KARA DELİK SAVAŞI

 

STEVEN HAWKING İLE KUANTUM MEKANİĞİ İÇİN GÜVENLİ BİR DÜNYA İÇİN

KARA DELİK SAVAŞI

DÜNYAYI KUANTUM MEKANİĞİ İÇİN GÜVENLİ HALE GETİRMEK İÇİN STEPHEN HAWKING İLE SAVAŞIM

LEONARD SUSSKIND

Susskind L.

Kara delik savaşı. Kuantum mekaniği için güvenli bir dünya için Stephen Hawking ile savaşım. - St.Petersburg: Peter, 2013. - 448 s.

Bir nesne kara deliğe düştüğünde ne olur? İz bırakmadan kayboluyor mu? Yaklaşık otuz yıl önce, kara delik fenomeninin önde gelen araştırmacılarından biri olan, şimdilerde ünlü olan İngiliz fizikçi Stephen Hawking, olanın tam olarak bu olduğunu belirtmişti. Ancak böyle bir cevabın fizik ve evrenin temel yasaları hakkında bildiğimiz her şeyi tehdit ettiği ortaya çıktı. Bu kitabın yazarı, seçkin Amerikalı fizikçi Leonard Susskind, Stephen Hawking ile uzun yıllar kara deliklerin doğası hakkında tartıştı, ta ki nihayet 2004'te hatasını kabul edene kadar.

Zekice ve okuması son derece kolay olan bu kitap, fizikçilerin gerçekliğin doğasına bakışını kökten değiştiren bu onlarca yıllık bilimsel tartışmanın ilgi çekici öyküsünü anlatıyor. Yeni paradigma, dünyamızdaki her şeyin - bu kitap, eviniz, kendiniz - evrenin kenarlarından yansıtılan bir tür hologram olduğu şeklindeki çarpıcı sonuca götürdü.

İçindekiler

Giriş 8

Bölüm I. Yaklaşan fırtına 19

1. İlk Thunder 20

2. Karanlık Yıldız 28

3. Nededovskaya geometrisi 52

4. ""Einstein, Tanrı'ya ne yapacağını söyleme" 79

5. Planck geliştirilmiş bir referans ölçeği icat etti 114

6. 120 Broadway Bar'da

7. Enerji ve entropi 129

8. Wheeler çocukları veya Bir kara deliğe ne kadar bilgi itilebilir? 146

9. Siyah ışık 159

Bölüm II. Sürpriz Saldırı 177

10. Steven nasıl yenildi ve onları nerede bulacağını bilemedi... 178

I. Danimarka direnişi 192

12. Kimin umurunda? 199

13. Çıkmaz 210

14. Aspen 223'te Dövüş

Bölüm III. karşı saldırı 229

15. Santa Barbara Savaşı 230

16. Bekle! Eski üretici yazılımını geri getirin 262

17. Cambridge 268'deki Ahab

18. Bir hologram olarak dünya 287

Kısım IV. Halka kapanır 303

19. Kitle ikna silahları 304

20. Alice'in Uçağı veya Son Görünen Pervane .... 351

21. Kara deliklerin hesaplanması 362

22. Güney Amerika savaşı 391 kazandı

23. Nükleer fizik? Şaka mı yapıyorsun! 416

24. Alçakgönüllülük 427

Sonsöz 436

Sözlük 442

Bu denklemlere hayat veren ve tanımlayabilecekleri evreni yaratan nedir?

- Stephen Hawking

giriş

Grok için çok fazla ve neredeyse sıfırdan başlamak zorunda kaldı.

-Robert Heinlein. Yabancılar diyarında yabancı

Doğu Afrika savanlarında bir yerde, orta yaşlı bir dişi aslan akşam yemeğinin peşine düşer. Yaşlılığın yavaş avını tercih ederdi, ama orada olan tek şey genç, hareketli bir antilop. Bir saldırı beklentisiyle çevredeki tüm alanı gözlem altında tutmak için kurbanın dikkatli gözleri ideal olarak başının yanlarına yerleştirilmiştir. Bir avcının gözleri ise dümdüz ileriye bakar, ava odaklanır ve mesafeyi tahmin eder.

Bu sefer antilopun "geniş açılı tarayıcıları" fırlatma mesafesine giren bir avcıyı ıskaladı. Dişi aslanın güçlü arka ayakları onu korkmuş ava doğru iter. Sonsuz kovalamaca yeniden başlar.

Yılların yüküne rağmen, büyük kedi mükemmel bir kısa mesafe koşucusudur. İlk başta boşluk azalır, ancak ani hareketlerden dişi aslanın güçlü kasları oksijen açlığı yaşar ve yavaş yavaş zayıflar. Kısa süre sonra antilopun doğal dayanıklılığı kazanır: Bir noktada kedinin ve avının göreli hızı yön değiştirir, daha önce küçülen gecikme artmaya başlar. Dişi aslan, servetinin kendisine ihanet ettiğini hisseder, Majesteleri yenilgiyi kabul eder ve çalıların arasındaki pusuya geri döner.

Elli bin yıl önce, yorgun bir avcı bir mağaranın taşlarla dolu bir girişini bulur. Ağır bir engeli hareket ettirirseniz , dinlenmek için güvenli bir yer elde edersiniz. Avcı, maymunsu atalarının aksine dik durur. Ancak bu pozisyonda, başarısız bir şekilde kayayı iter. Daha uygun bir açı seçerek bacaklarını daha uzağa koyar. Vücudunun pozisyonu ne zaman

neredeyse yatay, uygulanan kuvvetin ana bileşeni istenen yönde hareket etmeye başlar. Taş hareket ediyor.

Mesafe? Hız? İşaret değişikliği? Köşe? Güç? bileşen? Bırakın bir kediyi, bir avcının beyninde hangi inanılmaz karmaşık hesaplar dönüyor? Bu teknik kavramlar genellikle lise fizik ders kitaplarında bulunur. Kedi sadece avın hızını değil, daha da önemlisi bağıl hızı ölçmeyi nereden öğrendi? Avcı kuvvet kavramını anlamak için fizik dersi mi aldı? Ve bileşenleri hesaplamak için sinüsleri ve kosinüsleri kullanmak için daha fazla trigonometri?

Gerçek şu ki, elbette, tüm karmaşık yaşam formları, evrimle sinir sistemlerine sıkı sıkıya bağlı olan yerleşik içgüdüsel fizik kavramlarına sahiptir.' Bu önceden yüklenmiş fiziksel "yazılım" olmadan hayatta kalmak imkansız olurdu. Mutasyonlar ve doğal seçilim hepimizi fizikçi, hatta hayvan bile yaptı. İnsan beyninin büyük boyutu, bu içgüdülerin bilinçli olarak işlediğimiz kavramlara dönüşmesine izin verdi.

kendiliğinden yanıp sönen

Aslında hepimiz klasik " fizikçileriz. Kuvveti, hızı ve ivmeyi "içine atıyoruz". Robert Heinlein bilim kurgu romanı "Alien in Alien Land"de (1961) "grok" kelimesini bu derinden sezgisel, neredeyse ifade etmek için icat etti. fizyolojik fenomenleri anlama Kuvvet, hız ve ivme oynarım 3 boyutlu uzay oynarım

Bunlardan hangisinin en başından “dikildiğini” ve hayatın erken döneminde neyin ustalaştığını kimse gerçekten bilmiyor, ancak bu fark burada temel değil. Mesele şu ki, sinir sistemi olgunlaştığında, ister bireysel ister evrimsel kaynaklı olsun, deneyim bize fiziksel dünyanın nasıl davrandığına dair kapsamlı içgüdüsel bilgi verir. Bu deneyim "süpürüldü " veya çok genç yaşta öğrenildi - onu kaybetmek çok zor.

"Klasik" kelimesi, kuantum mekaniğinin dikkate alınmasını gerektirmeyen fiziği ifade eder.

Grok (İngilizce, togrofc) - bir şeyi kapsamlı ve sezgisel olarak anlamak. saat ve sayı 5 • . Bir taşın ya da bir okun yörüngesi, homurdanmaya elverişlidir. Ama standart yerleşik grokerim, onu on boyutlu uzay-zamana veya IO 1000 sayısına veya daha kötüsü elektronların dünyasına ve Heisenberg'in belirsizlik ilkesine uygulamaya çalıştığımda bozuluyor.

20. yüzyılın gelişiyle birlikte sezgilerimiz muazzam bir kazaya uğradı; fizik birdenbire kendisini tamamen yabancı fenomenler karşısında şaşkına dönmüş halde buldu. Albert Michelson ve Edward Morley, Dünya'nın varsayımsal eter aracılığıyla yörünge hareketinin kaydedilemeyeceğini keşfettiklerinde, baba tarafından büyükbabam zaten on yaşındaydı.' Elektron, büyükbabam yirmili yaşlarındayken keşfedildi; otuz yaşına geldiğinde Albert Einstein'ın özel görelilik kuramı yayınlandı ve orta yaş eşiğini geçince Heisenberg belirsizlik ilkesini keşfetti. Evrimsel baskının, alışık olduğumuzdan kökten farklı dünyalara dair sezgisel bir anlayışın gelişmesine hiçbir şekilde yol açması mümkün değildir. Ancak sinir sistemimizdeki bir şeyin, en azından bazılarımız için, fantastik bir yeniden bağlantıya hazır olduğu ortaya çıktı; bu, yalnızca belirsiz fenomenlerle ilgilenmeye değil, aynı zamanda bunları açıklamak ve manipüle etmek için bazen tamamen mantıksız olan matematiksel soyutlamalar yaratmaya da izin verdi. fenomenler.

İlkinin hızı, ışığın kendisine rakip olan muazzam bir hız olan yanıp sönme ihtiyacına neden oldu. Yirminci yüzyıldan önce hiçbir hayvan saatte yüz milden (160 km / s) daha hızlı hareket etmedi ve bugünün standartlarına göre bile ışık hızı o kadar büyük ki, bilim adamları dışında herkes için hiç hareket etmiyor gibi görünüyor, ama açıldığında anında görünür . Eski insanlar, ışık hızı gibi ultra yüksek hızlarda çalışmak için aygıt yazılımına ihtiyaç duymuyorlardı.

Aniden hız sorusunda yanıp sönme meydana geldi. Einstein bir mutant değildi; tam bir bilinmezlik içinde on yıl,

Ünlü Michelson-Morley deneyi, ışık hızının Dünya'nın hareketine bağlı olmadığını gösteren ilk deneydi. Bu, sonunda Einstein tarafından özel görelilik teorisinde çözülen paradokslara yol açtı.

eski Newton sabit yazılımını değiştirmek için mücadele etti. Ancak o zamanın fizikçilerine, aralarında dünyayı üç boyutlu bir uzay olarak değil, dört boyutlu bir uzay-zaman olarak görebilen yeni bir insan tipinin aniden ortaya çıktığı görünmüş olmalı .

Sonra Einstein, özel görelilik dediği şeyi Newton'un yerçekimi teorisiyle birleştirmek için, bu kez tüm fizikçilerin gözü önünde on yıl daha savaştı. Bu çabaların sonucu, geometri hakkındaki tüm geleneksel fikirlerimizi derinden değiştiren genel görelilik teorisi oldu. Uzay-zaman, bükülüp katlanabilen plastik hale geldi. Maddenin varlığına, yük altında sarkan bir lastik levha gibi tepki verir. Önceden, uzay-zaman pasifti, geometrik özellikleri değişmemişti. Genel görelilikte, uzay-zaman aktif bir oyuncu haline gelir: gezegenler ve yıldızlar gibi büyük nesneler tarafından deforme edilebilir, ancak karmaşık ek matematik olmadan bunu hayal etmek imkansızdır.

1900'de, Einstein'ın sahneye çıkmasından beş yıl önce, ışığın fotonlar veya bazen ışık kuantumları denilen parçacıklardan oluştuğunun keşfedilmesiyle daha da şaşırtıcı başka bir paradigma değişimi başladı. Işığın foton* teorisi, yaklaşan devrimin yalnızca bir habercisiydi; bu yoldaki zihinsel alıştırmaların, daha önce karşılaşılan her şeyden çok daha soyut olduğu ortaya çıktı. Kuantum mekaniği, yeni bir doğa kanunundan daha fazlasıdır. Klasik mantığın, yani aklı başında her insanın muhakemede kullandığı alışılagelmiş düşünce kurallarının değişmesine neden oldu. Deli gibi görünüyordu. Ama çılgın olsun ya da olmasın, fizikçiler kuantum adı verilen yeni mantığa göre kendilerini yeniden ateşleyebildiler . 4. Bölümde, kuantum mekaniği hakkında bilmeniz gereken her şeyi açıklayacağım. Kafanız karışmaya hazırlanın. Herkesin başına gelir.

"Foton" terimi, kimyager Pilbert Lyois tarafından tanıtıldığı 1926 yılına kadar kullanılmadı.

Görelilik ve kuantum mekaniği en başından beri birbirlerinden hoşlanmadılar. Onlarla zorla "evlenme" girişimlerinin feci sonuçları oldu - fizikçiler tarafından sorulan her soru için matematik korkunç sonsuzluklar verdi. Kuantum mekaniği ile özel göreliliği uzlaştırmak yarım asır sürdü ama sonunda matematiksel uyumsuzluklar ortadan kalktı. 1950'lerin başlarında, Richard Feynman, Julian Schwinger, Shin'ichirō Tomonaga ve Freeman Dyson, kuantum alan teorisi olarak bilinen özel görelilik ve kuantum mekaniğinin birleştirilmesi için zemin hazırladı. Bununla birlikte, genel görelilik kuramı (Einstein'ın özel görelilik kuramını Newton'un yerçekimi kuramıyla sentezi) ve kuantum mekaniği uzlaşmaz kaldı ve bariz bir şekilde barışı sağlama çabalarının eksikliğinden değil. Feynman, Steven Weinberg, Bryce De Witt ve John Wheeler, Einstein'ın denklemlerini kuantize etmeye çalıştılar, ancak hepsi matematiksel saçmalıkla sonuçlandı. Belki de bu şaşırtıcı değildi. Kuantum mekaniği çok hafif nesnelerin dünyasına hükmediyordu. Yerçekimi ise tersine, yalnızca çok ağır madde birikimleri için önemli görünüyordu. Görünüşe göre kuantum mekaniğinin esas olması için yeterince hafif hiçbir şey yoktu ve aynı zamanda yerçekiminin hesaba katılması için yeterince ağır hiçbir şey yoktu. Sonuç olarak, yirminci yüzyılın ikinci yarısında birçok fizikçi, böylesine birleşik bir teori arayışını, yalnızca çılgın bilim adamları ve filozoflara uygun, beyhude bir çaba olarak gördü.

Ancak diğerleri bu görüşü dar görüşlü olarak değerlendirdi. Onlar için, iki uyumsuz, hatta çelişkili doğa tanımı düşüncesi entelektüel olarak dayanılmazdı. Maddenin en küçük yapı taşlarının özelliklerini belirlemede yerçekiminin neredeyse kesinlikle önemli bir rol oynadığına inanıyorlardı . Tek sorun, fiziğin henüz bunların dibine inmemiş olmasıdır. Ve aslında haklı çıktılar: Mesafelerin çok fazla olduğu dünyanın temeline yaklaştıkça.

1965 yılında Feynman, Schwinger ve Tomonaga çalışmalarından dolayı Nobel Ödülü aldılar. Ancak kuantum alan teorisinin modern anlayışını diğer herkese olduğu kadar Dyson'a da borçluyuz.

doğrudan gözlem için küçük, en küçük nesneler yerçekimi yoluyla birbirlerini güçlü bir şekilde etkiler.

Bugün, yerçekimi ve kuantum mekaniğinin, temel parçacıkların davranış yasalarını belirlemede eşit derecede önemli roller oynayacağı yaygın olarak kabul edilmektedir. Ancak doğanın temel yapı taşlarının boyutları hayal edilemeyecek kadar küçüktür ki, anlayışlarının yeniden fikirlerimizi kökten yeniden yapılandırmasını gerektirmesi kimseyi şaşırtmayacaktır. Yeni şema, her ne olursa olsun, kuantum yerçekimi olarak adlandırılacak. İnceliklerini bilmeden bile, yeni paradigmanın çok alışılmadık uzay ve zaman kavramlarını kullanacağını güvenle söyleyebiliriz. Uzaydaki noktaların ve zamanın anlarının nesnel gerçekliği fikri, eşzamanlılık, 'determinizm' ve dodo kuşundan sonra yokluğa girerek yok olur. Kuantum yerçekimi, hayal edebileceğimizden çok daha öznel bir gerçekliği tanımlar. 18. Bölüm'de göreceğimiz gibi, bu, birçok yönden bir hologramın sağladığı hayaletimsi 3B yanılsamasına benzeyen bir gerçekliktir.

Teorik fizikçiler, bu "yabancılar diyarında" güvenilir bir yer bulmaya çalışıyorlar. Geçmişte olduğu gibi, düşünce deneyleri temel ilkeler arasındaki paradoksları ve çatışmaları ortaya çıkarır. Bu kitap, tek bir düşünce deneyi etrafındaki entelektüel savaş hakkındadır. 1976'da Stephen Hawking, bir kara deliğe bir parça bilgi - bir kitap, bir bilgisayar, hatta en basit parçacık - atmayı düşündü. Hawking, kara deliklerin onarılamaz tuzaklar olduğuna ve dış dünya için bilginin düşen kısmının geri döndürülemez bir şekilde kaybolacağına inanıyordu. Bu görünüşte masum olan sonuç, göründüğü kadar zararsız olmaktan çok uzaktır.

1905'in görecelik devrimi, iki olayın nesnel olarak eşzamanlı olabileceği fikrini ilk reddedenlerden biriydi.

Determinizm, geleceğin tamamen geçmiş tarafından belirlendiği ilkesidir. Kuantum mekaniğine göre, fizik yasaları doğası gereği istatistikseldir ve hiçbir şey tam bir kesinlikle tahmin edilemez.

Xia: modern fiziğin tüm görkemli yapısını baltalayabilir ve devirebilir. Bir tür korkunç başarısızlık oldu: sabah, doğanın en temel yasası olduğu ortaya çıktı - bilginin korunması yasası. Olayları takip edenler için açıktı: Ya Hawking yanılmıştı ya da fiziğin 300 yıllık kalesi düşecekti.

Ama ilk başta çok az insan buna dikkat etti. Neredeyse yirmi yıl boyunca, tartışma neredeyse fark edilmedi. Hollandalı büyük fizikçi Gerard t Hooft ile birlikte, entelektüel cephenin aynı tarafında savaşan koca bir orduyduk. Küçük bir rölativist ordusuyla Stephen Hawking diğer taraftaydı. 1990'ların başlarına kadar çoğu teorik fizikçi, özellikle sicim kuramcıları, Hawking'in iddiasının oluşturduğu tehdide tepki göstermedi ve daha sonra çoğu, onun vardığı sonuçların hatalı olduğunu düşündü. Her durumda, şimdiye kadar hatalı.

Kara deliğin savaşı, siyasi manipülatörler tarafından saf insanları kandırmak için uydurulan yanlış argümanların gerçek bilimsel anlaşmazlıkları tamamen yansıtmadığı "akıllı tasarım" veya küresel ısınma gerçeği hakkındaki sözde tartışmalardan oldukça farklı olarak gerçek bir bilimsel tartışmaydı. Aksine, kara delikler hakkındaki tartışma gerçekti. Seçkin teorik fizikçiler, hangi fiziksel ilkelere güvenip hangilerini reddedecekleri konusunda anlaşamadılar. Uzay-zaman hakkındaki muhafazakar fikirleriyle Hawking'i mi takip etmeliyiz yoksa kuantum mekaniği hakkındaki muhafazakar görüşlerimizle 't Hooft ve beni mi takip etmeliyiz? Her iki bakış açısı da yalnızca paradokslara ve çelişkilere yol açıyor gibiydi. Ya uzay-zaman -doğa yasalarının üzerinde çalıştığı sahne- hiç de eskiden hayal ettiğimiz gibi değil ya da entropi artışı ve bilgi korunumunun büyük ilkeleri yanlış. Milyonlarca yıllık bilişsel evrim ve birkaç yüzyıllık fiziksel deneyim, bizi bir kez daha kandırarak yeni bir zihinsel yeniden yapılanmaya ihtiyaç duymamızı sağladı.

Kara Delik Savaşı, insan zihninin ve onun doğa kanunlarını keşfetme konusundaki olağanüstü yeteneğinin bir kutlamasıdır. Bu, duyularımızdan kuantum mekaniği ve görelilik teorisinden çok daha uzak bir dünya hakkında bir hikaye. Kuantum yerçekimi, bir protondan yüz milyar kez milyar kat daha küçük olan nesnelerle ilgilenir. Bu kadar küçük nesneleri deneysel olarak hiçbir zaman tespit etmedik ve muhtemelen hiçbir zaman da tespit etmeyeceğiz, ancak insan zekası onların varlığını tespit etmemize izin verdi ve inanılmaz bir şekilde devasa kütlelere ve boyutlara sahip nesneler dünyalarına - kara deliklere - portal görevi görüyor.

Kara Delik Savaşı aynı zamanda bir keşif tarihidir. Holografik ilke, tüm fizikteki en mantıksız soyutlamalardan biridir. Bir kara deliğe düşen bilginin kaderi üzerine yaklaşık yirmi yıllık entelektüel savaşların doruk noktasıydı. Bu, kızgın düşmanlar arasındaki bir savaş değildi; aslında, savaştaki tüm ana katılımcılar arkadaşlardı. Ancak bu, birbirlerine derinden saygı duyan, ancak temel farklılıkları olan insanlar tarafından yürütülen şiddetli bir entelektüel fikir mücadelesiydi.

Ortadan kaldırılması gereken yaygın bir yanlış anlama var. İnsanlar genellikle fizikçileri, özellikle teorik fizikçileri, ilgi alanları sıradan insanlara yabancı ve çok sıkıcı olan dar görüşlü sıkıcılar olarak sunar. Hiçbir şey gerçeklerden daha fazla olamaz. Tanıdığım büyük fizikçiler, ki çok sayıda var, güçlü duyguları ve harika fikirleri olan son derece karizmatik insanlar. Kişiliklerinin çeşitliliği ve düşünme biçimleriyle sonsuz bir ilgim var. Genel halka fizikçiler hakkında insani yanlarını atlayarak anlatıldığında, bence çok önemli bir şeyi kaçırıyorlar. Bu kitabı yazarken, tarihin bilimsel yönü kadar duygusal yönünü de yakalamaya çalıştım.

Büyük ve küçük sayılar hakkında bir not

Bu kitapta birçok çok büyük ve çok küçük sayı bulacaksınız. İnsan beyni, 100'den çok daha büyük ve 1/100'den çok daha küçük sayıları görselleştirecek şekilde tasarlanmamıştır , ancak kişi bu konudaki yeteneklerini geliştirebilir. Örneğin, sürekli sayılarla uğraşarak bir milyonu az çok görselleştirebilirim ama bir trilyon ile bir katrilyon arasındaki fark benim görselleştirme yeteneklerimin ötesindedir. Bu kitaptaki sayıların çoğu trilyonlardan ve katrilyonlardan çok daha büyük. Onlarla nasıl başa çıkılır? Cevap, tüm zamanların en önemli bellenim flaşlarından birine dayanmaktadır - sayıları yazmak için üstel veya bilimsel notasyonun icadı .

Çok büyük bir sayı ile başlayalım. Dünya nüfusu yaklaşık 6 milyar insandır. Bir milyar, 10 çarpı kendisiyle dokuz kez çarpılır. Bire dokuz sıfır ekleyerek temsil edilebilir:

Bir milyar = 10X10X10X10X10X10X10X10X10 = 1000000000.

9 veya ondan dokuzuncu kuvvet olarak yazılır . Böylece, Dünya'nın nüfusu yaklaşık olarak:

b milyar = b X IO 9 .

Bu durumda, 9 bir üs veya bir büyüklük sırasıdır.

Ve işte başka, çok daha büyük bir sayı - Dünya'nın bileşimindeki toplam proton ve nötron sayısı:

Dünya'daki proton ve nötron sayısı (yaklaşık olarak) = 5 X 10 i .

Onlardan insanlardan çok daha fazla olduğu aşikar. Ama daha ne kadar? Ondan elli birinci kuvvet, elli bir onla çarpmanın sonucudur ve bir milyar sadece dokuzdur. Yani 10 51'in 10 9'dan 42 daha fazla böyle çarpanı var . Bu , Dünya'da insanlardan yaklaşık І0 42 kat daha fazla nükleer parçacık olduğu anlamına gelir . (Yukarıdaki formüllerde bib çarpanlarını göz ardı ettiğime dikkat edin. Bunlar birbirinden çok farklı değiller, bu nedenle "büyüklük sırasına göre tahmin etmek" bizim için yeterliyse, basitçe ihmal edilebilirler.)

Gerçekten büyük iki sayı alın. Evrenin o bölgesindeki en güçlü teleskoplarla gözlemlenebilen toplam elektron sayısı IO 80 s civarındadır . Toplam foton sayısı ”yaklaşık ІО 90'dır . ІО 90, 10 80'den çok fazla değil gibi görünebilir , ancak bu yanıltıcı bir izlenimdir: 10 90 çarpı 10 10

* 2011 yılında dünya nüfusu 7 milyar kişiye ulaştı. — Not. perge.

Fotonları protonlarla karıştırmayın . Fotonlar ışık parçacıklarıdır. Protonlar , nötronlarla birlikte atom çekirdeğini oluşturur. IO 80'den büyük ve 10.000.000.000 çok büyük bir sayıdır. Dıştan bakıldığında, ІО 80 ve ІО 81 neredeyse aynı gibi görünüyor , ikinci sayı ise birincinin on katı. Dolayısıyla, büyüklük sırasına göre küçük bir değişiklik bile, yazılan sayıda büyük bir değişiklik anlamına gelebilir.

Şimdi çok küçük sayıları ele alalım. Örneğin, bir atomun büyüklüğü metrenin on milyarda biri kadardır. Ondalık gösterimde:

atom boyutu = 0.0000000001 m.

Birimin ondalık noktadan sonra onuncu konumda olduğuna dikkat edin. On milyarda bir için bilimsel gösterim, negatif bir üs kullanır, yani -10: 0,0000000001 = IO 10 .

Negatif büyüklük sırasına sahip sayılar küçük, pozitif büyüklük sırasına sahip olanlar ise büyüktür.

Daha da küçük büyüklükte başka bir sayıya dönelim. Sıradan nesnelerle karşılaştırıldığında, elektron gibi temel parçacıklar çok hafiftir. Bir kilogram, bir litre suyun kütlesidir. Bir elektronun kütlesi birçok kat daha azdır. Gerçekte, bir elektron yaklaşık 9 X IO' 31 kilogram ağırlığındadır.

Bilimsel gösterimde, sayıların çarpması ve bölünmesi büyük ölçüde basitleştirilmiştir. Tek yapmanız gereken sayıları toplamak ve çıkarmak. İşte bazı örnekler:

10 i \u003d GÇ 42 X10'

10 81 /10"= 10

10 " Ben X10 '= GÇ" 22 .

Üsler, insanların çok büyük sayıları tanımlamak için kullandıkları tek kısaltma değildir. Bu numaralardan bazılarının kendi isimleri vardır. Örneğin, bir googol 10.100'dür ( birin ardından 100 sıfır gelir) ve bir googolplex 1^'dir (1'in ardından bir googol sıfır gelir), ki bu çok büyük bir sayıdır.

Bu temel bilgilerden vazgeçtikten sonra, daha az soyut bir dünyaya geri dönelim, diyelim ki San Francisco, Ronald Reagan'ın birinci döneminin üçüncü yılında, Soğuk Savaş tüm hızıyla devam ediyor ve yeni savaş daha yeni başlıyor.

Bölüm I

Yaklaşan fırtına

Tarih bana karşı nazik olacak, çünkü onu kendim yazmaya niyetliyim.

- Winston Churchill'

W. Churchill tarafından yazılan İkinci Dünya Savaşı tarihinin birinci ve beşinci ciltlerinden alınmıştır .

İlk gök gürültüsü

San Francisco, 1983

Jack Rosenberg'in malikanesinin çatı katında ilk çatışma gerçekleştiğinde, 80 yılı aşkın bir süredir tehditkar savaş bulutları toplanıyordu. Werner Erhard olarak da bilinen Jack, bir guru, becerikli bir dükkan sahibi ve biraz da dolandırıcıydı. 1970'lerin başına kadar, o sadece bir ansiklopedi satıcısı olan Jack Rosenberg'di. Ancak bir gün, Golden Gate Köprüsü'nden geçerken kendisine bir vahiy geldi. Dünyayı kurtaracak ve bu sayede çok zengin olacak. Tek gereken havalı bir isim ve yeni bir yaklaşım. İsim Werner (Werner Heisenberg'den sonra) Erhard (Alman politikacı Ludwig Erhard'dan sonra) olacak ve yeni yaklaşım Erhard'ın Eğitim Seminerleri, est. Ve dünyayı kurtarmasa da en azından zengin olmayı başardı . Binlerce utangaç, kendine güveni olmayan insan, (söylentilere göre) tuvalete gitmenin bile yasak olduğu, Werner'in kendisi veya birçok öğrencisi tarafından düzenlenen on altı saatlik motivasyon seminerlerinde yorucu rantlar için yüzlerce dolar ödedi. Psikoterapiden çok daha ucuz ve hızlıydı ve bir şekilde işe yaradı. İnsanlar utangaç ve güvensiz geldiler ve seminerlerden sonra güçlü, kendinden emin ve arkadaş canlısı göründüler - tıpkı Werner gibi. Bazen elleri titreyen manyak robotlar gibi göründüklerini boşverin. Daha iyi hissettiler. "Eğitim", Burt Reynolds'un çok komik bir filmi olan " Yarı Zor " a bile konu oldu .

Werner sürekli olarak çılgın EST hayranları tarafından kuşatılmıştı. "Köleler" belki çok güçlü bir kelime, onlara gönüllü diyelim. ECT eğitimli aşçılar yemeklerini pişiriyor, şoförler onu şehirde gezdiriyor, malikanesi her türden hizmetçiyle doluydu. Ancak, ironik bir şekilde, Werner'in kendisi de kuduz bir hayrandı - bir fizik hayranıydı.

Werner'ı sevdim. Zeki, ilginç ve komikti. Ve fiziğe deli oluyordu. Bunun bir parçası olmak istedi ve malikanesinde en iyi teorik fizikçilerden oluşan grupları bir araya getirmek için çok para harcadı. Ve bazen sadece birkaç yakın fizikçi arkadaşı -Sidney Soulman, David Finkelstein, Dick Feynman- seçkin şefler tarafından sunulan harika akşam yemekleri için onun evindeydi. Werner ayrıca küçük elit konferanslar düzenlemeyi severdi. Muhteşem donanımlı bir çatı katı seminer odası, her isteğinizi yerine getirecek gönüllüler ve San Francisco'da bir buluşma noktası ile bu mini konferanslar çok eğlenceliydi. Bazı fizikçiler Werner'den şüpheleniyorlardı: Ya çalışmalarını tanıtmak için fizik camiasındaki bağlantıları akıllıca kullanırsa? Ama asla yapmadı. Söyleyebileceğim kadarıyla, onları öne süren insanlardan en yeni fikirleri öğrenmekten keyif aldı.

Toplamda üç veya dört ECT konferansı olduğunu düşünüyorum, ancak bunlardan yalnızca biri beni ve fizik araştırmamı etkiledi. 1983 yılıydı. Diğer önemli isimler arasında Murray Gell-Mann, Sheldon Glashow, Frank Wilczek, Savas Dimopoulos ve Dave Finkelstein vardı. Ancak hikayemiz için en önemli katılımcılar, Kara Delik Savaşı'nın üç ana katılımcısıydı: Gerard 't Hooft, Stephen Hawking ve ben.

1983'ten önce Gerard'la sadece birkaç kez tanışmama rağmen, üzerimde derin bir etki bıraktı. Herkes onun parlak bir bilim insanı olduğunu biliyordu ama ben çok daha fazlasını hissettim. Çelik bir çekirdeğe sahip gibi görünüyordu ve ona Dick Feynman dışında tanıdığım hiç kimsenin boy ölçüşemeyeceği bir entelektüel güç veriyordu. İkisi de şovmendi. Dick, huysuz, maço bir Amerikalı şovmendi.

