på samma sätt som andra, mindre kända personer talade ut.

N+1: Det var en liten sak till förutom "håret". Hawking, Strominger och Perry säger att vakuumtillståndet på något sätt inte är unikt?

E.A.: Egenskaperna för ett svart hål är desamma som egenskaperna hos vakuumet (grundtillståndet) i kvantfältteorin mot bakgrunden av ett svart hål. Faktum är att även i närvaro av Hawking-strålning har vi att göra med grundtillståndet för kvantfältteorin, eftersom Hawking-strålning är förstärkningen av nollpunktssvängningar som finns i ett vakuum, det vill säga i marktillståndet. Tidigare trodde man att det bara fanns tre av dessa egenskaper, men nu såg man att det borde finnas oändligt många sådana egenskaper. Det har länge varit känt att det finns oändligt många sådana egenskaper i oändligheten, men nu hävdar de att i området för ett svart hål är allt exakt detsamma. Sålunda har grundtillståndet för kvantfältteorin i närvaro av ett svart hål en oändligt stor degeneration, och olika grundtillstånd skiljer sig åt med hjälp av de tidigare nämnda egenskaperna och de översätts till varandra med hjälp av transformationer av oändlig symmetri.

Hawking, Perry och Strominger hävdar till och med att de har rigoröst bevisat det. Det vill säga om du frågar Malcolm Perry direkt kommer han att säga att de bevisade detta påstående. Och han är en man som inte kastar ord för vinden. Det är bara det att jag ännu inte helt har förstått dessa uttalanden.

N+1: Under förra intervjun nämnde du en annan faktor som Hawking inte tog hänsyn till. Jag undrar om det korrigerades när man "lappade hål" i beskrivningen av paradoxen?

E.A.: Jag sa följande - kvantfältteorin mot bakgrund av ett svart hål är i ett icke-stationärt tillstånd. Jag kanske formulerade det lite annorlunda, men det var det jag menade. Hawking, Strominger och Perry pratar om vakuum och dess egenskaper. För mig räcker inte detta - på grund av att kvantfältteorin befinner sig i ett icke-stationärt tillstånd mot bakgrund av ett svart hål förblir den inte i ett vakuumtillstånd, utan övergår i något slags exciterat tillstånd. De interna frihetsgraderna i fältteorin är nämligen exalterade. Det vill säga, förutom nollpunktssvängningar kommer de exciterade tillstånden i kvantfältteorin också att bidra till strålningen från det svarta hålet. Och även detta kännetecknar säkerligen kvantfältteorins tillstånd mot bakgrunden av ett svart hål och kompletterar bilden.

Men det jag just har sagt är inte på något sätt en allmänt accepterad synpunkt. Den delas kanske av ungefär fem personer i världen. Denna synpunkt kan dock stödjas av detaljerade beräkningar [Emil T. Akhmedov et al. / PRD, 2016], och formeln är objektiv. Vem som helst kan kontrollera det och se till att det är korrekt eller felaktigt.

Tankeexperiment

N+1: Och om du drömmer upp - kan du fortfarande föreställa dig något slags experiment som kan testa teorin? När allt kommer omkring ger varje teori sina egna förutsägelser, som är kriterierna för korrekthet.

E.A.: Naturligtvis är alla dessa effekter svaga och för tillfället är de av endast akademiskt intresse. Tyvärr är det hopplöst att kontrollera förekomsten av Hawking-strålning och se dess egenskaper nära de objekt på himlen som vi anser vara svarta hål.

N+1: Och om vi föreställer oss att vi kan skicka enheten?

E.A.:Även om vi föreställer oss att vi kan skicka apparaten är dessa effekter fortfarande mycket svaga. Temperaturen i ett svart hål med solens massa kommer att uppgå till ungefär tio miljondelar av en Kelvin - ett försumbart värde även mot bakgrund av kosmologisk relikstrålning.

Det enda forskarna hoppas på är att se fenomen från mikroskopiska svarta hål. När vi tittar på himlen tittar vi inte bara i fjärran utan också i det förflutna. I de tidiga stadierna av universums utveckling, när det var mycket tätt, kunde det bildas små ursprungliga svarta hål. Om vi tar ett svart hål med en massa som är lika med Mount Everests massa, så strålar det snarare inte långsamt, utan exploderar, eftersom dess temperatur är enorm.

N+1: Det är tydligt - ju mindre svart hål, desto högre temperatur på strålningen. Men om vi kan fånga åtminstone ett kvantum som emitteras av ett svart hål på avstånd?

E.A.: För att bekräfta observationerna av Hawking, Strominger och Perry experimentellt räcker det inte med ett kvantum från flödet som emitteras av ett svart hål. Om vi tittar på ett svart hål på avstånd, så ges hela strömmen av ett oändligt antal egenskaper.

N+1: Det vill säga, om vi kunde fånga upp hela strålningsflödet från ett svart hål, så skulle vi kunna få svar på om teorin stämmer eller inte.

E.A.: Tja, teoretiskt sett, om vi omger det svarta hålet med en låda och samlar allt som det utstrålade, så kan vi bestämma värdet av ett oändligt antal laddningar. Låt mig betona att vissa av dem kommer att vara lika med noll, och andra inte. Allt detta skulle helt karakterisera det svarta hålets tillstånd.

Men jag ska förtydliga igen, detta bör inte göras i oändligheten, eftersom ett svart hål kanske inte är ensamt, det kan vara omgivet av något. Dessa kroppar kan också sända ut gravitations- och elektromagnetisk strålning. För att få egenskaperna hos ett visst svart hål måste vi fånga strålning nära dess horisont.

N+1: Det visar sig att vi bara behöver bygga en enorm detektor runt det svarta hålet – en sorts Dyson-sfär.

E.A.: N Nej. Naturligtvis säger jag inte att bekräftelse av ovanstående observationer är nödvändig för att sätta upp just ett så komplext och till och med omöjligt experiment. Om vi såg att något mikroskopiskt (till exempel primärt) svart hål avger och dess egenskaper förändras, och strålningen bär bort exakt de egenskaper som har förändrats, så skulle det räcka.

Intervjuad av Vladimir Korolev

Chris Friel är en brittisk fotograf, författaren till illustrationerna som används i materialet. Han har ägnat de senaste 10 åren åt att försöka få ett foto han gillar. Han har jobbat i 150 länder och vill gärna hinna besöka de återstående 46 tills han blir soffpotatis.