Astronomi su posmatrali efekat dilatacije vremena u dalekim dijelovima svemira, što je prvi put da je čudan efekat, koji je Albert Ajnštajn predvidio prije više od 100 godina, primijećen u ranom kosmosu.
Događaji su se dešavali pet puta sporije kada je univerzum bio star tek milijardu godina – deseti dio njegove trenutne starosti – zbog načina na koji širenje kosmosa “rasteže” protok vremena.
– Vraćajući se u vrijeme kada je univerzum bio star tek milijardu godina, vidimo da je vrijeme teklo pet puta sporije. Da ste bili prisutni, u mladom kosmosu, jedna sekunda bi se činila kao jedna sekunda, ali iz naše perspektive, više od 12 milijardi godina kasnije, to rano vrijeme čini se da se vuče – objašnjava Džerald Luis, profesor astrofizike sa Univerziteta u Sidneju.
Ajnštajn je 1915. godine rekao da se stvari u svemiru dešavaju sporije kad su dalje od nas. To je zato što se svemir širi i povlači svjetlost i vrijeme sa sobom.
Kad gledamo zvijezde kako eksplodiraju, vidimo da su one daleko i da se njihove eksplozije odvijaju polako. Ali kad gledamo kvazare, koje su još dalje i sjajnije, nismo mogli da vidimo taj efekat.
Dva naučnika iz Novog Zelanda su proučavali 190 kvazara koje su drugi gledali u zadnjih 20 godina. Oni su otkrili da se kvazari stvarno kreću sporije kad su dalje od nas, baš kao što je Ajnštajn rekao.
Jedan australijski naučnik koji je dobio Nobelovu nagradu za fiziku kaže da je to dobar dokaz za Ajnštajnovu teoriju i da nema razloga da sumnjamo u nju.
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.
Od svojih početaka kvantna mehanika nije prestala da nas zadivljava svojom osobenošću, tako da ju je teško razumjeti. Zašto jedna čestica izgleda kao da prolazi kroz dvije pukotine istovremeno? Zašto umjesto konkretnih predviđanja možemo govoriti samo o evoluciji vjerojatnosti? Prema teoretičarima sa univerziteta u Varšavi i Oxfordu, najvažnija obilježja kvantnog svijeta mogu proizaći iz posebne teorije relativnosti, koja se do sada činilo da nema malo veze s kvantnom mehanikom.
Od dolaska kvantne mehanike i teorije relativnosti, fizičari su izgubili san zbog nekompatibilnosti ova tri koncepta (tri, jer postoje dvije teorije relativnosti: posebna i opća). Opšte je prihvaćeno da je opis kvantne mehanike najvažniji i da će se teorija relativnosti morati prilagoditi njoj. Dr Andrzej Dragan sa Fizičkog fakulteta Univerziteta u Varšavi (FUW) i prof. Artur Ekert sa Univerziteta u Oxfordu (UO) upravo su predstavili svoje obrazloženje dovodeći do drugačijeg zaključka. U članku “Kvantni princip relativnosti”, objavljenom u Novom časopisu za fiziku, oni dokazuju da karakteristike kvantne mehanike koje određuju njenu jedinstvenost i neintuitivnu egzotičnost – prihvaćene, štoviše, u vjeri (kao aksiomi) – mogu biti objašnjene u okviru posebne teorije relativnosti. Samo se treba odlučiti na određeni prilično neortodoksni korak.
Albert Einstein je posebnu teoriju relativnosti temeljio na dva postulata. Prvi je poznat kao Galilejev princip relativnosti (koji je, imajte na umu, poseban slučaj Kopernikovog principa). To kaže da je fizika ista u svakom inercijalnom sustavu (tj. Onom koji je ili u mirovanju ili u stalnom kretanju ravno). Drugi postulat, formuliran na osnovu čuvenog eksperimenta Michelson-Morley, nametnuo je zahtjev za konstantnom brzinom svjetlosti u svakom referentnom sistemu.
“Einstein je drugi postulat smatrao ključnim. U stvarnosti, ono što je presudno je princip relativnosti. Već 1910. Vladimir Ignatowski pokazao je da je samo na ovom principu moguće rekonstruirati sve relativističke pojave posebne teorije relativnosti. A upečatljivo jednostavno obrazloženje, vodeći direktno iz principa relativnosti ka relativizmu, također je 1992. godine predstavio profesor Andrzej Szymacha sa našeg fakulteta “, kaže dr Dragan.
Posebna teorija relativnosti je koherentna struktura koja omogućuje tri matematički ispravna tipa rješenja: svijet čestica koje se kreću subluminalnim brzinama, svijet čestica koje se kreću brzinom svjetlosti i svijet čestica koje se kreću superluminalnim brzinama. Ova treća opcija uvijek je odbačena kao da nema nikakve veze sa stvarnošću.
“Postavljali smo pitanje: šta se dešava ako – za sada bez ulaska u fizikalnost ili nefizikalnost rešenja – ozbiljno ne budemo dio posebne teorije relativnosti, već sve zajedno sa nadmoćnim sistemom? Očekivali bi paradokse uzroka-posljedica. U međuvremenu, vidjeli smo upravo da ovi efekti čine najdublje jezgro kvantne mehanike “, kažu dr Dragan i prof. Ekert.
U početku su oba teoretičara smatrala pojednostavljeni slučaj: prostor-vrijeme sa sve tri porodice rješenja, ali koji se sastoji od samo jedne prostorne i jedne vremenske dimenzije (1 + 1). Čini se da se čestica u mirovanju u jednom sistemu kreće superluminalnom brzinom u drugom, što znači da je i sama superluminoznost relativna.
U kontinuirano izgrađenom prostorno-vremenskom kontinuumu događaju se nedeterministički događaji prirodno. Ako u jednom sustavu u tački A postoji stvaranje superluminalne čestice, čak i potpuno predvidljive, emitirane prema tački B, gdje jednostavno nema podataka o razlozima emisije, tada sa stajališta promatrača u drugom sistemu događaji teku od tačke B do točke A, tako da počinju od potpuno nepredvidivog događaja. Ispada da se analogni efekti pojavljuju i u slučaju emisije subluminalnih čestica.
Oba su teoretičara također pokazala da se, uzimajući u obzir superluminalna rješenja, kretanje čestice na više putanja istovremeno pojavljuje prirodno, a opis tijeka događaja zahtijeva unošenje zbroja kombiniranih amplituda vjerojatnosti koje ukazuju na postojanje superpozicije stanja, pojava do sad povezana samo sa kvantnom mehanikom.
U slučaju prostor-vrijeme s tri prostorne dimenzije i jednom vremenskom dimenzijom (3 + 1), tj. koja odgovara našoj fizičkoj stvarnosti situacija je složenija. Princip relativnosti u svom izvornom obliku nije sačuvan – subluminalni i superluminalni sistem se razlikuju. Međutim, istraživači su primijetili da kada se princip relativnosti promijeni u oblik: “Sposobnost opisivanja događaja na lokalni i determinirajući način ne bi trebala ovisiti o odabiru inercijalnog referentnog sustava”, ograničava rješenja na one u koji svi zaključci iz razmatranja u (1 + 1) prostor-vremenu ostaju valjani.
“Primijetili smo, slučajno, mogućnost zanimljive interpretacije uloge pojedinih dimenzija. U sistemu koji promatraču izgleda superluminalno izgleda da neke prostorno-vremenske dimenzije mijenjaju njihove fizičke uloge. Samo jedna dimenzija superluminalne svjetlosti ima prostorni karakter – jedna duž koje se čestica kreće. Ostale tri dimenzije izgledaju kao vremenske dimenzije “, kaže dr Dragan.
Karakteristična karakteristika prostornih dimenzija je da se čestica može kretati u bilo kojem smjeru ili ostati u mirovanju, dok se u vremenskoj dimenziji uvijek širi u jednom smjeru (što svakodnevnim jezikom nazivamo starenjem). Dakle, tri vremenske dimenzije superluminalnog sistema s jednom prostornom dimenzijom (1 + 3) značile bi tako da čestice neminovno ostare tri puta istovremeno. Proces starenja čestice u superluminalnom sistemu (1 + 3), posmatran iz subluminalnog sistema (3 + 1), izgledao bi kao da se čestica kreće poput sfernog talasa, što bi dovelo do poznatog Huygensovog principa (svaka tačka na talasna fronta može se tretirati kao izvor novog sfernog talasa) i korpuskularno-valnog dualizma.