* Fizikçi Richard Feynman'dan bahsediyoruz. Dick, Richard'ın küçüğüdür. • Xia diğerlerini soğukta bırakır. Bir gün Caltech'te bir grup genç fizikçiye öğrencilerinin kendisine yaptığı bir şakadan bahsediyordu. Pasadena'da ünlülerin sandviçlerini satan bir lokanta var." Örneğin "Humphrey Bogart", "Marilyn Monroe" vb. Bunu müdürle önceden ayarlamışlardı, bu yüzden kasiyerin arkasındaki adam gözünü bile kırpmadı.

Hikaye bittiğinde dedim ki:

"Merak ediyorum Dick, Feynman sandviçi ile Susskind sandviçi arasındaki fark ne olurdu?"

"Hepsi aynı," diye yanıtladı, "belki Susskind'de daha çok jambon vardır."

"Evet," dedim, "ama haşlanmış sucuk yok."

Belki de onu bu oyunda yendiğim tek durum buydu.

Gerard Danimarkalı. Danimarkalılar Avrupa'nın en uzun insanlarıdır, ancak Gerard kısa boylu ve orta derecede iyi beslenmiş, bıyıklı ve tipik bir kasabalı görünümündedir. Feynman gibi T Hooft'un da güçlü bir rekabet çizgisi var ama ben kesinlikle onu asla yenemedim. Feynman'dan farklı olarak, o eski Avrupa'nın bir ürünüdür - Einstein ve Bohr'un cübbelerini miras alan son büyük Avrupalı fizikçidir . Benden altı yaş küçük olmasına rağmen, 1983'te ona hayran kaldım ve söylemeliyim ki boşuna değil. 1999'da, temel parçacıkların Standart Modelinin yaratılmasına yol açan çalışmalarından dolayı Nobel Ödülü'ne layık görüldü.

Yine de, Werner'in çatı katındaki o toplantıdan sonra hafızamda özellikle Gerard değil, ilk kez gördüğüm Stephen Hawking vardı. İşte o zaman Steven, Kara Delik Savaşı'nı başlatan bombayı attı.

Steven aynı zamanda bir şovmendir. Fiziksel olarak çok ufak tefek bir adam - 40 kilo kaldırabileceğinden emin değilim - ama vücudu benzeri görülmemiş bir zekanın taşıyıcısı olarak hizmet ediyor ve bir o kadar da şişkin.

jambon (jambon) kelimesi aynı zamanda seyirci önünde ucuz oyunculuk anlamına gelir ve baloney (amer, haşlanmış sosis) aynı zamanda saçmalık ve saçmalık anlamına gelir. — Not. çeviri

egoya git Stephen daha sonra aşağı yukarı geleneksel bir motorlu tekerlekli sandalye kullandı ve kendi sesiyle konuştu, ancak yine de onunla çok fazla zaman geçirmediğiniz sürece onu anlamak çok zordu. Bir hemşire ve çok dikkatli dinleyen ve ardından söylediklerini tekrar eden genç bir meslektaşı ile seyahat etti.

1983'te tercüman, artık ünlü bir fizikçi olan ve süper yerçekimi olarak bilinen önemli bir alanın öncülerinden biri olan Martin Rozek'ti. Est konferansı sırasında Martan henüz çok gençti ve o kadar da ünlü değildi. Yine de, onu çok yetenekli bir teorik fizikçi olarak önceki toplantılarımdan tanıyordum. Konuşmanın belirli bir noktasında Stephen (Martin aracılığıyla) yanlış olduğunu düşündüğüm bir şey söyledi. Martin'e döndüm ve ondan konunun fiziğini açıklamasını istedim. Bana farlara yakalanmış bir geyik gibi baktı. Daha sonra bana olanları anlattı. Görünüşe göre Stephen'ın sözlerini tercüme etmek o kadar yüksek bir konsantrasyon gerektiriyordu ki, genellikle tartışmayı takip edemiyordu. Muhtemelen neden bahsettiğimizi anlamadı.

Deklanşör oldukça sıradışı görünüyor. Sandalyesinden veya bariz bedensel kısıtlamalarından bahsetmiyorum. Yüzündeki kasların hareketsizliğine rağmen, hafif gülümsemesi benzersiz: Hem meleksi hem de şeytani, gizli bir zevk duygusunu yansıtıyor . İlk konferans sırasında, Steven ile iletişim kurmanın çok zor olduğuna ikna oldum. Cevap vermesi uzun zaman alıyor ki bu genellikle çok özlü oluyor. Bu kısa, bazen tek kelimelik cevaplar, gülümsemesi ve bedensiz posta zekası gergindi. Delphic kahini ile iletişim kurmak gibiydi. Birisi Stephen'a bir soruyla yaklaştığında, ilk tepki tam bir sessizlik oldu ve ardından genellikle tamamen anlaşılmaz bir cevap geldi. Ama her şeyi bilen gülümseme şöyle dedi: " Ne dediğimi anlamayabilirsin ama ben anlıyorum ve haklıyım."

Dünya, cılız Stephen'ı güçlü bir kahraman, olağanüstü cesaret ve metanete sahip bir adam olarak algılar. Onu tanıyanlar farklı taraflar görüyor: Stephen Playful ve Stephen Courageous. Bir est konferansı sırasında bir akşam, birkaç katılımcı San Francisco'nun ünlü fren yakan tepelerinde yürüyüşe çıktı. Stavin motorlu koltuğunda yanımızdaydı. En dik kısma geldiğimizde şeytani gülümsemesini takındı. Bir saniye bile tereddüt etmeden, herkesi korkutarak son hızla aşağı koştu. En kötüsünden korkarak peşinden koştuk. En altta onu otururken ve gülümserken bulduk. Burada daha dik bir tepe olup olmadığını sordu. Stephen Hawking: Evel Knievel * fizikten.

Hawking gerçekten de gerçek bir dublör fizikçidir. Ama belki de en cüretkar hamlesi Werner'in tavan arasına attığı bombaydı.

ECT dersinin nasıl organize edildiğini hatırlamıyorum . Stephen bugün fizik seminerlerinde, bedensiz bir bilgisayar sesi önceden kaydedilmiş bir kaydı çalarken sessizce sandalyesinde oturuyor. Bu bilgisayar sesi, Stephen'ın ticari markası haline geldi; tüm monotonluğuna rağmen bireysel ve mizah dolu. Ama sonra belki de kendisi konuştu ve Martin tercüme etti. Ne olursa olsun, bomba tüm gücüyle Gerard ve benim üzerime düştü.

Stephen, "kara delik buharlaştığında bilginin kaybolduğunu" ve daha da kötüsü bunu kanıtlamış gibi göründüğünü belirtti. Gerard ve ben, bu doğruysa, o zaman bilimsel alanımızın temellerinin yıkılmış olduğunu fark ettik. Werner'ın çatı katındaki diğerleri bu haberi nasıl karşıladı? Road Runner çizgi filminden bir uçurumun kenarından koşan Coyote gibi : yer ayaklarının altından çoktan kaybolmuştur ama onlar henüz bunun farkına varmamışlardır.

Kozmologlar hakkında genellikle yanıldıklarını söylüyorlar ama asla şüphe duymuyorlar. Eğer öyleyse, o zaman Stephen sadece yarı kozmologdur: asla şüphe duymaz, ama neredeyse hiç yanılmaz. Ancak bu durumda yanılmıştı. Ama onun "hatası"

Robert Craig "Evel" Knievel (1938-2007), riskli motosiklet gösterileriyle ünlenen Amerikalı bir dublör sanatçısıydı. — Not. çeviri

Hurt Coyote ve Road Runner animasyon serisi (orijinal adı Road Runner) 1949'dan beri yayınlanıyor. Her bölümde Coyote, devekuşu benzeri hızlı hareket eden Road Runner'ı yakalamak için çeşitli numaralar dener ve her seferinde başarısız olur. — Not. çeviri fizik tarihinin en üretkenlerinden biri olduğu ortaya çıktı ve uzay, zaman ve maddenin doğası hakkındaki fikirlerde radikal bir paradigma değişikliğine yol açabilir.

Stephen'ın dersi günün son dersiydi. Bundan yaklaşık bir saat sonra Gerard, Werner tahtasındaki diyagramı endişeyle inceleyerek durdu. Geri kalan her şey dağıldı. Gerard'ın sert ifadesini ve Stephen'ın memnun gülümsemesini izlemeye devam ettim . Neredeyse hiçbir şey söylenmedi. Yüksek bir gerilim anıydı.

Tahtada bir kara deliği temsil eden bir Penrose diyagramı vardı . Ufuk -kara deliğin sınırı- noktalı bir çizgi olarak tasvir edilmişti ve merkezindeki tekillik uğursuz bir şekilde pürüzlüydü. Ufukta içe doğru giden çizgiler, ufkun altına tekilliğe düşen bilgi parçalarını temsil ediyordu. Geri giden hiçbir hat yoktu. Steven'a göre bu parçalar geri döndürülemeyecek şekilde kaybolmuş. Ve daha da kötüsü, Stephen karadeliklerin sonunda buharlaşıp yok olduklarını ve içlerine düşenlerden hiçbir iz bırakmadıklarını kanıtladı.

Stephen'ın teorisi daha da ileri gitti. Boşluğun - boş uzayın - fark etmeyeceğimiz kadar hızlı bir şekilde ortaya çıkan ve yok olan sayısız "sanal" kara delikle dolu olduğunu savundu. Bu sanal kara deliklerin etkisi altında, çevrede tek bir "gerçek" kara delik olmasa bile bilgilerin silindiğini savundu.

7. Bölümde, "bilgi"nin tam olarak ne anlama geldiğini ve onu kaybetmenin ne anlama geldiğini öğreneceksiniz. Şimdilik bana güvenin: Tam bir felaketti. Hooft ve ben bunu biliyorduk ama o gün bunu duyan herkes kayıtsızca tepki gösterdi: "Evet, kara delikler bilgi kaybediyor." Stephen'ın kendisi cesaretlendi. Benim için Steven'la çalışmanın en zor yanı, onun kendini beğenmişliğinden dolayı hissettiğim sürekli sıkıntıydı . Bilgi kaybı gerçek olamayacak bir şeydi ama Steven bunu görmeyi reddetti.

Konferans bitti ve eve gittik. Stephen ve Gerard sırasıyla Cambridge ve Utrihg üniversitelerine gidiyorlardı; benim için Route 101'den güneye, Palo Alto ve Stanford Üniversitesi'ne arabayla sadece 40 dakika uzaklıkta. Yola konsantre olmak benim için zordu. Bu soğuk Ocak gününde, her durduğumda veya frene bastığımda, buzlu ön cama Werner panosundan bir diyagram çizmeye başlardım.

Stanford'a döndüğümde, arkadaşım Tom Banks'e Steven'ın ifadesinden bahsettim. Ve dikkatlice düşündük. Hatta her şeyi daha iyi anlamak için Stephen'ın eski öğrencilerinden birini Güney Kaliforniya'ya davet ettim. Stephen'ın ifadesine çok şüpheyle yaklaştık, ancak bir süre nedenini kendimiz anlayamadık. Bir kara deliğin içinde bazı bilgileri kaybetmenin nesi bu kadar kötü? Sonra bize geldi. Bilgi kaybı, entropi üretimi ile aynıdır. Ve entropi üretimi, ısı üretimi anlamına gelir. Stephen'ın özgürce var olmasına izin verdiği sanal kara delikler, boş uzayda ısı üretimine yol açacaktı. Başka bir meslektaşımız olan Michael Peskin ile birlikte Steven'ın teorisine dayalı bir tahminde bulunduk. Eğer haklıysa, o zaman boş uzayın saniyenin küçük bir kesri içinde bin milyar milyar milyar dereceye kadar ısınması gerektiği ortaya çıktı. Stephen'ın yanıldığını bilmeme rağmen, muhakemesinde bir kusur bulamadım. Belki de beni en çok sinirlendiren bu oldu.

Ardından gelen Kara Delik Savaşı, fizikçiler arasındaki bir tartışmadan daha fazlasıydı. Aynı zamanda bir fikir savaşıydı ya da belki de temel ilkeler arasındaki bir savaştı. Kuantum mekaniğinin ve genel göreliliğin ilkeleri her zaman birbiriyle çelişmiştir ve bunların bir arada var olup olamayacaklarını kimse bilmiyordu. Hawking, öncelikle Einstein'ın denklik ilkesine inanan bir görecilikçidir. Biz s.'tHooftlar, kuantum mekaniği yasalarının fiziğin temellerini sarsmadan ihlal edilemeyeceğine inanan kuantum fizikçileriyiz. Sonraki üç bölümde, kara delik fiziğinin, genel göreliliğin ve kuantum mekaniğinin temellerini ortaya koyarak Kara Delik Savaşı'ndan önce tarafların tutumunu anlatacağım .

Kara yıldız

Horatio, — gökte ve yerde bilimin bile hayal bile edemeyeceği birçok şey var.

—William Shakespeare, Hamlet

Kara delik gibi bir şeyin ilk ipucu, 18. yüzyılın sonunda, büyük Fransız fizikçi Pierre-Simon de Laplace ve İngiliz din adamı John Mitchell aynı dikkate değer fikri dile getirdiklerinde ortaya çıktı. O günlerin tüm fizikçileri astronomi ile ciddi şekilde ilgileniyorlardı. Gök cisimleri hakkında bilinen her şey, yaydıkları veya ay ve gezegenlerde olduğu gibi yansıttıkları ışıkla ortaya çıktı. Mitchell ve Laplace zamanında Isaac Newton'un ölümünün üzerinden bir asır geçmesine rağmen, o hâlâ fizikteki en etkili figür olmaya devam ediyordu. Newton, ışığın küçük parçacıklardan -kendi deyimiyle cisimciklerden- oluştuğuna inanıyordu ve öyleyse, ışık neden yerçekiminden etkilenmesin? Laplace ve Mitchell, ışığın kütleçekiminin üstesinden gelemeyeceği kadar büyük ve yoğun bir yıldız olup olamayacağını merak ettiler. Bu tür yıldızlar, eğer varsa, kesinlikle karanlık ve dolayısıyla görünmez mi olmalı?

P. Gnedich'in çevirisi. - Preshech. çeviri

Bir mermi - bir taş, bir mermi ve hatta temel bir parçacık - Dünya'nın yerçekiminden kaçabilir mi? Bir yandan evet, diğer yandan hayır. Kütlenin yerçekimi alanı hiçbir yerde bitmez; sonsuza kadar uzanır, mesafe arttıkça daha da zayıflar. Yani yukarı doğru fırlatılan bir mermi asla dünyanın yerçekiminden tamamen kurtulamayacaktır. Ancak mermi yeterince hızlı yukarı doğru fırlatılırsa, sonsuza kadar devam edecektir, çünkü azalan yerçekimi onu döndürüp yüzeye geri çekmek için çok zayıftır. Bu anlamda, mermi dünyanın yerçekiminden kaçabilir.

En güçlü insanın bile uzaya taş atma şansı yoktur. Profesyonel bir beyzbol atıcısının atış yüksekliği, Empire State Binasının yüksekliğinin yaklaşık dörtte biri olan 70 metreye ulaşabilir. Hava direnci ihmal edildiğinde, tabancadan atılan bir mermi 5 kilometre yüksekliğe ulaşabiliyordu. Ama " kaçış hızı" adı verilen özel bir hız vardır ve bu, bir nesneyi sürekli geri çekilen bir yörüngeye sokmak için zar zor yeterlidir. Daha düşük bir hızdan başlayarak, mermi Dünya'ya geri düşecektir. Daha yüksek bir hızla başlayarak, sonsuza gidecek. Dünya yüzeyi için kaçış hızı 40.000 km/sa (11,2 km/s)*".

Bir gezegen, bir asteroit veya gerçek bir yıldız olsun, herhangi bir büyük gök cismine geçici olarak yıldız diyelim. Dünya sadece küçük bir yıldız, ay daha da küçük bir yıldız vb.

Orijinal, "mermi" kelimesini kullanır ve buna şu not verilir : mermi gibi, kendi kendini itme kabiliyetine sahip olmayan bir nesne. Bir mermi tek bir ışık parçacığı olabilir mi? Mitchell ve Laplace'a göre cevap evet.

Kaçış hızına ikinci kozmik hız da denir. İlk kozmik hız, Dünya yüzeyinin yakınında dairesel bir yörüngeye girmek için yeterli olan hız olarak kabul edilir. — Not. ree.

Kaçış hızı kavramı, örneğin bir nesnenin çok daha hızlı gitmesini gerektiren hava direnci gibi etkileri göz ardı eden bir idealleştirmedir.

Newton'un yerçekimi yasasına göre, bir yıldızın yerçekimi kuvveti kütlesiyle orantılıdır, dolayısıyla kaçış hızının da yıldızın kütlesine bağlı olması oldukça doğaldır. Ancak kütle, savaşın sadece yarısıdır. Diğer yarısı yıldızın yarıçapıdır. Dünyanın yüzeyinde durduğunuzu ve bu sırada belirli bir kuvvetin Dünya'yı sıkıştırmaya başladığını, boyutunu küçülttüğünü, ancak kütlesini kaybetmediğini hayal edin. Yüzeyde kalırsanız , sıkıştırma sizi istisnasız Dünya'nın tüm atomlarına yaklaştıracaktır. Bir kütleye yaklaşırken yerçekiminin etkisi artar. Ağırlığınız - yerçekiminin bir fonksiyonu - artacak ve tahmin edebileceğiniz gibi, dünyanın yerçekiminin üstesinden gelmek giderek zorlaşacak. Bu örnek, temel bir fiziksel modeli göstermektedir: bir yıldızın büzülmesi (kütle kaybı olmadan) kaçış hızını artırır.

Şimdi tam tersi durumu hayal edin. Nedense Dünya genişliyor ve siz kütleden uzaklaşıyorsunuz. Yüzeydeki yerçekimi zayıflayacak, bu da ondan kurtulmanın daha kolay olacağı anlamına geliyor. Mitchell ve Laplace tarafından sorulan soru, bir yıldızın kaçış hızının ışık hızını aşacak kadar büyük bir kütleye ve bu kadar küçük bir boyuta sahip olup olamayacağıydı.

Mitchell ve Laplace bu kehanet niteliğindeki düşünceleri ilk kez ifade ettiklerinde, ışığın hızı (c harfiyle gösterilir) yüz yılı aşkın bir süredir biliniyordu. 1676'da Danimarkalı astronom Ole Römer, bunun çok büyük bir miktar olduğunu belirledi - bir saniyede 300.000 km (bu, Dünya çevresinde yaklaşık yedi devirdir):

c = 300.000 km/s.

Böylesine muazzam bir hızda, ışığı tutmak için son derece büyük veya son derece yoğun bir kütle gerekir, ancak böyle bir şeyin var olmaması için görünürde hiçbir neden yoktur. Mitchell'in Royal Society'ye verdiği rapor, John Wheeler'ın daha sonra kara delikler olarak adlandıracağı şeyden ilk kez söz etti.

Tüm kuvvetler arasında yerçekiminin son derece zayıf kabul edilmesi sizi şaşırtabilir. Obez bir kaldırıcı ve yüksek atlamacı farklı hissedebilse de, yer çekiminin gerçekte ne kadar zayıf olduğunu gösteren basit bir deney var. Hafif bir ağırlıkla başlayalım: küçük bir strafor top olsun. Öyle ya da böyle, ona statik elektrik yükü vereceğiz. (Sadece bir süveterin üzerine sürebilirsiniz.) Şimdi tavandan bir ipliğe asın. Dönmesi durduğunda, iplik dikey olarak asılacaktır. Şimdi asılı topa aynı yüklü nesnenin altından başka bir top getirin. Elektrostatik kuvvet asılı yükü itecek ve ipin eğilmesine neden olacaktır.

Asılı ağırlık demirden yapılmışsa, aynı etki bir mıknatısla da elde edilebilir.

Şimdi elektrik yükünü veya mıknatısı çıkarın ve çok ağır nesneleri ona doğru getirerek asılı yükü saptırmaya çalışın. Yerçekimi yükü çekecek, ancak etki o kadar zayıf olacak ki fark edilemeyecek. Yerçekimi, elektrik ve manyetik kuvvetlere kıyasla son derece zayıftır.

Ama yerçekimi bu kadar zayıfsa, neden aya atlayamıyorsun? Gerçek şu ki, Dünya'nın devasa kütlesi olan 6x10 24 kg, yerçekiminin zayıflığını kolayca telafi ediyor. Ancak bu kütle ile bile, Dünya yüzeyinden kaçış hızı, ışık hızının on binde birinden azdır. Kaçış hızının daha hızlı c olabilmesi için , Mitchell ve Laplace tarafından icat edilen karanlık yıldızın şaşırtıcı derecede büyük ve şaşırtıcı derecede yoğun olması gerekir.

Büyüklüklerin ölçeği hakkında bir fikir edinmek için, farklı gök cisimleri için kaçış hızlarına bakalım. Dünya yüzeyini terk etmek için, daha önce belirtildiği gibi yaklaşık 40.000 km / s olan yaklaşık 11 km / s'lik bir başlangıç hızı gereklidir. Dünyevi standartlara göre bu çok hızlıdır, ancak ışık hızıyla karşılaştırıldığında bir salyangozun hareketine benzer.

Bir asteroitte, yüzeyi terk etme şansınız Dünya'dakinden çok daha fazla olacaktır. 1,5 km yarıçaplı bir asteroitin kaçış hızı yaklaşık 2 m/s'dir: sadece zıplamak yeterlidir. Öte yandan, Güneş hem boyut hem de kütle olarak Dünya'dan çok daha büyüktür.' Bu iki faktör zıt yönlerde çalışır. Büyük bir kütle Güneş'in yüzeyinden ayrılmayı zorlaştırır ve büyük bir yarıçap ise tam tersine kolaylaştırır. Bununla birlikte, kütle kazanır ve güneş yüzeyinin kaçış hızı, dünyanınkinden yaklaşık elli kat daha fazladır. Ama yine de ışık hızından çok daha düşük kalıyor.

* Güneş'in kütlesi yaklaşık 2X10 30 kg'dır. Bu, Dünya'nın kütlesinin yaklaşık bir milyon katıdır. Güneşin yarıçapı yaklaşık 700.000 km, yani yaklaşık yüz karasaldır.

Ancak Güneş sonsuza kadar mevcut boyutunda kalmayacak. Sonunda, yıldızın yakıtı bitecek ve onu şişiren, iç ısıyla desteklenen basınç zayıflayacaktır. Dev bir mengene gibi, yerçekimi yıldızı orijinal boyutunun bir kısmına sıkıştırmaya başlayacak. Beş milyar yıl içinde bir yerde, Güneş yanacak ve yarıçapı Dünya'nınkiyle aynı olan sözde bir beyaz cüceye dönüşecek. Yüzeyini terk etmek 6.400 km/s sürer, bu çok fazla ama yine de ışık hızının sadece %2'si kadardır .

Güneş biraz - bir buçuk kat - daha ağır olsaydı, ek kütle onu beyaz cüce durumundan öncekinden daha güçlü bir şekilde sıkıştırırdı. Yıldızdaki elektronlar, inanılmaz derecede yoğun bir nötron topu oluşturarak protonlara çarpacaktı. Bir nötron yıldızı o kadar yoğundur ki, maddesinin sadece bir çay kaşığı birkaç milyar ton ağırlığındadır. Ancak nötron yıldızı henüz istenen karanlık yıldız değil; yüzeyinden kaçış hızı zaten ışık hızına yakın (yaklaşık %80 s), ama yine de ona eşit değil.

Çöken yıldız daha da ağırsa, diyelim ki Güneş'in kütlesinin beş katıysa, o zaman yoğun bir nötron topu bile sıkıştırıcı yerçekimine karşı koyamaz. Son içsel patlamanın bir sonucu olarak, yıldız bir tekilliğe - neredeyse sonsuz yoğunluğa ve yıkıcı güce sahip bir nokta - çökecek . Bu küçük çekirdeğin kaçış hızı, ışık hızının birçok katıdır. Karanlık bir yıldız ya da bugün dediğimiz gibi bir kara delik böyle görünür.

Einstein, kara delikler fikrinden o kadar hoşlanmadı ki, asla oluşamayacaklarını savunarak onların var olma ihtimalini reddetti. Ancak Einstein istese de istemese de kara delikler bir gerçektir. Bugün gökbilimciler, yalnızca tek çöken yıldızları değil, aynı zamanda galaksilerin merkezlerinde yer alan milyonlarca hatta milyarlarca yıldızın birleşmesiyle oluşan kara devleri de kolayca inceliyorlar.

Güneş kendi başına bir kara deliğe dönüşecek kadar büyük değil ama onu 3 km yarıçapına kadar kozmik bir tutuşla sıkıştırarak ona yardım ederseniz kara delik olur. Mengeneyi gevşetirseniz tekrar şişeceğini düşünebilirsiniz, örneğin,

ShishIMiMSHI ^IvIiII^^V^^^IimmV

10 güneş kütleli bir kara deliğin bilgisayar modeli

100 km'ye kadar, ama gerçekte çok geç olacak: Güneş'in maddesi bir tür serbest düşüş durumuna girecek. Yüzey, bir mil, bir metre, bir santimetrelik bir yarıçapı hızla aşacaktır. Bir tekillik oluşana kadar hiçbir durak mümkün değildir ve bu çöküş geri döndürülemez.

Bir kara deliğin yakınında olduğumuzu, ancak tekillikten farklı bir noktada olduğumuzu hayal edin. Bu noktadan ayrılan ışık kara deliği terk edebilecek mi ? Cevap hem kara deliğin kütlesine hem de ışığın yolculuğuna başladığı belirli konuma bağlıdır. Ufuk adı verilen hayali bir küre, evreni iki parçaya ayırır. Ufkun içinden gelen ışık kaçınılmaz olarak kara deliğin içine çekilecektir, ancak ufkun dışından gelen ışık kara deliği terk edebilir. Güneş bir gün bir kara delik olsaydı, ufuk yarıçapı yaklaşık 3 km olurdu.

Ufkun yarıçapına, karadeliklerin matematiğini ilk inceleyen astronom Karl Schwarzschild'in bir bölümünde Schwarzschild yarıçapı denir. Schwarzschild yarıçapı, kara deliğin kütlesine bağlıdır; aslında onunla doğru orantılıdır. Örneğin, Güneş'in kütlesi bin güneş kütlesi ile değiştirilirse, 3 veya 5 km mesafeden yayılan bir ışık demeti

"Olay ufku" terimi, gezegenin yüzeyindeki ufukla karıştırılmaması için yaygın olarak kullanılır, ancak yazar baştan sona kısa biçimi kullanır. — Not. perse.

Ufuk

ufkun yarıçapı bin kat artarak üç bin kilometreye ulaşacağı için kaçma şansı.

Kütle ve Schwarzschild yarıçapı arasındaki orantı, fizikçilerin kara delikler hakkında öğrendiği ilk şeydir. Dünya, Güneş'ten yaklaşık bir milyon kat daha az kütlelidir, bu nedenle Schwarzschild yarıçapı Güneş'ten bir milyon kat daha küçüktür. Karanlık bir yıldıza dönüşmesi için kızılcık büyüklüğünde sıkıştırılması gerekir. Karşılaştırma için: Galaksimizin merkezinde, Schwarzschild yarıçapı yaklaşık 150.000.000 km olan dev bir kara delik pusuda bekliyor - Dünya'nın Güneş etrafındaki yörüngesiyle hemen hemen aynı. Ve evrenin diğer kısımlarında daha da büyük canavarlar var.

Gelgitler ve 2000 Mile Man

Denizleri sanki her gün iki derin nefes alıyormuşçasına yükseltip alçaltan nedir? Tabii ki mesele Ay, ama bunu nasıl yapıyor ve neden günde iki kez? Şimdi açıklayacağım ama önce 2000 millik adamın düşüşünden bahsedeceğim.

Tepeden tırnağa 2.000 mil (3.200 km) boyunda, uzaydan Dünya'ya ayaklar önce düşen bir dev hayal edin. Uzayın çok uzağında, yerçekimi zayıftır, o kadar zayıftır ki hiçbir şey hissedemez. Ancak Dünya'ya yaklaştıkça Uzun Bedeninde garip bir his yükselir: ama bu bir düşme hissi değil, bir gerginlik hissidir.

Konu devin Dünya yönündeki ivmesi değil. Rahatsızlığının nedeni, uzaydaki yerçekiminin tekdüze olmamasıdır. Dünyadan uzakta, neredeyse tamamen yok. Ancak yaklaştıkça yerçekimi artar. 2.000 millik bir adam için bu, serbest düşüşteyken bile sorun yaratır. Zavallı adam o kadar uzun ki bacakları kafasından çok daha güçlü bir şekilde çekiliyor. Net etki, sanki bacakları ve başı zıt yönlere çekiliyormuş gibi hoş olmayan bir duygudur.

Belki de ayakları ve kafası aynı yükseklikte olacak şekilde yatay bir pozisyonda düşerek bu gerilimi önleyebilirdi. Ancak dev bunu denediğinde başka bir rahatsızlıkla karşılaşacaktır: Gerginlik hissinin yerini eşit bir daralma hissi alır. Başının bacaklarına bastırıldığını hissediyor.

Bunun neden olduğunu anlamak için bir an için Dünya'nın düz olduğunu hayal edin. Oklu dikey çizgiler, doğal olarak düz AŞAĞI çeken yerçekimi kuvvetlerinin yönünü gösterir .

Dahası, yerçekimi çekim kuvveti tamamen aynıdır. Bu tür koşullarda 2.000 millik bir adam, en azından yere çarpana kadar dikey veya yatay olarak düşmede sorun yaşamaz.

Ama dünya düz değil. Yerçekiminin hem kuvveti hem de yönü değişir. Yerçekimi, bir yönde çekmek yerine, burada gösterildiği gibi doğrudan gezegenin merkezine doğru çeker:

Bu, yatay olarak düştüğünde dev için yeni sorunlar yaratır. Başına ve bacaklarına etki eden kuvvetler aynı olmayacak çünkü onları Dünyanın merkezine doğru çeken yerçekimi, başını bacaklarına doğru zorlayacak ve garip bir sıkışma hissine neden olacak .

Okyanus gelgitleri sorununa geri dönelim. Denizin günde iki kez yükselip alçalmasının nedeni, 2000 millik bir insanı rahatsız edenle aynıdır: yerçekiminin eşit olmaması. Sadece bu durumda, dünyevi değil, ayın yerçekimidir. Ayın yerçekimi, Dünya'nın aya bakan tarafındaki okyanuslarda en güçlü ve karşı tarafta en zayıftır. Ay'ın yakın tarafında tek bir okyanus tümseği oluşturması gerekiyor gibi görünebilir, ancak bu bir hatadır. Uzun boylu bir adamın kafasının ayaklarından çekilmesiyle aynı nedenle, Dünya'nın her iki yanından gelen su - yakın ve uzak - yüzeyinin üzerinde çıkıntı yapar. Bunu anlamanın bir yolu, yakın tarafta Ay'ın Dünya'dan su çektiğini ve uzak tarafta Dünya'nın sudan uzaklaştığını düşünmektir. Sonuç, Dünya'nın zıt taraflarında, Ay'a bakan ve Ay'dan uzağa bakan iki tümsektir. Dünya bu tümseklerin altında bir tur atarken, yüzeyindeki her nokta iki gelgit yaşar.

Ay, Dünya, Güneş veya başka herhangi bir büyük gök cisminden kaynaklanmış olsunlar , yerçekimi çekiminin büyüklüğündeki ve yönündeki değişikliklerin neden olduğu bükülme kuvvetlerine gelgit kuvvetleri denir . Normal boyuttaki bir kişi, örneğin bir sıçrama tahtasından suya atlarken gelgit kuvvetlerini hissedebilir mi? Hayır, ama sadece o kadar küçük olduğumuz için karasal yerçekimi alanı vücut içinde pratikte değişmez.

Yeraltı dünyasına iniş

Ormanlık yoldan uçurumun karanlığına indi.

