Centar masa ili težište tijela je točka koja se nalazi na prosječnoj udaljenosti od svih čestica nekog sustava ili pojedinih čestica tijela. Ova točka predstavlja hvatište ukupne vanjske sile koja djeluje na sustav čestica ili na tijelo. Ako se sustav čestica ili tijelo giba pod utjecajem vanjske sile, točka u kojoj se nalazi središte mase giba se kao da se u njoj nalazi sva masa sustava ili tijela¹².
Ravnoteža tijela ovisi o položaju centra mase. Ako je centar mase iznad oslonca (npr. kod stajanja na nogama), tijelo je stabilno. Ako je centar mase izvan oslonca, tijelo može biti nestabilno i sklono padu. Na primjer, kada hodate po šperploči ili balans-ploči, održavate ravnotežu tako da centar mase ostane unutar oslonca. Ovo je važno u sportu, gimnastici i drugim aktivnostima gdje je stabilnost ključna¹.
Ukratko, centar masa igra ključnu ulogu u održavanju ravnoteže i stabilnosti tijela. Razumijevanje težišta i njegovog položaja pomaže nam bolje razumjeti kako tijela reagiraju na vanjske sile i kako održavati stabilnost u različitim situacijama.
Source: Conversation with Copilot, 5/26/2024 (1) Fizika 7 – 2.6 Težište i ravnoteža tijela – e-Škole. https://edutorij-admin-api.carnet.hr/storage/extracted/9fa73ce9-74d3-4c51-9a14-c976650188a6/html/25092_Teziste_i_ravnoteza_tijela.html. (2) Šta je to centar masa? – www.svafizika.org. https://svafizika.org/2017/07/05/sta-je-to-centar-masa/. (3) Centar masa – Wikipedija. https://hr.wikipedia.org/wiki/Centar_masa. (4) undefined. https://strongboardbalance.com/press/images/. (5) undefined. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.hr%29%29.
Kvantna teorija polja i teorija struna dva su okvira za opisivanje temeljne prirode stvarnosti. Kvantna teorija polja temelji se na ideji da svaka točka u prostor-vremenu ima skup polja povezanih s njom, te da su čestice pobude tih polja. Teorija struna temelji se na ideji da najosnovniji entiteti nisu točkaste čestice, već jednodimenzionalne strune koje mogu vibrirati na različite načine.
Jedna od glavnih razlika između kvantne teorije polja i teorije struna je ta što je kvantna teorija polja kompatibilna s načelima posebne relativnosti i kvantne mehanike, ali ne i s općom relativnošću, koja je teorija gravitacije. Teorija struna, s druge strane, kandidat je za teoriju kvantne gravitacije, koja bi ujedinila sve fundamentalne sile prirode.
Druga je razlika u tome što je kvantna teorija polja dobro ispitana i potvrđena mnogim eksperimentima, dok je teorija struna još uvijek spekulativni i matematički okvir koji još nije dao nikakva provjerljiva predviđanja. Kvantna teorija polja također je fleksibilnija i može prihvatiti različite vrste čestica i interakcija, dok je teorija struna više ograničena i zahtijeva dodatne dimenzije prostora i supersimetriju za rad.
Treća razlika je u tome što je kvantna teorija polja lokalna teorija, što znači da interakcije između čestica ovise samo o njihovim položajima i brzinama u određenom trenutku u vremenu. Teorija struna je ne-lokalna teorija, što znači da interakcije između struna ovise o njihovoj cjelokupnoj povijesti i oblicima u prostor-vremenu.
Kvantna teorija polja i teorija struna nisu nužno nekompatibilne, a neki se fizičari nadaju da se teorija struna može promatrati kao generalizacija kvantne teorije polja. Zapravo, teorija struna može reproducirati mnoge aspekte kvantne teorije polja uzimajući u obzir određena ograničenja i aproksimacije. Na primjer, struna se može aproksimirati točkastom česticom kada je njezina duljina mnogo manja od ljestvice udaljenosti od interesa. Nasuprot tome, neke kvantne teorije polja mogu se izvesti iz teorije struna razmatranjem određenih vrsta struna i pozadine.
Većina tijela oko nas nisu naelektrisana zato što imaju jednak broj pozitivnih i negativnih naelektrisanja, odnosno protona i elektrona, koji se međusobno neutrališu. ¹ To znači da je ukupno naelektrisanje tih tijela nula ili vrlo blizu nule. Naelektrisanje se javlja kada se neki elektroni odvoje od svojih atoma i prenesu na drugo tijelo, stvarajući višak ili manjak elektrona. ² To se može desiti na različite načine, kao što su trenje, dodir, indukcija ili hemijske reakcije. ³ Međutim, naelektrisana tijela obično ne zadržavaju svoje naelektrisanje dugo, jer se elektroni mogu vratiti na svoje mjesto pod uticajem elektromagnetnih sila ili provodljivosti materijala. ² Zato je većina tijela u prirodi neutralna ili blizu neutralnosti.
Proučavajući fiziku često sam bio impresioniran stvarima i uvidima u njoj koje su tako kristalno jasne i logične pa čak nerijetko kada se razumiju i pravo jednostavne, ali običnim razmišljanjem baziranim na svakodnevnom iskustvu prosječan čovjek nikada sam ne bi do njih došao niti bi ih otkrio.
Zašto je to tako? Zašto ne vidimo stvari pred našim nosom i zašto često ne vidimo ni ono u šta gledamo? Odgovor je možda u činjenici da glavni organ vida nisu oči nego mozak, a glavni ‘organ’ za razumijevanje i otkrivanje stvari nije baš mozak kao biofizički organ nego naš.. um!
Šta je to uopšte um i po čemu se razlikuje od onog šta nazivamo mozak 🧠? Um je u biti sve ono šta bi moglo biti preneseno na drugi isti mozak, odnosno to je skup informacija baziranih na našem iskustvu, ali i onih koje stalno primamo iz okoline.
Um kažu da može biti prazan (kod bezumnih ljudi) ili može biti zatvoren (kod ljudi koji imaju fiksirana mišljenja o svemu i nisu spremni da uče) ili otvoren (kod ljudi koji su stalno spremni da nešto novo nauče). Zanimljivo je da sve ove tri vrste umova mogu imati i prednosti i mane u zavisnosti od količine i kvaliteta njihovog stanja. Nekad je bolje imati malo prazniji um nego imati um napunjen svakakvim glupostima. Isto tako bolje je imati malo zatvoren um nego biti otvoren za svakakve gluposti. Također problem je imati previše otvoren um jer kažu da kod previše otvorenog uma um može skoro da ispadne!
Znači ključ je u balansu. Želite imati tačno onoliko informacija koliko je potrebno da bi ste bili produktivni i vjerojatno taj balans je kod svake osobe pomalo različit. Vrsta i količina informacija do kojih dolazite i vrijeme 🕒 za koje ih dobijate sve utiče na to koliko će vam te informacije biti od koristi odnosno koliko ćete na kraju zaista nešto moći novo saznati ili otkriti.