“Sva neobičnost koja se pojavljuje kada se razmatraju rješenja koja se odnose na sistem koji izgleda superluminalno ispada da nije ništa čudnije od onoga što je već općenito prihvaćena i eksperimentalno provjerena kvantna teorija. Naprotiv, uzimajući u obzir superluminalni sistem, moguće je – najmanje teorijski – da bi se iz postupaka kvantne mehanike izveli iz posebne teorije relativnosti, koje su obično prihvaćene kao posledica drugih, fundamentalnijih razloga “, zaključuje dr Dragan.
Gotovo stotinu godina kvantna mehanika čeka dublju teoriju da objasni prirodu svojih misterioznih pojava. Ako bi obrazloženje koje su iznijeli fizičari s FUW-a i UO-a prošlo test vremena, historija bi se okrutno rugala svim fizičarima. “Nepoznata” teorija koju su desetljećima tražili, objašnjavajući jedinstvenost kvantne mehanike, bila bi nešto što je poznato već od prvog rada kvantne teorije.
Ovo je iznenađujuće drevno pitanje. To je bio Aristotel koji je prvi put uveo jasnu razliku kako bi pomogao napraviti smisao od ovog. On je razlikovao između dvije vrste beskonačnosti. Jednu od njih je nazvao potencijalnu beskonačnost: ovo je vrsta beskonačnosti koja karakterizira beskrajan Svemir ili beskrajan popis, na primjer prirodni brojevi 1,2,3,4,5, …, koji se nastavljaju zauvijek. To su popisi ili rasporedi koji nemaju kraj ili granicu: nikad ne možete doći do kraja svih brojeva unosom ih, ili kraj beskrajanog svemira putujući u svemirskom brodu. Aristotel je bio vrlo sretan zbog tih potencijalnih beskonačnosti, priznao je da one postoje i one nisu stvorile nikakav veliki skandal u načinu razmišljanja o Svemiru.
Aristotel je razlikovao potencijalne beskonačnosti od onoga što je zvao stvarna beskonačnost. To bi bilo nešto što možete mjeriti, nešto lokalno, na primjer gustoća ili sijaj ili temperatura objekta, postaje beskonačna na određenom mjestu ili vremenu. Ti bi mogao susresti ovu beskonačnost na lokalnoj razini Svemira. Aristotel je zabranio stvarne beskonačnosti: rekao je da ne mogu postojati. Ovo je povezano s njegovim drugim uvjerenjem da ne može biti savršeni vakuum u prirodi. Ako bi mogao, vjerovao je da možeš gurati i ubrzati objekt do beskonačne brzine, jer se neće susresti s otporom.
Za nekoliko hiljada godina Aristotelova filozofija podupirala je zapadnu dogmu i uvjerenje o prirodi Svemira. Ljudi su i dalje vjerovali da stvarne beskonačnosti ne postoje, zapravo jedina stvarna beskonačnost koja je trebala da postoji bila je božanska.
Matematičke beskonačnosti Ali u svijetu matematike stvari su se promijenile krajem 19.-og vijeka kada je matematičar Georg Cantor razvio suptilniji način definisanja matematičkih beskonačnosti. Kantor je prepoznao da postoji najmanja vrsta beskonačnosti: beskrajna lista prirodnih brojeva 1,2,3,4,5, …. On ih je nazvalo brojna beskonačnost. Bilo koja druga beskonačnost koja bi mogla biti prebrojajući se svojim članovima u jedan-na-jedan korespondenciji sa prirodnim brojevima takođe se naziva brojnom beskonačnosti.
Ova ideja imala je neke šokantne posljedice. Na primjer, lista svih parnih brojeva su takođe brojne beskonačnosti. Intuitivno mislite ima samo polovina beskonačnosti prirodnih brojeva jer to bilo bi tačno za konačnu listu. Ali kad postane lista beskrajna to više nije tačno. Možete nacrtati liniju od 1 do 2 i od 2 do 4 i od 3 do 6 i tako dalje za dvije liste. Svaki parni broj biće povezan sa jednim brojem na listi prirodnih brojeva, pa tako su toliko brojeva na jednoj listi koliko ih ima u drugoj. Ovu činjenicu prvi put je primijetio Galileo (iako je brojao kvadrate 1, 4, 9, 16, …, umjesto parnih brojeva) koji je pomislio da je to tako previše čudno da dalje razmišlja o beskonačnim zbirkama stvari. On je mislio je da je beskonačnost nešto opasno paradoksalno. Za Cantor, ipak, ova mogućnost stvaranja korespondencije jedan-na-jedan između skupa brojeva i podsetova je osobina beskonačnih nizova.
Kantor je zatim pokazao da postoje i druge vrste beskonačnosti koje su u nekom smislu beskrajno veće jer se na taj način ne mogu računati. Jedna takva beskonačnost spisak svih realnih brojeva. Ne postoji recept za njihovo sistematsko navođenje. Ova beskrajna beskonačnost se naziva kontinuumom.
Ali pronalazak ovog beskrajno većeg skupa realnih brojeva nije bio kraj priče. Kantor je pokazao da možete naći beskonačno veće komade i tako bez kraja: nije bilo najveće moguće beskonačne zbirke stvari. Ako vam je neko predstavio beskonačni set A, vi možete stvoriti veći koji nije u pojedinačnoj korespondenciji sa A samo pronalaženjem zbirke svih mogućih podgrupa A. Ova nevjerovatna kula beskonačnosti je ukazala na nešto nazvano apsolutnom beskonačnošću – na nedostižan samit kule beskonačnosti.
Matematički, Cantor je tretirao infinitete ne samo kao potencijal, ali kao stvarnost. Možete dodati zajedno beskonačnost plus još jedna brojna beskonačnost – i tako dalje. Bila je velika rasprava u matematici o tome da li je ovo dozvoljeno. Neki matematičari misle da su dozvoljavajući Kantorove transfinitne količine, kako su ih zvali, u matematiku, uvodili neku vrstu suptilne kontradikcije negdje. A ako uvedete kontradikcije u logičan sistem, onda ćete na kraju moći da dokažete da je sve tačno, tako da bi to dovelo do kolapsa čitavog sistema matematike.
Ova briga je dovela do konstruktivističke matematike, koja samo dozvoljava matematičke objekte koje možete konstruisati konačnim nizom logičkih argumenta. Tada tvoja matematika postaje malo kao što može računar da uradi. Postavili ste određene aksiome i samo stvari koje se od njih mogu zaključiti konačnim nizom logičnih koraka koje se smatraju istinitim. To znači da nije dozvoljeno koristiti dokaz kontradiktornosti (ili zakon izuzete sredine) kao aksiom, predlažejući da nešto ne postoji, a zatim da proizvede kontradiktornost iz tog prijedloga da zaključi da mora postojati. Zagovornici konstruktivisti devetnaestog vijeka su bili holandski matematičar LEJ Brouwer i Leopold Kroneker i iz dvadesetog vijeka Hermann Vejl. Još uvek ima nekih matematičara koji žele da definišu matematiku na ovaj način iz filozofskih razloga i drugi koji su samo zainteresovani za ono što možete dokazati ako to definišete na ovaj ograničen način.
Ali generalno, Kantorove ideje su prihvaćene i danas formiraju svoju vlastitu podružnicu čiste matematike. To je dovelo da neki filozofi pa čak i neki teolozi preispitaju svoje drevne stavove prema beskonačnosti. Zato što su sasvim drugačije varijante beskonačnosti, jasno je da ne morate gledati na izgled matematičke beskonačnosti kao neke vrste izazova za božanstveno kao što su vjerovali srednjovekovni teolozi. Kantorove ideje su u početku zapravo uzvišeni je uzimali savremeni teolozi nego matematičari.