— Dante. Ilahi komedi

Güneş kütleli bir kara deliğe düşen bir kişi için, gelgit kuvvetleri artık o kadar zayıf olmayacaktır. Bir kara deliğin küçücük hacmine sıkıştırılmış devasa kütle, ufka yakın yerçekimini yalnızca çok güçlü değil, aynı zamanda son derece homojen olmayan bir hale getirir. Kara deliğin 100.000 km'den daha uzaktaki Schwarzschild yarıçapına yaklaşmadan çok önce, gelgit kuvvetleri aşırı rahatsızlığa neden olacaktır. 2.000 millik bir adam gibi, bir kara deliğin hızla değişen yerçekimi alanı için çok büyük olacaksın. Ufka yaklaştığınızda, neredeyse bir tüpten sıkılmış diş macunu gibi deforme olursunuz.

Bir kara deliğin ufkunda gelgit kuvvetleriyle başa çıkmanın iki yolu vardır: kendinizi küçültün ya da kara deliği büyütün. Bir bakteri, güneş kütleli bir kara deliğin ufkunda gelgit kuvvetlerini fark etmez, ancak bir milyon güneş kütleli kara deliğin ufkunda gelgit kuvvetlerini de hissetmezsiniz. Daha büyük bir kara deliğin yerçekiminin etkisi daha güçlü olduğu için bu garip görünebilir. Ancak bu yargı önemli bir gerçeği göz ardı ediyor: Büyük bir kara deliğin ufku o kadar büyük ki neredeyse düz görünecek. Ufkun yakınında yerçekimi alanı çok güçlü olacak, ancak neredeyse tekdüze olacak.

D. Ming'in çevirisi. — Not. perse.

Newton'un yerçekimi teorisine biraz aşina iseniz; o zaman karanlık yıldızın ufkunda gelgit kuvvetlerini hesaplayabilirsiniz. Ve sonra, ne kadar büyük ve kütleli olursa, ufukta o kadar az gelgit kuvveti olduğu ortaya çıktı. Bu nedenle, çok büyük bir kara deliğin ufkunu geçmek önemsiz bir olay olacaktır. Ama sonunda, en büyük karadeliklerde bile gelgit kuvvetlerinden kaçış yoktur. Büyüklüğü sadece kaçınılmaz olanı geciktirir. Sonunda, tekilliğe kaçınılmaz düşüş, Dante tarafından icat edilen veya İspanyol Engizisyonu süreçlerinde Torquemada tarafından kullanılan herhangi bir işkence kadar korkunç olacaktır. (Bellek açılır.) En küçük bakteri bile dikey eksen boyunca parçalanacak ve yatay olarak düzleşecektir. Küçük moleküller bakterilerden daha uzun yaşar ve atomlar biraz daha uzun yaşar. Ama er ya da geç tekillik tek bir protona bile galip gelecektir. Dante'nin cehennem azabından hiçbir günahkarın kaçamayacağını söylerken haklı olup olmadığını bilmiyorum ama bir kara deliğin tekilliğinin yakınında hiçbir şeyin korkunç gelgit kuvvetlerine dayanamayacağından oldukça eminim.

Ancak tekilliğin özelliklerinin tüm tuhaflığına ve acımasızlığına rağmen, bir kara deliğin en derin gizemlerini içermez. Kara deliğe düşmeyi başaran herhangi bir nesneye ne olduğunu biliyoruz - kaderi kaçınılmazdır. Ancak tekilliği sevsek de sevmesek de paradoksallık açısından ufka bile yaklaşmıyor. Modern fizikte, neredeyse hiçbir şey, madde ufuktan düştüğünde maddeye ne olduğu sorusu kadar kafa karışıklığına neden olmamıştır? Cevaplarınızdan herhangi biri muhtemelen yanlış olacaktır.

Mitchell ve Laplace, Einstein doğmadan çok önce yaşadılar ve onun 1905'te yaptığı iki keşfi bilmeleri mümkün değildi. Bunlardan ilki, şu ilkeye dayanan özel görelilik kuramıydı: hiçbir şey -ne ışık ne de başka bir şey- ışık hızını aşamaz. Mitchel ve Laplace, ışığın karanlık bir yıldızdan kaçamayacağını anladılar, ancak bunun başka hiçbir şey için imkansız olduğunu anlamadılar.

Einstein'ın 1905'teki ikinci keşfi, ışığın gerçekten de parçacıklardan oluştuğuydu. Az sonra

Mitchell ve Laplace karanlık yıldızlar hakkında fikirlerini ortaya atınca, Newton'un ışığın parçacık teorisi gözden düştü. Işığın ses dalgaları gibi dalgalardan veya deniz yüzeyinden geçenlerden oluştuğuna dair kanıtlar birikmiştir. 1865'te James Clerk Maxwell, ışığın uzayda ışık hızında yayılan titreşen elektrik ve manyetik alanlardan oluştuğunu ve parçacık teorisinin yaşam belirtisi göstermeyi bıraktığını göstermişti . Elektromanyetik dalgaların yerçekimi tarafından da çekilebileceğini kimse düşünmemiş gibi görünüyor, bu yüzden karanlık yıldızlar unutuldu.

Astronom Karl Schwarzschild, 1917'de Einstein'ın yeni genel görelilik kuramının denklemlerini çözene ve karanlık yıldızları yeniden keşfedene kadar unutulmuştu*.

denklik ilkesi

Einstein'ın çalışmalarının çoğu gibi, genel görelilik de karmaşık ve karmaşıktı, ancak son derece basit gözlemlere dayanıyordu. Aslında o kadar basitler ki herkesin kullanımına açıktı ama kimse onları yapmadı.

En basit düşünce deneylerinden geniş kapsamlı sonuçlar çıkarmak Einstein'ın tarzıydı. (Şahsen, bu düşünce tarzına diğerlerinden daha çok hayranım.) Genel görelilik söz konusu olduğunda, düşünce deneyi asansördeki bir gözlemciyi içeriyordu. Ders kitapları genellikle asansörü roketle değiştirerek deneyleri modernize eder, ancak Einstein döneminde asansörler heyecan verici yeni bir teknolojiydi. Uzayda, yerçekimi yapan herhangi bir nesneden uzakta serbestçe yüzen bir asansör hayal eden ilk kişi oydu. Böyle bir asansörde bulunan herhangi biri, tam bir ağırlıksızlık yaşayacak ve mermiler, sabit bir hızla mükemmel düz yörüngelerde uçarak geçeceklerdir.

Kara delikler farklı tiplerdedir. Özellikle, orijinal yıldız dönmüşse (tüm yıldızlar bir dereceye kadar iyileşir) kendi eksenleri etrafında dönebilirler ve elektrikle yüklenebilirler. Bir kara deliğe bir elektron bırakarak onu yüklüyoruz. Schwarzschild kara deliklerini yalnızca dönmeyen ve yükü olmayan kara delikler olarak adlandırmak gelenekseldir.

Aynı şey ışık ışınlarında da olacak, ama tabii ki ışık hızında.

Einstein daha sonra, asansör yukarı doğru hızlandırılırsa, örneğin uzaktaki bir çapaya bağlı bir kabloyla veya tabanın altına sabitlenmiş roketlerle ne olacağını hayal etti. Yolcular yere bastırılmaya başlayacak ve mermilerin yörüngeleri aşağı doğru eğilerek parabolik yörüngeler oluşturacak. Her şey, yerçekiminin etkisi altındaki ile tamamen aynı olacaktır. Galileo'nun zamanından beri herkes bunu biliyordu, ancak bu basit gerçeği güçlü ve yeni bir fiziksel ilkeye dönüştürmek Einstein'a düştü. Eşdeğerlik ilkesi, yerçekiminin etkisi ile ivmenin etkisi arasında kesinlikle hiçbir fark olmadığını belirtir. Bir asansörün içinde yapılan hiçbir deney, bir asansörün yerçekimi alanında mı durduğunu yoksa uzayda mı hızlandığını ayırt etmeyi mümkün kılamaz.

Bu kendi başına şaşırtıcı değildi, ancak önemli sonuçları oldu. Einstein eşdeğerlik ilkesini formüle ettiğinde, yerçekiminin diğer fenomenleri nasıl etkilediği hakkında çok az şey biliniyordu; elektrik akışı gibi; mıknatısların davranışı veya ışığın yayılması. Einsteincı yaklaşıma göre, işe tüm bu fenomenlerin ivmeden nasıl etkilendiğini anlamakla başlamalıydı. Bu durumda, genellikle yeni bir fizik ortaya çıkmadı. Tüm; Einstein ne yaptı; - hızlanan bir asansörde bilinen fenomenlerin nasıl görüneceğini hayal etti. Ve sonra eşdeğerlik ilkesi ona yerçekiminin etkisinin ne olacağını söyledi .

İlk örnek, ışığın yerçekimi alanındaki davranışını ele aldı. Bir asansör boyunca soldan sağa yatay olarak hareket eden bir ışık huzmesi hayal edin. Asansör herhangi bir yerçekimi kütlesinden uzaklaşmak için serbest olsaydı, ışık tamamen düz bir yatay çizgide hareket ederdi.

Ama şimdi asansörün yukarı doğru hızlandığını varsayalım. Işık, asansörün sol tarafında yatay yönde başlar, ancak asansör hızlandığı için diğer tarafa vardığında ışık aşağı doğru hareket bileşenine sahip olacaktır. Bir açıdan asansör yukarı doğru hızlanıyor, ancak başka bir açıdan yolcularına ışık aşağı doğru hızlanıyor gibi görünüyor. .

Aslında, ışık huzmesi çok hızlı bir parçacığın yörüngesiyle aynı şekilde kıvrılır. Bu sonuç hiçbir şekilde ışığın dalgalardan mı yoksa parçacıklardan mı oluştuğuna bağlı değildir; bu sadece yukarı doğru ivmelenmenin etkisidir. Ancak Einstein, ivme bir ışık huzmesinin yolunun bükülmesine neden oluyorsa yerçekiminin de bükülmesi gerektiğini düşündü. Aslında yerçekiminin ışığı çektiğini ve düşmesine neden olduğunu söyleyebiliriz. Bu tamamen Mitchell ve Laplace'ın tahminleriyle örtüşüyor.

Bununla birlikte, madalyonun başka bir yüzü daha var: eğer ivme yerçekiminin etkilerini simüle edebiliyorsa, o zaman onu yok edebilir. Aynı asansörün artık uzayda çok uzakta olmadığını, bir gökdelenin tepesinde olduğunu hayal edin. Eğer ayaktaysa yolcular, asansörün üzerinden geçen ışık ışınlarının bükülmesi de dahil olmak üzere yerçekiminin tüm etkilerini gözlemler. Ancak daha sonra kablo kopar ve asansör yere doğru hızlanmaya başlar. Kısa bir serbest düşüş anı için asansörün içindeki yerçekimi tamamen ortadan kalkmış gibi görünür*. Yolcular, yukarı ve aşağı duygusunu kaybetmiş olarak kabinin etrafında süzülüyor. Parçacıklar ve ışık huzmeleri tamamen düz çizgiler halinde hareket eder. Bu denklik ilkesinin diğer yüzüdür.

Atık, kör ve kara delikler

Modern fiziği matematiksel formüller olmadan açıklamaya çalışan herkes; bilir; Analojiler ne kadar faydalıdır. Örneğin, bir atomun minyatür bir gezegen sistemi olduğunu düşünmek çok uygundur; ve karanlık yıldızları tanımlamak için sıradan Newton mekaniğini kullanmak şunlara yardımcı olur ; genel göreliliğin yüksek matematiğine dalmaya hazır olmayan. Ancak analojilerin sınırlamaları vardır; ve kara delik muadili olarak karanlık yıldız, yeterince derine inerseniz çalışmayı durdurur. Daha iyi bir benzetme daha var. Bunu kuantum kara delik mekaniğinin öncülerinden biri olan Bill Unruh'tan öğrendim . Belki de ondan özellikle hoşlanıyorum çünkü ilk uzmanlık alanım olan bir tesisatçıyım.

Sonsuz sığ bir göl hayal edin. Sadece birkaç fit derinliğindedir, ancak yatay düzlemde süresiz olarak uzanır. Kör kurbağa yavruları gölün her yerinde yaşar; tüm hayatlarını burada geçiriyorlar; ışığı görmemek; ancak nesneleri bulmak ve iletişim kurmak için sesi çok iyi kullanırlar. Kırılmaz bir kural vardır: Suda hiçbir şey ses hızından daha hızlı hareket edemez. İribaşlar çok daha yavaş hareket ettiğinden, çoğu görev için bu hız sınırı önemli değildir.

Tahminime göre, asansör gelgit kuvvetlerini göz ardı edecek kadar küçük.

Ama gölde tehlike var. Pek çok iribaş kaçmak için çok geç olduğunu fark eder ve henüz kimse ona ne olduğunu anlatmak için geri dönmemiştir. Gölün ortasında bir kanalizasyon var. İçinden geçen su, ölümcül keskin kayaların üzerinde kırıldığı bir yeraltı mağarasına girer.

Göle yukarıdan bakarsanız suyun gidere doğru hareket ettiğini görebilirsiniz. Ondan uzaktayken suyun hızı algılanamaz, ancak yaklaştıkça hızlanır. Drenajın suyu o kadar hızlı boşalttığını varsayalım ki belli bir mesafede hızı ses hızına ulaşsın. Kanalizasyona daha da yakınken, akış süpersonik hale gelir. Bu gerçekten çok tehlikeli bir stok.

Geri dönüşü olmayan noktada, akıntının hızı sesin hızını aşar.

Sadece sıvı ortamlarına aşina olan suda yüzen iribaşlar, gerçekte ne kadar hızlı hareket ettiklerini asla bilemezler; Etraflarındaki her şey su tarafından aynı hızla çekiliyor. En büyük tehlike , kanalizasyona çekilebilmeleri ve keskin taşların üzerinde ölebilmeleridir. Aslında, bunlardan biri, mevcut hızın ses hızını aştığı yarıçapı geçtiği anda, mahkumdur. Bu geri dönüşü olmayan noktayı geçtikten sonra akıntının üstesinden gelemeyecek ve hatta hala güvenli bölgede bulunan diğer kişilere bir uyarı bile gönderemeyecek (hiçbir akustik sinyal suda sesten daha hızlı yol alamaz). Unruh böyle bir kanala ve onun geri dönüşü olmayan noktasına ölü bir delik der - sessiz anlamında sağır, çünkü oradan ses çıkamaz.

Dönüşü olmayan noktanın en ilginç özelliklerinden biri, içinden yüzen dikkatsiz bir gözlemcinin ilk başta olağan dışı bir şey fark etmeyecek olmasıdır. Hiçbir uyarı işareti veya siren yok, onu durduracak hiçbir engel yok, yaklaşan tehlikeyi ona söyleyecek hiçbir şey yok. Bir an her şey harika görünürken bir sonraki an da öyle. Geri dönülmez noktayı geçmek bir olay değildir.

Ve şimdi Alice adında serbest sürüklenen bir iribaş, uzakta kalan arkadaşı Bob için bir şarkı söyleyerek kanalizasyona doğru yüzüyor. Tüm kör akrabaları gibi Alice'in de oldukça zayıf bir repertuvarı var. Söyleyebildiği tek nota, saniyede 262 titreşimle veya teknik terimlerle 262 hertz (Hz)* ile orta oktav C'dir. Alice kanalizasyondan uzakta olduğu sürece hareketi neredeyse algılanamaz. Bob, Alice'in sesini dinler ve ilk oktavın "C" sesini duyar. Ancak Alice hız kazandıkça, en azından Bob'un zihninde ses alçalmaya başlar; “do”, önce “si”ye, ardından “la”ya dönüşür. Buna Doppler kayması denir, bunu bir ekspres tren düdük çalarak yanınızdan geçtiğinde fark edebilirsiniz. Tren yaklaşırken düdük sesi size kabindeki sürücüden daha yüksek geliyor. Düdük sizi geçip uzaklaşmaya başladığında ses kısılır. Art arda gelen her titreşim, bir öncekinden biraz daha uzun yol kat etmeye zorlanır ve kulağınıza biraz gecikmeyle ulaşır. Ardışık ses titreşimleri arasındaki süre uzar ve daha düşük bir frekans duyarsınız. Ayrıca , tren sizden uzaklaştıkça hızlanırsa, algılanan frekans giderek azalır.

Aynı şey Alice'in notasında da olur, çünkü geri dönüşü olmayan nokta yaklaşır. Bob önce 262 Hz'lik bir frekans duyar. Sonra 200 Hz'e, ardından 100 Hz'e, 50 Hz'e ve bu şekilde devam eder.

Hertz frekans birimi, adını Alman fizikçi Heinrich Hertz'den almıştır. Bir hertz, saniyede bir salınım ile aynıdır.

Geri dönüşü olmayan bir noktaya çok yakın bir yerde yayılan bir sesin kaybolması çok uzun zaman alacaktır; Suyun hareketi, sesin dışa doğru olan hızını neredeyse tamamen azaltır ve neredeyse durma noktasına kadar yavaşlatır. Kısa süre sonra ses o kadar alçalır ki, özel ekipman olmadan Bob artık duyamaz.

Bob, ses dalgalarını odaklamak ve Alice geri dönüşü olmayan bir noktaya yaklaşırken onun görüntülerini yakalamak için özel donanıma sahip olabilir. Ancak art arda gelen ses dalgalarının Bob'a ulaşması gitgide daha uzun sürer ve bu da Alice'le ilgili her şeyin yavaş görünmesine neden olur. Sesi alçalıyor; pençelerinin hareketleri neredeyse tamamen duracak kadar yavaşlar. Bob'un gördüğü son darbe sonsuza kadar uzanıyor. Aslında, Bob'a Alice'in geri dönüşü olmayan noktaya ulaşması sonsuza kadar sürecekmiş gibi geliyor.

Bu sırada Alice olağandışı bir şey fark etmez. Geri dönüşü olmayan noktayı sakince geçiyor, yavaşlama ya da hızlanma hissetmiyor. Tehlikeyi ancak daha sonra fark eder, şimdiden ölümcül kayaların üzerine düşer. Burada kara deliklerin temel özelliklerinden birini görüyoruz: Paradoksal olarak farklı gözlemciler aynı olayları tamamen farklı şekillerde algılıyorlar. Bob, gelen seslere bakılırsa; Görünüşe göre Alice'in bir sonsuzluğa ihtiyacı olacak; geri dönülmez noktaya ulaşmak; ama Alice için göz açıp kapayıncaya kadar olabilir.

Şimdiye kadar tahmin etmiş olmalısınız; dönüşü olmayan noktanın bir kara deliğin ufkuna benzediğini. Sesi ışıkla değiştirin (unutmayın, hiçbir şey ışıktan daha hızlı hareket edemez) ve bir Schwarzschild kara deliğinin özelliklerinin çok doğru bir örneğini elde edersiniz. Lağımda olduğu gibi, ufku aşan hiçbir şey artık kaçamaz ve hatta hareketsiz kalamaz. Kara deliklerdeki tehlike keskin kayalar değil, merkezdeki tekilliktir. Ufuktaki tüm madde, sonsuz basınç ve yoğunluğa sıkıştırılacağı tekilliğe doğru büzülür.

Ölü delik analojisiyle donanmış olarak, kara deliklerin paradoksal özelliklerinin çoğu açıklığa kavuşturulabilir. Örneğin, Wob'un artık iribaş olmadığını, güvenli bir mesafede bir kara deliğin yörüngesinde dönen bir uzay istasyonunda astronot olduğunu varsayalım. Ufka doğru düşen Alice şarkı söylemiyor - uzayda sesini taşıyacak hava yok - ama mavi bir el feneriyle sinyaller veriyor. Bob düşerken ışığın frekansının maviden kırmızıya, kızılötesine, mikrodalgalara ve son olarak da düşük frekanslı radyo dalgalarına kaydığını görüyor. Alice'in kendisi giderek daha uyuşuk görünüyor, neredeyse tamamen durana kadar yavaşlıyor. Bob onun ufku geçtiğini asla görmeyecek; onun bakış açısına göre, Alice'in geri dönüşü olmayan bir noktaya ulaşması sonsuz bir zaman alacaktır. Ancak Alice, referans çerçevesinde sakince ufka doğru düşer ve yalnızca tekilliğe yaklaşan tuhaf bir şey hissetmeye başlar.

Bir Schwarzschild kara deliğinin ufku, Schwarzschild yarıçapında bulunur. Alice onu geçtikten sonra ölüme mahkum olsa da, iribaşlar gibi tekillik içinde ölmeden önce biraz zamanı var. Ama tam olarak ne kadar? Kara deliğin boyutuna, yani kütlesine bağlıdır. Kütle ne kadar büyükse, Schwarzschild yarıçapı da o kadar büyük ve Alice'in kaldığı süre o kadar fazla. Güneş kütlesindeki bir kara deliğin içinde sadece on mikrosaniye olacaktır. Galaksinin merkezinde yer alan ve bir milyar kat daha fazla kütleye sahip olabilecek bir kara delikte Alice'in bir milyar mikrosaniye yani yaklaşık yarım saati olacaktır. Alice'in tüm hayatını içinde yaşayabileceği ve belki de soyundan gelen birkaç neslin tekillik tarafından yok edilmeden önce yaşlanmak ve ölmek için zamana sahip olduğu daha da büyük bir kara delik hayal edilebilir.

Elbette Bob'un gözlemlerine göre Alice asla ufka ulaşamayacak. Peki kim haklı? Ufka ulaşacak mı ulaşamayacak mı? Gerçekten neler oluyor? Ve gerçek mi? Ne de olsa fizik, gözlemsel ve deneysel bir bilimdir, bu nedenle, Alice'in olay tanımıyla bariz bir çelişki içinde olsalar bile, Bob'un güvenilir gözlemleri tercih edilebilir . (Jakob Beckengein ve Stephen Hawking tarafından keşfedilen kara deliklerin inanılmaz kuantum özelliklerini tartıştıktan sonra Alice ve Bob'a geri döneceğiz.)

Lavabo benzetmesi birçok amaç için iyidir; ancak tüm analog girişler gibi bunun da sınırları vardır. Örneğin ufuktan düşen bir nesnenin kütlesi kara deliğin kütlesine eklenir. Kütlenin artması, ufkun genişlemesi anlamına gelir. Bu kesinlikle bir drenaj analojisinde, örneğin akışı kontrol etmek için içine bir pompa monte edilerek modellenebilir. Kanalizasyona her bir şey düştüğünde, pompa gücü biraz artırmalı, akışı hızlandırmalı ve geri dönüşü olmayan noktayı biraz daha ilerletmelidir. Ancak böyle bir model, basitliğini hızla kaybeder*.

Kara deliklerin bir başka özelliği de hareket edebilmeleridir. Bir kara deliği başka bir kütlenin yerçekimi alanına yerleştirirseniz, diğer herhangi bir kütleli nesne gibi hızlanacaktır. Daha büyük bir kara deliğin içine bile düşebilir. Gerçek kara deliklerin tüm bu özelliklerini bir lağım benzetmesi ile yansıtmaya çalışırsak; o matematikten daha karmaşık hale gelecek; ki kaçınır. Ama ; bu sınırlamalara rağmen; Lavabo, genel görelilik denklemlerine hakim olmak zorunda kalmadan karadeliklerin temel özelliklerini anlamak için çok yararlı bir temsildir.

Onları sevenler için birkaç formül

Bu kitabı matematik bilmeyen okuyucular için yazdım ama biraz matematikten hoşlananlar için işte birkaç formül ve anlamları açıklanmış. Eğer ilgilenmiyorsanız, bir sonraki bölüme geçin. Bu bir sınav değil.

Newton'un yerçekimi yasasına göre, evrendeki her nesne diğer tüm nesneleri çeker, yerçekimi kuvveti kütlelerinin çarpımı ile orantılı ve aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılıdır:

„mmm

Profesör George Ellis bana değişken akışla ilgili bir inceliği hatırlattı. Bu durumda dönüşü olmayan nokta, su hızı ile ses hızının çakıştığı yer ile tam olarak örtüşmez. Kara delikler söz konusu olduğunda , görünen görünürlük ufku ile gerçek olan arasında benzer ince bir fark vardır.

Bu, fizikteki en ünlü denklemlerden biridir ve neredeyse yaygın olarak E = mc 2 olarak bilinir (bu ünlü denklem E enerjisini m kütlesi ve ışığın hızı c ile ilişkilendirir).

Sol tarafta, Ay ve Dünya veya Dünya ve Güneş gibi iki kütle arasında etki eden F kuvveti vardır. Sağ tarafta, büyük bir kütle M ve daha küçük bir kütle m vardır , örneğin, Dünya'nın kütlesi 6x10 24 kg ve Ay'ın kütlesi 7x10 22 kg'dır. Kütleler arasındaki mesafe D olarak belirtilir. Dünya'dan Ay'a olan mesafe yaklaşık 4x10 8 m'dir.

Denklemin son sembolü olan G, Newton yerçekimi sabiti adı verilen sayısal bir sabittir. Bu değer tamamen matematiksel olarak elde edilemez. Değerini bulmak için, bilinen bir mesafede bulunan bilinen iki kütle arasındaki çekim kuvvetini ölçmek gerekir. Bu yapıldıktan sonra, herhangi iki kütle arasında herhangi bir mesafede etkiyen kuvvet hesaplanabilir. İronik olarak, Newton kendi sabitinin değerini asla bilemedi. Gerçek şu ki, yerçekimi o kadar zayıf ve sırasıyla G'nin değeri o kadar küçük ki, 19. yüzyılın sonuna kadar onu ölçmek mümkün olmadı. O zamana kadar, İngiliz fizikçi Henry Cavendish son derece küçük kuvvetleri ölçmek için ustaca bir yol geliştirmişti. Cavendish, bir metre arayla bir çift kilogram kütle arasında etki eden kuvvetin yaklaşık 6.7 x 10' 11 newton olduğunu buldu. (Newton, metrik C sisteminde bir kuvvet birimidir. Bir kilogramın ağırlığının yaklaşık onda biridir.) Dolayısıyla, C sistemindeki yerçekimi sabitinin değeri:

G= 6.7X10-".

Newton, teorisinin sonuçlarını incelerken ters kare yasasının özel özelliklerine ilişkin önemli bir keşif yaptı. Kendi ağırlığınızı ölçtüğünüzde, sizi Dünya'ya doğru çeken yerçekimi kuvvetinin bir kısmı doğrudan ayaklarınızın altındaki kütleden, bir kısmı da Dünya'nın derinliklerindeki kütleden, bir kısmı da karşı taraftaki kütlelerin katkısıdır. Dünya'nın 12,5 bin kilometre uzaklıkta. Ancak matematiksel bir mucize sayesinde, tüm kütlenin doğrudan gezegenin geometrik merkezinde bir noktada toplandığını varsayabiliriz.

Büyük bir topun yerçekimi, sanki tüm kütle merkez noktasında toplanmış gibi tamamen aynıdır.

Bu kullanışlı gerçek, Newton'un büyük bir nesnenin uzayan kütlesini küçük, büyük bir noktayla değiştirerek kaçış hızını hesaplamasına izin verdi. Ve işte sonuç:

kaçış hızı =^2MG/R .

Bu formül açıkça göstermektedir ki; kütle ne kadar büyük ve R yarıçapı ne kadar küçükse, kaçış hızı o kadar yüksek olur.

Şimdi Schwarzschild yarıçapı R,'yi hesaplamak kolaydır. Tek yapmanız gereken ışık hızını kaçış hızı olarak değiştirmek ve ardından elde edilen yarıçap denklemini çözmek:

»_2«G

Schwarzschild yarıçapının kütle ile doğru orantılı olduğu gerçeğine dikkat edin.

En azından Laplace ve Mitchell'in erişebildiği Düzeyde, karanlık yıldızlar için olanların hepsi bu kadar.

Nedovskaya geometrisi

Uzak geçmişte, Gauss, Bolyai, Lobachevsky ve Riemann* gibi matematikçiler henüz her şeyi karıştırmayı başaramadıkları zamanlarda, geometri hepimizin okulda öğrendiği Öklid geometrisi anlamına geliyordu. Her şey, tamamen düz iki boyutlu bir yüzeyin geometrisi olan planimetri ile başladı. Birincil kavramlar noktalar, düz çizgiler ve açılardı. Aynı doğru üzerinde olmayan, paralel doğrular asla kesişmeyen ve herhangi bir üçgenin açılarının toplamı 180° olan üç noktanın bir üçgeni tanımladığını öğrettik.

Sonra, çalışma şekli benimkiyle aynıysa, fikirlerinizi üç boyuta genişlettiniz. Bir şeyler iki boyutta olduğu gibi kaldı ama bir şeyler değişti, aksi takdirde iki ve üç boyut arasında hiçbir fark olmazdı. Örneğin, üç boyutta hiçbir yerde kesişmeyen ancak paralel olmayan düz çizgiler vardır; bunlara geçit denir.

" Carl Friedrich Gauss (1777-1855), Janos Bolyai (1802-1860), Nikolai Lobachevsky (1792-1856) ve Georg Friedrich Bernhard Riemann (1826-1866).

Hem iki hem de üç boyutta, geometri yasaları Öklid tarafından MÖ 300 civarında formüle edilenlerle aynı kalır. Bununla birlikte, iki boyutlu durumda bile farklı türden geometriler - farklı aksiyomlarla - mümkündür.

"Geometri" kelimesinin gerçek anlamı, Dünya'nın ölçümüdür. İronik olan şu ki, Öklid gerçekten dünyanın yüzeyindeki üçgenleri ölçme zahmetine girmiş olsaydı , Öklid geometrisinin çalışmadığını anlayacaktı. Gerçek şu ki, dünyanın yüzeyi bir küre*^ olup, bir düzlem değildir. Küresel geometride; Kesinlikle; noktalar ve açılar vardır; ama bariz olmaktan uzak; düz çizgiler gibi bir şeye sahip olduğunu. Bakalım "küre üzerindeki düz çizgi" sözlerine bir anlam yükleyebilir miyiz?

Öklid geometrisinde düz bir çizgiyi tanımlamanın olağan yolu, iki nokta arasındaki en kısa yoldur. Futbol sahasında düz bir çizgi inşa etmek istersem, o zaman yere iki kazık çakarım; Onları bir misina ile bağlayacağım ve mümkün olduğu kadar sıkı çekeceğim. Misinanın gerginliği; çizgi mümkün olan en kısa olacaktır.

Elbette idealize edilmiş, mükemmel bir şekilde yuvarlak olan Dünya'dan bahsediyorum .

İki nokta arasındaki en kısa yolun bu ilkesi kolayca küreye genişletilebilir. Diyelim ki Moskova ile Rio de Janeiro arasındaki en kısa rotayı bulmamız gerekiyor. Bir küreye, iki düğmeye ve elastik ipliğe ihtiyacımız var. Düğmeleri Moskova ve Rio'ya yapıştırarak, ipliği dünyanın yüzeyi boyunca uzatabilir ve en kısa rotayı belirleyebilirsiniz. Ekvator ve meridyenler gibi en kısa rotalara büyük daireler denir. Küresel geometride onlara düz çizgiler demek mantıklı mı? Onlara ne isim verdiğimiz önemli değil. Önemli olan noktaların, açıların ve çizgilerin birbiriyle mantıksal olarak nasıl ilişkili olduğudur.

İki nokta arasındaki en kısa yol olan bu çizgiler, bir anlamda küre üzerindeki mümkün olan en doğrudan çizgilerdir. Bu tür yollar için doğru matematiksel isim jeodeziktir. Sıradan bir düzlemde jeodezikler sıradan düz çizgiler ise, o zaman bir küre üzerinde jeodezikler büyük dairelerdir.