Čitajući fiziku i kroz njeno bolje razumijevanje nije samo da bolje možemo razumjeti svijet koji nas okružuje nego kao da možemo da otkrijemo nove svjetove o kojima prije nismo mogli ni misliti.
Informacije su hrana našeg uma i našeg shvatanja i razumijevanja svijeta, stvari i života i njihova prava količina i kvalitet nam mogu biti od koristi ili štetiti da bi bili pametniji.
Informacije su za pamet ono šta je energija za kretanje.Informacije se moraju konzumirati na svakodnevnoj osnovi da bi bili pametniji jer se ne može biti pametan da se ne bude informisan i aktuelan. 🤔
Onaj ko sedam dana provede bez pravih informacija sličan je čovjeku koji sedam dana provede bez hrane. Informacije su za zdrav um važnije nego što možemo misliti.
Gdje god da krenemo sve nam daje neku informaciju i šta god da radimo mi svijetu dajemo neku informaciju. Postojanje je u biti razmjena informacija ili bi se moglo reći da je postojanje skup informacija koje jedne sa drugima dolaze u kontakt i utiču jedne na druge.
Kroz historiju je uvijek bilo pametnih ljudi kao i Einstein i Newton ali nisu dolazili do otkrića kao oni jer nisu imali informacije kao oni. Kako se uopšte dolazi do pravih informacija? Nekad ciljano, a često posebno na početku slučajno. Prve ključne informacije o prirodi su pojedincima dolazile skoro slučajno nakon što hiljade drugih prije njih nisu ništa otkrili ili nakon što su i oni sami uradili hiljade pokusa bez ikakvih velikih otkrića. Svaki put kada je neko uradio neki eksperiment naučio je jotu neke vrijedne informacije i tako je neko nekad negdje došao do nekog velikog otkrića. Stalno pokušavajući možda nećemo definitivno uspjeti, ali rijetko pokušavajući velika je šansa da nikad nećemo uspjeti. Dakle osim gore spomenutog balansa ključ je i u konziszenciji u nastojanju jer je svaki novi detalj informacije kao jedan dio u slagalici koje će biti neko novo otkriće ili neko novo razumijevanje svijeta i života.
Možda oni koji su propustili važne lekcije u školi iz matematike i fizike zaista i nemaju nikakvu šansu da na fizikalan način razumiju svijet oko nas i zato im ostaju jedino mitološka objašnjenja! 🙌 🔥
Strukturalni realizam se često karakterizira kao gledište da nam naučne teorije govore samo o obliku ili strukturi svijeta koji se ne može promatrati, a ne o njegovoj prirodi. Ovo ostavlja otvorenim pitanje da li se priroda stvari postavlja kao nespoznatljiva iz nekog razloga ili je potpuno eliminirana.
Gravitacija nije sila, već je zakrivljenost četverodimenzionalnog prostora vremena.
Da bismo gravitaciju tretirali Einsteinovski, moramo se odreći svoje intuicije o tome kako prostor i vrijeme funkcioniraju, ovladati matematikom zakrivljenog prostora i neeuklidskog prostora i naučiti o ne tako lakim stvarima poput tenzora i čitave gomile drugih stvari. I sve ovo za šta?
Ispostavilo se da kada gravitaciju tretirate njutnovski, što znači da je smatrate samo još jednom silom, rezultirajuća greška je izuzetno mala. Toliko mala, da je u skoro svakodnevnim aplikacijama fizike i inženjerskim stvarima sa kojima gradimo i radimo ovdje, na zemlji, ta greška skoro nula.
Stoga, ima smisla samo tretirati gravitaciju kao silu sve dok se bavimo većinom svakodnevne fizike i ne idemo u ekstreme.
Prava priroda gravitacije, jer nije sila, potrebna je samo kada se radi o stvarima poput crnih rupa, neutronskih zvijezda ili svjetlosti u gravitacionom polju, u osnovi ludih masivnih stvari. Njutnova gravitacija je dovoljno dobra da omogući putanju svih planeta oko Sunca sa veoma visokim stepenom tačnosti.
Dakle, vidite, fizika nije samo u tome da ima sve savršene zakone, već i o tome kako pojednostaviti i približiti naizgled komplikovane zakone, kada je to potrebno.
Prostor-vrijeme može nastati iz fundamentalnije stvarnosti. Smišljanje kako bi se mogao otključati najhitniji cilj u fizici – kvantna teorija gravitacije.
Natalie Paquette provodi svoje vrijeme razmišljajući o tome kako razviti dodatnu dimenziju. Započnite s malim krugovima, razbacanim po svakoj tački u prostoru i vremenu – kovrčavom dimenzijom, zapetljanom na samu sebe. Zatim smanjite te krugove, sve manji i manji, stežući petlju, sve dok se ne dogodi neobična transformacija: dimenzija prestane izgledati sićušna i umjesto toga postane ogromna, kao kada shvatite da je nešto što izgleda malo i blizu je zapravo ogromno i udaljeno. „Smanjujemo prostorni pravac“, kaže Paquette. “Ali kada pokušamo da ga smanjimo preko određene tačke, umjesto toga se pojavljuje novi, veliki prostorni pravac.”
Paquette, teorijski fizičar sa Univerziteta Washington, nije sam u razmišljanju o ovoj čudnoj vrsti dimenzionalne transmutacije. Sve veći broj fizičara, koji rade u različitim oblastima discipline sa različitim pristupima, sve više se približava dubokoj ideji: prostor — a možda čak i vrijeme — nije fundamentalno. Umjesto prostora i vremena mogu se pojaviti: oni bi mogli nastati iz strukture i ponašanja osnovnih komponenti prirode. Na najdubljem nivou stvarnosti, pitanja poput “Gdje?” i kada?” jednostavno možda uopšte neće imati odgovore. „Imamo mnogo nagovještaja iz fizike da prostor-vrijeme, kako ga mi razumijemo, nije fundamentalna stvar“, kaže Paquette.
Ovi radikalni pojmovi potiču iz najnovijih obrta u vjekovnoj potrazi za teorijom kvantne gravitacije. Najbolja teorija gravitacije fizičara je opšta teorija relativnosti, poznata koncepcija Alberta Ajnštajna o tome kako materija iskrivljuje prostor i vrijeme. Njihova najbolja teorija od svega ostalog je kvantna fizika, koja je zapanjujuće precizna kada su u pitanju svojstva materije, energije i subatomskih čestica. Obe teorije su lako prošle sve testove koje su fizičari mogli da osmisle u proteklom vijeku. Sastavite ih zajedno, moglo bi se pomisliti, i imali biste “teoriju svega”.
Ali te dvije teorije ne igraju dobro. Pitajte opštu relativnost šta se dešava u kontekstu kvantne fizike, i dobićete kontradiktorne odgovore, sa neukroćenim beskonačnostima koje se probijaju kroz vaše proračune. Priroda zna kako primijeniti gravitaciju u kvantnim kontekstima – to se dogodilo u prvim trenucima velikog praska, i još uvijek se događa u srcima crnih rupa – ali mi ljudi se još uvijek borimo da shvatimo kako se taj trik izvodi. Dio problema leži u načinima na koji se te dvije teorije bave prostorom i vremenom. Dok kvantna fizika tretira prostor i vrijeme kao nepromjenjive, opća relativnost ih iskrivljuje za doručak.