Naučnici su takođe počeli razlikovati između matematičkih i fizičkih beskonačnosti. U matematici, ako nešto kažeš “postoji”, mislite da ne predstavlja logičnu kontradikcija uz određeni skup pravila. Ali to ne znači to može da sjedi na stolu ili da trči negdje naokolo. Jednorozi nisu logična nemogućnost, ali to ne znači da postoje biološki. Kada matematičari su pokazali da ne-evklidske geometrije mogu postojati, oni su pokazali da postoji aksiomatski sistem koji ih dozvoljava, a da nije samo-kontradiktoran.
Fizičke beskonačnosti
Tako su beskonačnosti u modernoj fizici odvojene od istraživanja beskonačnosti u matematici. Jedna oblast u fizici u kojoj se nekada predviđa beskonačnost je mehanika fluida. Na primjer talas može postati vrlo, vrlo strm i nelinearan i onda formirati šok. U jednačinama to formiranje udarnog talasa neke količine može postati beskonačno. Ali kada se to dogodi, obično pretpostavljate da je to samo neuspjeh vašeg modela. Možda ste zanemarili da uzmete u obzir trenje ili viskozitet i kada to uključite u svoje jednačine brzina gradijenta postaje konačna – ipak bi mogla biti vrlo strma, ali viskoznost u stvarnosti gladi preko beskonačnosti. U većini dijelova nauke ako vidite beskonačnost, pretpostavljate da to posljedica netačnosti ili nepotpunosti vašeg modela. U fizici čestica postojao je mnogo dugotrajniji i suptilniji problem. Kvantna elektrodinamika je najbolja teorija u čitavoj nauci, njena predviđanja su tačnija od svega što znamo o Univerzumu. Pa ipak iznošenje navedenih predviđanja uzrokuje neugodan problem: kada ste izvršili obračun za prikaz šta biste trebali posmatrati u eksperimentu dobili bi uvijek odgovor beskonačno sa dodatnim konačnim dijelom. Ako ste se onda oduzeli beskonačnost, konačni dio sa kojim ste ostali, bio je predviđanje koje ste očekivali u laboratoriji. I to je uvijek odgovaralo rezultatu eksperimenta fantastično tačno. Ovaj proces uklanjanja beskonačnosti se naziva renormalizacijom. Mnogi poznati fizičari su to smatrali duboko nezadovoljavajućim. Mislili su da bi to mogao biti simptom pogrešne teorije.
Zbog toga je teorija struna stvorila veliko uzbuđenje u osamdesetim godinama i zašto je to iznenada postalo istraženo od strane velikog broja fizičara. Bilo je prvi put da su fizičari čestica našli konačnu teoriju, teoriju koja nije imala ove beskonačnosti. To je zamenilo tradicionalni pojam da najosnovniji entiteti u teoriji (na primjer fotoni ili elektroni) treba da budu objekti poput tačke koji se kreću kroz prostor i vrijeme. Umjesto toga, teorija struna smatra da su najosnovniji entiteti linije ili male petlje koje prave cijevi dok se kreću. Kada imate dvije tačkaste čestice koje se kreću kroz prostor i interaguju, to je kao da dvije linije udaraju jedna u drugu i formiraju oštar ugao na mjestu gdje se susreću. Taj je oštar ugao slika koja je izvor beskonačnosti u opisu. Ali ako imate dvije petlje koje se nalaze zajedno, to je više kao dvije nogavice od pantalona. Zatim još dva para izlaze iz interakcije što je slično kao da ste zašili jedne pantalone za druge. Dobijete blag prijelaz. Zbog toga je teorija struna bila privlačna, jer je bila prva konačna teorija fizike čestica.
Kosmološke beskonačnosti
Pojavljuje se još jedna vrsta beskonačnosti u gravitacionoj teoriji i kosmologiji. Einsteinova teorija opšte relativnost sugeriše da je sveobuhvatni univerzum započet u vremenu u krajnjoj prošlosti kada je bila njegova gustina beskonačna- to je ono što zovemo Big Bang. Einsteinova teorija takođe predviđa da ako padnete u crnu rupu i ima mnogo crnih rupa u našoj Galaksiji i u blizini, nalazili biste u beskonačnoj gustini u centru. Ove beskonačnosti, ako postoje, biće stvarne beskonačnosti.
Ljudi različito gledaju na ove beskonačnosti. Kosmolozi koji dolaze iz fizike čestica i zainteresovani su za šta teorija struna ima reći o početku Univerzuma imaju tendenciju da smatraju da ove beskonačnosti nisu stvarne, da su one samo artefakt nedovršenog karaktera naše teorije. Ima i drugih, Rodžer Penrose na primjer, misli da početna beskonačnost Univerzuma igra veoma važnu ulogu u strukturi fizike. Ali čak i ako su ove beskonačnosti artefakat, gustina i dalje postaje nevjerovatno visoka: 1096 puta veća od vode. Za sve praktične svrhe gustine su toliko visoke da nam treba bolji opis efekata kvantne teorije na karakter prostora, vremena i gravitacije da bi se razumjelo šta se tamo dešava.
Nešto vrlo čudno može se dogoditi ako pretpostavimo da će naš Univerzum eventualno prestati da se širi i sklapa ugovor nazad u drugu beskonačnost, Big crunch (veliko sažimanje). To bi moglo biti ne-simultano, jer neki dijelovi Univerzuma, gde postoje galaksije i tako dalje, gušći su od drugih. Mjesta koja su gušća će se naći u njihovoj budućnosti u beskonačnosti prije regiona niske gustine. Prema ovom mi bi mogli vidjeti već sad da se kraj Univerzuma dešava na drugim mestima – vidjeli bi smo nešto beskonačno. Možda ćete vidjeti dokaze o kraju vremena i prostora drugdje.
Ali teško je precizno predvideti šta ćete vidjeti ako se negdje stvori beskonačnost. Naš Univerzuma u ovom trenutku, ima čudan odbrambeni mehanizam. A jednostavno tumačenje stvari sugeriše da se javlja beskonačna gustina u centru svake crne rupe, što je baš kao beskonačnost na kraju svemira. Ali crna rupa stvara horizont oko ovog fenomena: čak ni svjetlost ne može pobjeći iz njene okoline. Znači, mi smo izolovani, ne vidimo šta se dešava na mjesta gdje gustina izgleda kao da će biti beskonačna. I na nas ne utiče beskonačnost. Ovi horizonti štite nas od posljedica mjesta gdje je bi gustina mogla biti beskonačna i sprečavaju nas da vidimo šta se dešava tamo, osim ako smo naravno u crnoj rupi.
Drugo pitanje je da li je naš Univerzum prostorski ograničen ili beskonačan.Mogao bi biti konačan, ali veličine koja je proizvoljno velika. Ali mnogim ljudima ideja o kraju Univerzuma odmah postavlja pitanje o tome šta je iza njega. Ne postoji ništa iza- Univerzum je sve što jest. Da shvatimo ovo, razmislimo o dvodimenzionalnim univerzumima jer je lakše predvidjeti. Ako podignemo list A4 papira, vidimo da ima ivice, tako kako je moguće da konačni univerzum nema prednosti? Ali poenta je da je parče papira ravno. Ako razmišljamo o zatvorenoj 2D površini koja je zakrivljena, recimo površina sfere, onda je područje sfere konačno. Ali ako hodate okolo na njoj, za razliku od ravnog papira, nikada se ne susrećete sa ivicom. Dakle zakrivljeni prostori mogu biti konačni, ali nemaju granice ili ivice.
Da bismo razumjeli rastući dvodimenzionalni Univerzum, prvo pomislimo na beskonačni slučaj u kojem Svemir izgleda isto u prosjeku gdje god gledali. Onda, gdje god da stojite i pogledate oko sebe, to izgleda kao da se Svemir širi od vas u centru jer svako mjesto je kao centar. Za konačni sferni univerzum zamislite sferu kao balon sa galaksijama označenim na površini. Kada počnete da ga naduvavate, galaksije počinju da odstupaju jedna od druge. Gde god da stojite na površini balona vidjeli biste da se sve te galaksije šire od vas kako guma se širi. Centar ekspanzije nije površina, u drugoj dimenziji, u ovom slučaju trećoj dimenziji. Dakle, naš trodimenzionalni Univerzum, ako je on konačan i pozitivno zakrivljen, ponaša se kao da je to trodimenzionalna površina imaginarne četvorodimenzionalne lopte.