Bir küre üzerinde büyük daireler

Düz çizgilerin bu küresel değişimini elde ettikten sonra, üçgenlerin inşasına geçebiliriz. Küre üzerinde üç nokta işaretleyin, örneğin Moskova, Rio ve Sidney. Sonra bu noktaları çiftler halinde birleştiren jeodezikler çiziyoruz: Moskova-Rio jeodezik, Rio-Sidney jeodeziği ve son olarak Sidney-Moskova jeodezik. Sonuç küresel bir üçgendir.

küresel üçgen

Planimetride herhangi bir üçgenin açılarını toplarsanız tam olarak 180 derece elde edersiniz. Ancak küresel bir üçgene yakından bakarsanız, kenarlarının dışa doğru çıkıntı yaptığını ve bu da köşelerin bir düzlemde olduğundan daha büyük olduğunu görebilirsiniz. Sonuç olarak, küresel bir üçgenin açılarının toplamı her zaman 180 dereceden büyüktür. Üçgenlerin bu özelliğe sahip olduğu bir yüzeyin pozitif eğriliğe sahip olduğu söylenir .

Zıt özelliğe sahip yüzeyler, yani bir üçgenin açılarının toplamı 180 dereceden küçük olabilir mi? Böyle bir yüzeyin bir örneği bir eyerdir. Eyer yüzeyleri negatif eğriliğe sahiptir; negatif eğrilikli bir yüzey üzerinde bir üçgen oluşturan jeodezikler çıkıntı yapmaz, aksine geri çekilir.

Dolayısıyla, sınırlı beynimiz kavisli üç boyutlu uzayı görselleştirme yeteneğine sahip olsun ya da olmasın, onu eğrilik için deneysel olarak nasıl test edeceğimizi biliyoruz. Üçgenler anahtardır. Uzayda herhangi bir üç nokta seçin, üç boyutlu bir üçgen oluşturmak için aralarındaki ipleri olabildiğince sıkı çekin. Böyle bir üçgenin iç açıları toplamı 180° ise uzay düz, değilse eğridir.

Kürelerden ve eyerlerden çok daha karmaşık geometriler, hem pozitif hem de negatif eğrilik alanlarına sahip düzensiz tepeler ve vadiler içeren geometriler olabilir. Ancak jeodezik inşa etme kuralı her zaman basit kalır. Böyle bir yüzeyde emeklediğinizi ve burnunuzu her zaman düz tuttuğunuzu, başınızı asla çevirmediğinizi hayal edin. Arkana bakma; nereden geldiğin veya nereye gittiğin umrumda değil; sadece ileri sürün. Yolunuz bir jeodezik olacak.

Bir çöl kumulunda gezinmeye çalışan tekerlekli sandalyedeki bir kişiyi hayal edin . Sınırlı su kaynağıyla, oradan olabildiğince çabuk çıkması gerekiyor. Yuvarlatılmış tepeler, eyer geçitleri ve derin vadiler, peyzajın pozitif ve negatif eğrilikli bölümlerini oluşturur ve genel olarak sandalyenin en iyi nereye yönlendirildiği hiç de belirgin değildir. İnsan yüksek tepelerin ve derin vadilerin kendisini yavaşlatacağını düşünür, bu yüzden ilk başta bunlardan kaçınmaya karar verir. Koltuk kontrol mekanizması basittir: Bir tekerleği diğerine göre yavaşlatırsanız, koltuk o yöne döner.

Bununla birlikte, birkaç saat sonra, kişi daha önce bulunduğu aynı arazi unsurlarından geçtiğinden şüphelenmeye başlar. Sandalyeyi kontrol etme girişimleri, tehlikeli bir rastgele yürüyüşe yol açtı. Artık en iyi stratejinin kesinlikle dümdüz gitmek, ne sağa ne de sola dönmek olduğunu anlıyor. "Gözlerinin baktığı yere git," dedi kendi kendine. Ama rotadan sapmadığınızdan nasıl emin olabilirsiniz?

Cevap çok geçmeden belli oluyor. Sandalye, iki tekerleği tek bir dambıl gibi dönecek şekilde birbirine göre sabitleyen bir mekanizmaya sahiptir. Tekerlekleri bu şekilde sabitleyerek, çölün kenarına giden en kısa yolu kullanır.

Yörünge üzerindeki her noktada, gezgin düz bir çizgide hareket eder, ancak bütün olarak, yolu karmaşık bir dolambaçlı eğri gibi görünür. Ancak, olabildiğince doğrudan ve kısadır.

On dokuzuncu yüzyıla kadar, matematikçiler alternatif aksiyomlarla yeni geometri türlerini incelemeye başlamadılar. Georg Friedrich Bernhard Riemann gibi yalnızca birkaçı, "gerçek" geometrinin -gerçek uzayın geometrisi- kesinlikle Öklidci olmayabileceği ihtimalini düşündü. Ancak bu fikri ciddiye alan ilk kişi yalnızca Einstein'dı. Genel görelilikte, uzayın geometrisi (ya da daha doğrusu uzay-zaman) filozofların ve hatta matematikçilerin değil, deneycilerin meselesi haline gelir. Matematikçiler ne tür geometrilerin mümkün olduğunu söyleyebilirler, ancak uzayın "gerçek" geometrisini yalnızca ölçümler belirleyebilir.

Einstein, genel görelilik kuramını geliştirirken, küresel ve eyer biçimli yüzeylerin ötesine geçen geometrileri düşünen Riemann'ın matematiksel çalışmasına güvendi: bazı yerlerde pozitif, bazılarında negatif eğimli çukurlar ve çıkıntılar olan alanlar ; bu özellikler boyunca ve aralarından kavisli düzensiz yollar boyunca geçen jeodezikler ile. Riemann yalnızca üç boyutlu uzayı düşündü, ancak Einstein ve çağdaşı Hermann Minkowski tamamen yeni bir şey ortaya koydu: dördüncü boyut olarak zaman. (Bunu gözünüzde canlandırmaya çalışın. Yapabiliyorsanız, o zaman çok sıra dışı bir beyniniz var demektir.)

Özel görelilik teorisi

Einstein kavisli uzayı düşünmeden önce bile Minkowski, zaman ve uzayın dört boyutlu bir uzay-zaman oluşturmak için birleştirilmesi gerektiği fikrine sahipti. Ciddiyetle olmasa da çok zarif bir şekilde ifade etti: "Bundan böyle, uzayın kendisi ve zamanın kendisi gölgelerde kalmaya mahkumdur ve yalnızca bunların bir tür birliği bağımsız bir gerçekliği koruyacaktır." Uzayzamanın düz veya eğri olmayan versiyonu Minkowski uzayı olarak bilinmeye başlandı.

80. Alman Doğa Bilimciler ve Hekimler Meclisi'ne sunduğu raporda Minkowski, zamanı, uzayın üç boyutunu da temsil eden tek bir yatay eksenle dikey bir eksen olarak tasvir etti. Seyirciden belirli bir miktar hayal gücü istendi.

Minkowski, uzay-zaman olaylarındaki noktaları çağırdı . "Olay" kelimesinin yaygın kullanımı, sadece zaman ve mekanı değil, orada olanları da ifade eder. Örneğin: "16 Temmuz 1945'te saat 05:29:45'te Trinity, New Mexico, ABD'de bir atom silahı ilk kez test edildiğinde olağanüstü önemli bir olay meydana geldi." kullanırken Minkowski

Minkowski, yeni dört boyutlu geometrinin Einstein'ın özel görelilik kuramı için doğru ortam olduğunu fark eden ilk kişiydi. Bu alıntı, 21 Eylül 1908'de 80. Alman Doğa Bilimleri ve Hekimler Meclisi'nde sunduğu "Uzay ve Zaman" raporundandır.

"olay" kelimesi biraz daha az talep ediyordu. Orada bir şey olup olmadığına bakılmaksızın, yalnızca belirli bir zaman ve yeri kastediyordu. Gerçekte kastettiği, olayın olabileceği ya da olmayabileceği yer ve zamandı, ancak bunu telaffuz etmek oldukça garip, bu yüzden onu olay olarak adlandırdı.

Uzay-zaman boyunca uzanan düz çizgiler ve eğriler, Minkowski'nin çalışmasında özel bir rol oynar. Uzayda tek bir nokta, parçacığın konumunu temsil eder. Ancak, bir parçacığın uzay-zamandaki hareketini tasvir ederken, dünya çizgisi adı verilen düz bir çizgi veya eğri elde ederiz . Bir tür hareket kaçınılmazdır. Bir parçacık tamamen hareketsiz kalsa bile , zamanda hareket etmeye mecburdur . Böyle hareketsiz bir parçacığın yörüngesi dikey bir düz çizgi olacaktır. Sağa doğru hareket eden bir parçacığın yörüngesi, sağa eğimli bir dünya çizgisi olacaktır.

Benzer şekilde, dünya çizgisinin sola eğimi de sola doğru hareketi tanımlar. Çizgi dikeyden ne kadar saparsa, parçacık o kadar hızlı hareket eder. Minkowski, tüm nesnelerin en hızlısı olan ışık ışınlarının hareketini ONLAR tarafından 45 derecelik bir açıyla çizilen çizgiler olarak hayal etti. Hiçbir parçacık ışıktan daha hızlı hareket edemediğinden, gerçek bir nesnenin yörüngesi dikeyden 45 dereceden fazla eğimli olamaz.

Minkowski, daha yavaş hareket eden parçacıkların dünya çizgilerini dikeye yakın oldukları için zamana benzer olarak adlandırdı. 45 derece eğimli ışık ışınlarının yörüngelerini ışık benzeri olarak adlandırdı.

Uzay

kendi zamanı

Mesafe kavramı insan beyni tarafından çok kolay kavranır. Mesafe düz bir çizgi boyunca ölçüldüğünde özellikle basittir. Bunun için düzenli bir cetvel yeterlidir. Bir eğri boyunca mesafeyi ölçmek biraz daha zordur, ancak çok fazla değildir. Cetveli esnek bir ölçüm bandıyla değiştirmeniz yeterlidir. Bununla birlikte, uzay-zamandaki mesafeler daha incelikli bir şeydir ve bunların nasıl ölçüleceği hemen belli değildir. Gerçekte, böyle bir kavram Minkowski'den önce yoktu.

Minkowski, bir dünya çizgisi boyunca mesafe kavramıyla özellikle ilgilendi. Örneğin, durağan bir parçacığın dünya çizgisini ele alalım. Yörünge herhangi bir uzamsal mesafeyi kapsamadığından, burada cetveller ve şerit metreler işe yaramaz. Ancak Minkowski, mükemmel şekilde sabitlenmiş bir nesnenin bile zamanda hareket ettiğini fark etti. Onun dünya çizgisini ölçmek için doğru alet bir cetvel değil, bir saattir. Dünya çizgisi boyunca yeni mesafe kavramını uygun zaman olarak adlandırdı .

Cebinde saat taşıyan bir insan gibi, nereye giderse gitsin her nesnenin küçük bir saat taşıdığını hayal edin. Dünya çizgisi üzerindeki iki olay arasındaki uygun zaman, dünya çizgisi boyunca hareket eden saat üzerindeki olaylar arasında geçen süredir. Saat okumaları, bir ölçüm bandının santimetre bölümlerine benzer, ancak normal mesafe yerine Minkowski'ye göre kendi zamanlarını ölçerler.

İşte somut bir örnek. Bay Kaplumbağa ve Bay Hare, Central Park'ta bir yarış düzenlemeye karar verirler. Kazananı belirlemek için, dikkatlice senkronize edilmiş saatlere sahip hakemler mesafenin uçlarına yerleştirildi. Yarış hemen saat 12:00'de başlar ve yarı yolda Tavşan eğrinin o kadar ilerisindedir ki devam etmeden önce biraz kestirmeye karar verir. Ama uyuyakaldı ve uyandığında Kaplumbağa'nın bitiş çizgisine yaklaştığını gördü. Yarışı kaybetmek istemeyen Tavşan, şimşek gibi peşinden koştu ve Kaplumbağa ile aynı anda bitiş çizgisini zar zor geçmeyi başardı.

Bay Kaplumbağa son derece hassas cep saatini çıkarıyor ve bekleyen kalabalığa gururla kendi dünya hattı segmentinde baştan sona kendi zamanının 2 saat 56 dakika olduğunu gösteriyor. Ama neden bu yeni konsepte uygun zaman deniyor ! Turtle neden başlangıçtan bitişe kadar geçen sürenin yaklaşık 2 saat 56 dakika olduğunu söylemedi? Zaman sadece zaman değil mi?

Newton, elbette, öyle düşündü. Referans ilahi saatin, diğer tüm saatlerin senkronize edilmesi gereken evrensel zaman akışını belirlediğine inanıyordu. Tüm iyi, dürüst saatler tam olarak aynı hızda çalışır, böylece bir kez senkronize olduklarında senkronize kalırlar. Kaplumbağanın ya da Tavşanın başına ne gelirse gelsin, yan saate bakarak ya da kendi cep saatlerine bakarak zamanı söyleyebilirler. Newton için, nereye giderseniz gidin, hangi hızda, düz bir çizgide veya kavisli bir yolda giderseniz gidin, cep saatinizin - aynı zamanda iyi ve dürüst olduğu varsayıldığında - en yakın yerel saatin okumalarıyla eşleşeceği bir aksiyomdu. . Newton zamanının mutlak bir gerçekliği vardır, onda göreceli hiçbir şey yoktur.

Ancak 1905'te Einstein, Newton'un mutlak zamanını alt üst etti. Özel göreliliğe göre, saatlerin çalışma hızı, birbirlerinin mükemmel kopyaları olsalar bile, nasıl hareket ettiklerine bağlıdır. Normal şartlar altında bu etki fark edilmez, ancak saat ışık hızına yakın bir hıza çıkarıldığında çok fark edilir hale gelir. Einstein'a göre, dünya çizgisinde hareket eden her saat kendi hızında çalışır. Buradan Minkowski, yeni bir uygun zaman kavramının tanımına geldi.

Sadece örneklemek için, Tavşan saatini (aynı zamanda iyi ve dürüst) çıkardığında, kendi dünya çizgisini 1 saat 36 dakika olarak gösterir. Uzay-zamanda aynı noktalarda başlayıp bitmelerine rağmen, Kaplumbağa ve Tavşan'ın dünya çizgileri farklı uygun zamanlara sahiptir.

Uygun zaman tartışmasına devam etmeden önce, ölçülen normal mesafeler hakkında biraz düşünmekte fayda var.

' Bu aşırı bir abartı, böyle bir sonuç için Tavşan ışık hızına yakın bir hızda hareket etmek zorunda kalacaktı.

bir ölçüm bandı ile eğriler boyunca. Uzayda herhangi iki noktayı alın ve bunları eğri bir çizgi ile birleştirin. Bir çizgi boyunca ölçüldüğünde bu noktalar birbirinden ne kadar uzaktadır? Açıkçası cevap eğriye bağlıdır. İşte aynı noktaları (a ve b) birleştiren, ancak uzunlukları tamamen farklı olan iki eğri. Üst eğri boyunca mesafe beş inç ve alt eğri boyunca sekiz inçtir.

Elbette a'dan b'ye çizilen farklı eğrilerin farklı uzunluklara sahip olmasında şaşırtıcı bir şey yok .

Şimdi uzay-zamanda dünya çizgilerini ölçme problemine geri dönelim. İşte tipik bir dünya çizgisinin çizimi. kavisli olduğuna dikkat edin. Bu, yörünge boyunca hızın sabit kalmadığı anlamına gelir. Bu örnekte, hızlı hareket eden bir parçacık yavaşlamaktadır. Noktalar saatin tik tak zamanını işaretler. Her aralık bir saniyeye karşılık gelir.

Saniyelerin daha nazik bölümlerde nasıl daha uzun uzadığına dikkat edin. Bu bir hata değil, Einstein tarafından keşfedilen ünlü zaman genişlemesinin bir yansımasıdır: hızlı hareket eden saatler, o kadar hızlı hareket etmeyen veya hareketsiz olan saatlerden daha yavaş çalışır.

İki olayı birbirine bağlayan iki eğri dünya çizgisini düşünün. Einstein, her zamanki gibi, zihinsel deneyler yaparak, aynı anda doğan iki ikiz hayal etti - onlara Alice ve Bob diyeceğim -. Onların doğum olayını a olarak gösterelim . Doğum anında ikizler ayrılır; Alice çılgın bir hızla uzaklaşırken Bob evde kalır. Bir süre sonra Einstein, Alice'i döndürür ve evine yönlendirir. Sonunda Bob ve Alice b noktasında tekrar buluşurlar .

Zaman

Uzay

Doğumda, Einstein ikizlere aynı mükemmel şekilde senkronize edilmiş cep saatleri verdi. Bob ve Alice nihayet b noktasında buluştuklarında , saatlerini karşılaştırdılar ve Newton'u şaşırtacak bir şey buldular. Bob büyüdü

uzun gri sakal, Alice ise gençliğin kendisiydi. Cep saatlerine bakılırsa, Alice'in dünya hattında geçirdiği süre Bob'unkinden çok daha kısaydı. İki nokta arasındaki normal uzaklığın onları birleştiren eğriye bağlı olması gibi, iki olay arasındaki uygun zaman da onları birleştiren dünya çizgisine bağlıdır.

Alice seyahat ederken saatinin yavaşladığını fark edecek mi? Hiçbir şekilde. Yavaşlayan tek şey onun saati değil; aynı şey onun kalp atışına, beyin fonksiyonuna ve tüm metabolizmasına da oldu. Seyahat ederken, Alice'in saatlerini karşılaştıracak hiçbir şeyi yoktur, ancak sonunda Bob'la ikinci kez karşılaştığında, kendisini ondan çok daha genç bulur. Bu "ikiz paradoks", bir asırdan fazla bir süredir fizik öğrencilerinin kafasını karıştırıyor.

Kendi başınıza fark etmiş olabileceğiniz ilginç bir ayrıntı var. Alice eğri bir yolda seyahat ederken Bob düz bir çizgide uzay-zamanda seyahat eder. Ve yine de, Alice'in yörüngesindeki uygun zaman, Bob'un yörüngesindekinden daha kısadır. Bu, Minkowski uzayının geometrisinin sezgilere aykırı bir özelliğine bir örnektir: Dünyanın düz çizgisi, iki olay arasındaki en uzun uygun zamana sahiptir - düz çizgi boyunca ölçülür. Bu, görünümlerinizi yeniden yapılandırmak için kullanışlıdır.

Genel görelilik teorisi

Riemann gibi Einstein da geometrinin eğri ve değişken olduğuna inanıyordu. Üstelik aklında sadece uzayın değil, uzay-zamanın da geometrisi vardı. Minkowski'yi izleyen Einstein, zamanı bir eksende çizdi ve diğerini uzayın üç boyutuyla karşılaştırdı, ancak uzay-zamanı bir düzlemde tasvir etmek yerine, çöküntüleri ve çıkıntıları olan kavisli bir yüzey hayal etmeye başladı. Parçacıklar hala dünya çizgileri boyunca hareket ediyor ve saatler kendi zamanını tutuyor, ancak uzay-zamanın geometrisi çok daha az doğru hale geldi.

^'basit PanSgeo **"-''

Einstein'ın yasaları

Şaşırtıcı bir şekilde, fizik yasaları birçok yönden kavisli uzay-zamanda Newton fiziğinde olduğundan daha basit görünür. Örneğin, parçacıkların hareketini ele alalım. Newton yasaları, şunu belirten eylemsizlik ilkesiyle başlar:

yokluğunda , her nesne düzgün hareket halinde kalır.

Görünüşte basit olan bu yasada, "düzgün hareket" ifadesinin arkasında iki bağımsız fikir gizlidir. İlk olarak, "düzenli hareket", uzayda düz bir çizgi boyunca hareketi ifade eder. Ancak Newton'un aklında başka bir şey daha vardı: hareketin tekdüzeliği aynı zamanda hızın sabitliğini, değişmezliğini, yani ivmenin yokluğunu da ima eder.

Peki yerçekimi kuvvetlerine ne olur? Newton ikinci bir yasa, eşitsiz hareket yasası ekler.

* Hızlanma, genellikle yavaşlama olarak adlandırdığımız yavaşlama da dahil olmak üzere hızdaki herhangi bir değişikliği kapsar. Bir fizikçi için yavaşlama basitçe negatif ivmedir.

kuvvetin kütle ve ivmenin ürününe eşit olduğunu veya başka bir deyişle:

Bir cismin ivmesi, ona uygulanan kuvvetin kütlesine bölünmesine eşittir.

Üçüncü yasa, kuvvetin yer çekiminden kaynaklandığı durumlarda geçerlidir:

Herhangi bir cisme etki eden yerçekimi kuvveti, kütlesi ile orantılıdır.

Minkowski, bu koşulların her ikisini de birleştirmeyi düşünerek Newton'un düzgün hareket fikrini basitleştirdi:

Kuvvetlerin yokluğunda, herhangi bir nesne uzay-zamanda düz bir dünya çizgisi boyunca hareket eder.

Dünya çizgisinin düzlüğü, yalnızca uzaydaki hareketin düzlüğünü değil, aynı zamanda hızın sabitliğini de ifade eder.

Minkowski'nin dünya çizgisinin düzlüğü hakkındaki varsayımı, tekdüze hareketin iki yönünün zarif bir senteziydi; ancak yalnızca kuvvetlerin tamamen yokluğunda uygulanabilir. Einstein, Minkowski'nin fikrini kavisli uzay-zamana uygulayarak yeni bir seviyeye taşıdı.

Einstein'ın yeni hareket yasası şaşırtıcı derecede basitti. Parçacık, dünya çizgisi üzerindeki herhangi bir noktada mümkün olan en basit şekilde davranır: dümdüz ilerlemek (uzay-zamanda). Uzay-zaman düzse, Einstein'ın yasası Minkowski'nin yasasına indirgenir, ancak kavisli uzay-zamanda, büyük cisimlerin uzay-zamanı büküp büktüğü bölgelerde, yeni yasa parçacıklara uzay-zaman jeodezikleri boyunca hareket etmelerini söyler .

Minkowski'nin açıkladığı gibi; dünya çizgisinin eğriliği, nesneye bir kuvvetin etki ettiğini gösterir. Einstein'ın yeni yasasına göre, eğri uzay-zamandaki parçacıklar olabildiğince düz hareket ederler. Bununla birlikte, jeodezikler kaçınılmaz olarak kavislidir ve eğrileri, uzay-zamanın yerel manzarasına karşılık gelir. Einstein'ın matematiksel denklemleri, eğri uzay-zamandaki bir jeodezinin, yerçekimi alanında hareket eden bir parçacığın eğri dünya çizgisi gibi davrandığını gösteriyor. Dolayısıyla yerçekimi kuvveti, kavisli uzay-zamanda jeodeziklerin eğriliğinden başka bir şey değildir.

Einstein, neredeyse gülünç derecede basit bir yasada, Newton'un hareket yasalarını Minkowski'nin dünya çizgisi hipoteziyle birleştirdi ve yerçekiminin tüm nesneleri nasıl etkilediğini açıkladı. Newton'un açıklanamayan bir doğal fenomen olarak kaldığı şey - yerçekimi kuvveti - Einstein, Öklidyen olmayan uzay-zaman geometrisinin etkisi olarak açıkladı.

Jeodezikler boyunca parçacık hareketi ilkesi sayesinde, yerçekimini anlamanın yeni ve etkili bir yolu ortaya çıkıyor, ancak eğriliğin nedenleri hakkında hiçbir şey söylemiyor. Teorisine bütünlük kazandırmak için Einstein'ın uzay-zamandaki eğriliklerin ve diğer homojen olmayan durumların ortaya çıkmasına neyin sebep olduğunu açıklaması gerekiyordu. Eski Newtoncu teoride yerçekimi alanının kaynağı kütleydi: örneğin Güneş gibi bir kütlenin varlığında, etrafında bir yerçekimi alanı oluşur ve bu da gezegenlerin hareketini etkiler, bu nedenle doğaldır. Einstein, kütlenin (veya eşdeğer olarak enerjinin) varlığının uzay-zamanın bükülmesine neden olduğunu varsaymak için. Modern rölativist teorinin öncülerinden ve öğretmenlerinden biri olan John Wheeler, bunu kısa ve öz bir cümleyle özetledi: "Uzay bedenlere nasıl hareket edeceklerini ve cisimler uzaya nasıl büküleceğini söyler." (Uzay-zaman demek istedi.)

Einstein'ın yeni fikri, uzay-zamanın pasif olmadığı, özelliklere sahip olduğu anlamına geliyordu; eğrilik gibi; Sanki uzay -zaman, içinde hareket eden nesnelerin etkisine tabi olan elastik, hatta sıvı bir madde gibidir.

Büyük nesneler arasındaki iletişim; yer çekimi; parçacıkların eğriliği ve hareketi bazen analoji ile tanımlanır; hakkında karışık hislerim var. Fikir, alanı bir trambolin gibi yatay bir lastik levha ile temsil etmektir. Onu deforme edecek kütleler olmadığında, levha düz kalır. Ancak çarşafın üzerine bowling topu gibi ağır bir ağırlık koyun, ağırlığı deformasyona neden olacaktır. Şimdi önemli ölçüde farklı bir kütle ekleyin, herhangi bir küçük top yapacak ve ağır bir bowling topuna dönüştüğünü göreceksiniz. Topa, Dünya'nın Güneş etrafında dönmesi gibi daha büyük bir kütlenin etrafında dönmesi için teğetsel bir hız da verilebilir. Tıpkı güneşin yerçekiminin Dünya'yı bir arada tutması gibi, yüzeyin sapması daha küçük topun yuvarlanmasını engeller.

Ancak bu benzetmeyle ilgili bir şey yanıltıcıdır. İlk olarak, bir lastik levhanın eğriliği uzay-zamanda değil, sadece uzayda gerçekleşir, bu nedenle kütlelerin yakındaki saatler üzerindeki garip etkileri açıklanamaz (bu etkileri bir sonraki bölümde ele alacağız). Daha da kötüsü, bu model yerçekimini açıklamak için yerçekimini kullanır. Bowling topunun kauçuk yüzeyi iterek geçmesine neden olan gerçek Dünya'nın çekimidir. Yani teknik olarak lastik levha modeli tamamen yanlıştır.

Bununla birlikte , bu analoji kısmen genel görelilik teorisinin ruhunu taşır. Uzay-zaman deforme olabilir ve büyük kütleler onu bükebilir. Büyük nesnelerin oluşturduğu eğrilik, küçük nesnelerin hareketini etkiler. Ve preslenmiş kauçuk levha, kısaca bahsedeceğim karakteristik matematiksel Diyagrama birçok yönden benziyor. Yararlı olduğunda bu benzetmeyi kullanın, ancak bunun yalnızca bir benzetme olduğunu unutmayın.

Kara delikler

Bir elma alın ve ortasından ince bir dilim yapın. Elma üç boyutludur, ancak ortaya çıkan dilim iki boyutludur. İnce kesme ile elde edilen tüm iki boyutlu dilimleri istiflerseniz, o zaman bir elmayı yeniden oluşturabilirsiniz. Her bir ince dilimin , bir üst boyuttaki dilim yığınının içinde iç içe geçtiğini söyleyebiliriz .

Uzay-zaman dört boyutludur, ancak onu dilimleyerek üç boyutlu uzaysal dilimler ayırt edilebilir. Bunu, her biri belirli bir zamanda üç boyutlu uzayı temsil eden bir dilim yığını olarak düşünebilirsiniz. Üç boyutu görselleştirmek dörtten çok daha kolaydır. Bu tür dilimlenmiş resimlere gömülü diyagramlar denir ve Öklid dışı geometri hakkında sezgisel bir fikir edinmeye yardımcı olur.

Güneşin kütlesi tarafından oluşturulan geometriyi düşünün. Bir an için zamanı unutalım ve Güneş'in etrafındaki kavisli uzayı görselleştirmeye odaklanalım. Yuvalama diyagramı , Güneş'in olduğu yerde ortalanmış bir lastik kistin üzerindeki küçük bir çukura benziyor , aşağı yukarı üzerinde bir bowling topunun durduğu bir tramboline benziyor .

Aynı kütle daha küçük bir hacimde yoğunlaşırsa, Güneş'in yakınındaki bozulmalar daha belirgin hale gelmelidir.

Bir beyaz cücenin veya nötron yıldızının yakınındaki geometri daha da bozuktur ama yine de düzgündür.

Daha önce öğrendiğimiz gibi, çökmekte olan bir yıldız Schwarzschild yarıçapına (Güneş için üç kilometre) sığacak kadar küçülürse, o zaman, bir lavaboya hapsolmuş iribaşlar gibi, parçacıkları geri döndürülemez bir şekilde içe doğru çekilecek ve ilerlemeye devam edecekler. tekillik oluşturana kadar çökmek, sonsuz eğriliğe* sahip bir noktadır.

Uzmanlar için not. Yukarıdaki yerleştirme diyagramı, sabit Schwarzschild zamanında oluşturulmamıştır. Kruskal koordinatları uygulanarak ve yüzey T = 1 seçilerek elde edilir.

kara delikler ne değildir

Bu bölümün, yalnızca Disney filmi 'Pitch Black'teki kara delikler hakkında bilgisi olan okuyuculardan bir öfkeli e-posta seli oluşturacağını tahmin ediyorum . Eğlenceyi bozmak istemem, Tanrı bilir, kara delikler harika nesnelerdir, ancak cennete, cehenneme, diğer evrenlere açılan kapılar ve hatta bizim evrenimize giden tüneller bile değildirler . Aşkta, savaşta ve bilimkurguda her şeyin ne kadar dürüst olduğunu bildiğim için, film yapımcılarının onlar aracılığıyla hayaller diyarına yolculuk yapmasına aldırmıyorum. Ancak kara deliklerin doğasını anlamak, B-filmlerini izlemekten daha fazla bilgi gerektirir."

"Kara Delik" filminin ana fantezi önermesi, aslında Einstein ve meslektaşı Nathan Rosan'ın daha sonra John Wheeler tarafından popüler hale getirilen çalışmalarına kadar uzanıyor. Einstein ve Rosen, bir kara deliğin içinin sözde solucan delikleri aracılığıyla çok uzak yerlere bağlı olabileceği ihtimalini değerlendirdiler. Buradaki fikir, milyarlarca ışıkyılı uzaklıkta bulunan karadeliklerin ufuklarında birleşerek evrende fantastik bir tünel oluşturabilmeleriydi. Böyle bir kara delik için, ufku geçtikten sonra gömülmenin dnagramı keskin bir tekillikle bitmez, uzay-zamanın yeni ve geniş bir bölgesine açılır.

Böyle bir tünele bir taraftan girip diğer taraftan çıkmak, New York'ta metroya girmek ve birkaç milden fazla seyahat etmeden Pekin'de ve hatta Mars'ta görünmek gibidir. Wheeler'ın fikri

1979 yılında Walt Disney Productions tarafından vizyona giren filmin orijinal adı "The Black Hole" dur. Filmde astronotlar kara deliğin içinden uçmayı başarıyorlar. — Not. çeviri

Kategori B filmleri, genellikle bazı kısa vadeli popüler temaların kullanılmasına dayanan düşük bütçeli filmlerdir. — Not. çeviri

John Wheeler onlara solucan delikleri adını verdi - solucan delikleri. Ancak Rusça'da "solucan delikleri" terimi daha yaygındır. — Not. çeviri solucan delikleri aslında genel görelilik denklemlerini çözmeye dayanıyordu.

Kara deliklerin diğer dünyalara açılan tüneller olduğu şeklindeki "şehir efsanesinin" kaynağı budur. Bu fikir iki hata içeriyor. İlk olarak, Wheeler solucan delikleri çok kısa bir süre açık kalabilir ve ardından çökebilir. Solucan delikleri o kadar hızlı açılır ve kapanır ki, içinden geçmek tamamen imkansızdır. Sanki Pekin'e giden kısa tünel, kimse geçemeden çökmüş gibi. Bazı fizikçiler, kuantum mekaniğinin solucan deliğini bir şekilde stabilize edebileceğini söylüyor, ancak bunun için bir kanıt yok.

Ama sadece bu da değil, Einstein ve Rosen "ebedi kara delik" üzerinde çalıştılar, yani sadece sonsuz bir geleceğe değil, aynı zamanda sonsuz bir geçmişe de sahipler. Ancak evrenin bile sınırlı bir yaşı vardır. Gerçek kara delikler her zaman elbette yıldızların (veya diğer büyük nesnelerin) çöküşü sırasında, yani Büyük Patlama'dan sonra ortaya çıkar. Einstein'ın denklemleri kara deliklerin oluşumuna uygulandığında, ilişkili solucan delikleri basitçe ortaya çıkmadı. Yerleştirme şeması sayfadaki gibi görünüyordu. 71.