Nekako bi teorija kvantne gravitacije morala pomiriti ove ideje o prostoru i vremenu. Jedan od načina da se to uradi bio bi da se eliminiše problem na njegovom izvoru, samo prostor-vreme, tako što bi prostor i vrijeme proizašli iz nečeg fundamentalnijeg. Posljednjih godina nekoliko različitih pravaca istraživanja sugeriralo je da, na najdubljem nivou stvarnosti, prostor i vrijeme ne postoje na isti način na koji postoje u našem svakodnevnom svijetu. Tokom protekle decenije ove ideje su radikalno promijenile način na koji fizičari razmišljaju o crnim rupama. Sada istraživači koriste ove koncepte kako bi razjasnili rad nečeg još egzotičnijeg: crvotočine – hipotetičke veze poput tunela između udaljenih tačaka u prostor-vremenu. Ovi uspjesi održali su živom nadu u još dublji proboj. Ako se prostor-vrijeme pojavljuje, onda otkrivanje odakle dolazi – i kako bi moglo nastati iz bilo čega drugog – može biti samo ključ koji nedostaje koji konačno otključava vrata teoriji svega.
TEORIJA STRUNA
Danas je najpopularnija teorija kvantne gravitacije među fizičarima teorija struna. Prema ovoj ideji, njegove istoimene žice su temeljni sastojci materije i energije, što dovodi do bezbrojnih osnovnih subatomskih čestica koje se mogu vidjeti u akceleratorima čestica širom svijeta. Oni su čak odgovorni i za gravitaciju – hipotetička čestica koja nosi gravitacionu silu, “graviton”, neizbježna je posljedica teorije.
Ali teoriju struna je teško razumjeti – ona živi na matematičkoj teritoriji za koju su fizičarima i matematičarima bile potrebne decenije da istraže. Veći dio strukture teorije još uvijek nije ucrtan, ekspedicije su još uvijek planirane, a karte treba napraviti. Unutar ovog novog područja, glavna tehnika za navigaciju je kroz matematičke dualnosti – korespondencije između jedne i druge vrste sistema.
Jedan primjer je dualnost s početka ovog članka, između malih i velikih dimenzija. Pokušajte ugurati dimenziju u mali prostor, a teorija struna će vam reći da ćete na kraju dobiti nešto što je matematički identično svijetu u kojem je ta dimenzija ogromna. Te dvije situacije su iste, prema teoriji struna – možete slobodno ići naprijed-natrag od jedne do druge i koristiti tehnike iz jedne situacije da biste razumjeli kako druga funkcionira. “Ako pažljivo pratite osnovne građevne blokove teorije,” kaže Paquette, “prirodno ćete ponekad otkriti da… možete razviti novu prostornu dimenziju.”
Slična dualnost sugerira mnogim teoretičarima struna da je sam prostor nastao. Ideja je započela 1997. godine, kada je Juan Maldacena, fizičar na Institutu za napredne studije, otkrio dualnost između vrste dobro shvaćene kvantne teorije poznate kao teorija konformnog polja (CFT) i posebne vrste prostor-vremena iz opšte teorije relativnosti kao anti-de Sitter prostor (AdS). Čini se da su te dvije potpuno različite teorije – CFT nema nikakvu gravitaciju u sebi, a AdS prostor sadrži svu Ajnštajnovu teoriju gravitacije. Ipak, ista matematika može opisati u oba svijeta. Kada je otkriveno, ova AdS / CFT korespondencija je pružila opipljivu matematičku vezu između kvantne teorije i punog univerzuma sa gravitacijom u sebi.
Zanimljivo je da je AdS prostor u AdS/CFT korespondenciji imao jednu dimenziju više nego što je to imao kvantni CFT. Ali fizičari su shvatili ovu neusklađenost jer je to bio potpuno razrađen primjer druge vrste korespondencije začete nekoliko godina ranije, od fizičara Gerard’s Hooft sa Univerziteta Utrecht u Holandiji i Leonarda Susskinda sa Univerziteta Stanford, poznatog kao holografski princip. Na osnovu nekih osebujnih karakteristika crnih rupa, ‘t Hooft i Susskind su posumnjali da bi svojstva područja prostora mogla biti u potpunosti “kodirana” njegovom granicom. Drugim riječima, dvodimenzionalna površina crne rupe sadržavala bi sve informacije potrebne da se zna šta se nalazi u njenoj trodimenzionalnoj unutrašnjosti – poput holograma. „Mislim da je mnogo ljudi mislilo da smo ludi“, kaže Saskind. “Dva dobra fizičara su pukla.”
Slično tome, u korespondenciji AdS / CFT, četverodimenzionalni CFT kodira sve o petodimenzionalnom AdS prostoru s kojim je povezan. U ovom sistemu, čitava oblast prostor-vremena je izgrađena od interakcija između komponenti kvantnog sistema u teoriji konformnog polja. Maldacena ovaj proces upoređuje sa čitanjem romana. „Ako pričate priču u knjizi, postoje likovi u knjizi koji nešto rade“, kaže on. „Ali sve je tu red teksta, zar ne? Iz ovog retka teksta zaključuje se šta likovi rade. Likovi u knjizi bili bi poput teorije masovne [AdS]. A red teksta je [CFT].”
Ali odakle dolazi prostor u AdS prostoru? Ako se ovaj prostor pojavljuje, iz čega nastaje? Odgovor je posebna i čudna kvantna vrsta interakcije u CFT-u: zapetljanost, veza između objekata na daljinu, trenutna korelacija njihovog ponašanja na statistički nevjerovatne načine. Zapetljanost je čuveno uznemirila Ajnštajna, koji je to nazvao “sablasnom akcijom na daljinu”.
Hoćemo li ikada znati pravu prirodu prostor-vremena?
Ipak, uprkos svojoj sablasnosti, zapetljanost je ključna karakteristika kvantne fizike. Kada bilo koja dva objekta stupe u interakciju u kvantnoj mehanici, oni se općenito zapetljaju i ostat će zapetljani sve dok ostanu izolirani od ostatka svijeta – bez obzira na to koliko su udaljeni jedan od drugoga. U eksperimentima, fizičari su održavali isprepletenost između čestica udaljenih više od 1.000 kilometara, pa čak i između čestica na zemlji i drugih čestica koje su poslane na satelite u orbiti. U principu, dvije zapletene čestice mogle bi održati svoju vezu na suprotnim stranama galaksije ili svemira. Čini se da udaljenost jednostavno nije bitna za zapletanje, zagonetku koja decenijama muči mnoge fizičare.