Ajnštajn nam je rekao da geometriju prostora određuje gustina materijala u njemu. Npr. ako stavljate materijal na trampolin, zakrivi se. Ako u prostoru postoji puno materijala, on izaziva ogromnu depresiju i prostor se zatvara. Dakle, univerzum visoke gustine zahtjeva sferičnu geometriju i imaće konačni volumen. Ali, ako imate relativno malo materijala koji deformira prostor, dobijate negativno zakrivljeni prostor, oblikovan kao sedlo. Tako negativno zakrivljeni prostor može nastaviti da se isteže i širi zauvijek. Univerzum u maloj gustini, ako ima jednostavnu geometriju, imaće beskonačnu veličinu i zapreminu. Ali ako on ima egzotičniju topologiju, poput torusa, može takođe imati i konačni volumen. Jedna od misterija Ajnštajnovih jednadžbi je to što oni kažu kako možete izraditi geometriju iz distribucije materije, ali njegove jednačine nemaju šta da kažu o topologiji Univerzuma. Možda dublja teorija kvantna gravitacija će reći nešto o tome.
U fizici, prostorvrijeme je bilo koji matematički model koji spaja tri dimenzije prostora i jednu dimenziju vremena u jedan četverodimenzionalni kontinuum. Prostorvremenski dijagrami mogu se koristiti za vizualizaciju relativističkih efekata kao što su razlozi zašto različiti promatrači percipiraju gdje i kada se nešto događa.
Do prijelaza 20. stoljeća, pretpostavka je bila da je trodimenzionalna geometrija Svemira (njegov prostorni izraz u smislu koordinata, udaljenosti i smjerova) bio neovisan o jednodimenzionalnom vremenu. Međutim, 1905. Albert Einstein temelji svoj temeljni rad na posebnoj relativnosti na dva postulata:
(1) Zakoni fizike su invarirajući (tj. Identični) u svim inercijalnim sustavima (tj. Ne-ubrzavajući referentni okviri);
(2) Brzina svjetlosti u vakuumu jednaka je svim promatračima, bez obzira na gibanje izvora svjetlosti.
Logična posljedica uzimanja tih postulata je spajanje prostora i vremena u jednu dimenziju, do sada pretpostavljenog kao nezavisnog, prostora i vremena. Mnoge se proturječne posljedice pojavljuju: osim što je neovisno od kretanja izvora svjetlosti, brzina svjetlosti ima istu brzinu bez obzira na referentni okvir u kojem se mjeri; udaljenosti, pa čak i vremenski poredak parova događaja se mijenjaju kada se mjere u različitim inercijalnim referentnim okvirima (to je relativnost simultanosti); i linearna aditivnost brzina više ne vrijedi.
Einstein je u svojoj kinematici uokvirio svoju teoriju (proučavanje pokretnih tijela). Njegova je teorija bila napredak prema Lorentzovoj teoriji elektromagnetskih pojava iz 1904. i Poincarovoj elektrodinamičkoj teoriji. Iako su te teorije uključivale jednadžbe identične onima koje je Einstein uveo (tj. Lorentzovu transformaciju), one su u suštini bile ad hoc modeli koji su predložili objašnjavanje rezultata različitih eksperimenata – uključujući poznati Michelson-Morleyov interferometarski eksperiment – koji su bili izuzetno teški za uklapanje u postojeće paradigme.
Godine 1908. Hermann Minkowski, jedan od profesora matematike mladog Einsteina u Zürichu, predstavio je geometrijsku interpretaciju posebne relativnosti koja je spojila vrijeme i tri prostorne dimenzije prostora u jedan četverodimenzionalni kontinuum sada poznat kao Minkowski prostor. Ključna značajka ovog tumačenja je formalna definicija vremenskog intervala. Iako se mjerenja udaljenosti i vremena između događaja razlikuju za mjerenja izvedena u različitim referentnim okvirima, razmak prostorvremena neovisan je o inercijalnom referentnom okviru u kojem su snimljeni.
Minkowskijeva geometrijska interpretacija relativnosti bila je za Einsteinov razvoj Opće teorije relativnosti 1915. godine od vitalne važnosti, gdje je pokazao kako masa i energija zakrivljuju ovo ravno prostorvrijeme do Pseudo Riemannijskog mnogoznačnika.
Ne-relativistička klasična mehanika tretira vrijeme kao univerzalnu količinu mjerenja koja je ujednačena u cijelom prostoru i koja je odvojena od prostora. Klasična mehanika pretpostavlja da vrijeme ima konstantnu stopu prolaska koja je neovisna o stanju gibanja promatrača, ili čak bilo čega vanjskog. Nadalje, pretpostavlja da je prostor Euklidski, tj. pretpostavlja da prostor slijedi geometriju zdravog razuma.
U kontekstu posebne relativnosti, vrijeme se ne može odvojiti od tri dimenzije prostora, jer promatrana brzina kojom vrijeme prolazi za objekt ovisi o brzini objekta u odnosu na promatrača. Opća relativnost, osim toga, pruža objašnjenje kako gravitacijska polja usporavaju prolazak vremena za objekt kakav je promatrač vidio izvan polja.
U običnom prostoru, pozicija se određuje s tri broja, poznata kao dimenzije. U kartezijanskom koordinatnom sustavu, oni se zovu x, y i z. Pozicija u prostorvremenu zove se događaj i zahtijeva četiri broja: trodimenzionalno mjesto u prostoru, plus položaj na vrijeme. Prostorvrijeme je stoga četverodijelno. Događaj je nešto što se događa trenutačno na jednoj točki u prostoru, predstavljenoj sa skupom koordinata x, y, z i t.
Riječ “događaj” koja se koristi u relativnosti ne smije se miješati s upotrebom riječi “događaj” u normalnom razgovoru, gdje bi to moglo značiti “događaj” kao nešto poput koncerta, sportskog događaja ili bitke. To nisu matematički “događaji” u načinu na koji se ta riječ upotrebljava u relativnosti, jer imaju konačno trajanje i opseg. Za razliku od analogija koje se koriste za objašnjenje događaja, poput petardi ili munja, matematički događaji imaju nulto trajanje i predstavljaju jednu tačku u prostor vremenu.
Put čestice kroz prostorvrijeme može se smatrati slijedom događaja. Niz događaja može se međusobno povezati kako bi oblikovao liniju koja predstavlja napredak čestice kroz prostorvrijeme. Ta se crta naziva svjetskom linijom čestice.
Matematički, prostorvrijeme je glatko, što znači da izgleda lokalno “ravno” blizu svake tačke na isti način na koji, na dovoljno malim mjerilima, kugla izgleda ravna. Faktor izuzetno velikih razmjera, c (obično nazvan brzina svjetlosti) odnosi se na udaljenosti izmjerene u prostoru s udaljenosti izmjerenim u vremenu. Značaj ovog faktora skale (gotovo 300.000 km u prostoru ekvivalentan je vremenu od 1 sekunde), uz činjenicu da je prostorvrijeme ravno, podrazumijeva da je kod običnih, nerelativističkih brzina i kod običnih udaljenosti na ljudskoj razini malo toga što bi ljudi mogli promatrati što je vidljivo različito od onoga što bi mogli promatrati da je svijet Euklidski. Tek s pojavom osjetljivih naučnih mjerenja sredinom 1800-ih, kao što je eksperiment Fizeau i Michelson-Morleyov eksperiment, počeli su primijetiti zbunjujuće razlike između promatranja i predviđanja temeljenih na implicitnoj pretpostavci euklidskog prostora.