Artık moralinizi bozduğuma göre, umarım söz konusu filmi kiralar ve beğenirsiniz.

Bir zaman makinesi nasıl yapılır

Gelecek alışık olduğun şey değil.

Yogi Berra

Pek çok kitap, dizi ve filme konu olan, borsa bilim kurgusunun bir başka ürünü olan zaman makinesine ne demeli? Şahsen, sahip olmak isterim. Geleceğin nasıl göründüğü çok ilginç. Bir milyon yıl sonra insan var olacak mı? Uzayda koloni mi kuruyorlar? Seks birincil üreme aracı olarak devam edecek mi? Bütün bunları bilmek istiyorum ve sanırım sen de.

Ne dilediğine dikkat et. Geleceğe seyahat etmenin bazı dezavantajları vardır. Tüm arkadaşların ve ailen çoktan ölmüş olacak. Kıyafetleriniz eski moda görünecek. Dilin işe yaramaz olacak. Kısacası alay konusu gibi görüneceksiniz. Geleceğe bir şekilde gitme düşüncesi trajik değilse de iç karartıcıdır.

Sorun değil. Sadece zaman makinenize binin ve şimdiki zamana nişan alın. Peki ya zaman makinenizin şanzımanında geri vites yoksa? Ya sadece ileri gidebilirsen? Ne olursa olsun seyahat edecek misin? Muhtemelen bunun boş bir soru olduğunu düşünüyorsunuz: herkes bir zaman makinesinin bilim kurgu olduğunu bilir. Ama değil.

Sizi geleceğe gönderen tek yönlü bir makine, en azından prensipte oldukça mümkündür. Sleeper'da Woody Allen'ın karakteri, bugün neredeyse mümkün olan bir şekilde iki yüzyıllık geleceğe yolculuk ediyor. Birkaç saattir köpekler ve domuzlarla yapılmış olana benzer şekilde, kendisini bir süreliğine askıya alınmış bir animasyon durumuna sokar . Donmuş halden çıkarken kendini gelecekte bulur.

Yogi Berra (d. 1925), aforizmalarıyla tanınan ünlü bir Amerikan beyzbol oyuncusu, koçu ve menajeridir.

Sleeper ( 1973), H. J. Wells'in When the Sleeper Wakes adlı romanından uyarlanan bir filmdir. — Not. çeviri

Elbette bu yöntem gerçek zamanlı bir makine değil. Bir kişinin metabolizmasını yavaşlatabilir, ancak atomların hareketini ve diğer fiziksel süreçleri yavaşlatmaz, ancak daha iyisini yapabiliriz. Doğumdan itibaren ayrılan ikizler Bob ve Alice'i hatırlıyor musunuz? Alice uzay yolculuğundan döndüğünde, dünyanın geri kalanının kendisinden çok daha fazla yaşlandığını fark etti. Yani çok hızlı bir uzay gemisinde ileri geri gitmek, zaman yolculuğuna bir örnektir.

Büyük bir kara delik, çok kullanışlı başka bir zaman makinesi olabilir. İşte nasıl çalışabileceği. Her şeyden önce, bir yörüngesel uzay istasyonuna ve onu ufka indirmek için uzun bir kabloya ihtiyacınız olacak. Ona çok yaklaşmayacaksın ve kesinlikle ufkun altına düşmek istemiyorsun, bu yüzden kablo çok sağlam olmalı. Uzay istasyonundaki vinç, belirli bir süre sonra sizi aşağı indirebilir ve yedekleyebilir.

Diyelim ki bin yıl geleceğe seyahat etmek istiyorsunuz ve yerçekimi nedeniyle çok fazla rahatsızlık duymadan bir ipte asılı olarak bir yıl geçirmeye razısınız. Bu yapılabilir, ancak galaksimizin boyutuna eşit ufka sahip bir kara delik bulmak gerekecektir. Biraz rahatsızlık duymuyorsanız, aynı şeyi galaksimizin merkezindeki daha küçük bir kara delik kullanarak da başarabilirsiniz. Tek dezavantajı, ufka yakın kaldığınız yıl boyunca dört milyon ton ağırlığında olmanızdır. Bir yıl telde asılı kaldıktan sonra tekrar kaldırıldığında , bin yılın geçtiğini göreceksin. Yani kara delikler, en azından prensipte, geleceğe gönderilen makineler ve zaman görevi görebilir.

Ama geri dönmeye ne dersin? Bunu yapmak için sizi geçmişe gönderen bir zaman makinesine ihtiyacınız var. Ne yazık ki, zamanda geri gitmek imkansız. Fizikçiler bazen kuantum solucan delikleri aracılığıyla zamanda geriye yolculuktan bahseder, ancak bu tür yolculuklar her zaman mantıksal çelişkilere yol açar. ■ Gelecekte sıkışıp kalacağınızı ve bu konuda yapabileceğiniz hiçbir şey olmadığını varsayıyorum.

Yerçekimi saati yavaşlaması

Kara deliklerin hangi özelliği onları zaman makinesine dönüştürür? Cevap, uzay-zaman geometrisinde neden oldukları güçlü çarpıklıklarda yatmaktadır. Bu çarpıtmalar, hatların nereye gittiğine bağlı olarak, dünya hatları boyunca uygun zamanın akışını farklı şekillerde etkiler. Bir kara delikten uzaktayken etkisi önemsizdir; ve uygun zamanın akışı neredeyse değişmez. Ancak ufkun hemen üzerinde bir kabloda asılı duran saat, uzay-zamanın deformasyonu nedeniyle önemli ölçüde yavaşlayacaktır. Aslında, kalp atışlarınız, metabolizmanız ve hatta atomların görünmez hareketi dahil tüm saatler yavaşlayacaktır. Bunu hiç fark etmeyeceksiniz ama uzay istasyonuna dönüp saatinizi araçtaki kronometre ile karşılaştırdığınızda bir tutarsızlık bulacaksınız. İstasyonda daha fazla zaman geçecek; saatinden daha

Aslında istasyona dönmek gerekli değil; bir kara deliğin etkisini zamanında fark etmek. Ufuktaysanız ve istasyonda teleskoplarım varsa, birbirimizi gözlemleyebiliriz. Seni ve saatini ağır çekimde göreceğim ; ve benim eski bir Keystone polis filminde olduğu gibi hızlandığımı göreceksin. Büyük kütlelerin yakınındaki bu göreli zaman genişlemesine kütleçekimsel kırmızıya kayma denir . Einstein tarafından genel göreliliğin bir sonucu olarak keşfedildi ve Newton'un yerçekimi teorisinde yok; tüm saatlerin tam olarak aynı hızda çalıştığı yer.

Aşağıdaki uzay-zaman diyagramı, bir kara deliğin ufkunun yakınındaki yerçekimsel kırmızıya kaymayı göstermektedir. Soldaki nesne bir kara deliktir. Uzay-zamanı betimleyen resimlerde dikey eksenin zamana karşılık geldiğini hatırlatırım. Gri yüzey ufuktur ve ufuktan farklı mesafelerdeki dikey çizgiler bir grup özdeş, durağan saati temsil eder. Üzerindeki işaretler yansıtır

Keystone Kops (1912-1917), beceriksiz polislerin sürekli aptalca durumlara düşmesiyle ilgili bir dizi sessiz komedi filmidir. Birçok çekim hızlı çekim modunda oynatıldı. — Not. tepsi.

dünya hatları boyunca uygun zamanın akışı. Hangi birimlerde - önemli değil; saniyeler, nanosaniyeler veya yıllar olabilir. Saat kara deliğin ufkuna ne kadar yakınsa, o kadar yavaş görünür. Doğrudan ufukta, kara deliğin dışında kalan saate göre zaman tamamen durur.

Yerçekimi saatindeki yavaşlama, bir kara deliğin ufkunun yakınında olduğundan daha az egzotik ortamlarda da meydana gelir. Bu etki, Güneş yüzeyinde orta düzeyde bir değere sahiptir. Atomlar minyatür saatlerdir, elektronlar çekirdeğin etrafında bir saatin kolları gibi koşuştururlar. Dünya'dan bakıldığında, Güneş'teki atomlar biraz durgun görünüyor.

Eşzamanlılığın kaybı, ikiz paradoks, çarpık uzay-zaman, karadelikler ve zaman makineleri - tüm fizikçilerin üzerinde hemfikir olduğu, hepsi sağlam bir şekilde kurulmuş yadsınamaz kavramlar olan , fantastik olmaktan çok, çok fazla zorlamadan yapılmış fikirler. Uzay-zamanın yeni fiziğini anlamak için çok karmaşık bir araç seti gereklidir - diferansiyel geometri ve tensör hesabı, uzay-zaman metrikleri ve diferansiyel formlar. Ancak kuantum dünyasının ayna dünyasına çok daha zor geçiş bile, kavramsal karmaşıklık açısından, genel görelilik kuramı ile kuantum mekaniği arasında bağlantı kurmaya çalıştığımızda bizi şaşırtan sorunlarla karşılaştırılamaz. Geçmişte, kuantum mekaniğinin Einstein'ın yerçekimi teorisiyle bir arada var olamayacak gibi göründüğü ve bir kenara atılacağı zamanlar oldu. Ve belki birisi Kara Delik Savaşı'nın “bir savaş” olduğunu söyleyecektir; bu da dünyayı kuantum mekaniği için güvenli hale getirdi."

Bir sonraki bölümde, kuantum mekaniğini mümkün olduğu kadar denklemler olmadan açıklayarak Don Kişotvari bir görevi üstleneceğim. Kuantum evrenini incelemek için gerçek araç soyut matematiktir: sonsuz boyutlu Hilbert uzayları, izdüşüm operatörleri, üniter matrisler ve öğrenmesi birkaç yıl alan diğer birçok kavram. Bunu birkaç sayfada nasıl ele aldığımızı görelim.

\ 4

"Einstein, Tanrı'ya ne yapacağını söyleme"

Çay bardağını bırakırken tereddütle sordu... " Işık dalgalardan mı yoksa parçacıklardan mı oluşur?"

Evin yanında, bir ağacın altında bir masa vardı ve masada Mart Tavşanı ve Şapkacı çay vardı, aralarında Fındık Faresi derin uykudaydı. Şapkacı ve Tavşan, sanki bir yastığa yaslanmış gibi ona yaslandı ve başının üstünde konuştu. "Zavallı Sonya," diye düşündü Alice. Ne kadar rahatsız olmalı! Ancak uyuyor, bu da umurunda olmadığı anlamına geliyor.”

Lewis Carroll. Alice'in Harikalar Diyarı Maceraları. Çizimler John Tenniel'e ait. Londra: Macmillan and Company, 1865 .

/

Son fizik dersinde, Alice bir şeye derinden şaşırmıştı ve yeni tanıdıkların karışık sorunları çözmeye yardımcı olacağını umuyordu. Çay bardağını bırakarak tereddütle sordu, "Işık dalgalardan mı yoksa parçacıklardan mı oluşur?" "Evet, doğru," dedi Çılgın Şapkacı. Biraz rahatsız olan Alice yüksek sesle tekrar sordu: "Yanıt ne peki? Soruyu tekrar ediyorum: ışık parçacıklar mı yoksa dalgalar mı? "Çok doğru," dedi Şapkacı.

Sizi, belirsizliğin hüküm sürdüğü ve hiçbir şeyin anlamlı duyumlara yol açmadığı kuantum mekaniğinin çılgın, anormal, başınızın üzerinde duran dünyasında, kahkaha pavyonuna hoş geldiniz.

Alice'e cevap ver (gibi bir şey)

Newton, ışık ışınlarının, hızlı ateş eden bir makineli tüfek tarafından fırlatılan küçük mermiler gibi küçük parçacıklardan oluşan akışlar olduğuna inanıyordu. Bu teori neredeyse tamamen yanlış olsa da; ışığın birçok özelliği için şaşırtıcı derecede mantıklı açıklamalar buldu. Ancak 1865'te İskoç matematikçi ve fizikçi James Clerk Maxwell, Newton'un "mermi" teorisini geri dönülmez bir şekilde ezmişti. Maxwell, ışığın dalgalardan -elektromanyetik dalgalardan- oluştuğunu savundu . Maxwell'in yapıları tamamen ve tamamen doğrulandı ve kısa sürede genel kabul gören bir teori haline geldi.

Maxwell, elektrik yükleri hareket ettiğinde, örneğin elektronlar tellerde salındığında, bu hareketlerin tıpkı bir su birikintisinin yüzeyinde parmağın hareketinin yüzeyinde dalgalar oluşturması gibi, dalga benzeri bozulmalara yol açtığını vurguladı.

Işık dalgaları, elektrik yüklü parçacıkları, tellerdeki elektrik akımlarını ve sıradan mıknatısları çevreleyen aynı alan olan elektrik ve manyetik alanlardan oluşur. Bu yükler ve akımlar salındığında, boşlukta ışık hızında yayılan dalgalar yayarlar. Gerçekten de, bir çift ince yarıktan bir ışık huzmesi geçirirseniz, üst üste binen dalgaların oluşturduğu belirgin bir girişim deseni görebilirsiniz .

Maxwell'in teorisi, ışığın neden farklı renklerde geldiğini bile açıkladı. Dalgalar, uzunlukları ile karakterize edilir - bir tepeden diğerine olan mesafe . İşte iki dalga, birincisi ikincisinden daha uzun.

WWWWWVVWV^

Burnunuzun hemen önünde ışık hızında hareket eden iki dalga düşünün. Hareket ettikçe maksimumdan minimuma doğru dalgalanırlar ve bunun tersi de geçerlidir: dalga ne kadar kısaysa, bu salınımlar o kadar hızlıdır. Saniyedeki tam döngü sayısı (maksimumdan minimuma ve tekrar maksimuma) frekans olarak adlandırılır ve kısa dalgalar için açıkça daha yüksektir.

Işık göze girdiğinde, farklı frekanslar retinanın çubuklarını ve konilerini farklı şekilde etkiler. Sinyal, frekansa (veya dalga boyuna) bağlı olarak kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi veya mor olduğunu söyleyen beyne gönderilir. Spektrumun kırmızı ucu daha uzun dalga boylarına (düşük frekanslar) sahiptir; mavi veya mor uçtan daha: kırmızı ışığın dalga boyu yaklaşık 700 nm'dir ve menekşe bunun yaklaşık yarısıdır. Işık hızı çok yüksek olduğu için salınımlarının frekansı korkunçtur. Mavi ışık saniyede bir katrilyon (10 s ) salınım yapar; kırmızı ışık yaklaşık yarısı kadar hızlı salınır. Fizikçiler mavi ışığın frekansının 10 15 Hz olduğunu söylüyor.

Işığın dalga boyu 700 nanometreden büyük veya 400 nanometreden kısa olabilir mi? Evet; ama o zaman ona ışık denmez; göz bu tür dalga boylarına karşı duyarsızdır. Ultraviyole ve X-ışınları mor dalga boylarından daha kısadır ve tüm ışınların en kısasına gama ışınları denir. Uzun dalga tarafında kızılötesi radyasyon, mikrodalgalar ve radyo dalgaları var. Gama ışınlarından radyo dalgalarına kadar tüm spektruma elektromanyetik radyasyon denir .

Bu yüzden; Alice; sorunuzun cevabı ise ; o ışık kesinlikle dalgalardan oluşuyor.

Ama bekleyin, acele etmeyin. 1900 ile 1905 yılları arasında çok tatsız bir sürpriz fiziğin temellerini sarstı; ve soru yine yirmi yıl boyunca aşırı derecede kafa karıştırıcı hale geldi. (Bugün kafasının çok karışık olduğunu söyleyenler olacaktır.) Max Planck'ın çalışmasından yola çıkarak; Einstein, "baskın paradigmayı tamamen alt üst etti." Anlatacak zamanımız ya da yerimiz yok; buna nasıl geldi, ancak 1905'te Einstein, ışığın kuantum adını verdiği parçacıklardan oluştuğu sonucuna vardı. Daha sonra fotonlar olarak adlandırıldılar. Bu harika hikayeyi çıplak gerçeklere indirgeyecek olursak: ışık, son derece loş olduğunda, sanki ayrı mermilermiş gibi birbiri ardına gelen parçacıklar gibi davranır. Işığın iki yarıktan geçip ekrana çarptığı deneye geri dönelim. Zaten zar zor parıldayan, solan bir radyasyon kaynağı düşünün. Dalga teorisyenleri, zar zor görülebilen ve hatta tamamen ayırt edilemeyen çok zayıf bir dalga benzeri modelin ortaya çıkmasını bekleyeceklerdir. Ancak görünür olsun ya da olmasın, beklenen model dalgalı olmalıdır.

Einstein'ın öngördüğü bu değildi ve her zamanki gibi haklıydı. Sürekli aydınlatma yerine, teorisi tek noktalı ışık parlamalarını öngördü. İlk flaş, ekranda öngörülemeyen bir noktada belirdi.

Bir sonraki flaş da rastgele bir yerde meydana geldi, bir sonraki - tekrar. Bir fotoğraf çeker ve bu flaşları üst üste bindirirseniz, rastgele noktalardan bir desen şekillenmeye başlar - dalgalı bir desen.

Peki ışık hala parçacık mı yoksa dalga mı? Cevap, deneye ve soruya bağlıdır. Deney, fotonların kelimenin tam anlamıyla birer birer dışarı sızmasına neden olacak kadar zayıf bir ışık kullanırsa, o zaman ışık rastgele, öngörülemeyen fotonların gelişi gibi görünür. Ancak çok sayıda foton varsa, o zaman bir model oluştururlar: ışık dalgalar gibi davranır. Büyük fizikçi Niels Bohr, bu tuhaf durumu, ışığın dalga ve cisimcik teorilerinin tamamlayıcı olduğunu söyleyerek tanımlamıştır .

Einstein, fotonların enerjiye sahip olması gerektiğini kanıtladı. Bunun için ikna edici kanıtlar var. Güneş ışığı - Güneş tarafından yayılan fotonlar - Dünyayı ısıtır. Güneş panelleri, Güneş'ten gelen fotonları elektriğe dönüştürür. Elektrik motorlara güç verebilir ve ağır yükleri kaldırabilir. Işığın enerjisi varsa; o zaman bu onu oluşturan fotonlar için de geçerli.

Temizlemek; tek bir fotonun çok az miktarda enerji taşıdığını, ama ne kadar? Beş fincan çayı veya 100 watt'lık bir motoru bir saat döndürmek için kaç foton gerekir? Cevap, radyasyonun dalga boyuna bağlıdır. Daha uzun dalga boylu fotonlar, daha kısa dalga boylu olanlardan daha az enerjilidir, bu nedenle iş yapmak için daha fazlasına ihtiyaç duyulacaktır. Çok ünlü bir formül -elbette E = mâ kadar değil ama yine de çok ünlü- tek bir fotonun enerjisinin frekans cinsinden ifadesini verir:

E = hf.

Denklemin sol tarafındaki E, joule adı verilen birimlerle ifade edilen fotonun enerjisini temsil eder. Sağ tarafta, f frekanstır. Mavi ışık için ІО 15 Hz'dir. Kalan h, Planck'ın ünlü sabitidir ; devamlı; Max Planck'ın 1900'de tanıttığı. Planck sabiti çok küçük bir değerdir; ancak en önemli temel sabitlerden biridir; tüm kuantum fenomenlerini yöneten o ayakta

* Bu formül 1900 yılında Max Planck tarafından ortaya atılmıştır. Ancak ışığın parçacık benzeri kuantlardan oluştuğunu ve bu formülün tek bir fotonun enerjisi için geçerli olduğunu fark eden Einstein'dı. ışık hızı c ve Newton yerçekimi sabiti G ile aynı satırda :

/1 = 6,62x10*

Planck sabiti çok küçük olduğundan, bireysel bir kuantumun enerjisi de ihmal edilebilir düzeydedir. Bir mavi ışık kuantumunun enerjisini hesaplamak için Planck sabitini 10 15 Hz frekansla çarparız ve 6.62X10' 19 joule elde ederiz. Bu , bunun için ІО 39 mavi fotonun gerekli olduğu anlamına gelir ; bir bardak çay kaynatmak için. Ve kırmızı ışık fotonlarının iki katına ihtiyacı olacak. Karşılaştırma için: şimdiye kadar kaydedilen en enerjik gama niceliği , aynı bardağı kaynatmak için yalnızca 10 18 parça alır .

Tüm bu formüller ve sayılarla birlikte, tek bir şeyi hatırlamanızı istiyorum: dalga boyu ne kadar kısaysa, tek bir fotonun enerjisi o kadar yüksek olur. Yüksek enerji kısa dalgalar, düşük enerji ise uzun dalgalar demektir. Bunu birkaç kez tekrarlayın ve not edin. Ve tekrar edin: yüksek enerji - kısa dalgalar, düşük enerji - uzun dalgalar.

Geleceğin tahmini?

Einstein ciddiyetle şöyle dedi: "Tanrı zar atmaz."* Niels Bohr, "Einstein, Tanrı'ya ne yapacağını söyleme" diye alay etti. Her iki fizikçi de ateizme çok yakındı; herhangi birinin aklında bir bulutun üzerinde oturan ve yedi atmaya çalışan bir tanrı olduğu son derece şüphelidir. Ancak hem Bohr hem de Einstein, fizikte tamamen yeni bir şeyi zorluyordu - Einstein'ın kabul etmeyi reddettiği bir şey: garip yeni kuantum mekaniği yasalarının ima ettiği öngörülemezlik. Einstein'ın zihni, tesadüf fikrine, doğa kanunlarındaki öngörülemezlik unsuruna isyan etti. Bir fotonun gelişinin temelde öngörülemeyen bir olay olduğu fikri ona son derece nahoş geliyordu. Öte yandan Bor,

Max Born'a Mektup, 12 Aralık 1926.

İki zar atıldığında (yüzleri 1'den 6'ya kadar etiketlenmiş zarlar), yuvarlanan puanların toplamı için en olası değer yedidir. Oyunun bazı varyantlarında, kaybetmek olarak kabul edilir. — Not. perge. beğense de beğenmese de bu fikri kabul etti. Ayrıca geleceğin fizikçilerinin kuantum mekaniğine "uyum sağlayabileceklerini" ve bu uyumun Einstein'ın çok korktuğu öngörülemezliği kucaklayacağını da anlamıştı.

Bohr'un kuantum fenomenleri hakkında daha iyi bir fikre sahip olduğu veya onlarla daha rahat hissettiği söylenemez. Bir keresinde "Kuantum teorileri karşısında şoka uğramayan hiç kimse onu anlamadı" demişti. Yıllar sonra Richard Feynman, "Hiç kimsenin kuantum mekaniğini anlamadığını rahatlıkla söyleyebilirim."* dedi. Ve ekledi: "Doğanın garip davranışını ne kadar çok gözlemlerseniz, en basit fenomeni bile açıklayan bir model oluşturmak o kadar zor olur. Ve teorik fizik bunu terk etti.” Feynman'ın fizikçilerin kuantum fenomenini açıklamaya çalışmaktan vazgeçmeleri gerektiğine gerçekten inandığını sanmıyorum; ne de olsa bunları her zaman kendisi açıkladı. Hiç kimsenin kuantum fenomenini, insan beyninin standart "ayarlaması" ile görselleştirebileceği terimlerle açıklayamayacağını kastediyordu. Feynman, diğerlerinden daha az olmamak üzere, soyut matematiğe yöneldi. Açıkçası, bir kitabın bir bölümünü denklemler olmadan okumak sizi "sıfırlamaz", ancak yine de ana noktaları yakalayabileceğinizi umuyorum.

Fizikçilerin kendilerini kurtardıkları ve Einstein'ın tüm gücüyle tutunduğu ilk şey, fizik yasalarının deterministik olduğu fikriydi. Determinizm, şimdiki zaman hakkında yeterince şey biliniyorsa geleceğin tahmin edilebileceği anlamına gelir. Sonraki tüm fizikler gibi Newton mekaniği de geleceği tahmin etmekle ilgiliydi. Pierre Simon de Laplace - karanlık yıldızları icat eden aynı Laplace - geleceğin tahmin edilebilirliğine kesin bir şekilde inanıyordu. İşte yazdığı şey:

Belirli bir andaki evrenin durumu, geçmişinin bir sonucu ve geleceğinin bir nedeni olarak görülebilir. düşünme

Alıntı. Alıntı: Feynman R. Fizik kanunlarının doğası. / Per. V. P. Golyshev ve E. L. Nappelbaum. - M.: Nauka, 1987. - S. 117. - Not. çeviri

” Alıntı. Feynman R'den alıntılanmıştır. QED, tuhaf bir ışık ve madde teorisidir. / Per. O. L. Tikhodeeva ve S. G. Tikhodeeva. - M .: Nauka, 1988. - S. 74 - Not. çeviri

Belli bir anda doğanın hareket eden tüm güçlerini ve dünyayı oluşturan tüm nesnelerin tüm konumlarını bilen bir varlık - eğer zihni tüm bu verileri analiz edecek kadar geniş olsaydı - tek bir denklemde dünyanın hareketini ifade edebilirdi. evrendeki en büyük cisimler ve en küçük atomlar; böyle bir zeka için hiçbir belirsizlik kalmazdı; gelecek de tıpkı geçmiş gibi gözlerinin önünde açılacaktı.

Laplace, basitçe Newton'un hareket yasalarından sonuçlar çıkarıyordu. Aslında, Newton-Laplace dünya görüşü determinizmin en saf halidir. Geleceği tahmin etmek için ihtiyacınız olan tek şey, evrendeki tüm parçacıkların zamanın bir başlangıç noktasındaki konumlarını ve hızlarını bilmektir. Evet ve tabii ki her parçacığa etki eden kuvvetleri bilmeniz gerekiyor. Bir parçacığın konumunu bilmek, nereye gittiği hakkında hiçbir şey söylemez. Ancak hızını* (hem büyüklük hem de yön olarak) biliyorsanız, şunu söyleyebilirsiniz; bundan sonra nerede olacak. Fizikçiler , sistemin gelecekteki hareketini tahmin etmek için bir kerede bilmeniz gereken her şeyi başlangıç koşulları olarak adlandırırlar .

Anlamak; determinizm ne demek; mümkün olan en basit dünyayı hayal edelim - çok basit; sadece iki varlık durumuna sahip olduğunu. Madeni para bunun iyi bir modelidir; iki durumu var - tura ve yazı. Ayrıca şunu öngören bir yasa çıkarmamız gerekiyor; durumların bir andan diğerine nasıl değiştiği. İşte bu tür birkaç olası yasa.

♦ İlk örnek çok sıkıcı. Kanun: Hiçbir şey olmaz.

Madeni para bir anda tura gelirse, sonraki anda aynı şekilde olacaktır (diyelim ki bir nanosaniyede). Aynı şekilde kartal gibi yatıyorsa bir sonraki anda da aynı şekilde yatacaktır. Bu yasa kısaca birkaç basit "formül" ile yazılmıştır:

P->PO + O.

"Hız" terimi, bir nesnenin yalnızca ne kadar hızlı hareket ettiği değil, aynı zamanda hareket ettiği yön anlamına da gelir. Yani 60 km/s, hız hakkında eksik bir bilgidir; ancak kuzey-kuzey-batı yönünde 60 km/s dolu.

Dünyanın tarihi sonsuz bir tekrar olacak: ya R R R R R ... ya da O O O O O ...

♦ Birinci yasa tamamen sıkıcıysa, ikincisi yalnızca biraz daha azdır: bir andaki durum ne olursa olsun, bir nanosaniye sonra tersine döner. Sembolik olarak, bu şu şekilde ifade edilebilir:

P->O 0->P

Tarih şu şekilde olacaktır: R O R O R O R O ... veya O R O R O R O ...

Bu kuralların her ikisi de deterministiktir, yani gelecek tamamen başlangıç noktası tarafından belirlenir. Her durumda, başlangıç koşullarını biliyorsanız, belirli bir süre sonra ne olacağını kesin olarak tahmin edebilirsiniz.

Deterministik yasalar mümkün olan tek yasalar değildir. Rastgele yasalar olabilir. En basit rasgele yasa, başlangıç durumundan bağımsız olarak, bir sonraki anda turaların veya yazıların rastgele düştüğü yasa olacaktır. Kartalla başlayan bir hikaye şöyle görünebilir: OORRROORR ORRRO O O... Ama OORORRORRRO O... hikayesi de oldukça olası. Aslında, herhangi bir diziye izin verilir. Bunu kanunsuz bir dünya veya kanunları başlangıç durumunda rastgele bir değişiklik öngören bir dünya olarak düşünebilirsiniz.

Ancak yasanın tamamen deterministik veya tamamen rastgele olması gerekmez. Bunlar aşırı uçlar. Temelde deterministik olan ve yalnızca küçük bir miktarda rastgelelik içeren bir yasa mümkündür . Örneğin yasa, onda dokuz olasılıkla durumun korunduğunu ve onda bir olasılıkla tersine döndüğünü söyleyebilir. Tipik bir hikaye şöyle görünür:

Bu durumda, oyuncu yakın geleceği yüksek olasılıkla tahmin edebilir: bir sonraki durum muhtemelen mevcut durumla aynı olacaktır. Çok ileriye bakmadığınız sürece tahmin etme şansınız yüksek olacaktır. Çok uzak bir geleceği tahmin etmeye çalışırsanız, tahmin etme ve yanlış olma olasılıkları neredeyse eşit olur. Bu öngörülemezlik, Einstein'ın Tanrı zar atmaz derken tam olarak karşı çıktığı şeydi.

Bir nokta sizi biraz şaşırtabilir: Gerçek bir madeni paranın atma sırası, deterministik yasalardan çok tamamen rastgele bir yasaya daha yakındır. Rastgelelik, dünyamızın çok yaygın bir özelliği gibi görünüyor. Dünyaya öngörülemezliği getirmek için neden kuantum mekaniğine ihtiyaç duyuldu? Ancak bir madeni paranın düşüşünün - herhangi bir kuantum mekaniği olmadan bile - öngörülemez olduğu fikri tamamen yanlış anlamadır. Tüm önemli detayları takip etmek genellikle çok zordur. Madeni para hala izole bir dünya değil. Eli hareket ettiren ve yazı tura atan kas hareketinin daha ince noktaları; odadaki hava akışı; Hem madeni paranın kendisinde hem de havadaki moleküllerin termal titreşimleri, sonucu etkileyen faktörlerdir ve çoğu durumda bu bilgi üzerinde çalışmak çok fazladır. Laplace'ın " doğanın tüm itici güçlerini ve dünyayı oluşturan tüm nesnelerin tüm konumlarını " bilen bir varlıktan bahsettiğini hatırlıyor musunuz ? Tek bir molekülün pozisyonundaki en ufak bir hata, geleceği tahmin etme yeteneğini yok etmeye yeterlidir. Ama Einstein'ı rahatsız eden bu sıradan rastlantısallık değildi. Einstein, Tanrı zar atarak, ilke olarak bilinebilecek her şeyi bilsek bile, doğanın en derin yasalarının indirgenemez bir rastgelelik unsuru içerdiğini kastediyordu.

Bilgi asla ölmez

enerjinin korunumu yasasını ihlal edeceğidir (bkz. Bölüm 7). Bu yasa, enerjinin birçok farklı biçimde bulunabilmesine ve bir biçimden diğerine değişebilmesine rağmen, toplam enerji miktarının asla değişmediğini belirtir. Enerjinin korunumu, doğayla ilgili en dikkatle kanıtlanmış gerçeklerden biridir ve onu alt etmenin çok az yolu vardır. Rastgele sarsıntılar bir nesnenin enerjisini değiştirir, onu kendiliğinden hızlandırır veya yavaşlatır.

Belki de enerjinin korunumu yasasından bile daha temel olan, çok incelikli başka bir fizik yasası daha vardır. Bazen tersine çevrilebilirlik olarak adlandırılır, ancak buna bilginin korunumu yasası diyelim . Bilginin korunması, bugünü mükemmel bir doğrulukla bilirseniz, geleceği her zaman için tahmin edebileceğiniz anlamına gelir. Ama bu hikayenin sadece yarısı. Yasa ayrıca, bugünü biliyorsanız, geçmişten de kesinlikle emin olabileceğinizi belirtir. Yani, her iki şekilde de çalışır.