Ali ako se prostor pojavljuje, sposobnost zapetljanosti da opstane na velikim udaljenostima možda i nije strašno misteriozna – na kraju krajeva, udaljenost je konstrukt. Prema studijama o AdS/CFT korespondenciji fizičara Shinsei Ryua sa Univerziteta Princeton i Tadashija Takayanagija sa Univerziteta Kyoto, zapetljanost je ono što proizvodi udaljenosti u prostoru AdS-a na prvom mjestu. Bilo koja dva obližnja područja prostora na AdS strani dualiteta odgovaraju dvije visoko isprepletene kvantne komponente CFT-a. Što su više zamršeni, to su regije prostora bliže jedna drugoj.
Posljednjih godina fizičari su posumnjali da bi se ovaj odnos mogao primijeniti i na naš svemir. „Šta je to što drži prostor na okupu i sprečava ga da se raspadne u zasebne podregije? Odgovor je zapetljanost između dva dijela prostora”, kaže Saskind. “Kontinuitet i povezanost prostora duguju svoje postojanje kvantno-mehaničkom zapetljanju.” Preplitanje, dakle, može podpreti strukturu samog prostora, formirajući osnovu i potku koji dovode do geometrije svijeta. „Ako biste nekako mogli da uništite zapetljanost između dva dijela [prostora], prostor bi se raspao,“ kaže Saskind. “To bi učinilo suprotno od pojavljivanja. Nestalo bi se.”
Ako je prostor napravljen od isprepletenosti, onda se zagonetka kvantne gravitacije čini mnogo lakšom za rješavanje: umjesto pokušaja da se objasni iskrivljenje prostora na kvantni način, sam prostor izlazi iz fundamentalno kvantnog fenomena. Saskind sumnja da je to razlog zašto je teoriju kvantne gravitacije bilo tako teško pronaći. “Mislim da je razlog zašto to nikada nije dobro funkcionisalo taj što je počelo sa slikom dve različite stvari, [opšte relativnosti] i kvantne mehanike, i spojilo ih”, kaže on. „I mislim da je poenta zapravo u tome da su oni previše blisko povezani da bi se rastavili i onda ponovo sastavili. Nema takve stvari kao što je gravitacija bez kvantne mehanike.”
Ipak, obračunavanje prostora za pojavu samo je pola posla. S obzirom da su prostor i vrijeme tako blisko povezani u relativnosti, svaki izvještaj o tome kako nastaje prostor mora također objasniti vrijeme. „Vrijeme također mora nekako nastati“, kaže Mark van Raamsdonk, fizičar sa Univerziteta Britanske Kolumbije i pionir u vezi između isprepletenosti i prostor-vremena. “Ali ovo nije dobro shvaćeno i aktivno je područje istraživanja.”
Još jedna aktivna oblast, kaže on, koristi nove prostorno-vremenske modele za razumijevanje crvotočina. Ranije su mnogi fizičari vjerovali da je slanje objekata kroz crvotočinu nemoguće, čak ni u teoriji. Ali u proteklih nekoliko godina fizičari koji su radili na AdS/CFT korespondenciji i sličnim modelima pronašli su nove načine da konstruišu crvotočine. „Ne znamo da li bismo to mogli da uradimo u našem univerzumu“, kaže van Raamsdonk. “Ali ono što sada znamo je da su određene vrste prolaznih crvotočina teoretski moguće.” Dva rada — jedan iz 2016. i jedan iz 2018. godine — dovela su do stalnog naleta posla u ovoj oblasti. Ali čak i kada bi se mogle izgraditi prolazne crvotočine, one ne bi bile od velike koristi za svemirska putovanja. Kao što Saskind ističe, “ne možete proći kroz tu crvotočinu brže nego što bi trebalo [svetlosti] da ide dug put.”
Ako su teoretičari struna u pravu, onda je prostor izgrađen od kvantne isprepletenosti, a moglo bi biti i vrijeme. Ali šta bi to zaista značilo? Kako se prostor može „napraviti“ od isprepletenosti između objekata osim ako su ti objekti sami negdje? Kako se ti objekti mogu zapetljati ako ne iskuse vrijeme i promjene? I kakvo bi postojanje stvari mogle imati bez naseljavanja istinskog prostora i vremena?
Ovo su pitanja koja su na granici filozofije – i zaista, filozofi fizike ih shvaćaju ozbiljno. “Kako je, dovraga, prostor-vrijeme moglo biti nešto što se može pojaviti?” pita se Eleanor Knox, filozof fizike na Kraljevskom koledžu u Londonu. Intuitivno, kaže ona, to izgleda nemoguće. Ali Knox ne misli da je to problem. „Naša intuicija je ponekad strašna“, kaže ona. Oni su “evoluirali u afričkoj savani u interakciji sa makro objektima i makro fluidima i biološkim životinjama” i imaju tendenciju da se ne prenesu u svijet kvantne mehanike. Kada je u pitanju kvantna gravitacija, „Gde je stvar?“ I „Gde živi?“ Nisu prava pitanja za postavljanje“, zaključuje Knoks.
Svakako je tačno da predmeti žive na mjestima u svakodnevnom životu. Ali kao što Knox i mnogi drugi ističu, to ne znači da prostor i vrijeme moraju biti fundamentalni – samo da moraju pouzdano proizaći iz svega što je fundamentalno. Zamislite tečnost, kaže Christian Wüthrich, filozof fizike sa Univerziteta u Ženevi. „Na kraju krajeva, to su elementarne čestice, poput elektrona, protona i neutrona ili, što je još fundamentalnije, kvarkova i leptona. Da li kvarkovi i leptoni imaju svojstva tečnosti? To jednostavno nema smisla, zar ne?… Ipak, kada se ove fundamentalne čestice spoje u dovoljnom broju i pokažu određeno ponašanje zajedno, kolektivno ponašanje, tada će se ponašati na način koji je poput tečnosti.”
Prostor i vrijeme, kaže Wüthrich, mogli bi funkcionirati na isti način u teoriji struna i drugim teorijama kvantne gravitacije. Konkretno, prostor-vrijeme može nastati iz materijala za koje obično mislimo da žive u svemiru – same materije i energije. „Nije [da] prvo imamo prostor i vrijeme, a onda dodajemo nešto“, kaže Wüthrich. „Pre nešto materijalno može biti neophodan uslov da bi postojali prostor i vreme. To je još uvijek vrlo bliska veza, ali je upravo suprotno od onoga što ste prvobitno mislili.”
Ali postoje i drugi načini tumačenja najnovijih otkrića. AdS / CFT korespondencija se često smatra primjerom kako prostor-vrijeme može nastati iz kvantnog sistema, ali to zapravo nije ono što pokazuje, prema Alyssa Ney, filozofkinji fizike sa Univerziteta u Kaliforniji, Davis. „AdS/CFT vam daje ovu mogućnost da pružite priručnik za prevođenje između činjenica o prostor-vremenu i činjenica iz kvantne teorije“, kaže Ney. “To je kompatibilno s tvrdnjom da je prostor-vrijeme emergentno, a da je neka kvantna teorija fundamentalna.” Ali i obrnuto, kaže ona. Korespondencija bi mogla značiti da se kvantna teorija pojavljuje i da je prostor-vrijeme fundamentalno – ili da nijedno nije fundamentalno i da postoji još dublja fundamentalna teorija. Nastanak je jaka tvrdnja, kaže Ney, i otvorena je za mogućnost da je to istina. “Ali barem samo gledajući AdS/CFT, još uvijek ne vidim jasan argument za pojavu.”