Svako mjesto prostorvremena označeno je s četiri broja definirana referentnim okvirom: položaj u prostorvremenu (koje se može vizualizirati kao čitanje sata koji se nalazi na svakoj poziciji u svemiru). ‘Promatrač’ sinkronizira satove prema vlastitom referentnom okviru. U posebnoj relativnosti, promatrač će u većini slučajeva označiti referentni okvir iz kojeg se mjeri skup objekata ili događaja. Ta se upotreba znatno razlikuje od običnog engleskog značenja pojma. Referentni okviri su inherentno nestalkalni konstrukti, a prema ovoj uporabi pojma, nema smisla govoriti o promatraču kao da ima lokaciju. Zamislite da je okvir koji se razmatra opskrbljen s gustom rešetkom satova, usklađenih unutar ovog referentnog okvira, koji se proteže na neodređeno vrijeme kroz tri dimenzije prostora. Nijedna specifična lokacija unutar rešetke nije važna. Kolekcija satova se koristi za određivanje vremena i položaja događaja koji se odvijaju unutar cijelog okvira. Pojam “promatrač” odnosi se na cijeli skup satova koji su povezani s jednim inercijalnim referentnim okvirom. U ovom idealiziranom slučaju, svaka tačka u prostoru ima sat koji je povezan s time, tako da satovi odmah registriraju svaki događaj, bez vremenskog kašnjenja između događaja i njegovog snimanja.
Pravi promatrač, međutim, vidjet će kašnjenje između emisije signala i njegovog otkrivanja zbog brzine svjetlosti. Za sinkronizaciju satova, u redukciji podataka nakon eksperimenta, vrijeme primanja signala bit će ispravljeno tako da odražava njegovo stvarno vrijeme da je snimljeno idealiziranom rešetkom satova.
U mnogim knjigama o posebnoj relativnosti, posebno starijima, riječ “promatrač” koristi se u uobičajenijem smislu riječi. Obično je jasno iz konteksta koje je značenje prihvaćeno.
Fizičari razlikuju ono što neko mjeri i ono šta neko opaža (nakon što je faktorizirao kašnjenje propagacije signala), u odnosu na ono što vizualno vidi bez takvih ispravaka. Nerazumijevanje razlike između onoga što mjeri / promatra u odnosu na ono što se vidi je izvor velike pogreške među početnim studentima relativnosti.
Slika: Dvije neutronske zvijezde se sudaraju; rezultujući gravitacijski talas se prostire brzinom svetlosti. (Kredit: Nacionalna naučna fondacija / LIGO / Državni univerzitet Sonoma / A. Simonne)
Mrtve jezgre dvije zvijezde su se sudarile prije 130 miliona godina u dalekoj galaksiji. Sudar je bio toliko ekstreman da je izazvao bore u prostor-vremenu – gravitacioni talas. Taj gravitacioni talas i svjetlost od zvezdane eksplozije su putovali zajedno u kosmosu. Oni su stigli na Zemlju istovremeno u 6:41 sati istočno 17. avgusta 2017. godine.
Događaj je izazvao naslove širom svijeta kao zoru “multimessenger astronomije”. Astronomi su čekali generaciju za ovaj trenutak. Ali to je bila i prva direktna potvrda da gravitacija putuje brzinom svetlosti.
Brzina gravitacije
Svi znamo da svjetlost pokriva ograničenje brzine – otprilike 300 000 km u sekundi. Ništa ne putuke brže. Ali zašto bi gravitacija putovala istom brzinom?
To pitanje zahteva poznavanje opšte teorije relativitets Alberta Ajnštajna ili teoriju gravitacije – istu teoriju koja je prije 100 godina predvidjala gravitacione talase.
Ajnštajn je odbacio ideju Isaka Newtona o “apsolutnom vremenu”. Njutn je razmišljao o tome kako je vreme išlo na sve strane istovetnim tempom – bez obzira na to kako smo mi smrtnici to shvatili. Bilo je beskrajno. Tim razmišljanjem, jedna sekunda na Zemlji je jedna sekunda u blizini crne rupe (za koju nije znao da postoji).
Njutn je takođe smatrao da gravitacija deluje odmah. Udaljenost nije važna.
Sve je relativno
Ali onda je Ajnštajn pokazao da je vrijeme relativno. To se mijenja brzinom i prisustvom gravitacije. Jedna od posljedica toga je da ne možete imati istovremene akcije na daljinu. Dakle, informacije bilo koje vrste imaju ograničenu brzinu, bilo da je to foton – čestica koja nosi svjetlost – ili graviton, koji nosi silu gravitacije.
U relativnosti postoji ” brzina informacija”- maksimalna brzina kojom možete da šaljete informacije od jedne do druge tačke”, kaže fizičar Univerziteta u Viskonsinu i Milvokiju Jolien Creighton, stručnjak za opću relativnost i član LIGO tima koji je prvi primjetio gravitacione talase.
Creighton objašnjava da u elektromagnetizmu, kada protresete elektron, stvarate promjenu u električnom polju koja se prostire brzinom svjetlosti. Gravitacija radi na isti način. Protresite masu i promenu gravitacionog polja – gravitacioni talas – propagira sa istom brzinom.
“Dakle, činjenica da je brzina gravitacionih talasa jednaka brzini elektromagnetnih talasa je jednostavno zato što oboje putuju brzinom informacija.”, kaže Creighton.
Postoji i lak način da se ovo vidi. Zamislite da je Sunce sada nestalo. Zemlja se ne bi odmah pomjerala u svemir. Poslje osam minuta, Zemlja bi bila mračna i istovremeno se odgurnula po pravoj liniji.
U Opštoj teoriji relativnosti Princip ekvivalentnosti primenjen je na nekoliko povezanih koncepata koji imaju posla sa gravitacijom i uniformnošću merenja izvršenim u fizičkim eksperimentima koji se dešavaju u različitim sistemima referencije. On je u vezi i sa Kopernikovom idejom da zakoni fizike treba da budu isti svuda u svemiru, ali, pre svega, povezan je sa Ajnštajnovim zapažanjem da je gravitacionu silu koju opažamo kada stojimo na nekom masivnom telu (kao što je Zemlja), lokalno posmatrano, nemoguće razlikovati od inercijalne sile koju bi opažao posmatrač u neinercijalnom-ubrzanom sistemu, na primer, u nekoj kabini koja bi bila ubrzana u oblasti prostora koja je daleko od uticaja gravitacionog polja drugih tela. Takođe, ovakva jedna mogućnost u tesnoj je vezi i sa ekvivalentnošću gravitacione i inercijalne mase tela, koja je bila poznata još od ranije, ali bez većeg značaja za fiziku sve do nastanka Ajnštajnove Opšte teorije relativnosti.
Istorija
Poreklo Ajnštajnovog principa ekvivalentnosti, moglo bi se reći, započinje sa Galilejevim čuvenim eksperimentima izvršenim krajem 16. i početkom 17. veka. Ovi eksperimenti pokazali su da je gravitaciono ubrzanje tela nezavisno od njihove mase. Time je bio odbačen Aristotelov koncept po kome teža tela padaju brže od lakših. Definitivan udarac ovom Aristotelovom mišljenju, koje je bilo na snazi oko 20 vekova, zadao je Njutnov zakon opšte gravitacije kojim je postulirano da su inercijalna i gravitaciona masa tela potpuno iste.
Princip ekvivalentnosti na pravi način će uvesti u fiziku, međutim, Albert Ajnštajn, 1907 godine. On je tada izneo zapažanje da je ubrzavanje tela ka centru Zemlje sa ubrzanjem g (g = 9.81 m/s2-ubrzanje Zemljine teže) potpuno ekvivalentno inercijalnom ubrzavanju pokretnog tela koje bi se moglo opaziti kada bi se nalazili u nekoj raketi u slobodnom prostoru, koja se ubrzava takođe sa ubrzanjem g. Ajnštajn to formuliše na sledeći način:
mi […] pretpostavljamo potpunu fizičku ekvivalentnost gravitacionog polja i odgovarajućeg ubrzavanja referentnog sistema. (Ajnštajn, 1907)
Oni koje se bave fizikom trebali bi biti upoznati šta je to teorija svega ili velika teorija svega. Za ostale, to je cilj fizičara da nađu jednu teoriju koja će objasniti sve fizikalne događaje i procese oko nas i koja će moći da predvidi sve ili skoro sve šta će se sljedeće dogoditi. To je bio cilj istraživaća prirode od samog počatka. Od kako je ljudi, bilo je i prijedloga za teoriju svega. U samom početku te ideje su bile jednostavne i dosta njih su bili mitovi. Za svaki događaj u prirodi, svi su imali objašnjenje da je iza svega viša sila ili neko božanstvo. Svakom događaju u prirodi se pridavao magijski mitski uzrok ili izvor. O tim samim početcima objašnjavanja prirodnih događaja, pisati ću drugom prilikom, ali sad želim da se fokurisam na trenutno stanje u fizici, onoliko koliko ga ja razumijem..