Tek bir madeni paranın tura ve yazı dünyasında, tamamen deterministik bir yasa, bilgilerin mükemmel bir şekilde korunmasını garanti eder. Örneğin, yasa kapsamında

R->O O->R

hem geçmiş hem de gelecek mükemmel bir doğrulukla tahmin edilebilir. Ancak en ufak bir rastgelelik bile bu ideal öngörülebilirliği yok eder.

Başka bir örneğe bakalım, bu sefer hayali bir üç yüzlü madeni parayla (zar altı yüzlü bir madeni paradır). Üç tarafa tura, yazı ve kenar veya O, R ve B diyelim. İşte mükemmel bir deterministik yasa:

R->O O-»B B-*R.

Görselleştirmek için bir diyagram çizmek yararlıdır.

Böyle bir yasa ile, R ile başlayan dünya tarihi şöyle görünecektir:

ROBROBROBROBROBROBROB...

Bilginin korunumu yasasını deneysel olarak test etmenin bir yolu var mı? Aslında pek çok yol var, bazıları gerçekleştirilebilir, bazıları gerçekleştirilemez. Yasayı kontrol edebilir ve istediğiniz zaman değiştirebilirseniz, kontrol yapmak çok kolay olacaktır. Üç taraflı bir madeni para durumunda bunu nasıl yapacağınız aşağıda açıklanmıştır. Üç durumundan biriyle başlayalım ve belirli bir süre her şeyin her zamanki gibi devam etmesine izin verelim. Diyelim ki her nanosaniyede durum P'den O'ya, sonra B'ye ve sonra da üç olasılıktan oluşan bir döngüde değişiyor. Ölçülen zaman aralığı sonunda kanunu değiştiriyoruz. Yeni yasa eskisiyle aynı olacak, ancak baypas sırasının tersi olacak - saat yönünde değil, saat yönünün tersine.

, Şimdi sistemin tam olarak ileri yönde çalıştığı süre kadar geri yönde çalışmasına izin verelim. Orijinal hikaye tersine dönecek ve madeni para başlangıç noktasına geri dönecektir. Ne kadar beklerseniz bekleyin, deterministik yasa mükemmel bir hafızaya sahiptir ve her zaman başlangıç koşullarına geri döner. Bilginin korunumu yasasını test etmek için, bu yasanın tam biçimini bilmenize bile gerek yok, asıl mesele tersine çevrilebilir olmasıdır. Yasa Deterministik ise bu deney her zaman başarılı olur. Ancak herhangi bir rastgelelik varsa (bu rastgelelik tamamen "yaramaz" olmadığı sürece) başarısız olacaktır. -

Einstein'a, Bohr'a, Tanrı'ya (onu fizik kanunları olarak düşünün) ve kuantum mekaniğine geri dönelim. Bir başka ünlü Einstein aforizması şöyle der: "Tanrı sofistikedir, ama kötü niyetli değildir." Einstein'a fizik yasalarının kötü niyetli olmadığını düşündüren şeyin ne olduğunu bilmiyorum . Şahsen ben bazen yerçekimi kanununun çok kötü bir şey olduğunu düşünüyorum. Ama Einstein karmaşıklık konusunda haklıydı. Kuantum mekaniğinin yasaları son derece karmaşıktır - o kadar karmaşıktır ki, rastgeleliğin hem enerjinin korunumu hem de bilginin korunumu ile bir arada var olmasına izin verir.

Bir parçacık düşünelim. Herhangi biri işe yarar, ancak bir foton seçmek daha iyidir. Lazer gibi bir ışık kaynağı tarafından üretilir ve içinde küçük bir delik olan opak bir metal levhaya doğru yönlendirilir. Deliğin arkasında, bir foton çarptığında yanıp sönen parlak bir ekran var.

Işık kaynağı

Bir süre sonra, foton delikten geçebilir veya ıskalayıp engelden sekebilir. İlk durumda, ekrana çarpar, ancak mutlaka deliğin karşısında değildir. Doğrusal hareketi sürdürmek yerine, bir foton delikten geçerken rastgele bir momentum kazanabilir. Yani salgının nihai konumu tahmin edilemez.

Şimdi flüoresan ekranı kaldıralım ve deneyi tekrarlayalım. Kısa bir süre sonra, foton ya metal levhaya çarpacak ve yansıtılacak ya da rastgele bir itme yaşayarak delikten geçecektir. Bir fotonu algılayacak herhangi bir şey olmadan, fotonun nerede olduğunu ve hangi yönde hareket ettiğini söylemek imkansızdır .

Ancak devreye girdiğimizi ve fotonun hareket yasasını tersine çevirdiğimizi hayal edin. Aynı süreden sonra böyle ters bir fotondan ne beklenebilir? Rastgeleliğin (geri dönerken, rastgelelik rastgelelik olarak kalır) fotonun başlangıç noktasına döneceğine dair her türlü umudu gömeceğini beklemek doğaldır. Deneyimizin ikinci yarısındaki rastgelelik, ilk yarıdaki rastlantısallıkla örtüşmeli ve fotonun hareketini daha da öngörülemez hale getirmelidir.

Ancak, cevap çok daha sofistike. Bunun neyle ilgili olduğunu açıklamadan önce, bir an için üç taraflı madeni para deneyini tekrar gözden geçirelim. Orada da önce kanunu bir yönde çıkardık, sonra tersine çevirdik. O deneyde atladığım bir ayrıntı vardı: Paraya doğrudan bakan oldu mu?

Aranızda uzmanlar varsa, merak edecekler: Kanuna müdahale edip tersine çevirmek mümkün mü? Uygulamada bu genellikle mümkün değildir, ancak bazı basit sistemlerde zor değildir. Her halükarda, bir düşünce deneyinde veya matematiksel bir alıştırmada bu oldukça mümkündür. yasayı uygulamadan önce. Ama biri dikizliyorsa ne değişebilir? Madeni paraya bakmak durumunu değiştirmedikçe hiçbir şey değişmeyecektir. Çok zor bir durum gibi görünmüyor; Keşke birisi ona baktığı için havada yükselen ve ters dönen bir madeni para görebilseydim. Ancak kuantum mekaniğinin sofistike dünyasında, birine onları rahatsız etmeden bakamazsınız.

Bir foton çekelim. Ters yönde çalıştırdığımızda orijinal konumuna mı dönüyor yoksa kuantum mekaniğinin rastgeleliği bilginin korunumunu mu baltalıyor? Cevap oldukça garip çıkıyor: Her şey, müdahalemiz sırasında fotona bakıp bakmadığımıza bağlı. "Fotona bak" derken, fotonun yerini veya yönünü kontrol etmeyi kastediyorum. Dikizlersek, nihai sonuç (geriye doğru koşudan sonra) rastgele olacak ve bilginin korunumu yasası ihlal edilecektir. Ancak fotonu göz ardı edersek , onun konumunu ve hareket yönünü belirlemek için kesinlikle hiçbir şey yapmadan sadece yasayı tersine çevirirsek, foton önceden belirlenmiş bir süre sonra sihirli bir şekilde orijinal konumuna geri dönecektir. Başka bir deyişle, kuantum mekaniği, öngörülemezliğine rağmen yine de bilginin korunumu yasasına uyar. Tanrı kötü niyetli mi değil mi bilmiyorum ama kesinlikle sofistike.

Fiziksel yasaları tersine çevirmek matematiksel olarak oldukça mümkündür. Gerçeklik hakkında ne söylenebilir? Herhangi birinin önemsiz olmayan herhangi bir sistemi tersine çevirebileceğinden çok şüpheliyim . Bununla birlikte, bunu pratikte yapsak da yapmasak da, kuantum mekaniğinin matematiksel tersinirliği (fizikçiler üniter olduğunu söylüyor) bütünlüğü için kritik öneme sahip. Bu olmadan, kuantum mantığı çöker.

Öyleyse Hawking, kuantum teorisi yerçekimi ile birleştirildiğinde bilginin yok olduğunu neden düşündü? Argümanı bir slogan biçimine sığdırırsak, kulağa şöyle gelir:

Kara deliğe düşen bilgi kayıp bilgidir.

Başka bir deyişle: Bir kara deliğin ufkunun ötesinden hiçbir şey geri gelemeyeceğinden, yasalar asla tersine çevrilemez.

Eğer Hawking haklıysa, o zaman doğa kanunlarında sürekli artan bir rastgelelik unsuru olacak ve fiziğin tüm temelleri çökecekti. Ancak buna daha sonra döneceğiz.

Belirsizlik ilkesi

Laplace, yalnızca şimdiki zaman hakkında yeterince bilgi sahibi olursa geleceği tahmin edebileceğine inanıyordu. Ne yazık ki, dünyanın gelecekteki tüm tahmin edicileri için, bir nesnenin konumunu ve hızını aynı anda bilmek imkansızdır. Şu anki teknoloji seviyesiyle bunun çok zor veya imkansız olduğunu söylemiyorum. Fizik yasalarına uyan hiçbir teknoloji, tıpkı hiçbir teknolojinin ışıktan hızlı seyahate izin vermeyeceği gibi, bu görevi asla yerine getiremeyecek. Bir parçacığın konumunu ve hızını aynı anda ölçmek için tasarlanmış herhangi bir deney, Heisenberg'in belirsizlik ilkesine aykırı olacaktır.

klasik çağa ve post-modern kuantum "tuhaflıkları" çağına ayıran geçiş oldu . Klasik fizik, Newton'un hareket teorisi, Maxwell'in ışık teorisi ve Einstein'ın görelilik teorisi dahil olmak üzere kuantum mekaniğinden önce gelen her şeyi kapsar. Klasik fizik deterministiktir; kuantum fiziği belirsizliklerle doludur.

Belirsizlik İlkesi, 1927'de 26 yaşındaki Werner Heisenberg tarafından Erwin Schrödinger ile birlikte kuantum mekaniğinin matematiğini keşfettikten sonra ortaya atılan garip ve cüretkar bir iddiadır. Pek çok sıra dışı fikrin olduğu bir çağda bile, bu ilke son derece garip görünüyor. Heisenberg, bir nesnenin konumunun ölçülebileceği kesinliğin herhangi bir sınırı olduğunu belirtmedi. Parçacığın uzaydaki konumunu tanımlayan koordinatlar, istenen herhangi bir doğruluk derecesi ile belirlenebilir. Ayrıca, bir nesnenin hızının ölçülebileceği kesinliğe sınır koymadı. Ancak, ne kadar karmaşık ve ustaca olursa olsun, hiçbir deneyin aynı anda konum ve hızı ölçemeyeceğini savundu. Sanki Einstein'ın Tanrısı her şeyi, hiç kimsenin geleceği tahmin edemeyeceği şekilde düzenlemiş gibidir.

Belirsizlik ilkesi belirsizliğe adanmış olsa da, paradoksal olarak kendi içinde belirsiz hiçbir şey yoktur. Belirsizlik, olasılık ölçümlerini, integral hesabı ve diğer matematiksel tuhaflıkları içeren titiz bir kavramdır. Ancak, iyi bilinen bir ifadeyi başka kelimelerle ifade edecek olursak, bir resim bin denkleme bedeldir. Olasılık dağılımı kavramıyla başlayalım. Çok fazla sayıda parçacık, diyelim ki bir trilyon düşünün ve x ekseni olarak da adlandırılan yatay eksen boyunca konumlarını inceleyin.İlk parçacık x = 1.3257'de, ikincisi x = 0.9134'te vb. tüm parçacıkların. Ne yazık ki, bu liste bunun gibi yaklaşık on milyon kitabı kaplayacak ve çoğu görev için içinde özellikle ilginç bir şey olmayacak. x'in her bir değerinde bulunan parçacıkların oranını gösteren istatistiksel bir çizime sahip olmak çok daha bilgilendirici olacaktır . Bu grafik şöyle görünebilir:

Bu grafiğe bir bakış bize parçacıkların çoğunun x = 1 noktasının yakınında bulunduğunu söyler. Bazı problemler için bu yeterli olabilir. Ama sadece küçük bir bakış ifade etmek için yeterli

çok daha doğru. Parçacıkların yaklaşık %90'ı X = 0 ile X = 2 arasındadır. Belirli bir parçacığın nerede biteceğine dair bahse girerseniz, o zaman en iyi oran x = 1 olacaktır, ancak belirsizlik - ne kadar "geniş" olduğunun matematiksel bir ölçüsüdür. " grafikteki eğri - yaklaşık 2 birim olacaktır'. Yunanca delta (D) harfi, belirsizliğin standart matematiksel sembolüdür. Bu durumda Dl, dikkate alınan parçacıklar için x koordinatının belirsizliği anlamına gelir .

Başka bir düşünce deneyi yapalım. Parçacıkların konumlarını ölçmek yerine, sağa hareket eden parçacıklar için pozitif, sola hareket edenler için negatif olduğunu düşünerek hızlarını ölçeceğiz. Bu sefer yatay eksen

Elbette çan şeklindeki eğri, grafikte gösterilen eksenlerin sınırlarının ötesinde devam ediyor, bu nedenle bu alandan uzaktaki parçacıkları tespit etmek mümkün. Matematiksel belirsizlik bize en olası değerlerin * Terval'ini verir .

Grafikten parçacıkların çoğunun sola hareket ettiği görülebilir ve ayrıca Dv hızlarının yayılması hakkında bir fikir edinilebilir.

Belirsizlik ilkesi şöyle bir şey söyler: konumun belirsizliğini azaltmaya yönelik herhangi bir girişim, kaçınılmaz olarak hızın belirsizliğinde bir artışa yol açacaktır. Örneğin, yalnızca dar bir qs değerleri aralığındaki parçacıklar kasıtlı olarak seçilebilir: * = 0.9 ve x = 1.1 arasında, diğerlerini atarak. Özenle seçilmiş bu parçacık alt kümesi için, belirsizlik yalnızca 0,2 olacaktır, yani orijinal Dx'ten on kat daha küçük olacaktır. Belirsizlik ilkesini bu şekilde aşmak umulabilir, ancak bu işe yaramaz.

Aynı parçacık alt kümesini alıp hızlarını ölçersek, değerlerinin yayılımının orijinal örnektekinden çok daha büyük olacağı ortaya çıktı. Bunun neden böyle olduğunu merak edebilirsiniz, ama korkarım bu, klasik olarak açıklanamayan o anlaşılmaz kuantum gerçeklerinden sadece biri. Feynman'ın "Teorik fizik bundan vazgeçti" dediği şeylerden biri.

Ne kadar anlaşılmaz olsa da, bu deneysel bir gerçektir: Dx'i ne zaman azaltırsak, kaçınılmaz sonuç Dv'de bir artış olur. Ve benzer şekilde, D ѵ'de bir azalmaya yol açan her şey, Ax'te bir artışa neden olur . Parçacığın konumunu sabitlemeye ne kadar çok çalışırsak, hızını o kadar belirsiz hale getiririz ve bunun tersi de geçerlidir.

Bu, fikrin kaba bir tanımıydı, ancak Heisenberg belirsizlik ilkesini daha kesin, niceliksel bir biçimde ifade edebildi. Parçacık kütlesi m için çarpım Dv'nin her zaman (>) Planck sabiti h'den büyük olduğunu savunuyor :

tАѵАх > h.

Nasıl çalıştığını görelim. Ax'in değeri son derece küçük olacak şekilde parçacıkları çok dikkatli bir şekilde hazırladığımızı varsayalım . Bu, Д ѵ oranının belirsizliğini, ürünün h'den büyük olması için yeterince büyük olmaya zorlar. Ne kadar az Dl yaparsak, o kadar çok Dv olur.

Belirsizlik ilkesinin tezahürlerini günlük yaşamda nasıl fark etmiyoruz? Araba sürerken, hız göstergesine yakından bakıldığında konumumuzun "bulanık" hale geldiği hiç oldu mu? Ve haritada tam olarak nerede olduğumuzu belirlediğimizde hız göstergesi çıldırıyor mu? Tabii ki değil. Ama neden? Sonuçta belirsizlik ilkesi kimseye bir fayda sağlamaz, tıpkı elektronlar gibi siz ve arabanız dahil her şey için geçerlidir. Cevap, formülde yer alan kütle ve Planck sabitinin küçüklüğü ile bağlantılıdır. Bir elektron söz konusu olduğunda, elektronun çok küçük kütlesi, h'nin küçüklüğü ile birbirini götürür ve bu nedenle birleşik belirsizlik Dv ve Dg çok büyük olmalıdır. Ancak arabanın kütlesi, Planck sabitine kıyasla çok büyük. Bu nedenle, hem D ѵ hem de Da: miktarları, belirsizlik ilkesini ihlal etmeden ölçülemeyecek kadar küçük kalabilir. Doğanın neden beynimizi kuantum belirsizliğine uyarlamadığı şimdi açık. Buna gerek yoktu: Günlük yaşamda, belirsizlik ilkesini hesaba katmak zorunda kalacak kadar hafif nesnelerle asla karşılaşmayız.

Bu belirsizlik ilkesidir: hiç kimsenin geleceği tahmin edecek kadar bilmemesini sağlamak için karşı konulamaz bir yakalama-22. 15. Bölümde belirsizlik ilkesine geri döneceğiz.

"

Sıfır dalgalanmalar ve kuantum titremeleri

Küçük bir kap, diyelim ki bir santimetre büyüklüğünde atomlarla dolduruldu - helyum atomları olsunlar, kimyasal olarak inerttirler - ve sonra yüksek bir sıcaklığa ısıtıldı. Isınma nedeniyle parçacıklar hızla hareket etmeye başladı, sürekli birbirleriyle ve kabın duvarlarıyla çarpıştı. Bu sürekli bombardıman, duvarlarda baskı oluşturur.

Sıradan standartlara göre atomlar çok hızlı hareket eder: ortalama hızları yaklaşık 1500 m/s'dir. Şimdi gaz soğuyor. Isı uzaklaştırıldıkça enerji kaybedilir ve atomlar yavaşlar. Sonunda , ısı uzaklaştırılmaya devam edilirse, gaz mümkün olan en düşük sıcaklığa, mutlak sıfıra veya kabaca eksi 273,15 santigrat dereceye soğuyacaktır. Tüm enerjilerini kaybeden atomlar durur ve kabın duvarlarındaki basınç kaybolur.

En azından bunun olması gerekiyordu . Ancak bu akıl yürütmede belirsizlik ilkesini dikkate almayı unutmuşlardır.

Düşünün: Bu durumda herhangi bir atomun konumu hakkında ne biliyoruz? Aslında çok şey var: atom bir kabın içine alınır ve kabın boyutu bir santimetredir. Açıkçası, konumunun &x belirsizliği bir santimetreden azdır. Bir an için tüm ısıyı ortadan kaldırdığımızda tüm atomların gerçekten durduğunu varsayalım. Her atom, belirsizlik olmaksızın sıfır hıza sahip olacaktır. Başka bir deyişle, Dv sıfır olacaktır. Ama bu imkansız. Eğer böyle olsaydı, mDxDx çarpımı da yok olurdu ve sıfır kesinlikle Planck sabitinden küçüktür. Bunu düşünmenin başka bir yolu da, eğer bir atomun hızı sıfır olursa, konumu sonsuz belirsiz olacaktır. Ama değil. Bütün atomlar bir kaptadır. Yani mutlak sıfırda bile atomlar hareketlerini tamamen durduramazlar; geminin duvarlarına çarpmaya ve onlara baskı yapmaya devam ediyorlar. Bu, kuantum mekaniğinin beklenmedik tuhaflıklarından biridir.

Bir sistemden (mutlak sıfır sıcaklıkta) çok fazla enerji pompalandığında, fizikçiler onun temel durumda olduğunu söylerler. Temel durumdaki artık dalgalanmalara genellikle sıfır noktası dalgalanmaları denir , ancak fizikçi Brian Greene daha canlı bir günlük konuşma dili olan "kuantum titremesi" ifadesini icat etti.

Titreme sadece parçacıkların konumundan etkilenmez. Kuantum mekaniğine göre titreyebilen her şey titrer. Başka bir örnek, boş uzaydaki elektrik ve manyetik alanlardır. Elektrik ve manyetik alanların titreşimleri, alanı ışık dalgaları şeklinde doldurarak bizi her yönden çevreler. Karanlık bir odada bile elektromanyetik alanlar kızılötesi dalgalar, mikrodalgalar ve radyo dalgaları şeklinde titreşir. Ama ya odayı karartırsanız, bilimin tüm başarılarını uygularsanız ve tüm fotonları ortadan kaldırırsanız? Elektrik ve manyetik alanlar kuantum titreşimlerine devam edecek. "Boş" alan, çılgınca titreşen, salınan, titreyen ve asla sakinleşmeyen bir ortamdır.

Kuantum mekaniğinin ortaya çıkmasından önce bile, her şeyin dalgalanmasına neden olan "termal titreme" biliniyordu. Örneğin, bir gazın ısıtılması, moleküllerin rastgele hareketlerinde bir artışa neden olur. Boş alan ısıtıldığında titreyen elektrik ve manyetik alanlarla dolar. Bunun kuantum mekaniği ile hiçbir ilgisi yoktur ve on dokuzuncu yüzyıldan beri bilinmektedir.

Kuantum ve termal titreme bazı yönlerden benzer, ancak her şeyde değil. Termal titreme çok belirgindir. Moleküllerin ve elektromanyetik alanların titremesi sinir uçlarınızı tahriş eder ve içinizi ısıtır. Son derece yıkıcı olabilir. Örneğin, elektromanyetik alanların termal titremesinin enerjisi atomlardaki elektronlara aktarılabilir. Sıcaklık yeterince yüksekse, elektronlar atomlardan kopabilir. Aynı enerji sizi yakabilir hatta buharlaştırabilir. Buna karşılık, kuantum titremesi inanılmaz derecede enerjik olsa da acıya neden olamaz. Sinir uçlarını tahriş etmez ve atomları yok etmez. Neden? Bir atomu iyonize etmek (ondan elektronları atmak) veya sinir uçlarınızı ateşlemek için gereken enerjiye ulaşır. Ancak temel halden enerji ödünç almak imkansızdır . Geriye kalan kuantum titremesidir; sistem minimum mutlak enerji durumundayken. Bu nedenle, inanılmaz derecede güçlü kuantum dalgalanmaları , enerjileri "erişilemez" olduğundan, termal dalgalanmaların yıkıcı etkisine sahip değildir .

Kara büyü

Bana göre kuantum mekaniği ile ilgili en tuhaf şey girişimdir.Bu bölümün başında anlattığım çift yarık deneyine geri dönelim. Üç bileşeni vardır: bir ışık kaynağı, iki dar yarığı olan düz bir ekran ve üzerine ışık çarptığında yanıp sönen bir flüoresan ekran.

Sol slotu kapatarak denemeye başlayalım. Sonuç, herhangi bir ayrıntı olmadan ekranda yuvarlak bir vurgu olacaktır. Kaynağın parlaklığını azaltırsanız; o zaman bu parıltının aslında tek tek fotonların neden olduğu rastgele yerleştirilmiş flaşlardan oluştuğu anlaşılacaktır . Salgınlar tahmin edilemez, ancak oldukça fazla sayıda var; yuvarlak bir noktaya katlanırlar.

Sol slotu açıp sağ slotu kapatırsanız bir bütün olarak ekrandaki resim sola hafif bir kayma dışında pek değişmeyecektir.

Her iki slot da açıldığında bizi bir sürpriz bekliyor. Sol ve sağ yarıklardan geçen fotonları basitçe üst üste bindirerek iç ayrıntı içermeyen daha yoğun, yuvarlak bir nokta oluşturmak yerine, sonuç zebra benzeri çizgili bir desendir.

, yalnızca bir yuva açıkken aynı alanların flaşlarla dolu olmasına rağmen , fotonların çarpmadığı koyu bantların varlığıdır >. Ortadaki koyu şeritte X harfiyle işaretlenmiş noktayı alın. Fotonlar herhangi bir yarıktan kolayca geçer ve aynı anda yarıklardan yalnızca biri açık olduğunda X noktasına ulaşır. Her iki yarık da açıkken, X noktasına çarpan fotonların sayısı yalnızca artacak gibi görünebilir. Ancak iki yarığın açılması paradoksal bir etki yaratır: X noktasına gelen fotonların akışı durur. Her iki yarığı da açmak neden bir fotonun X noktasına ulaşma olasılığını azaltıyor?

İki kapısı dışarı çıkan bir zindandan sendeleyerek geçen bir grup sarhoş mahkumu hayal edin. Gardiyan, bir kapıyı asla açık bırakmamaya dikkat eder, çünkü bazı mahkumlar o kadar sarhoştur ki kazara çıkış yolunu bulabilirler. Ama aynı anda iki kapıyı açmaktan hiç şüphesi yok. Bazı gizemli büyüler, her iki kapı da açıkken sarhoşların dışarı çıkmasını engeller. Tabii ki, bu gerçek mahkumlarla olmaz, ancak bunun gibi bir şey bazen kuantum mekaniği tarafından sadece fotonlar için değil, tüm parçacıklar için tahmin edilir.

Işığın parçacıklardan oluştuğu düşünülürse bu etki garip gelebilir ama dalgalar için oldukça doğaldır. İki yarıktan yayılan iki dalga bazı noktalarda birbirini güçlendirirken bazı noktalarda birbirini yok eder. Işığın dalga teorisinde, karanlık saçaklar, aynı zamanda yıkıcı girişim olarak da adlandırılan karşılıklı iptalden kaynaklanır . Tek sorun, aslında ışığın bazen parçacıklar gibi davranmasıdır.

Kuantum mekaniğinde kuantum

Bir elektromanyetik dalga, bir salınım örneğidir. Uzaydaki her noktada, elektrik ve manyetik alanlar, radyasyonun rengine bağlı olan bir frekansta titreşir. Doğada başka birçok titreşim vardır. İşte bazı iyi bilinen örnekler.

♦ Saat sarkacı. Sarkaç, yaklaşık bir saniyede tam bir ileri geri salınımını tamamlar. Böyle bir sarkacın frekansı bir hertz veya saniyede bir devirdir.

♦ Tavandan bir yay üzerinde asılı ağırlık. Yay yeterince sertse salınım frekansı birkaç hertz olacaktır.

♦ Diyapazon veya keman telinin titreşimi. Her ikisi de birkaç yüz hertz verebilir.

♦ Devredeki elektrik akımı. Çok daha yüksek bir frekansta salınabilir.

Salınım yapabilen sistemlere -şaşırtıcı bir şekilde genel olarak- osilatör denir . En azından salındıklarında hepsinin enerjisi vardır ve klasik fizikte bu enerji herhangi bir büyüklükte olabilir. Demek istediğim, osilatörün enerji ile istenen herhangi bir değere düzgün bir şekilde pompalanabilmesidir. Grafik, osilatörün enerjisinin pompalandıkça nasıl arttığını göstermektedir.

Ancak kuantum mekaniğinde enerjinin yalnızca küçük, bölünmez parçalar halinde gelebileceği ortaya çıktı. Osilatörün enerjisini kademeli olarak artırmaya çalışırsanız , sonuç düz bir rampa değil, bir merdiven olacaktır. Toplama, yalnızca enerji kuantumu adı verilen bir birimin katları olan kısımlarda gerçekleştirilebilir .

Kuantum biriminin değeri nedir? Osilatörün frekansına bağlıdır. Buradaki kural, Planck ve Einstein tarafından ışık kuantumları için keşfedilenle tamamen aynıdır: enerji kuantumu E , osilatörün frekansı çarpı Planck sabiti h ile çarpılır:

E = hf.

Sarkaç gibi sıradan osilatörler için frekans çok yüksek değildir ve yükseklik adımı (enerji kuantumu) son derece küçüktür. Bu durumda, adım grafiği o kadar küçük adımlardan oluşur ki, düzgün bir tırmanış gibi görünür. Bu nedenle , günlük yaşamda enerjinin nicelleştirilmesini fark etmiyoruz . Bununla birlikte, elektromanyetik dalgalar, merdiven basamaklarının çok daha yüksek olacağı yeterince yüksek frekanslara sahip olabilir. Aslında, tahmin etmiş olabileceğiniz gibi, bir elektromanyetik dalganın enerjisini bir adım artırmak, bir ışık huzmesine bir foton eklemekle aynı şeydir.

Klasik olarak ayarlanmış bir beyin için, enerjinin yalnızca bölünemez nicemlerle eklenebileceği mantığına aykırı görünüyor, ancak kuantum mekaniğinin ima ettiği tam olarak budur.

kuantum alan teorisi

Laplace'ın on sekizinci yüzyıldaki dünya resmi oldukça iç karartıcıydı: Newton'un despotik denklemleriyle önceden belirlenmiş yörüngelerde hareket eden parçacıklardan başka bir şey değil, parçacıklar. Modern fiziğin gerçekliğin daha sıcak, daha bulanık bir resmini sunduğunu bildirmekten memnuniyet duyarım , ama korkarım durum bu değil. Hala parçacıklar, sadece modern bir şekilde. Determinizm demir kanunu, daha esnek olan kuantum şans kanunu ile değiştirildi.

Newton'un hareket yasalarının yerini alan yeni matematiksel aygıta kuantum alan kuramı denir ve onun buyruklarına göre, tüm doğal dünya bir noktadan diğerine hareket eden, çarpışan, parçalanan ve yeniden birleşen temel parçacıklardan oluşur. Bu, olayları (uzay-zaman noktaları) birbirine bağlayan muazzam bir dünya çizgileri ağıdır. Çizgilerden ve noktalardan oluşan bu devasa ağın matematiğini, meslekten olmayanların terimleriyle açıklamak kolay değildir, ancak ana noktalar açıktır.

Klasik fizikte parçacıklar, kesin olarak tanımlanmış yörüngeler boyunca uzay-zamanın bir noktasından diğerine hareket eder. Kuantum mekaniği, hareketlerine belirsizlik katar. Yine de, belirsiz yörüngelerde de olsa, uzay-zaman noktaları arasında geçtiklerini düşünebiliriz. Bu bulanık yörüngelere yayıcılar denir . Yayıcılar genellikle iki uzay-zaman olayı arasındaki çizgiler olarak çizilir, ancak bunun tek nedeni gerçek kuantum parçacıklarının belirsiz hareketini çizmenin bir yolu olmamasıdır.

Aşağıda, parçacıkların karşılaştıklarında nasıl davrandıklarını bize anlatan etkileşimler yer almaktadır. Temel etkileşim sürecine düğüm denir . Düğüm yol ayrımı gibidir. Parçacık, bir çatala ulaşana kadar dünya çizgisi boyunca hareket eder. Ancak iki yoldan birini seçmek yerine, parçacık her yol için bir tane olmak üzere ikiye bölünür. Bir düğümün en iyi bilinen örneği, yüklü bir parçacıktan veya elektrondan bir foton emisyonudur. Bu durumda, yalnız bir elektron kendiliğinden bir elektrona ve bir fotona ayrılır. (Foton dünya çizgileri geleneksel olarak dalgalı veya kesikli olarak tasvir edilir.)

Sezgisel olarak, bir şey bölündüğünde, her parça orijinalinden daha küçük olacak gibi görünüyor. Bu kavram günlük deneyimlerden miras alınmıştır. Bir elektronun bir elektrona ve bir fotona bölünmesi, sezgimizin ne kadar yanıltıcı olabileceğini gösterir.

Foton emisyonlu düğüm

Bu, ışık emisyonunun temel sürecidir: fotonlar titreyen elektronlardan ayrılır.

Diğer parçacıkların dahil olduğu farklı türde birçok düğüm vardır. Örneğin atom çekirdeğinde gluon adı verilen parçacıklar vardır. Bir gluon iki gluona dönüşebilir.

tutkal düğümü

İleri yönde ilerleyebilen herhangi bir işlem, ters yönde de ilerleyebilir. Bu, parçacıkların buluşup birleşebileceği anlamına gelir. Örneğin, iki gluon buluşabilir ve bir gluonda birleşebilir.

Richard Feynman, daha karmaşık süreçler oluşturmak için çoğaltıcıları ve düğümleri nasıl birleştireceğini buldu. Örneğin, bir elektrondan diğerine sıçrayan bir fotonu gösteren, elektronların nasıl çarpıştığını ve dağıldığını anlatan bir Feynman diyagramı vardır.