Nedvojbeno veći izazov teoriji struna slike o pojavljivanju prostor-vremena skriven je na vidiku, upravo u nazivu same korespondencije AdS/CFT. „Mi ne živimo u anti-de Sitter prostoru“, kaže Saskind. “Živimo u nečemu mnogo bližem Sitter prostoru.” De Sitterov prostor opisuje svemir koji se ubrzava i širi poput našeg. „Nemamo ni najmaglu ideju kako se [holografija] tamo primjenjuje“, zaključuje Saskind. Smišljanje kako postaviti ovu vrstu korespondencije za prostor koji više liči na stvarni univerzum jedan je od najhitnijih problema za teoretičare struna. “Mislim da ćemo moći bolje razumjeti kako da uđemo u kosmološku verziju ovoga”, kaže van Raamsdonk.
Konačno, tu su vijesti – ili nedostatak istih – iz najnovijih akceleratora čestica, koji nisu pronašli nikakve dokaze za dodatne čestice predviđene supersimetrijom, idejom na koju se oslanja teorija struna. Supersimetrija nalaže da bi sve poznate čestice imale svoje “superpartnere”, udvostručavajući broj osnovnih čestica. Ali CERN-ov Veliki hadronski sudarač u blizini Ženeve, koji je dijelom dizajniran za traženje superpartnera, nije vidio ni traga od njih. „Sve zaista precizne verzije [pojavnog prostor-vremena] koje imamo nalaze se u supersimetričnim teorijama“, kaže Saskind. “Jednom kada nemate supersimetriju, sposobnost matematičkog praćenja jednačina jednostavno nestaje iz vaših ruku.”
ATOMI PROSTOR-VREMENA
Teorija struna nije jedina ideja koja sugerira da se prostor-vrijeme pojavljuje. Teorija struna “nije ispunila svoje obećanje kao način da ujedini gravitaciju i kvantnu mehaniku”, kaže Abhay Ashtekar, fizičar sa Pennsylvania State University. “Moć teorije struna sada je u pružanju izuzetno bogatog skupa alata, koji se naširoko koristi u cijelom spektru fizike.” Ashtekar je jedan od originalnih pionira najpopularnije alternative teoriji struna, poznate kao kvantna gravitacija petlje. U kvantnoj gravitaciji u petlji, prostor i vrijeme nisu glatki i kontinuirani na način na koji su u opštoj relativnosti – umjesto toga oni su napravljeni od diskretnih komponenti, koje Ashtekar naziva „komadići ili atomi prostor-vremena“.
Ovi atomi prostor-vremena povezani su u mrežu, s jednodimenzionalnim i dvodimenzionalnim površinama koje ih spajaju u ono što praktičari kvantne gravitacije u petlji nazivaju spin pjenom. I uprkos činjenici da je pjena ograničena na dvije dimenzije, ona stvara naš četverodimenzionalni svijet, sa tri dimenzije prostora i jednom vremenskom. Aštekar to poredi sa komadom odeće. “Ako pogledate svoju košulju, izgleda kao dvodimenzionalna površina”, kaže on. “Ako samo uzmete lupu, odmah ćete vidjeti da su sve jednodimenzionalne niti. Samo što su te niti toliko gusto zbijene da za sve praktične svrhe, košulju možete zamisliti kao dvodimenzionalnu površinu. Dakle, slično, prostor oko nas izgleda kao trodimenzionalni kontinuum. Ali zaista postoji ukrštanje ovih [atoma prostor-vremena].”
Suočeni s nedostatkom dokaza, većina fizičara svoje nade polaže u nebo. U najranijim trenucima Velikog praska, cijeli svemir je bio fenomenalno mali i gust – situacija koja zahtijeva kvantnu gravitaciju da bi ga opisali. A odjeci tog doba možda će ostati na nebu i danas. “Mislim da je naš najbolji izbor [za testiranje kvantne gravitacije] kroz kosmologiju,” kaže Maldacena. “Možda nešto u kosmologiji za što sada mislimo da je nepredvidivo, što se možda može predvidjeti kada shvatimo punu teoriju, ili nešto novo o čemu nismo ni razmišljali.”
U krugovima koji žele biti pametni u novije vrijeme se sve više priča o kritičkom razmišljanju i zašto je ono važno, ali se premalo govori o nekritičkom razmišljanju koje treba iskorijeniti da bi se uopšte kritički moglo i početi misliti.
Nekritičko razmišljanje je često automatsko asocijativno razmišljanje koje nam prirodno dolazi i jako ga se je teško rješiti, a teško ga se je postati i svjestan.
Jednostavno to more misli koje dolaze same od sebe većini nas se čini da su naše misli i da mi to zaista mislimo, ali kada zaista razumijemo da su nam prirodne kao i znojenje i da ih se teško rješiti i da ih je teško usmjeriti i kontrolirati, onda vidimo da imamo ogroman problem da uopšte počnemo kritički misliti.
Kritičko razmišljanje je kao statua slobode u Americi do koje da bi došli moramo preći ogromni ocean prirodnog automatskog asocijativnog divergentnog nekritičkog razmišljanja. Odatle dolazi možda i zaključak da većina ljudi nisu sposobni kritički razmišljati bez da ih se dobro istrenira da prvo ušute i ukrote automatsko nekritičko razmišljanje. Dok ima automatskog nekritičkog razmišljanja nema kritičkog i obrnuto i nešto su kao tama i mrak. Čini se da jedno bez drugog ne mogu. Nekritičko razmišljanje je često korisna “glupost” koja ovaj svijet čini zanimljivijim, a kritičko razmišljanje je nešto šta bi trebalo da unaprijedi ovaj svijet, ali ne da ga uništi kako bi nešto bolje nastalo jer teško da može bolje i potpuno drugačije. Od ovog šta imamo možemo samo bolju formu napraviti, ali suština (mora da) ostaje ista.
Prvo što treba primijetiti je da je gotovo sve sat. Smeće najavljuje dane sa sve lošijim mirisom. Bore označavaju godine. “Mogli biste odrediti vrijeme mjerenjem koliko se vaša kava ohladila na vašem stoliću”, rekao je Huber, koji je sada na Tehničkom univerzitetu u Beču i Institutu za kvantnu optiku i kvantne informacije Beč.
Rano u razgovorima u Barceloni Huber, Erker i njihove kolege shvatili su da je sat sve što podliježe nepovratnim promjenama: promjene u kojima se energija širi među više čestica ili u šire područje. Energija teži disipaciji – a entropija, mjera njenog rasipanja, ima tendenciju povećanja – jednostavno zato što postoji daleko, daleko više načina za raspodjelu energije nego za njenu visoku koncentraciju. Ova numerička asimetrija i znatiželjna činjenica da je energija započela ultrakoncentrirano na početku svemira, razlog su zašto se energija sada kreće prema sve raštrkanijim aranžmanima, jednu po jednu šalicu kave koja se hladi.