Trenutno stanje u fizici je takvo da su kvantna mehanika i teorija relativnosti zamijenile ideje klasične mehanike o prirodi, odnosno nadogradile su ih i upotpunile.
Dok je klasična mehanika tvrdila da živimo u kontinuiranom pretežno samo čestičnom svijetu ili samo valnom, kvantna mehanika je pokazala da se u svijetu malih čestica, atoma ili još manjih, dešavaju neki čudni fenomeni, poput dualnosti materije, odnosno da su čestice poput elektrona, protona i ostalih u isto vrijeme i čestice i valovi, odnosno da ovisno o načinu posmatranja pokazuju i jednu i drugu prirodu. To se posebno vidi kroz eksperiment gdje se skupina elektrona slala kroz dva uska proreza, a iza tih proreza je bilo zaslon gdje su se ti elektroni zaustavljali. Pokazalo se da su se ti elektroni ponašali poput čestica kad ih se posmatralo, a poput valova kad ih se nije posmatralo. Odnosno, kad ih se posmatralo, iza na zaslonu imali smo dva reda otisaka od elektrona baš kao što bi očekivali da se radi o samo česticama, a kad ih se nije posmatralo pokazalo se da su se ponašali poput valova, odnosno na zaslonu iza su se ukazali interferentni redovi koji se javljaju samo kada dva vala nailaze jedan na drugi, a u tom slučaju nemamo samo dva reda otisaka, nego više njih s tim da je onaj u sredini najširi, a svi oni pored simetrično sve manji i manji. Taj eksperiment je ikona kvantne mehanike i postoje mnoge interpretacije istog i fizičari nemaju jedinstveno stajalište u vezi šta znači ta pojava. Kad posmatramo te skupine elektrona, ponašaju se na jedan način, a kad ih ne posmatramo na drugi! Međutim, mi nikad ne posmatramo svijet bez ikakvih očekivanja, ne postoji posmatrač koji ništa ne očekuje, niti postoji posmatrač koji ne filtrira informacije. Mi djelom vidimo ono šta mi jesmo. Kvantna mehanika je upotpunila i nadogradila klasičnu mehaniku i pokazalo se da ona važi i za svijet velikih stvari, samo je valna priroda kod čestica s višom masom slabije izražena, manje su valne dužine u pitanju, pa ih je teško zapaziti, ali ih se da izračunati. Pokazalo se da kad masa čestica teži beskonaćnosti, njihova valna dužina teži kao nuli.
Kad je u pitanju svijet velikih stvari, poput planeta i zvijezda, pokazalo se da i tu mnogo toga nije jasno, pa je Einstein uveo teoriju relativnosti gdje je postulirao da su prostor i vrijeme dio jedne cjeline prostor – vremena. U teoriji relativnosti prostor i vrijeme su jedna cjelina, a gravitacija je posljedica padanja tijela manje mase u prostor sa višom masom koji ga zakrivljuju. Zamislite nako zategnuto široko platno. Ako u njega ubacite neku tešku kuglu, prostor oko njega i ono samo će se zakriviti. To je Einsteinova genijalna ideja i način objašnjavanja pojave gravitacije. Jednostavno jedna masa drugu privlači zato što je prostor oko njih zakrivljen.
Ovo su bili samo dva kratka primjera fenomena, objašnjenja i pojava u kvantnoj mehanici (fizici malih stvari i čestica) i teoriji relativnosti (fizici velikih brzina i masa). Primjetite da govorim o dvije odvojene teorije koje zasebno opisuju svijet vrlo malog i svijet vrlo velikog! Drugim riječima, ne postoji jedinstvena teorija koja objašnjava i jedno i drugo. Ako želite da dobijete Nobelovu nagradu za fiziku i da nadmašite i samog Einsteina, dame i gospodo izmislite ili izvedite kvantnu teoriju gravitacije. Ta bi teorija objedinila kvantnu mehaniku i teoriju relativiteta i objasnila svijet prirodnih pojava jednom jedinstvenom fizikalnom teorijom punom formula, matematičkih izvoda, zakona, principa i teorema koji bi kristalno jasno objasnili svijet. Međutim, za sad to još niko nije uspio da uradi i pokazalo se da oni koji su to pokušali da su došli do nekih ludih rezultata poput pojavljivanja beskonaćnosti kao rezultata svih proračuna. Dakle, rezlutat je paradoks ili kontradikcija, a svaka naučna teorija koja vodi ka kontradikciji se smatra pogrešnom. Postoji više mogućnosti objašnjenja ovog fenomena, a neki od njih su teorija žica prema kojoj elementarne tvari u prirodi nisu ni čestice ni valovi nego žice koje osciluju i te žice su milionima puta manje od najmanjih tvari koje možemo detektovati, pa se ne mogu niti detektovati niti se za sad može zamisliti način na koji bi se mogle detektovati! Dakle, postoji kandidat za teoriju koja bi mogla objediniti kvantnu mehaniku i teoriju relativiteta, ali se ne može eksperimentalno dokazati, a još gore od toga prirodna posljedica takve ideje o prirodi stvarnosti jest da ona predviđa postojanja i više dimenzija i više svemira koji postoje neovisno jedan od drugog, ali ne komuniciraju. Čini se da što dalje idemo autocestom objašnjenja iz fizike stvari postaju sve zamršenije i komplikovanije. Svako bi davno odustao u svom naumu da sve objasni, međutim fizičari ohrabreni dosadašnjim uspjesima u objašnjavanju prirodnih pojava putem fizike i matematike, ne namjeravaju odustati. I ja sam jedan od onih koji želi ići do kraja, ako ima kraj.., tj. ne želim se zaustaviti dok mi stvarnosti i pojave u prirodi ne budu u potpunosti jasne.
Ipak, nisu samo fizičari zainteresovani za potpuno razumjevanja prirode stvarnosti. Ovim pitanjima se bave i filozofi, teolozi kao i mnogi laici (laik je neko ko ne zna ništa ili zna skroz malo o datoj oblasti). Svi žele objašnjenje svega. Međutim, niko pred objašnjenje ne dolazi bez očekivanja, odnosno svako želi objašnjenje u određenom obliku. U tom smislu postoje najmanje tri tabora ljudi. Postoje ljudi koji žele matamatičko i logičko objašnjenje svega šta ih okružuje, zatim postoje oni koji žele objašnjenje koje im odgovara, koje će im životima dati smisao, bez obzira da li je to objašnjenje bazirano na logici ili ne. Postoji i treća grupa, to su oni koji žele i jedno i drugo, nekakav dublji ljudski smisao i matematičko-logičko objašnjenje. Ja pripadam ovoj trećoj skupini. Nekako, ne bih bio iskren kad bih rekao da me zanima objašnjenje Svemira i prirode koje mi neće dati nadu da je život nešto više od samo mehaničkih i fizičkih procesa.
Dakle, razlikujemo se prema našim očekivanjima, a s obzirom na naša očekivanja razlikujemo se i na osnovu toga šta smo spremni prihvatiti kao objašnjenje. Kad dobijete skup mjerenja koja šute, a vi za njih govorite, vi ih interpretirate, onda u vašoj interpretaciji uvijek ima i nekih vaših želja, misli i nadanja.