Başka bir diyagram, gluonların kuarkları çekirdekte bir arada tutan karışık, yapışkan, yapışkan maddeyi nasıl oluşturduğunu gösteriyor.

Newton mekaniği, birçok parçacığın konumları ve hızları da dahil olmak üzere, belirli bir başlangıç durumundan geleceği tahmin etme şeklindeki eski soruya cevaplar arar. Kuantum alan teorisi soruyu farklı bir şekilde ortaya koyar: Belirli bir şekilde hareket eden bir parçacıklar kümesi verildiğinde, farklı sonuçların olasılıkları nelerdir?

Bir dereceye kadar, bu, kuantum alan teorisinin saf (ve hatalı) bir versiyonunu kullanıyor; ancak geçmişe (iki elektron) ve geleceğe (iki elektron ve bir foton) giden her yol için pozitif bir olasılık vardır. Bu, toplam olasılığı bulmak için, tüm olası yollar için tek tek olasılıkları toplamak gerektiği izlenimini verebilir. Böyle bir sonuç ideal olarak Laplacian, klasik düşünceye karşılık gelir, ancak gerçekte böyle değildir. Doğru tarif tuhaf görünüyor - bu sonucu mahvetmeye çalışmayın, sadece kabul edin.

Doğru tarif, büyük İngiliz fizikçi Paul Dirac tarafından Heisenberg ve Schrödinger'in çalışmalarından hemen sonra keşfedilen garip "kuantum mantığı"nın sonuçlarından biridir. Feynman, her Feynman diyagramı için olasılık genliğini hesaplamak için matematiksel kurallar getirdiğinde Dirac'ın fikirlerini takip etti . Ayrıca, tüm diyagramlar için olasılık genliklerini toplayarak nihai olasılığı elde edemezsiniz. Gerçekte, olasılık genlikleri pozitif sayılar olmak zorunda değildir. Olumlu, olumsuz ve hatta karmaşık olabilirler1 2.

Ancak bir olasılığın genliği bir olasılık değildir. Diyelim ki iki elektronun iki elektron ve bir fotona dönüşme olasılığının toplamını bulmak için, önce tüm Feynman diyagramları için olasılık genliklerini eklemeliyiz. O halde, Dirac'ın soyut kuantum mantığına göre, elde edilen değerin alınması ve karesinin alınması gerekir! Bu sonuç her zaman pozitiftir ve belirli bir sonucun olasılığını verir.

Bu alışılmadık kural, kuantum tuhaflıklarının temelinde yatmaktadır. Laplace'a bu saçma gelebilirdi ve Einstein bile bunda bir anlam görmedi. Ancak kuantum alan teorisi, çekirdekleri, atomları ve molekülleri oluşturmak için nasıl birleştikleri de dahil olmak üzere temel parçacıklar hakkında bildiğimiz her şey hakkında inanılmaz derecede doğrudur. Girişte söylediğim gibi, kuantum fizikçileri mantığın yeni kurallarına yeniden uyum sağlamak zorundalar.'

Bu bölümü bitirmeden önce, Einstein'ın derinden endişe duyduğu konuya geri dönmek istiyorum. Kesin olarak bilmiyorum ama bunun olasılıksal önermelerin son derece saçma doğasıyla ilgili olduğunu tahmin ediyorum. Her zaman merak etmişimdir: dünyamız hakkında gerçekte ne diyorlar? Bildiğim kadarıyla kesin bir şey ifade etmiyorlar. Bu noktayı örneklendirmek için, bir keresinde John Brockman'ın What We Believe But Can't Prove adlı kitabında yer alan aşağıdaki hikayeyi yazmıştım. "Yavaş Düşünen Bir Öğrenciyle Sohbet" başlıklı hikaye, bir fizik profesörü ile konuyu kavrayamamış gibi görünen bir öğrenci arasındaki konuşmayı anlatıyor. Bu hikayeyi yazdığımda kendimi bir profesörden çok bir öğrenciyle özdeşleştirdim.

Öğrenci: Merhaba hocam. Bir problemim var. Küçük bir olasılık deneyi yapmaya karar verdim - bilirsiniz, yazı tura atmak - ve bize öğrettiklerinizi test etmek. Ama hiçbir şey almadım.

Profesör: Peki, ilgi gösterdiğinize sevindim, ne yaptınız?

Eğitimsiz bir okuyucunun bu yasayı, hatta neden bu kadar garip olduğunu tam olarak anlamasını kesinlikle beklemiyorum. Yine de, iş başında kuantum alan teorisi yasalarının en azından kokusunu yakalayabileceğini umuyorum .

Aşağıdaki hikaye şu kaynaktan alınmıştır: Brockman , J. İnandığımız Ama Kanıtlayamadığımız Şey: Modern Bilim Üzerine 21st Century Intellectuals. — M.: Alpina non-fiction, 2011. — S. 137-139. — Not. çeviri

Öğrenci: 1000 kez yazı tura attım . Tura gelme ihtimalinin yarı yarıya olduğunu söylediğini hatırlıyor musun? Bir madeni parayı 1000 kez atarsanız, 500 kez tura gelmesi gerektiğini hesapladım . Ama 513 kez düştü. Neden?

Profesör: Hata payını unutmuşsunuz. Bir madeni parayı belirli sayıda atarsanız, hata payı, atış sayısının kareköküne eşit olacaktır. 1000 atış için hata payı yaklaşık 30'dur. Yani tamamen tahmin edilebilir bir sonuç elde ettiniz.

Öğrenci : Oh, şimdi anlıyorum! Her 1000 kez yazı tura attığımda, 470 ila 530 kez tura gelecek. Her zaman! Harika, şimdi bunun bir gerçek olduğundan eminim!

Profesör: Hayır, hayır! Bu, kafaların muhtemelen 470 ila 530 kez geleceği anlamına gelir.

Öğrenci : 200 defa tura gelebileceğini mi söylüyorsunuz? Veya 850 kez? Yoksa sürekli mi düşüyor?

Profesör: Muhtemelen hayır.

Öğrenci : Belki de sorun benim yeterince rulo yapmamış olmamdır? Belki de eve gidip milyonlarca kez yazı tura atmalıyım? Belki o zaman sonuç daha iyi olur? Profesör: Muhtemelen hayır.

Öğrenci : Profesör, lütfen bana emin olabileceğim bir şey söyleyin. Ama "muhtemelen" kelimesini tekrarlayıp duruyorsun. Bana olasılığın ne olduğunu "muhtemelen" kelimesi olmadan açıklayabilir misiniz?

Profesör: Hımmm. Yapmaya çalışacağım. Bu, hata payının önerdiğinden daha sık tura gelirse şaşıracağım anlamına gelir.

Öğrenci: Aman tanrım! Bize istatistiksel mekanik, kuantum mekaniği ve matematiksel olasılık hakkında anlattığınız her şeyin, işe yaramazsa şaşıracağınız anlamına mı geldiğini söylüyorsunuz?

Profesör: Ah...

Bir madeni parayı milyon kez çevirsem, o zaman kesinlikle milyon kez tura gelmez. Kumar oynamıyorum ama bundan o kadar eminim ki, canımı, canımı ortaya koymaktan çekinmem. Ruh nedir, bütün sene maaşımı koyardım üstüne. Büyük sayılar yasalarının - yani olasılık teorisinin - işe yarayacağına ve beni gücendirmeme izin vermeyeceğine kesinlikle inanıyorum . Bütün bilimler bunlara dayanmaktadır. Ama bunu kanıtlayamıyorum ve neden işe yaradıkları hakkında hiçbir fikrim yok. Belki de Einstein bu yüzden Tanrı zar atmaz demiştir. Muhtemelen hala oynuyor.

Zaman zaman fizikçilerin, Einstein'ın kuantum mekaniğini anlamadığını ve bu nedenle saf klasik teorilerle zamanını boşa harcadığını iddia ettiklerini duyuyoruz. Bunun doğru olduğundan şüpheliyim . Kuantum mekaniğine karşı argümanları son derece zariftir ve tüm fizik bilimlerindeki en karmaşık ve en çok alıntı yapılan makalelerden biriyle sonuçlanır*. Einstein'ın inek, ağır zekalı öğrenciyle aynı şeyler hakkında endişelendiğine inanıyorum . Nihai gerçeklik kuramı, bir deneyin sonucundaki şaşkınlığımızın derecesi kadar belirsiz bir şeyle nasıl ilgili olabilir?

Size kuantum mekaniğinin klasik olarak ayarlanmış beyinde serbest bıraktığı bazı paradoksal, neredeyse mantıksız şeyleri gösterdim . Ama sanırım tam olarak tatmin olmadın. Aslında öyle umuyorum. Kafanız karıştıysa, böyle olması gerekir. Bunun tek tedavisi, bir doz hesap yapmak ve birkaç ay boyunca kuantum mekaniği üzerine iyi bir ders kitabına dalmaktır. Yalnızca çok garip bir mutant veya çok sıra dışı bir ailede doğan bir kişi doğal olarak kuantum mekaniğini anlamaya uyum sağlayabilir. Unutma, sonunda Einstein bile onu beceremedi.

A. Einstein, B. Podolsky ve N. Rosen. “Fiziksel Gerçekliğin Kuantum-Mekanik Tanımı Eksiksiz Olarak Kabul Edilebilir mi?” Fiziksel İnceleme 47 (1935): 777-80. (Rusça çeviri: Einstein A., Podolsky B., Rosen N. Gerçekliğin kuantum mekaniksel tanımı tamamlanmış sayılabilir mi? // Einstein A. Bilimsel makale koleksiyonu: 4 ciltte. T. III. - M .: Nauka, 1966. - S. 604. - Not çevirisi.)

Planck geliştirilmiş bir referans ölçeği icat etti

Bir gün Stanford kafeteryasında, fizik hazırlık sınıfımdan bir grup öğrencinin masada bir şeyler çalıştığını fark ettim. "Arkadaşlar, ne yapıyorsunuz?" Diye sordum. Cevap beni şaşırttı. Ders kitabının kapağında verilen sabitler tablosunu son basamağına kadar ezberlediler. Tablo, diğer iki düzine ile birlikte aşağıdaki sabitleri içeriyordu:

h (Planck sabiti) = 6,626068x103 m 2 kg/s

Avogadro sayısı = 6.022141SX10P

Elektron yükü \u003d 1.60217646X10 1 'coulomb

s (ışık hızı) = 299.792.458 m/s

Proton çapı = 1,724x10' 15 m

G (yerçekimi sabiti) = 6.6742x104 ı?rtr*

Diğer bilimsel konularda, adaylar büyük miktarda bilgiyi ezberlemek için eğitilirler. Fiziği iyi öğrenirler, ancak genellikle onu psikolojinin öğretildiği şekilde öğretmeye çalışırlar. Gerçek şu ki, fizik hafızayı çok az zorlar. Pek çok fizikçinin bu sabitlerin çoğunu büyüklük sırasına göre bile isimlendirebileceğinden emin değilim .

Bu, ilginç bir soruyu gündeme getiriyor: Bu sabitlerin sayısal değerleri neden bu kadar beceriksiz? Neden 2, 5 hatta 1 gibi asal sayılar olmasın? Neden her zaman ya çok küçük (Planck sabiti, elektron yükü) ya da çok büyük (Avogadro sayısı, ışık hızı) çıkıyorlar?

Cevabın fizikle çok az, biyolojiyle daha çok ilgisi var. Avogadro'nun numarasını al. Belirli bir miktardaki gazın içerdiği molekül sayısını ifade eder. Ne miktarda? Ondokuzuncu yüzyılın başlarındaki kimyagerlerin birlikte çalışması için uygun olan birinde; başka bir deyişle, bu, bir şişeye veya başka bir kaba sığan, aşağı yukarı bir insanla karşılaştırılabilir olan miktardır. Avogadro sayısının gerçek değeri, derin fiziksel ilkelerden çok insan vücudundaki moleküllerin sayısıyla ilgilidir'.

Başka bir örnek, bir protonun çapıdır. O neden bu kadar küçük? Cevabın anahtarı yine insan psikolojisinde yatıyor. Tablodaki sayısal değer metre olarak ifade edilmiş ama metre nedir? Bu, uzatılmış elin burnundan parmak ucuna kadar olan mesafeyle ilişkilendirilen metrik birim sistemindeki İngiliz avlusunun karşılığıdır. Bunun kumaş veya ip ölçmek için uygun bir birim olması muhtemeldir. Protonun küçüklüğü, yalnızca bir insan eli yapmak için çok fazla protona ihtiyacınız olduğunu söylüyor. Temel fizik açısından bu sayının özel bir yanı yoktur.

Öyleyse neden bu sayıların hatırlanmasını kolaylaştırmak için birimleri değiştirmiyoruz? Uygulamada bu genellikle yapılır. Örneğin, uzunluğu ölçmek için bir ışık yılının kullanıldığı astronomide. (Işık yılının yanlışlıkla zaman birimi olarak kullanılmasından nefret ediyorum: "Hey! Koca bir ışık yılı oldu seni görmeyeli!") Işık yılı olarak ifade edildiğinde ışığın hızı o kadar hızlı değil her saniye. Aslında çok küçüktür - sadece yaklaşık 3x10" 8. Peki ya zaman birimini de değiştirirsek ve bir saniye yerine bir yıl alırsak? Işığın bir ışık yılı boyunca gitmesi tam olarak bir yıl sürdüğüne göre, ışık hızı yılda bir ışık yılı olsun.

bire eşit olduğu birimleri kullanmak mantıklıdır . Ama burada diyelim ki bir protonun yarıçapı çok temel bir şey değil. Protonlar, kuarklardan ve diğer parçacıklardan oluşan karmaşık nesnelerdir, öyleyse neden onlara onurlu birinciliği verelim? Fiziğin en derin ve en evrensel yasalarını yöneten sabitleri seçmek daha mantıklı. Büyük anlaşmazlıklar yok; bu yasalar tam olarak nedir?

Evrendeki herhangi bir cismin maksimum hızı ışık hızına eşittir c. Bu hız sınırı sadece ışık için değil, doğadaki her şey için bir kanundur .

♦ Evrendeki tüm cisimler kütlelerinin çarpımı ve yerçekimi sabiti G ile orantılı bir kuvvetle birbirlerini çekerler. “Tüm cisimler”, istisnasız tüm cisimler anlamına gelir.

niya.

herhangi bir nesne için , kütlesinin çarpımı ile konum ve hızın belirsizliği hiçbir zaman Planck sabiti h'den az değildir .

Buradaki italikler, bu yasaların genel doğasını vurgulamaktadır. Tüm nesnelere birlikte ve her birine ayrı ayrı - var olan her şeye uygulanırlar . Bu üç doğa kanunu gerçekten bunu hak ediyor; evrensel olarak adlandırılacak; - çok daha büyük ölçüde; nükleer fizik yasalarından veya proton gibi belirli parçacıkların özelliklerinden daha fazla. Önemsiz görünebilir, ancak fiziğin yapısına ilişkin en derin içgörülerden biri Max Planck'tan geldi; 1900'de fark ettiğinde; uzunluk, kütle ve zaman birimlerini, üç temel sabit - c, G ve h - bire eşit olacak şekilde seçmek mümkündür .

Temel ölçek, Planck uzunluk birimidir. Bir metreden çok daha küçüktür ve hatta bir protonun çapındadır. Aslında, bir protondan yaklaşık yüz milyar kat daha küçüktür (metre cinsinden yaklaşık 10' 35'tir ). Proton, güneş sisteminin boyutuna yükseltilse bile; Planck uzunluğu virüsten daha büyük olmayacaktır. Planck'ın ölümsüz değeri şudur ; tahmin ettiği gibi: Bu inanılmaz derecede küçük boyut, fiziksel dünyanın herhangi bir nihai teorisinde temel bir rol oynamalıdır. Planck bu rolün ne olacağını bilmiyordu ama maddenin en küçük yapı taşlarının "Planck boyutu" olacağını fark etti.

Planck'ın c, G ve d'yi bire eşitlemesi için geçen süre de son derece küçüktü, yani IO -42 saniye, ışığın bir Planck uzunluğunu kat etmesi için geçen süre.

Son olarak, Planck kütle birimi var. Planck uzunluğunun ve Planck zamanının (sıradan, biyo-yönelimli birimlerde) inanılmaz derecede küçük olduğu göz önüne alındığında, Planck kütle biriminin herhangi bir sıradan nesnenin kütlesinden çok daha az olmasını beklemek doğal olacaktır. Ama burada yanılıyorsun. Fizikteki en temel kütle biriminin biyolojik standartlara göre çok da küçük olmadığı ve yaklaşık on milyon bakterinin kütlesi olduğu ortaya çıktı. Bu, yaklaşık olarak çıplak gözle görülebilen en küçük nesnenin, örneğin bir toz zerresinin kütlesine eşittir.

Bu birimler -Planck uzunluğu, zaman ve kütle- olağanüstü öneme sahiptir: bunlar mümkün olan en küçük kara deliğin boyutu, yarı ömrü ve kütlesidir. Bu konuya daha sonraki bölümlerde döneceğiz.

E \u003d ts 2

Bir kap alın, buz küpleriyle doldurun, ağzını sıkıca kapatın ve bir mutfak terazisinde tartın. Şimdi brülöre koyun ve buzu eriterek sıcak suya çevirin. Tekrar tartalım. Bunu yeterince dikkatli yaparsanız, kaba dışarıdan hiçbir şeyin girmemesini ve hiçbir şeyin dışarı çıkmamasını sağlarsanız, son ağırlık, çok yüksek bir tartım doğruluğuna kadar ilk ağırlıkla aynı olacaktır. Ama ağırlığı bir trilyon içinde ölçebilseydiniz, farkı anlardınız; sıcak su buzdan biraz daha ağır olur. Başka bir deyişle, ısıtma, ağırlığa bir kilogramın birkaç trilyonda birini ekler.

Ne oluyor? Sadece ısı enerjidir. Ancak Einstein'a göre enerji kütledir, bu nedenle bir kabın içeriğine ısı eklemek kütlesini artırır. Einstein'ın ünlü denklemi E - mâ , kütle ve enerjinin aynı şey olduğunu, farklı birimlerle ölçüldüğünü ifade eder. Özünde bu, milleri kilometreye dönüştürmek gibidir; kilometre cinsinden mesafe, mil cinsinden mesafenin 1,61 ile çarpılmasıdır. Kütle ve enerji durumunda, dönüştürme faktörü ışık hızının karesine eşittir.

Enerji için standart fiziksel birim joule'dür. Yüz joule, 100 watt'lık bir ampulü bir saniye çalıştırmak için gereken enerjidir. Bir joule, saniyede bir metre hızla hareket eden iki kilogramlık bir ağırlığın kinetik enerjisidir. Yiyecekler size her gün yaklaşık 10 milyon joule enerji verir. Aynı zamanda, standart uluslararası kütle birimi olan kilogram, bir litre suyun kütlesine eşittir.

E = mâ formülü bize kütle ve enerjinin birbirinin yerine geçebilen kavramlar olduğunu söyler. Küçük bir kütle yok edilebilirse, zorunlu olmasa da genellikle ısı şeklinde enerjiye dönüşecektir. Bir kilogram kütlenin kaybolduğunu ve yerini ısıya bıraktığını hayal edin. Ne kadar ısı aldığınızı anlamak için bir kilogramı 2 ile çok büyük bir sayı ile çarpın . Sonuç yaklaşık IO 17 joule olacaktır . Böyle bir rezervde 30 milyon yıl yaşayabilir veya çok güçlü bir nükleer savaş başlığı yaratabilirsiniz. Neyse ki, kütleyi diğer enerji biçimlerine dönüştürmek çok zordur, ancak Manhattan Projesi* bunun mümkün olduğunu kanıtladı.

Fizikçiler için kütle ve enerji kavramları o kadar yakın hale geldi ki, onları nadiren ayırt edebiliyoruz. Örneğin, bir elektronun kütlesi genellikle atom fiziğinde kullanılan enerji birimleri olan belirli sayıda elektron volt cinsinden ifade edilir.

Bunu aradan çıkardıktan sonra, Planck enerjisi olarak da adlandırılabilen Planck kütlesine - bir toz tanesinin kütlesine - geri dönelim. Bu toz zerresinin, bazı keşifler sayesinde termal enerjiye dönüştüğünü hayal edin. Boyut olarak, yaklaşık olarak dolu bir benzin deposuna eşit olacaktır. Amerika Birleşik Devletleri'ni on Planck kütlesinde geçebilirsin.

Planck ölçeğindeki nesnelerin akıl almaz küçüklükleri ve onları doğrudan gözlemlemenin inanılmaz zorluğu, teorik fizikçiler için derin bir üzüntü kaynağıdır. Hatta şu gerçeği

Dünya Savaşı sırasında Los Alamos, New Mexico'da atom bombasının geliştirilmesine verilen isimdi.

biz sadece bu soruları sorabiliyoruz, zaten insan hayal gücünün bir zaferi var. Ancak kara deliklerin paradokslarının anahtarını bu uzak dünyada aramalıyız: yoğun "duvar kağıdı" olan bir kara deliğin ufkunu kaplayan bilgi parçacıklarının Planck boyutundan dolayı. Gerçekte, ufuk en yüksek bilgi yoğunluğuna sahiptir; ki bu sadece doğa kanunları tarafından izin verilir. Sonra anlayacağız; "bilgi" teriminin ve yakından ilişkili entropi kavramının anlamı nedir ? Ve sonra anlamaya hazır olacağız; Kara Delik Savaşı neden yapıldı? Ama önce açıklamak istiyorum; neden kuantum mekaniği genel göreliliğin en güvenilir sonuçlarından birini - kara deliklerin ebedi varlığını - baltalıyor.

Bir Broadway barında

Richard Feynman'la ilk konuşmam Yukarı Manhattan'daki Broadway'deki West End Cafe'deydi. 1972'ydi. Otuz iki yaşında, nispeten meçhul bir fizikçiydim ; Feynman elli üç yaşındaydı. Yaşlanan aslan, gücünün zirvesini çoktan geçmiş olsa da, hala hayranlık uyandırıyordu. Feynman, yeni parton teorisi üzerine bir konferans vermek için Columbia Üniversitesi'ne geldi. Parton , Feynman'ın çekirdek altı parçacıkların (protonlar, nötronlar ve mezonlar) varsayımsal bileşenleri (parçaları) için kullandığı terimdir. Bugün onlara kuarklar ve gluonlar diyoruz.

O zamanlar New York, yüksek enerji fiziği için önemli bir merkezdi. Ve bu etkinliğin odak noktası Columbia Üniversitesi'nin fizik bölümüydü. Buradaki fiziğin dikkate değer ve şanlı bir tarihi var. Amerikalı bir fizik öncüsü olan I. A. Rabi, Columbia Üniversitesi'nde dünyanın en prestijli fizik enstitülerinden birini kurdu, ancak 1972'de itibarı biraz azaldı. Ders verdiğim Yeshiva Üniversitesi'nin Belfer Fen Bilimleri Enstitüsü'ndeki teorik fizik programı da aynı derecede iyiydi, ancak Columbia, Columbia'dır ve Belfer, onun kadar ünlü değildi.

Feynman'ın dersleri büyük bir sabırsızlıkla bekleniyordu. Fizikçilerin kalplerinde ve zihinlerinde çok özel bir yere sahipti. Sadece tüm zamanların en büyük teorisyenlerinden biri olarak değil, aynı zamanda herkes için gerçek bir idol olarak. Aktör, şakacı, davulcu, holigan, ikonoklast, zeka devi - her şeyi basit ve net hale getirdi. Diğer herkes fiziksel bir sorunun cevabını bulmak için en karmaşık hesaplamalarla saatler geçirdi ve Feynman bunu yirmi saniyede öyle bir açıkladı ki cevap apaçık hale geldi.

* İngilizce'den, pari - bölüm. — Not. çeviri

Feynman'ın egosu acımasızdı ama yanında olmak çok eğlenceliydi. Birkaç yıl sonra iyi arkadaş olduk, ama 1972'de o bir yıldızdı ve ben, servis çıkışında bekleyen bir hayran gibi, 181st Street'in kuzeyindeki taşradan Johnny'ydim. Büyük adamla birkaç kelime alışverişinde bulunmayı umarak dersten iki saat önce metroyla Columbia'ya vardım .

Teorik Fizik Bölümü, Pupin Salonu'nun dokuzuncu katında bulunuyordu. Feynman'ın bir yerlerde takılması gerektiğini düşündüm . İlk gördüğüm kişi Kolombiyalı fizikçilerin gurusu Li Zhengdao'ydu." Profesör Feynman'ın buralarda olup olmadığını sordum. "Ondan ne istiyorsun?" Lee nazikçe yanıtladı. "Pekala, ona partonlar hakkında birkaç soru sormak istiyorum." - "O meşgul". - Konuşma Sonu.

Bu, doğanın çağrısı olmasaydı, hikayenin sonu olurdu. Tuvalete girdiğimde Dick'in pisuarın önünde durduğunu gördüm. Yanımda durarak "Profesör Feynman, size bir soru sorabilir miyim?" diye sordum. "Evet, ama bırak da yaptığım işi bitireyim, sonra bana verilen ofise gideriz. Soru nedir? Ve tam burada ve şimdi, partonlar hakkında hiçbir sorum olmadığına karar verdim, ancak kara delikler hakkında bir şeyler düşünebilirim. "Kara delik" terimi dört yıl önce John Wheeler tarafından önerildi. Wheeler, Feynman'ın tez danışmanıydı ama Feynman bana kara delikler hakkında neredeyse hiçbir şey bilmediğini söyledi. Bildiğim çok az şey, kara delik fiziğinin öncülerinden biri olan arkadaşım David Finkelstein'dan geldi. 1958'de Dave, bir kara deliğin ufkunun geri dönüşü olmayan nokta olduğunu açıklayan önemli bir makale yazdı. Ayrıca bir kara deliğin merkezinde ufku çevreleyen bir tekillik olduğunu da biliyordum.

Columbia Üniversitesi Fizik ve Astronomi Binası, 1925-1927'de inşa edildi ve daha sonra adını bir üniversite mezunu ve Ulusal Havacılık Programı Konseyi'nin (NACA) kurucularından biri olan Sırp-Amerikalı fizikçi Mihailo Idvorski Pulin'den (1858-1935) aldı. daha sonra NASA'ya dönüştürüldü. — Not. çeviri

Li Zhengdao (Tsung-DaoLee), s. 1926 - Çinli ve Amerikalı fizikçi, temel parçacıklarda paritenin korunumu konusundaki çalışmasıyla 1957'de Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.

Dave ayrıca bana neden ufuktan hiçbir şeyin çıkamayacağını açıkladı. Şu anda nereden hatırlayamasam da bildiğim son şey, bir kara deliğin bir kez oluştuktan sonra bozulamayacağı veya yok olamayacağıydı. İki veya daha fazla kara delik birleşerek daha büyük bir kara delik oluşturabilir, ancak hiçbir şey onun iki veya daha fazla kara deliğe bölünmesine neden olmaz. Başka bir deyişle, bir kara delik oluştuktan sonra ondan kurtulmak mümkün değildir.

Aynı sıralarda genç Stephen Hawking, klasik kara delikler teorisinde devrim yaratma sürecindeydi. En önemli keşifleri arasında bir kara deliğin ufkunun alanının asla küçülmemesiydi. Stephen, işbirlikçileri James Bardeen ve Brandon Carter ile birlikte, karadeliklerin davranışını yöneten bir dizi yasa türetmek için genel göreliliği kullandı. Yeni yasalar, termodinamik yasalarına (ısıyı yöneten) açıklanamaz bir benzerliğe sahipti, ancak benzerlik sadece bir tesadüf olarak kabul edildi. Azalan olmayan alan yasası, bir sistemin entropisinin asla azalmadığını belirten termodinamiğin ikinci yasasına benziyordu. Feynman'ın o konferansı sırasında bu çalışmayı bildiğimden ve hatta Stephen Hawking'in adını duyduğumdan bile şüpheliyim, ama Hawking'in kara delik dinamiği kanunları, 20 yılı aşkın süredir yaptığım araştırma üzerinde derin bir etkiye sahip olacaktı.

Her ne olursa olsun, Feynman'a sormak istediğim soru, kuantum mekaniğinin bir kara deliğin daha küçük kara deliklere dönüşmesine neden olup olmayacağıydı. Bu bana çok büyük bir atom çekirdeğinin daha küçük çekirdeklere parçalanması gibi bir şey gibi geldi. Bunun neden olması gerektiğini düşündüğümü Feynman'a aceleyle açıkladım .

Feynman bunu hiç düşünmediğini söyledi. Dahası, kuantum yerçekimi konusunu da sevmiyor. Kuantum mekaniğinin yerçekimindeki ve yerçekiminin kuantum mekaniğindeki etkilerinin ölçülemeyecek kadar küçük olduğu ortaya çıktı. Konunun doğası gereği ilgi çekici olmadığını düşündüğünden değil, ancak teoriye rehberlik edecek ölçülebilir herhangi bir etkisi olmadığı için, gerçekte nasıl çalıştığını tahmin etmek umutsuzdu. Bunu yıllar önce düşündüğünü ve bir daha düşünmek istemediğini söyledi. Kuantum yerçekiminin anlaşılmasının beş yüz yıl sürebileceğini öne sürdü. Her halükarda, bir saat sonra vermesi gereken bir dersi var ve dinlenmeye ihtiyacı var.

Ders tamamen Feynman'dı. Sahneyi varlığıyla, Brooklyn aksanı ve her ifadeyi göstermek için jestleri olan huysuz bir aktörle doldurdu. Seyirci hayranlıkla dondu. Kuantum alan teorisinin karmaşık problemleri hakkında basit ve sezgisel olarak nasıl düşünüleceğini gösterdi. Neredeyse herkes, ele aldığı diğer eski problem analizi yöntemlerini kullanıyordu. Bu eski yöntemler zordu ama bağışlayıcı hileler buldu - parton hileleri. Feynman sihirli asasını salladı ve tüm sorular birdenbire ortadan kalktı. İşin garibi, eski yöntemler onun kendi Feynman diyagramlarına dayanıyordu!

Ancak dersin en iyi kısmı, Li Zhengdao'nun bir soruyla sözünü kesmesi ya da daha doğrusu soru kılığında bir açıklama yapmasıydı. Feynman, yeni yönteminde bazı diyagram türlerinin asla oluşmadığını ve bunun her şeyi basitleştirdiğini söyledi. Bunlara Z-Charts deniyordu. Lee, "Vektör ve spinor alanlarıyla ilgili bazı teorilerde Z diyagramlarının her zaman sıfır vermediği doğru değil mi?" diye sordu. Ama umarım muhtemelen düzeltilebilir." Salon bir mezar kadar sessizleşti. Feynman guruya beş saniye kadar baktı ve sonra "Düzelt şunu!" dedi. Ve ders hakkında.

Dersten sonra Feynman yanıma geldi ve "Adın ne?" diye sordu. Sorumu düşündüğünü ve bunun hakkında konuşmak istediğini ve akşam buluşabileceğim bir yer bilmediğimi söyledi. Böylece West End Cafe'ye geldik.

Kafeye geri döneceğiz ama ondan önce size yerçekimi ve kuantum mekaniği hakkında bir şey daha söyleyeceğim.

Soru; tartışmak istediğim; kuantum mekaniğinin kara delikler üzerindeki etkisiyle ilgili. Genel görelilik, yerçekiminin klasik teorisidir. Bir fizikçi "klasik" kelimesini kullandığında bunun Antik Yunan ile ilgili olduğunu kastetmez. Bu sadece teorinin kuantum mekaniğinin etkilerini hesaba katmadığı anlamına gelir. Kuantum teorisinin yerçekimi alanını nasıl etkilediği konusunda net olmayan çok şey var, ancak çok az bilinen şey yerçekimi dalgaları olarak uzayda yayılan küçük pertürbasyonlardan kaynaklanıyor . Bu pertürbasyonların kuantum teorisi hakkında bildiklerimizin çoğunu Feynman'a borçluyuz.