Čini se da ne samo da snažna tendencija širenja energije i nepovratni porast entropije uzrokuju strelicu vremena, već prema Huberu i kompaniji, također računaju satove. “Ireverzibilnost je zaista fundamentalna”, rekao je Huber. “Ovaj pomak u perspektivi smo htjeli istražiti.”
Kafa ne čini odličan sat. Kao i kod većine nepovratnih procesa, njegove interakcije s okolnim zrakom događaju se stohastički. To znači da morate izračunavati prosjek tokom dugog vremenskog razdoblja, obuhvaćajući mnoge slučajne sudare između molekula kave i zraka, kako biste precizno procijenili vremenski interval. Zato kafu, smeće ili bore ne nazivamo satovima.
To ime zadržavamo, shvatili su termodinamičari satova, za objekte čija je sposobnost mjerenja vremena poboljšana periodičnošću: neki mehanizam koji raspoređuje intervale između trenutaka u kojima se događaju nepovratni procesi. Dobar sat se ne menja samo. Otkucava.
Što su tikovi pravilniji, sat je tačniji. U svom prvom članku, objavljenom u Physical Review X 2017., Erker, Huber i koautori pokazali su da bolje mjerenje vremena ima svoju cijenu: što je veća točnost sata, to se više energije rasipa i više entropije proizvodi tokom otkucavanja.
Sat je mjerač protoka za entropiju ”, rekao je Milburn.
Otkrili su da bi idealan sat – koji otkucava savršenom periodičnošću – sagorio beskonačnu količinu energije i proizveo beskonačnu entropiju, što nije moguće. Stoga je tačnost satova u osnovi ograničena.
Zaista, u svom radu Erker i kompanija proučavali su tačnost najjednostavnijeg sata kojeg su se mogli sjetiti: kvantnog sistema koji se sastoji od tri atoma. “Vrući” atom povezuje se s izvorom topline, “hladan” atom se spaja s okolnom okolinom, a treći atom koji je povezan s oba druga “krpelja” podliježući pobudama i raspadima. Energija ulazi u sistem iz izvora topline, pokrećući krpelje, a entropija nastaje kada se otpadna energija ispušta u okoliš.
Istraživači su izračunali da otkucaji ovog troatomskog sata postaju pravilniji što sat proizvodi više entropije. Ovaj odnos između tačnosti sata i entropije “za nas je intuitivno imao smisla”, rekao je Huber, u svjetlu poznate veze između entropije i informacije.
“Postoji duboka veza između entropije i informacija”, rekao je Huber, pa bi svako ograničenje proizvodnje entropije sata trebalo prirodno odgovarati ograničenju informacija – uključujući, rekao je, “informaciju o vremenu koje je proteklo”.
U drugom radu objavljenom u Physical Review X ranije ove godine, teoretičari su proširili svoj model sata sa tri atoma dodavanjem složenosti-u suštini ekstra topli i hladni atomi povezani sa atomom koji otkucava. Pokazali su da ova dodatna složenost omogućava satu da koncentriše vjerovatnoću da se otkucaj dogodi u sve uže vremenske prozore, čime se povećava pravilnost i tačnost sata.
Ukratko, nepovratan porast entropije omogućuje mjerenje vremena, dok periodičnost i složenost poboljšavaju performanse sata. Ali do 2019. nije bilo jasno kako provjeriti timske jednadžbe ili kakve su veze, ako ništa drugo, jednostavni kvantni satovi s onima na našim zidovima.
Fizičari su se trudili razumjeti kako se vrijeme kvantne mehanike može pomiriti s pojmom vremena kao četvrte dimenzije u Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti, trenutnom opisu gravitacije. Savremeni pokušaji pomirenja kvantne mehanike i opće relativnosti često tretiraju četverodimenzionalno prostor-vremensko tkivo Einsteinove teorije kao pojavljivanje, neku vrstu holograma skuhanog apstraktnijim kvantnim informacijama. Ako je tako, i vrijeme i prostor trebali bi biti približni pojmovi.
Newton i zakon gravitacije Newton je objavio jedno od najslavnijih naučnih djela, Principia, 1687. godine. U njemu je opisao da je sila koja vuče predmete prema zemlji ista sila koja je u osnovi kretanja planeta i zvijezda.
Da bi došao do ovog zaključka, Newton je zamislio da odnese predmet daleko od površine Zemlje i baci ga. Ako ga bacite s premalo zamaha, on će pasti prema Zemlji, zarobljen gravitacijom poput nas samih. Ako ga bacite s previše zamaha, ubrzaće se od planete, započinjući putovanje u svemirske domete. Ali sa tačno pravim zamahom, možete ga baciti tako da neprestano pada oko Zemlje, okolo i okolo u vječnom natezanju konopa. Predmet pokušava nastaviti putem kojim ste ga bacili, ali gravitacija ga neprestano uvlači. Uz pravilan balans, objekt se sada nalazi u orbiti oko Zemlje – baš poput Mjeseca ili poput Zemlje oko Sunca.
Newton je formulisao ovaj uvid u matematičku jednadžbu, danas poznatu kao zakon univerzalne gravitacije. U kombinaciji sa znanjem o geometriji i ostalim Newtonovim jednadžbama kretanja, možemo ga koristiti za predviđanje kretanja planeta ili putanja kometa ili koliko je snage potrebno da se raketa dovede do Mjeseca.
Newtona priznajemo ne samo zbog njegove ideje, već i zato što ju je formulirao u jednačinu koja je predviđala s većom preciznošću nego ikad prije. Ali nije bilo savršeno – Newtonove jednadžbe dale su neka pogrešna predviđanja i, što je još važnije, nije opisao kako gravitacija djeluje na način na koji to radi. Newton je bio dobro svjestan toga kad je rekao,
Gravitaciju mora prouzrokovati agent koji stalno djeluje u skladu s određenim zakonima; ali da li je ovaj agent materijalni ili nematerijalni, ostavio sam na razmatranje svojim čitateljima. Isaac Newton
Iskrivljenja u prostoru i vremenu Više od 200 godina nakon što je Principia objavljena, svijet je još uvijek bio bez razumijevanja mehanizma gravitacije. Nakon toga je došao Albert Einstein – čovjek koji je na toliko načina trebao promijeniti svijet. Ali prije nego što pređemo na njegov posao, morat ćemo napraviti digresiju.
Ne možete znati krećete li se (konstantnom brzinom)
godine, čak i prije nego što je Newton objavio svoje danas poznato djelo, Galileo Galilei je pisao o relativnom kretanju objekata poznatih u njegovo vrijeme: brodova.
Ako ste u zatvorenoj sobi na brodu koji plovi konstantnom brzinom, a vožnja je savršeno glatka, predmeti se ponašaju kao na kopnu. Ne postoji fizički eksperiment koji biste mogli provesti da li se krećete ili mirujete (pod pretpostavkom da ne virite iz okna). Ovo je srž ideje koja stoji iza relativnosti i isti je razlog zašto ne osjećamo kretanje naše planete oko Sunca ili kretanje našeg Sunčevog sistema kroz galaksiju.