Pored stručnjaka koji se drže logike i matematike koliko god mogu u svojim objašnjenjima, postoje kao što rekoh i laici koji imaju i svoje teorije prema kojima objašnjavaju svijet koji ih okružuje. Ti laici, daju neke svoje teorije u kojima daju objašnjenja višeg tipa onog šta opažaju u prirodi. Objašnjenje višeg tipa je po meni, kad kažete da se auto kreće od A do B zato što je vozač odlučio da posjeti lokalnu prodavnicu koja se nalazi u tački B i da tako napusti tačku A, odnosno onu tačku gdje se nalazi. Objašnjenje nižeg tipa je da se objasni rad motora i kretanje guma koje je dovelo do pomjeranja auta od tačke A do tačke B. Uzmite u obzir da je moje nazivanje jednog objašnjenja nižim tipom, a drugog višim, proizvoljno, vi to slobodno možete obrnuti. Poenta je da sve što sa dešava možete objasniti s aspekta svrhe ili značenja za onog ko to posmatra ili ko tim upravlja, ili možete objašnjavati na način da objašnjavate unutrašnje mehanizme dešavanja koji nemaju nužno veze sa onim zašto. Drugim riječima, postoje objašnjenja tipa KAKO i objašnjenja tipa ZAŠTO. Postoji i treći način objašnjenja, a to je onaj ŠTA. U objašnjenju tipa ŠTA, tj. onom koje odgovara na pitanje šta se dešava, šta se sve tu nalazi, isl. sve je statično i oslobođeno nekog smisla ili veze. Stvari jednostavno jesu, a mi smo ti koji tim stvarim dajemo smisao i mi smo ti koji doživljavamo njihovo kretanje, njihovu promjenu. Pitanja KAKO i pitanje ZAŠTO idu zajedno, dok je pitanje ŠTA pitanje za sebe. Mislim da je priroda objektvine stvarnosti onakva da odgovara samo na pitanje ŠTA, sve drugo je subjektivna interpretacija. Npr. kad gledamo neki film, nama je dovoljno da se svake sekunde 24 slike pred našim očima promjenu i onda mi to doživljavamo kao kretanje. Dakle, ja pretpostavljam da je svijet oko nas svijet statičnih pojava, a da je kretanje nešto šta mi doživljavamo, a samim time takvo je i vrijeme. Tek kad imamo kretanje, onda i pitanje ZAŠTO ima smisla. Jer kad se nešto kreće, možemo pitati zašto se kreće, zašto se kreće na način na koji se kreće, gdje ide, kojom brzinom, kad će stati itd. ZAŠTO i KAKO su ono šta mi namećemo stvarnosti koda ju posmatramo, a na osnovu toga kako postavljamo ta pitanja ZAŠTO i KAKO ono ŠTA će nam se pokazati na jedan ili drugi način. Mislim da u fizici sve osim možda statike odgovara na pitanja ZAŠTO i KAKO, a da fizika u srži izostavlja pitanje ŠTA, odnosno ne posmatra fenomenološki u dovoljnoj mjeri samu prirodu onog šta opisuje i posmatra.
Na osnovu mnogih teorija i hipoteza za koje sam čuo koje su kandidati za teoriju svega, mislim da je svijet oko nas u srži poput crne kutije. Crna kutija je zatvorena kutija čiji sadržaj ne znamo, ali možemo nešto zaključiti o njemu samo na osnovu naših ulaznih paramatera u istu i onog šta dobijemo kao izlaz.
Npr. ako isključite struju vašem računaru i izvadite mu bateriju, on će se ugasiti, pa na taj način bez otvaranja istog možete zaključiti da njegov rad zavisi od dotoka struje. Odnosno, možete zaključiti da nešto u njemu treba struju. Možete i neke druge zaključke izvesti, kao npr. da vaša struja treba računar da bi davala neki efekat. Ako bi ste dolazili iz kamenog doba i prvi put se susretali sa strujom i računarima, vaš prvi intuitivni odgovor da nešto u računaru radi na struju možda vam i ne bi naumpao prvi, možda bi ste izveli more drugih zaključaka, poput da neko božanstvo na nebu ne da računaru da radi kad nije spojen na kabal sa strujom. U svakom slučaju, primjetite da ste vi ti koji ispitujući ponašanje vašeg računara, naše “crne kutije”, određujete šta će vam biti ulazni parametar i da na osnovu toga ćete dobiti određenu izlaznu pojavu ili parametar, a tek kad ste i jedno i drugo uradili, vi ste ti koji donose zaključke kao odgovore na pitanja šta, kako i zašto. Čini se da smo u našim teorijama kojima opisujemo svijet i prirodu oko nas, mi glavne uloge, a da je tamo van svijet i priroda koja šuti, koja je kad na malo bolji način pogledamo čini se više statična, a da smo mi ti koji ju doživljavamo kao nešto šta se kreće i na osnovu toga radi na ovaj ili onaj način.
Sad, ako se računar ili bilo koja crna kutija ponašaju na razne načine, onda možemo zaključiti da su najvjerojatnije od raznih stvari i sastavljene, odnosno da su sastavljene od nećeg šta se može ponašati na razne načine u ovisnosti od toga kako to posmatramo.
Ako je ovo prvo istinito, onda je moguće da je svemir sastavljen na neki čudan način od raznih stvari, koje su iste samo u našem umu i različite samo u našem umu, ovisno od ugla gledanja. Ako je ovo drugo, što je veoma slično onom prvom, onda je sve u prirodi oko nas u srži jedna stvar, ali se ponaša na razne načine u ovisnosti ko ju i kako posmatra. U prvom slučaju priroda je ta koja je sastavljana od više raznih stvari i na više raznih načina, a mi vidimo samo onu koju gledamo, u drugom slučaju sa hologramima, priroda je ono šta je u srži jedna stvar koja nam se pokazuje na razne načine, pa su promjene i raznolikosti samo iluzija. Dakle, postoje samo dvije opcije, ili je priroda u srži izgrađena na više načina i od više stvari ili tvari (pa su razne teorije svega u isto vrijeme simultano sve i tačne i pogrešne) ili je sve hologram sastavljen od samo jedne stvari, a sve promjene su iluzuja stvorena u našim umovima. Jedno ili drugo ili možda oboje? Da li bi moglo biti oboje pisati ću neki drugi put, a za sad ću samo da rezimiram moje hipoteze o velikoj teoriji svega:
Priroda i sve u njoj je poput crne kutije, ne znamo šta je u njoj, ne znamo odgovor na pitanje ŠTA, ali znamo kako se ponaša u raznim situacijama koje mi stvaramo, pa možemo prije odgovoriti KAKO i ZAŠTO, nego ŠTA.
Razne teorije svega bi mogle biti simultano tačne ako je realnost izgrađena na više načina koji paraleno svi daju istu stvar. Kao npr. kiša koja pada, može biti napravljena na vještački način, a može biti i da je uzrok njenoj pojavi Sunce koje zagrijava okeane, stvara oblake iz kojih se onda kapljice stvaraju ili postoji jako mnogo drugi načina koji su svi kompatibilni i ne vidim razlog zašto bi samo jedan bio iza svega, ne mora biti. Ako priroda nije izgrađena na više načina, onda su više načina i više tvari samo iluzija koja se stvara kad opažamo prirodu koja je u biti hologram.
Kako se čini da Svemir stvarno jest crna kutija, nikad nećemo moći znati 100% šta je u njoj, koje su najelementarnije čestice, da li je to u njoj hologram ili je sastavljeno na više načina i od više tvari. Dakle, moja hipoteza je da konačna teorija svega u ovakvoj konfiguraciji stvarnosti nikad neće biti otkrivena. Moramo prihvatiti naša ograničenja. Najviše što možda možemo jest odgovoriti na pitanje da li se radi o hologramu i iluziji ili se radi o simultanoj konfiguraciji na više načina i od više tvari.
Ako uspijemo sažeti svu fiziku u jednu formulu, onda će ta formula najvjerojatnije na jednoj strani imati nas svjesne posmatrače, a na drugoj sve ostalo u Svemiru ili će na nekoj od strana uključivati i nekog više svjesnog posmatrača, neku inteligenciju, a vi zaključite ko bi to mogao biti.
Ne mislim da su sve teorije koje opisuju svemir ni u kojem scenariju jednako ispravne, ali u scenariju koji nije hologram više teorija su u isto vrijeme ispravne, a sa svakom teorijom postoji i njen brat blizanac ili više njih koji je bolji ili lošiji od nje, pa imamo više razina stvarnosti, jedna je čisto materijalna (gdje važi fizikalizam, sve je fizikalno), druga je čisto informaciona (sve je informacija, tu važi idealizam), treća je teorija električnog svemira (koja objašnjava ili nastoji objasniti sve pojave u fizici na osnovu elektriciteta), itd. U mojoj hipotezi o teoriji svega, svi bi scenariji mogli biti ispravni u ovisnosti od načina i ugla gledanja, a nikad nećemo saznati jesmo li u pravu ili nismo jer je sistem jednostavno tako napravljen, ne možete ući u tamnu kutiju i živi se vratiti iz nje. Opcije su jasne, ili život i sigurno neznanje ili kraj života i možda otkriće o tome šta je unutra crne kutije stvarnosti. Zasad, meni je ova prva opcija bolja i zanimljivija.