Prostor i vrijeme su povezani Gotovo 300 godina nakon Galileja, Einstein je razmišljao o posljedicama relativnosti u kontekstu važnog faktora: brzine svjetlosti. Nije bio jedina osoba koja je razmišljala o tim temama – drugi su fizičari u to vrijeme bili svjesni da na ovom frontu ima neodgovorenih pitanja. Ali Einstein je bio taj koji je formulirao teoriju – svoju teoriju posebne relativnosti – da objasni postojeće pojave i stvori nova predviđanja. U početku se činilo da posebna relativnost nema puno veze s gravitacijom, ali je Einsteinu bila bitan kamen za razumijevanje gravitacije.
POKRETNI SATOVI OTKUCAVAJU SPORIJE Eksperimenti za vrijeme Einsteina pokazali su da se čini da je brzina svjetlosti konstantna. Bez obzira koliko brzo pokušavali da je sustignete, čini se da vam svjetlost uvijek odmiče brzinom od gotovo 300 000 000 metara u sekundi.
Zašto je ovo važno? Pa, zamislimo da sami konstruiramo sat od same svjetlosti. Dva ogledala postavljena su jedno nasuprot drugog, a „otkucaj“ sata je vrijeme potrebno da čestica svjetlosti putuje s jedne na drugu stranu i natrag.
Sada zamislimo da vaš prijatelj, koji je na svemirskom brodu koji zipa pokraj Zemlje, ima jedan od ovih satova. Čini se da za vašeg prijatelja sat radi normalno – čestice svjetlosti putuju gore-dolje, kako se očekivalo, a vrijeme teče na svoj uobičajeni način. Ali iz vaše perspektive, gledajući brod kako prolazi, svjetlost se pomiče i gore i dolje i u stranu, s brodom. Svjetlost putuje veću udaljenost sa svakim otkucajem.
Dakle, za svemirskog putnika svjetlost putuje brzinom od 300 000 000 m / s i samo gore-dolje; a posmatraču koji je vezan za Zemlju, svjetlost putuje 300 000 000 m / s, ali mora preći veću, dijagonalnu udaljenost; tada promatraču uz Zemlju sat treba duže da “otkuca”.
Taj se efekt naziva vremenska dilatacija. Što brže putujete kroz svemir, to sporije putujete kroz vrijeme.
PERSPEKTIVNA PITANJA Ali čije je vrijeme zaista usporeno? Je li to osobe na Zemlji, koja gleda svog prijatelja kako prolazi kroz njen svemirski brod? Ili astronaut, koji tvrdi da ostaje miran dok Zemlja prolazi?
Čudno je da su oba gledišta valjana, ali samo dok su oba u stalnom pokretu.
Za ilustraciju, pretpostavimo da su, kada je astronaut napustio Zemlju, on i njegov prijatelj bili istih godina. Kad on ode, svemirski brod ubrzava od Zemlje. Kad se vrati, svemirski brod usporava kako bi izbjegao pad. I prilikom odlaska i povratka svemirski brod mijenja referentni okvir i naš astronaut može osjetiti promjenu kretanja. Eksperimenti izvedeni unutar svemirskog broda za vrijeme ubrzavanja i usporavanja pokazali bi da se nešto mijenja. To ruši simetriju situacije, a kada se svemirski brod spusti natrag na Zemlju, naš astronaut zaista će biti mlađi od svog kolege vezanog za Zemlju.
Efekti su primjetni samo ako su putovali jako, jako brzo – ali još uvijek je istina reći da će današnji astronauti i piloti borbenih aviona koji se vrate iz brze misije, a ostarit će i malo i manje od ostalih tokom te misije.
ČETIRI DIMENZIJE PROSTORNOG VREMENA Slijedom ovoga, umjesto da razmišljamo o tri dimenzije prostora i jednoj zasebnoj dimenziji vremena, možemo ih smatrati četiri dimenzije „prostora-vremena“. Što brže putujete kroz svemir, to sporije putujete kroz vrijeme i obrnuto.
OBJEKTI PRI KRETANJU SE SAŽIMAJU U PROSTORU Još jedna posljedica posebne relativnosti je da se čini da se objekti koji se brzo kreću skupljaju u smjeru svog kretanja. (I opet, ovo se preokreće, ovisno iz čije perspektive gledate.)
To proizlazi iz izobličenja vremena – uostalom, možete izmjeriti dužinu nečega prema količini prostora koji nešto putuje kroz vrijeme (npr. Svjetlosne godine, svjetlosne sekunde). I dok je lukavo zamisliti mjerenje dužine predmeta u pokretu iz tuđe perspektive, kontrakcija dužine je stvarni, fizički efekt, a ne samo rezultat nepreciznih mjerenja.
Za razliku od dobnih razlika koje mogu nastati dilatacijom vremena, ne postoje rezidualni efekti zbog kontrakcije dužine nakon što se pokretni objekt i posmatrač ponovo sjedine.
Razumijevanje gravitacije Einsteinov opis gravitacije dovodi do situacija jednako bizarnih kao i posebna relativnost – uključujući putovanje kroz vrijeme!
UBRZANJE I GRAVITACIJA MOGU DA SE NE MOGU RAZLIKOVATI Zamislite da se budite u svemirskom brodu, ubrzavajući kroz svemir. Baš kao što ste gurnuti natrag u sjedište automobila koji ubrzava, svemirski brod koji vas ubrzava odgurne vas u stranu nasuprot onoj prema kojoj ubrzavate. Uz određenu brzinu ubrzanja, set vaga mogao bi vam reći da težite potpuno isto kao i kad ste kod kuće na Zemlji.
Postoji li bilo kakav fizički eksperiment koji biste mogli obaviti u granicama svog svemirskog broda da biste utvrdili jeste li zaista ubrzavali kroz svemir (pod pretpostavkom da nije bilo prozora kroz koji ste mogli gledati) ili ste se, umjesto toga, nalazili u svemirskom brodu stacionarnom na površini Zemlja? Einstein je rekao ne – baš kao što je Galileo zamišljao nerazlučivost osobe u jedrenjaku s konstantnim kretanjem (zatvorenim bez prozora) i osobe na kopnu, Einstein je shvatio da se i efekti ubrzanja i gravitacije ne mogu razlikovati. To se naziva principom ekvivalencije.
Einstein je shvatio da se efekti ubrzanja i gravitacije ne mogu razlikovati.
PROSTOR SE ZAKRIVLJUJE ISPOD UBRZANOG POKRETA Jednom kada je Einstein formulirao princip ekvivalencije, gravitacija je postala manje misteriozna. Svoje znanje o ubrzanju mogao je primijeniti kako bi bolje razumio gravitaciju.
Možda znate da ubrzanje ne znači uvijek promjenu brzine, kao kad ubrzavate u automobilu, gurajući vas na naslon sjedala. To također može značiti promjenu smjera, na primjer kada zaobiđete kružni tok, zbog čega ćete se nagnuti prema boku automobila.
Da to dalje proširimo, zamislimo cilindričnu karnevalsku vožnju gdje ste vi i vaši suputnici prikovani za vanjsku površinu. Cilindar se okreće sve brže i brže dok ubrzanje ne popusti i kretanje ne ostane konstantno. Ali čak i kad je brzina konstantna, i dalje osjećate ubrzano kretanje – osjećate se prikovanim za vanjski rub vožnje.
Da je ova okretaja bila dovoljno velika i kretala se dovoljno brzo, počeli biste primjećivati neke bizarne efekte u samoj vožnji, ne samo sa stajališta nekoga tko stoji izvan nje.
Svakom rotacijom oni na rubu vožnje prelaze puni opseg cilindra – dok se u samom središtu gotovo uopće ne pomiče. Dakle, ako bi netko stajao u samom središtu vožnje (možda ga drži ograda, sprečavajući ga da padnu na rub), primijetio bi sve one čudne efekte koje smo vidjeli u posebnoj relativnosti – da će se oni na rubu promijeniti u dužini, i njihovi će satovi otkucavati sporije.
GRAVITACIJA JE ZAKRIVLJENJE PROSTOR – VREMENA Princip ekvivalencije govori nam da se efekti gravitacije i ubrzanja ne mogu razlikovati. Razmišljajući o primjeru cilindrične vožnje, vidimo da ubrzano kretanje može iskriviti prostor i vrijeme. Tu je Einstein spojio tačke sugerirajući da je gravitacija iskrivljenje prostora i vremena. Gravitacija je zakrivljenost svemira uzrokovana masivnim tijelima koja određuje put kojim predmeti putuju. Ta zakrivljenost je dinamična, kreće se kako se ti objekti kreću.
U Einsteinovom pogledu na svijet, gravitacija je zakrivljenost prostor – vremena uzrokovana masivnim objektima. Izvor slike: T. Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab.
Ova teorija, opća relativnost, predviđa sve, od orbita zvijezda do sudara asteroida do jabuka koje padaju s grane na zemlju – sve što smo očekivali od teorije gravitacije.
Prostor vrijeme zahvaća masu, govori joj kako da se kreće … Masa zahvaća prostor vrijeme, govori mu kako da se zakrivi. Fizičar John Wheeler
Uspjeh opšte relativnosti Baš kao što je Newtonova formulacija zakona gravitacije bila dragocjena zbog njihove prediktivne moći, isto vrijedi i za Einsteinove. Do danas su njegova predviđanja – koliko god čudno zvučala – izdržala test vremena.
Dokazi o Einsteinovoj teoriji gravitacije uključuju savijanje zvjezdane svjetlosti (ili, u ovom slučaju, svjetlosti čitavih galaksija) oko masivnih objekata. Izvor slike: ESA / Hubble & NASA / Wikimedia Commons.
Gravitacijski talasi EHO JAKO UDALJENE KATAKLIZME Zamislite dva vrlo masivna predmeta, poput crnih rupa. Ako bi se ti objekti sudarili, potencijalno bi mogli stvoriti ekstremne poremećaje u tkivu svemira, krećući se prema van poput mreškanja u jezercu. Ali koliko su se daleko mogli osjećati takvi valovi? Einstein je predvidio da gravitacijski valovi postoje, ali vjerovao je da će biti premali da bi se otkrili dok su stigli do nas ovdje na Zemlji.
Tako je s velikim uzbuđenjem 11. februara 2016. godine znanstvena zajednica bila puna objave da je otkriven gravitacijski val. Bili su nam potrebni instrumenti sposobni za otkrivanje signala promjera jednog desethiljaditog dijela promjera protona (10-19 metara). To je upravo ono što Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), kojom upravljaju Kalifornijski institut za tehnologiju i Massachusetts Institute of Technology, može.
LIGO EKSPERIMENT U LIGO eksperimentu laser se usmjerava u veliku strukturu tunela. Laserski snop je podijeljen tako da polovina putuje niz jedan od 4 kilometra dugih „krakova“, a druga polovina u isto vrijeme pada niz drugi krak od 4 kilometra. Na kraju svake ruke zrcalo reflektira svjetlost od lasera natrag odakle je došla, a dvije zrake se stapaju u jednu.
Uobičajeno, laserski zraci trebali bi se rekombinirati u isto vrijeme. Ali ako se gravitacijski talas talasa kroz svemir dok su detektori uključeni, to valjanje će ispružiti jedan krak strukture u obliku slova L prije rastezanja drugog. Gravitacijski talas narušava prolazak svjetlosti, što rezultira određenom vrstom interferencijskog svjetlosnog uzorka koji se detektira na kraju.
ASTRONOMIJA GRAVITACIONIH TALASA Uspješni LIGO eksperiment otvorio je novu eru astronomije. Prije toga, astronomi su se uglavnom fokusirali na proučavanje elektromagnetskog spektra (uključujući svjetlost i radio valove). Kroz taj smo posao uspjeli otkriti ogromnu količinu našeg svemira, ali sada imamo potpuno novi način proučavanja svemira.
Otkriće gravitacijskih valova daje astronomima novi ‘smisao’ s kojim mogu istraživati svemir, pa će tako gotovo sigurno biti iznenađenja pred nama. Ono što znamo je da će nam ova tehnika omogućiti bolje razumijevanje najmasivnijih objekata u svemiru kao što su crne rupe, neutronske zvijezde i supernove; i pružit će nam novi prozor za proučavanje kako je nastao svemir.
Da li je naše razumijevanje potpuno? Iako je Einsteinova teorija gravitacije potvrđivana eksperimentom za eksperimentom, to ne znači da je naše razumijevanje cjelovito. U stvari, znamo da nešto nije sasvim u redu.
Jedno neodgovoreno pitanje je da li gravitaciju širi graviton – predložena (ali do sada neotkrivena) čestica odgovorna za gravitacijske interakcije. Još važnije, znamo da je opća relativnost u svom sadašnjem obliku nekompatibilna s drugim stubom moderne fizike: kvantnom mehanikom. Ovo je pokazatelj da su jedna ili obje teorije nepotpune ili da nam nedostaje neka druga ključna komponenta.
Hoće li Einsteinova teorija gravitacije ostati nepromijenjena, nije poznato. Ali proizveo je mnoga neočekivana, neintuitivna predviđanja koja su se iznova potvrđivala tokom više od sto godina. To je znak velike naučne teorije – daje predviđanja koja se u to vrijeme možda neće moći dokazati, ali će se suprotstaviti rigoroznim testiranjima. Ovo je bilo jedno od najvećih putovanja u istoriji nauke, uključujući ne samo Newtona i Einsteina, već i mislioce i činioce širom svijeta koji su radili na testiranju ovih teorija.
Uprkos tome, raskol između relativnosti i kvantne mehanike ostaje. Što se tiče sljedećeg, niko sa sigurnošću ne zna. Međutim, postoji nekoliko teorija – teorija struna, teorija petlji, višedimenzionalnih teorija – nedokazanih, ali s obećanjem da će postati sljedeća prekretnica u razumijevanju našeg kosmosa.