Gravitacijski valovi naizmjenično sabijaju i rastežu prostor kroz koji prolaze.
Ogib ili difrakcija elektrona je pokazala da se elektroni ponašaju i kao čestice i kao valovi (dualizam).
Pokus visoke točnosti iz opće teorija relativnosti sa svemirskom letjelicom Cassini-Huygens (umjetničko viđenje): radio signal poslan s letjelice prema Zemlji (zeleni val) kasni zbog zakrivljenosti kontinuuma prostor–vrijeme (plave crte) koje nastaje zbog Sunčeve mase.
Signal viđen s LIGO detektorima u Livingstonu (Louisiana) i Hanfordu (Washington), u usporedbi s teoretski predviđenim vrijednostima.
Gravitacijski valovi ili gravitacijsko zračenje je poremećaj gravitacijskog polja, širi se poput valova. Javlja se kod ubrzanja masa: eksplozija supernovih, obilaženja zvijezda u bliskome dvojnom sustavu i slično. Kod nekih dvojnih zvijezda utvrđeno je da smanjenje ukupne orbitalne energije odgovara energiji koju odnose valovi.
Od četiriju poznatih osnovnih sila u prirodi, gravitacija je najslabija pa je u području atoma i molekula potpuno zanemariva prema elektromagnetskim i nuklearnim silama. U svemirskim veličinama, gdje međusobno djeluju velike nakupine masa, međuzvjezdani plinovi, zvijezde, galaktike, gravitacija igra važnu ulogu. Astronomska otkrića pulsara i kvazara i teorije o razvoju zvijezda stavljaju teoriju gravitacije pred nove probleme, kao što su pitanje stalnosti gravitacijske konstante tijekom vremena, mehanizam gravitacijskoga kolapsa koji uzrokuje energetsku degeneraciju zvijezda. Kod gravitacijskoga kolapsa, sile zvjezdane gravitacije posve nadjačaju sile tlaka elektromagnetskog zračenja i zvijezda se sve više komprimira. Nakon porasta gravitacije iznad neke veličine, zvijezda postane za promatrača nevidljiva (crna rupa), jer kvanti zračenja više ne mogu napustiti zvijezdu. Za objašnjenje tih pojava može se pokazati nužnim da se u gravitacijskoj teoriji provede kvantizacija (kvantna mehanika). Energija gravitacijskoga polja bila bi kvantizirana i širila bi se kroz polje u gravitacijskim valovima. Kvant gravitacijskoga polja zove se graviton.
Graviton
Graviton (prema gravitacija), kvant gravitacijskog polja, prijenosnik temeljne gravitacijske sile. To je čestica s masom mirovanja jednakom nuli i nultim nabojem, bozon sa spinom 2h, a pripadno je polje tenzorsko. Graviton bi trebao biti kvant gravitacijskih valova, što ih je kao mreškanje (promjene) prostor-vremena koje se širi brzinom svjetlosti. Einstein predvidio već 1916. U supersimetričnim minimalnim proširenjima standardnoga modela (fizika elementarnih čestica), čestice cjelobrojnoga spina dobivaju partner-česticu polucijeloga spina. Tako bi gravitonu spina 2h odgovarao gravitino polucijeloga spina 3h/2.
Dualizam
Dualizam (novolatinski dualismus, prema latinskom dualis: dvojan, dvostruk), u fizici, je fizikalno svojstvo elektromagnetskog zračenja (foton) i osnovnih čestica tvari da pokazuju i valna i čestična svojstva, ovisno o okolnostima. Kada se elektromagnetsko zračenje širi prostorom, javljaju se ogib (difrakcija) i interferencija, što je dokaz da ima valna svojstva. Kada elektromagnetsko zračenje međudjeluje s elektronima iz tvari pri fotoelektričnom učinku, ono se ponaša poput roja sićušnih nedjeljivih čestica, grudica energije koje se zovu fotoni. Dakle, u jednim okolnostima (međudjelovanje s elektronima u metalu) elektromagnetsko zračenje ponaša se kao roj čestica, a u drugim okolnostima (širenje prostorom) kao val. Louis de Broglie iznio je 1923. hipotezu da se analogno tomu ponašaju i čestice tvari, kao na primjer elektroni. Snop elektrona pri međudjelovanju s tvari na koju nalijeće ponaša se kao roj čestica, ali kada se taj snop širi prostorom, on pokazuje valna svojstva. Poslije je pokusima dokazano da se za snop elektrona dobivaju pojave ogiba i interferencije, to jest da pri širenju zaista pokazuje valna svojstva. Zato se u kvantnoj fizici česticama pridružuju matematičke funkcije (valne funkcije), koje su rješenja određene valne jednadžbe (Schrödingerova jednadžba).
Einsteinova teorija gravitacije
Einsteinova teorija gravitacije prelazi u prvom približenju (aproksimaciji) u klasičnu teoriju, a kako su posljedice teorije relativnosti vrlo malene, to je pokusom teško dokazati njezinu ispravnost. Dosadašnji eksperimentalno dobiveni podatci, kao npr. oni o odstupanju stvarne putanje Merkura oko Sunca od putanje koju daje klasična teorija, ili pak oni o savijanju zraka svjetlosti u gravitacijskom polju Sunca (pomak prema crvenomu dijelu spektra), u skladu su s Einsteinovom teorijom gravitacije. Iako je ta teorija gravitacije skladna, ona je ipak složena, pa je bilo više pokušaja da se nađu jednostavniji principi na kojima bi se mogla izgraditi teorija gravitacije. Najviše uspjeha postigli su George David Birkhoff i Edward Arthur Milne. U novije doba također se mnogo radi na tzv. unificiranoj teoriji polja, kojoj je i Einstein posvetio dugi niz godina istraživanja. Ta teorija trebala bi istim jednadžbama obuhvatiti i gravitacijsko i elektromagnetsko polje. Dosadašnji pokušaji još nisu dali potpuno zadovoljavajuće rezultate.
Otkriće gravitacijskih valova
Dne 11. veljače 2016. znanstvenci okupljeni oko projekta LIGO (eng. The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory’) objavili su da su otkrili su do danas neotkrivene gravitacijske valove. Prvo su zapazili 14. rujna 2015. par crnih rupa udaljenih 1,3 milijarde svjetlosnih godina, od koji je jedna imala masu veličine 29 Sunčevih masa (Sunce ima masu oko 2 ∙ 1030 kilograma), a druga 36 Sunčevih masa, raspoređenih na malenoj površini od nekoliko desetaka kilometara. One su prvo kružile jedna oko druge da bi se konačno stopile u jednu (znači ukupna masa je bila 65 Sunčevih masa). To je ujedno i prvi put da je potvrđeno postojanje dvojnog sustava crnih rupa. Energija koja se stvorila tim spajanjem bila oko 50 puta veća od energija svih zvijezda koje se nalaze u vidljivom dijelu svemira. Signal se rasprostirao na frekvenciji od 35 do 250 Hz. Masa novostvorene crne rupe je oko 62 Sunčeve mase, a energija od 3 Sunčeve mase se rasprostirala svemirom u obliku gravitacijskih valova. Signal je bio viđen s LIGO detektorima u Livingstonu (Louisiana) i Hanfordu (Washington), koji su udaljeni oko 3 000 kilometara, s razlikom od 0,007 sekundi zbog različitih kuteva između detektora i izvora. Signal je došao iz južne strane nebeske sfere, otprilike iz smjera Magellanovih oblaka (dvije galaktike, Veliki Magellanov oblak i Mali Magellanov oblak). Razina pouzdanosti da su viđeni signali gravitacijski valovi je 99,99994 %.