4. Bölüm'de, Tanrı'nın Einstein'ın zar oyunu hakkındaki görüşünü görmezden geldiğini öğrendik. Sonuç olarak, klasik fizikte açıkça tanımlanmış şeyler, kuantum fiziğinde belirsiz hale gelir. Kuantum mekaniği bize asla ne olacağını söylemez; bize şu ya da bu olma olasılıklarını verir. Bir radyoaktif atomun tam olarak ne zaman bozunacağı tahmin edilemez, ancak kuantum mekaniği bize önümüzdeki on saniye içinde muhtemelen bozunacağını söyleyebilir.

Nobel fizik ödüllü Murray Gell-Mann, T. White'ın Bir Zamanların ve Geleceğin Kralı*: "Yasak olmayan her şey zorunludur" sloganını ödünç aldı. Özellikle klasik fizikte pek çok olay gerçekleşemez. Ancak çoğu durumda, bu olaylar kuantum teorisinde mümkündür. İmkansız olmak yerine, bu olaylar son derece olası değildir. Ancak olasılık dışı olmalarına rağmen, yeterince uzun süre beklerseniz, sonunda gerçekleşeceklerdir. Yani yasak olmayan her şey zorunludur.

Buna iyi bir örnek, tünelleme adı verilen bir olgudur. Bir yokuşa park edilmiş bir araba hayal edin.

Sürtünme veya hava direnci gibi ilgili olmayan her şeyi göz ardı edelim . Ayrıca sürücünün arabanın serbestçe hareket edebilmesi için el frenini çekmeyi unuttuğunu varsayalım. Açıktır ki, araba çukurun dibindeyse kendi kendine hareket etmeye başlamayacaktır. Herhangi bir tarafa kaydırmak, yokuşun tırmanmasına neden olur ve araç başlangıçta hareketsiz durumdaysa,

İngiliz yazar Terence Hanbury White'ın (1906-1964) yazdığı "Bir Zamanların ve Geleceğin Kralı" tetralojisi, yazarın, yuvarlak masa şövalyeleri olan öğretmeni büyücü Merlin'in Kral Arthur'un hikayesine dayanarak yeniden yarattığı yorumudur. İngiliz efsaneleri. — Not. çeviri

yukarı çıkmak için enerji olmayacak. Daha sonra bu arabayı tepenin arkasındaki tepeden aşağı yuvarlanırken bulursak, ya birinin onu ittiğini ya da bir şekilde tepeyi aşmak için bir yerden enerji aldığını varsaymalıyız. Klasik mekanikte bir tepenin üzerinden kendiliğinden atlamak imkansızdır.

Ancak unutmayın: yasak olmayan her şey zorunludur. Araba kuantum mekaniği olsaydı (ve aslında tüm arabalar öyledir), hiçbir şey onun aniden tepenin diğer tarafında görünmesini engelleyemezdi. Son derece düşük bir ihtimal olabilir - araba gibi büyük, ağır bir nesne için bu çok, çok düşük bir ihtimaldir - ama imkansız da değildir. Yani yeterince uzun bir süre için kesinlikle olacak. Yeterince uzun süre beklersek, yokuşun diğer tarafında arabanın yuvarlandığını görürüz. Bu fenomene tünel açma denir çünkü araba bir tepenin altındaki bir tünelden geçmiş gibi görünür.

Bir araba kadar büyük bir nesne için, tünel açma olasılığı o kadar küçüktür ki, tepenin diğer tarafında kendiliğinden ortaya çıkması (ortalama olarak) hayal bile edilemeyecek bir süre alacaktır. Bu zamanı ifade edecek kadar büyük bir sayı yazmak için o kadar çok rakam gerekir ki, her biri bir protondan büyük olmasa bile, yoğun bir şekilde bir araya geldiklerinde tüm Evreni büyük bir Fazlalıkla doldururlar. Bununla birlikte, aynı etki, bir alfa parçacığının (iki proton ve iki nötron) bir atom çekirdeğinden çıkmasına veya bir elektronun bir elektrik devresindeki bir kesintiden geçmesine izin verebilir .

1972'de, klasik bir kara deliğin iyi tanımlanmış bir şekli olmasına rağmen, kuantum dalgalanmalarının ufkunun titremesine neden olabileceğini hayal ettim. Teorik olarak, dönmeyen bir kara deliğin şekli ideal bir küredir, ancak kuantum dalgalanmaları onu kısa bir süreliğine deforme ederek ona düzleştirilmiş veya uzamış bir görünüm verebilir. Dahası, bazen dalgalanmalar o kadar büyük olabilir ki, kara delik neredeyse ince bir köprü ile birbirine bağlanmış bir çift daha küçük küreye dönüşür. Bu durumdan ayrılması onun için kolaydır. Ağır atom çekirdekleri de benzer şekilde kendiliğinden bozunur, bu neden bir kara deliğin başına gelmesin? Klasiklerde bu olamaz, tıpkı bir arabanın kendiliğinden bir bariyerin üzerinden atlayamaması gibi. Ama kesinlikle yasak mı? Bunun için bir sebep görmedim . Yeterince bekleyin, diye düşündüm ve kara delik iki küçük deliğe ayrılmalıdır.

Bir kara deliğin çürümesi hakkındaki fikrim

Şimdi West End Café'ye dönelim. Bir bira ısmarladıktan sonra yaklaşık yarım saat Feynman'ı bekledim. Ne kadar çok düşünürsem, her şey bana o kadar anlamlı geliyordu. Bir kara delik, kuantum tünelleme ile önce iki parçaya, sonra dörde, sonra sekize ve son olarak çok sayıda mikroskobik parçaya bölünebilir. Kuantum mekaniğinin ışığında, karadeliklerin sonsuzluğuna inanmak anlamsızdı.

Feynman, son teslim tarihinden bir iki dakika önce kafeye girdi ve masama doğru yürüdü. Ev sahibi gibi hissettim ve iki bira ısmarladım .

Ben ödeyemeden cüzdanını çıkardı ve gerekli miktarı yatırdı. Bahşiş bıraktı mı bilmiyorum. Biramı yudumlarken Feynman'ın bardağının masaya değmediğini fark ettim. Argümanlarımdan başlayarak, bitirdim; söylemiş olmak; kara deliklerin eninde sonunda küçük parçalara ayrılması gerektiğini. Ne olabilirler? Her ne kadar söylenmemiş olsa da, tek mantıklı cevap fotonlar, elektronlar ve pozitronlar gibi temel parçacıklardı.

Feynman kabul etti; Bunun olmasını engelleyecek hiçbir şey olmadığını ama yanlış resmi çizdiğimi düşünüyor. Kara deliğin ilk bölümünü aşağı yukarı eşit iki parçaya bozunma olarak sundum. Parçalar mikroskobik hale gelene kadar her biri tekrar ikiye bölündü.

Sorun şu ki, büyük bir kara deliği parçalamak için dev bir kuantum dalgalanması gerekecek. Feynman, ufkun orijinal ufka neredeyse eşit bir parçaya ve uçup giden ikinci bir mikroskobik parçaya bölündüğü daha makul bir resim olduğunu hissetti. Bu süreç tekrarlandıkça kara delik, geriye hiçbir şey kalmayana kadar yavaş yavaş küçülecektir. İnandırıcı geliyordu. Ufkun küçücük bir parçasının kırılması, bir kara deliğin iki büyük parçaya bölünmesinden çok daha olası görünüyor.

Feynman'ın bir kara deliğin bozunması fikri

Görüşme yaklaşık bir saat sürdü. Nasıl vedalaştığımızı ya da bu fikri geliştirmek için herhangi bir plan olup olmadığını hatırlamıyorum . Bir aslanla tanıştım ve beni hayal kırıklığına uğratmadı.

düşünürsek , yerçekiminin muhtemelen küçük parçaları ufka doğru çekeceğini fark edebiliriz. Fırlatılan parçalardan bazıları düşenlerle çarpışabilir. Ufkun hemen üzerindeki bölge, tekrarlanan çarpışmalarla ısınan, çarpışan parçalardan oluşan karmaşık bir karmakarışık olacaktır. Hatta ufkun hemen üzerindeki alanın, sıcak bir atmosfer oluşturan devasa parçacıklarla dolu olduğunu bile tahmin edebiliriz. Ve bu sıcak kütlenin herhangi bir ısıtılmış nesne gibi davranacağı, yani enerjiyi termal radyasyon şeklinde dağıtacağı düşünülebilir. Ama yapmadık. Feynman partonlarına döndü, ben de kuarkları protonların içinde tutan nedir sorusuna döndüm.

Şimdi size "bilgi" teriminin tam olarak ne anlama geldiğini söylemenin zamanı geldi. Bilgi, entropi ve enerji - bu üç ayrılmaz kavram bir sonraki bölümün konusu olacak.

Enerji ve entropi

Enerji

Enerji bir kurt adamdır. İnsandan hayvana, bitkiye, taşa dönüşebilen efsanevi yaratıklar gibi enerji de form değiştirebilir. Kinetik, potansiyel, kimyasal, elektriksel, nükleer ve termal, enerjinin alabileceği pek çok biçimden yalnızca birkaçıdır. Sürekli olarak bir biçimden diğerine değişir, ancak bir şey sabittir: enerji korunur; tüm enerji türlerinin toplam toplamı asla değişmez.

İşte onun dönüşümlerinden bazı örnekler.

♦ Sisifos en düşük enerji noktasında durur. Taşını defalarca yokuş yukarı itmeden önce, dinlenmek ve balla tazelenmek için durur. Zirveye ulaşan tanrılar tarafından mahkum edilen kral, taşın yerçekiminin etkisi altında nasıl sayısız artı bir kez yuvarlandığını izler. Zavallı Sisifos, kimyasal enerjiyi (bal) sonsuza dek potansiyel enerjiye ve ardından kinetik enerjiye dönüştürmeye mahkumdur. Ama bir dakika, taş aşağı yuvarlanıp tepenin dibinde durduğunda kinetik enerjisine ne olur ? Sıcaklığa dönüştü. Isının bir kısmı atmosfere, bir kısmı da toprağa girdi. Sisi F bile çabadan ısındı. Sisifos enerji dönüşümü döngüsü:

kimyasal -> potansiyel -> kinetik -> termal.

♦ Su, Niagara Şelalesi'nden düşer ve hızlanır. Kinetik enerjiye doymuş akış, rotoru döndürdüğü türbinin su girişine girer. Elektrik üretilir ve teller aracılığıyla şebekeye beslenir. Enerji dönüşüm şeması nedir? İşte burada:

potansiyel -> kinetik elektrik.

Ek olarak, enerjinin bir kısmı gereksiz yere ısıya dönüştürülür: türbinden çıkan su, gelen sudan daha sıcaktır.

♦ Einstein kütlenin enerji olduğunu ilan etti. Einstein , E = mâ derken , her nesnenin, kütlesi bir şekilde değiştirilirse çıkarılabilecek gizli bir enerji içerdiğini kastediyordu. Örneğin, bir uranyum çekirdeği kendiliğinden bir toryum çekirdeğine ve bir helyum çekirdeğine bozunur. Toryum ve helyum birlikte orijinal uranyumdan biraz daha az kütleye sahiptir. Bu küçük fazla kütle, toryum ve helyum çekirdeklerinin kinetik enerjisine ve ayrıca birkaç fotona dönüştürülür. Atomlar yavaşladıkça ve fotonlar emildikçe, fazla enerji ısıya dönüşür.

Tüm yaygın enerji biçimleri arasında en gizemli olanı ısıdır. Bu nedir? Su gibi bir madde mi yoksa daha geçici bir şey mi? Modern moleküler ısı teorisinin ortaya çıkmasından önce, fizikçiler ve kimyagerler onu sıvı gibi davranan bir madde olarak görüyorlardı. Buna flojiston adını verdiler ve sıcak cisimlerden soğuk cisimlere aktığını, böylece sıcak cisimleri soğutup soğuk cisimleri ısıttığını hayal ettiler. Bu nedenle, hala ısı akışlarından bahsediyoruz.

Ancak ısı bir madde değildir, bir enerji şeklidir. Sıcak su dolu bir leğenin içinde molekül boyutuna inin ve etrafınıza bakın. Moleküllerin rastgele hareket ettiğini ve bitmek bilmeyen bir kaotik dansla çarpıştığını göreceksiniz. Suyun soğumasını bekleyin ve tekrar etrafınıza bakın: moleküller daha yavaş hareket etmeye başlamıştır. Onları donma noktasına kadar soğutun ve moleküller katı bir buz kristalinde birleşecektir. Ama içinde bile moleküller titreşmeye devam ediyor. Yalnızca tüm enerji ortadan kalktığında hareket etmeyi bırakırlar (kuantum sıfır noktası salınımları hariç) . Bu mutlak sıfır noktasının (eksi 273,15 santigrat derece) ötesinde, suyun sıcaklığı düşemez. Her molekül, ideal kristal kafes içindeki yerine katı bir şekilde sabitlenmiştir, tüm aptalca kaotik hareketler durmuştur.

Isı ve diğer formlar arasındaki dönüşümler sırasında enerjinin korunumu ilkesine termodinamiğin birinci yasası denir.

Entropi

BMW'nizi beş yüz yıl boyunca bir yağmur ormanına park etmek hiç de iyi bir fikir değil. Döndüğünüzde, sadece bir demet pas bulacaksınız. Bu entropinin artmasıdır. Bir beş yüz yıl daha pas kalırsa, bunun çalışan bir BMW'ye dönüşmeyeceğinden oldukça emin olabilirsiniz. Kısacası termodinamiğin ikinci yasası entropinin arttığını söylüyor. Herkes entropi hakkında konuşuyor - şairler, filozoflar, bilgisayar bilimcileri - ama bu nedir? Bu soruyu cevaplamak için, bir BMW ile bir pas yığını arasındaki farka daha yakından bakalım. Her ikisi de , çoğunlukla demir (ve pas durumunda ayrıca oksijen) olmak üzere yaklaşık IO 28 atomundan oluşur . Bu atomları alıp rastgele karıştırdığınızı hayal edin. Çalışan bir araba şeklinde bir araya gelme şansları nedir? Bunun tam olarak ne kadar inanılmaz olduğunu hesaplamak için çok çalışmak gerekiyor ama sanırım herkes bunun olasılığının çok düşük olduğu konusunda hemfikir olacaktır. Açıkçası, yepyeni bir arabadan çok daha fazla paslanma olasılığı olacaktır. Hatta eski ve paslı. Atomları ayırır ve tekrar tekrar karıştırırsanız, sonunda bir arabanız olur ama ondan önce çok daha paslı yığınlar elde edersiniz. Neden? Bir araba hakkında bu kadar özel olan ne? Yoksa bir pas yığınında mı?

Atomların bir araya getirilebileceği tüm olası yolları hayal ederseniz, seçeneklerin büyük çoğunluğu paslı yığınlar gibi görünecektir. Ve çok daha küçük bir sayı bir arabaya benzeyecektir. Ve ikincisi arasında bile, içeriye baktığınızda, büyük olasılıkla paslı bir yığın bulacaksınız. Çalışan bir araba, yok denecek kadar az sayıda seçenekle ortaya çıkacaktır. Bir arabanın entropisi ve paslı bir yığının entropisi , sırasıyla bir araba ve paslı bir yığın olarak algılanacak seçeneklerin sayısıyla bir şekilde ilişkilidir . Bir arabanın atomlarını karıştırırsanız, bir pas yığını elde etme olasılığınız çok daha yüksektir, çünkü böyle bir yığın, bir arabadan çok daha fazla şekilde uygulanır.

Ve işte başka bir örnek. Bir daktilonun tuşlarına vuran bir maymun, neredeyse her zaman anlamsız yazacaktır. Çok nadiren şu şekilde dilbilgisi açısından doğru bir cümle kurabilir: "Hipotenüsüm hakkında noktalı virgülle akıl yürütmek istiyorum." Daha da nadiren, "Kral Canute'nin çenesinde siğil vardı" gibi anlamlı bir cümle bulacaktır. Ayrıca anlamlı bir cümlenin harflerini alıp karıştırır ve "Scrabble" oyununda olduğu gibi arka arkaya dizerseniz, sonuç neredeyse kesinlikle anlamsız olacaktır. Neden? Mantıklı olanlardan çok daha fazla anlamsız yirmi veya otuz harf dizisi var.

İngiliz alfabesi yirmi altı harf içerir, ancak daha basit yazı sistemleri de vardır. Mors kodu, yalnızca iki karakter kullanan çok basit bir sistemdir: nokta ve çizgi. Açıkça söylemek gerekirse, üç karakteri vardır - bir nokta, bir kısa çizgi ve bir boşluk - ancak boşluğu her zaman özel bir nokta ve çizgi dizisiyle değiştirebilirsiniz, aksi takdirde oluşması pek olası değildir. Boşlukları yok sayarsak, Kral Canute ve siğilini Mors alfabesiyle anlatmak için toplam 110 karakter gerekiyor”:

110 nokta ve/veya çizgiden kaç farklı Mors kodu mesajı yapılabilir? Tek yapmanız gereken 110 2'leri çarpmak ve yaklaşık bir milyon milyar milyar milyar olan 2 P0'ı elde etmek.

Bilgi iki karakter (noktalar ve tireler, birler ve sıfırlar veya başka herhangi bir çift) kullanılarak kodlandığında, bu karakterlere bit adı verilir. Böylece, Mors alfabesinde "Kral Canute'nin çenesinde siğil vardı" ifadesi 110 bitlik bir mesajdır. Bu kitabı daha fazla okuyacaksanız, tanımları hatırlamanız iyi bir fikir olacaktır.

' Büyük Canute - 11. yüzyılın ilk yarısında İngiltere, Danimarka ve Norveç Kralı. — Not. perse.

“ Örnekler Rusçalaştırılmıştır , özellikle Mors kodunun Rusça versiyonu kullanılmıştır. Sayısal tahminler buna göre ayarlanır. -Not. perse.

teknik terim biti Anlamı, "Bunun için birden çok kez dövüldü" ifadesinde kullanılandan farklıdır. Bir bit, Mors kodundaki noktalar veya çizgiler gibi tek, minimal bir bilgi birimidir.

Bilgileri noktalara ve çizgilere, sıfırlara ve birlere çevirirken neden bu zorluklara ihtiyacımız var? Neden O, 1, 2, 3,4, 5, 6, 7, 8, 9 dizisini veya daha da iyisi alfabenin harflerini kullanmıyorsunuz ? Mesajların okunması daha kolay olur ve çok daha az yer kaplar.

Sonuç olarak, alfabenin harfleri (normal on sayı gibi), tanımayı ve hafızamızda saklamayı öğrendiğimiz insan icadıdır. Ancak A ve B harfleri veya 5 ve 8 sayıları arasındaki çok ince farktan dolayı her harf veya rakam aynı anda çok fazla bilgi taşır. Sadece en basit matematiksel kurallara yama yapan telgrafçılar ve bilgisayar bilimcileri - aslında basitçe zorlanırlar - noktalardan ve çizgilerden veya sıfırlardan ve birlerden oluşan ikili bir kod kullanmaya zorlanırlar. Bu arada, Carl Sagan uzak gezegen sistemlerinde yaşayan insansı olmayan uygarlıklara mesaj göndermek için bir sistem geliştirirken ikili kod kullandı.

Kral Canute'ye geri dönelim. 110 bitlik mesajlardan kaç tanesi bağlanacak ? Aslında bilmiyorum, belki birkaç milyar. Ancak yine de bu, 2.110 gibi çok küçük bir kesirdir . Yani "Kral Canute'nin çenesinde siğil vardı" ifadesinin 110 bitini veya 37 harfini alıp karıştırırsanız, sonuç kesinlikle anlamsız olacaktır. Bunu Scrabble jetonlarıyla yaptığımda (boşlukları kaldırarak) elde ettiğim şey şu:

ORKYUROOLODADVLBONBREDKBKAUAOYANAOKDPA

Diyelim ki harfleri çok kısa bir süre karıştırdınız. Mesaj tutarlılığını yalnızca biraz kaybedecektir. "Tavşan Knut'un siğili ve çenesi vardı." Ancak yavaş yavaş harfler daha az anlamlı bir karmaşaya dönüşecek . O kadar çok anlamsız kombinasyon var ki, abrakadabraya kaymak kaçınılmaz.

Şimdi entropiyi tanımlayabilirim. Entropi, tanınabilir belirli bir kriterle eşleşen seçeneklerin sayısıdır. Kriter 110 bit olması ise, seçenek sayısı 2110'dur .

2110 değildir . Basitçe 110'dur—seçenek sayısını elde etmek için 2'yi kendinizle çarpmanız gereken sayıdır. Matematikte, belirli bir sayıyı elde etmek için ikinin kendisiyle çarpılması sayısına logaritma denir. Yani 110, 2110'un logaritmasıdır . Dolayısıyla entropi, seçenek sayısının logaritmasıdır.

2 * 10 olasılığın yalnızca çok küçük bir kısmı anlamlı ifadelerdir. Diyelim ki bir milyar var. Bir milyar elde etmek için, ikinin 30. kuvvetini artırmanız gerekir. Başka bir deyişle, bir milyar yaklaşık 230'dur veya eşdeğer olarak bir milyarın logaritması 30'dur. Bundan, anlamlı bir cümlenin entropisinin yalnızca yaklaşık 30 olduğu sonucu çıkar, bu da 110'dan çok daha azdır. Anlamsız karakter dizilerinin açıkça daha fazla entropisi vardır. kombinasyonlardan daha anlamlı ifadeler oluşturur. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, harfler karıştırıldığında entropi artar.

Diyelim ki BMW kalite yönetimini öyle bir seviyeye yükseltti ki montaj hattından çıkan her araba tamamen aynı. Başka bir deyişle, gerçek bir BMW olarak kabul edilebilecek bir ve yalnızca bir atom kombinasyonu olduğunu varsayalım. Entropisi ne olacak? Cevap sıfır. Ne zaman

Kesin konuşursak, bu 2 tabanlı logaritmadır, logaritmanın başka tanımları da vardır. Örneğin, ikilerin sayısı yerine, belirli bir sayıyı elde etmek için çarpılması gereken onlukların sayısını alabilirsiniz. Bu , 10 tabanına göre logaritmanın tanımı olacaktır. Söylemeye gerek yok, ikiden daha az belirli bir sayı elde etmek için on gereklidir.

kendisiyle çarpılması gereken sayıdır.Bu "üstel" sayı yaklaşık olarak e ~ 2.71828183'e eşittir . Başka bir deyişle, entropi, e tabanına göre doğal logaritmadır, bit sayısı (bizim örneğimizde 110) 2 tabanına göre logaritmadır . Doğal logaritma, bit sayısından bir kat daha azdır. yaklaşık 0.7. Sadelik isteyenler için, 110 bitlik bir mesajın entropisi 0,7X110'dur, yani yaklaşık 77'dir. Bu kitapta, bitler ve entropi arasındaki farkı göz ardı edeceğim.

böyle bir BMW montaj hattından çıkarsa, içinde hiçbir belirsizlik olmayacaktır. Tek bir benzersiz varyant verildiğinde, hiç entropi yoktur.

Entropinin arttığını söyleyen termodinamiğin ikinci yasası, zamanla ayrıntılar üzerindeki kontrolümüzü kaybettiğimizin ifadesidir. Küçücük bir damla siyah mürekkebi ılık su dolu bir leğene damlattığımızı hayal edin. Başlangıçta, mürekkebin tam olarak nerede olduğunu biliyoruz. Olası mürekkep konfigürasyonlarının sayısı o kadar fazla değil. Ancak mürekkebin sudaki difüzyonunu izledikçe, bireysel mürekkep moleküllerinin yeri hakkında giderek daha az şey biliyoruz. Gördüklerimize, yani homojen, hafif gri suya sahip bir banyoda karşılık gelen varyantların sayısı muazzam hale geliyor. Bekleyebilir ve bekleyebiliriz, ancak mürekkebin nasıl tekrar konsantre bir damla halinde toplanacağını görmeyeceğiz. Entropi artar. Bu termodinamiğin ikinci yasasıdır. Her şey sıkıcı tekdüzelik olma eğilimindedir.

Başka bir örnek, sıcak su dolu bir küvettir. Banyo suyu hakkında ne biliyoruz? Uzun süre banyoya döküldüğünü ve gözle görülür tüm akışların durduğunu varsayalım. Banyodaki su miktarını (190 litre) ve sıcaklığını (32 santigrat derece) ölçebilirsiniz. Ancak küvet su molekülleriyle doludur ve açıkça çok fazla sayıda molekül yerleşimi verilen koşulları karşılar - 32 santigrat derecede 190 litre su. Ancak her atomu doğru bir şekilde ölçersek çok daha fazlasını öğrenebiliriz.

Entropi, şu ya da bu nedenle gözlemlenmesi zor olan ayrıntılarda ne kadar bilginin saklı olduğunun bir ölçüsüdür. Böylece, entropi gizli bilgidir. Çoğu zaman bilgi gizlenir çünkü görülemeyecek kadar küçük ve takip edilemeyecek kadar çok şeyle ilgilidir. Banyo suyu söz konusu olduğunda, su moleküllerinin mikroskobik ayrıntılarıdır: Banyodaki milyarlarca milyarlarca su molekülünün her birinin konumu ve hareketi.

Su mutlak sıfıra soğuduğunda entropiye ne olur? İstisnasız tüm enerji sudan çıkarılırsa, moleküllerin kendileri benzersiz bir yapı halinde birleşirler - ideal bir buz kristali oluşturan bir kafes.

kristal hücre

Ve moleküller görülemeyecek kadar küçük olsa da, kristallerin özelliklerine aşina iseniz, her bir molekülün konumunu tahmin edebilirsiniz. İdeal bir BMW gibi ideal bir kristalin entropisi yoktur.

kaç bit saklanabilir?

Dil kullanımındaki belirsizlikler ve ince nüanslar genellikle çok önemlidir. Aslında, kelimelerin bir bilgisayara yazılabilecek mükemmel kesin anlamları olsaydı, dil ve edebiyat büyük ölçüde fakirleşirdi. Bununla birlikte, bilimsel doğruluk, yüksek derecede dilbilimsel titizlik gerektirir. "Bilgi" kelimesi birçok farklı anlama gelir: " Bilgilerinizin yanlış olduğunu düşünüyorum." "Kayıt için: Mars'ın iki uydusu var." " Bilgi teorisi diplomam var." "Bu bilgiyi Kongre Kütüphanesinde bulabilirsiniz." Bu cümlelerin her birinde "bilgi" sözcüğü farklı bir anlamda kullanılmaktadır. Sadece son örnekte "Bilgi nerede ?" diye sormak mantıklıdır.

Bu yerelleştirme fikrini düşünelim. Size Başkan Grant'in, Grant'in mozolesine gömüldüğünü söylersem, size bir parça bilgi verdiğimden hiç şüpheniz olmayacak. Ama bu bilgi nerede? Kafanın içinde? Aklımda? Bir konuma sahip olmak çok mu soyut? Her yerde ve herkes tarafından kullanılmak üzere evrene dağılmış mı?

İşte çok net bir cevap: bilgi sayfada, karbon ve diğer moleküllerden yapılmış fiziksel harfler olarak saklanıyor. Bu anlamda bilgi somut bir nesne, adeta bir maddedir. O kadar özeldir ki sizin kitabınızdaki bilgilerle benim kitabımdaki bilgiler farklı bilgilerdir. Kitabınız, Grant'in, Grant'in mozolesine gömüldüğünü söylüyor. Benim kitabımda da aynı şeyin söylendiğini tahmin edebilirsiniz ama kesin olarak bilemezsiniz. Ya kitabım Grant'in Büyük Giza Piramidi'ne gömüldüğünü söylüyorsa? Aslında hiçbir kitap bu bilgiyi içermez. Grant'in türbesine gömüldüğü bilgisi, Grant'in türbesinde yer almaktadır.

Fizikçilerin bu kelimeyi kullandıkları anlamda, bilgi maddeden* oluşur ve bir yerlerde bulunur. Bu kitaptaki bilgiler 25x15x2,5 cm yani 25x15x2,5 veya yaklaşık 940 cm3 ölçülerinde dikdörtgen bir hacimdir.” Kapakları arasında kaç bit bilgi gizlidir? Yazdırılan satırda yaklaşık 70 karakter (harfler, noktalama işaretleri ve boşluklar) için yeterli alan vardır. Sayfa başına 37 satır ve 350 sayfada, bu neredeyse bir milyon karakter olacaktır.

Bilgisayar klavyem, büyük ve küçük harfler, sayılar ve noktalama işaretleri dahil olmak üzere yaklaşık 100 karakter içerir. Bu, gönderilen farklı mesajların sayısı anlamına gelir.

atomlardan oluşan şeyleri kastetmiyorlar . Fotonlar, nötrinolar ve gravitonlar gibi diğer temel parçacıklar da madde olarak kabul edilir.

Bu boyutlar, bu kitabın önceki İngilizce ciltli baskısının boyutlarına dayanan kaba bir tahmindir. Bu kitabın gerçek boyutlarının biraz farklı olacağından hiç şüphem yok. (Çevirideki boyutlar, metrik birimlerde yakın değerler olarak ifade edilir ve sonraki sayısal tahminler buna göre ayarlanır. - Not peri.) Bu kitapta yer alabilir - yaklaşık yüz, kendisiyle bir milyon kez çarpılır, yani - 100 milyonuncu güce. Bu sayı - bu arada devasa bir sayı - bir ikiliyi yaklaşık 7 milyona yükselterek elde edilebilir. Böylece kitap yaklaşık 7 milyon bit bilgi içermektedir. Başka bir deyişle, Mors alfabesiyle bir kitap yazacak olsaydım, 7 milyon nokta ve çizgiye ihtiyacım olurdu. Bunları kitabın hacmine bölerek santimetreküp başına yaklaşık 7400 bit elde ederiz. Bu, belirli bir basılı sayfa yığınındaki bilgi yoğunluğudur.

Bir keresinde büyük İskenderiye Kütüphanesinin yerle bir olmadan önce trilyonlarca bilgi içerdiğini okumuştum. Dünyanın resmi yedi harikasına ait olmamasına rağmen, kütüphane yine de Antik Çağ'ın en büyük hazinelerinden biriydi. Ptolemy I döneminde inşa edilmiş, yarım milyon parşömen parşömeninin arasında şimdiye kadar yazılmış her önemli belgenin bir kopyasını içerdiği söyleniyor. Kimin yaktığı bilinmiyor ama dumanın çok büyük miktarda paha biçilemez bilgi taşıdığından eminiz. Ama tam olarak ne kadar? Antik parşömenin yaklaşık elli modern sayfa içerdiğine inanıyorum . Bu sayfalar okuduğunuz sayfalar gibiyse, o zaman parşömen yaklaşık bir milyon bit içerir, birkaç yüz bin verir veya alır. Bu durumda, Ptolemy'nin kitaplığı yarım trilyon (1 trilyon = IO 12 ) bit içerebilir - okuduklarıma yakın.

Bu bilginin kaybı, antik dünya bilim adamlarının bugün katlanmak zorunda kaldıkları en büyük talihsizliklerden biridir. Ama daha kötü olabilirdi. Ya her köşe, her metreküp bunun gibi kitaplarla doluysa? İskenderiye Kütüphanesi tam olarak ne kadar büyüktü bilmiyorum ama diyelim ki 60x30x12 metre yani yaklaşık 22 bin metreküp modern en küçük kamu binası büyüklüğünde değil. Bu 22 milyar santimetreküp demek. Bunu bilerek, bir binanın kaç bit içerebileceğini tahmin etmek kolaydır. 7400 bit/santimetreküp yoğunluk ile 1.6x10 14 bit elde edersiniz. devasa.

Ama neden kitaplara bağlanalım? Her kitap hacminin onda biri kadar sıkıştırılırsa, 10 kat daha fazla bit paketlenebilir.

İçeriği mikrofise aktarmak, daha da fazla depolamanıza olanak tanır. Ve tüm kitaplar dijitalleştirilirse, o zaman daha da fazlası.

Tek bir biti depolamak için gereken alan miktarının temel bir fiziksel sınırı var mı? Gerçek bir bitin fiziksel boyutu bir atomdan, bir çekirdekten, bir kuarktan daha mı büyük olmalı? Uzayı sonsuz miktarda bilgi ile doldurarak sonsuz bölmek mümkün mü? Yoksa bir sınır var mı - pratik bir teknolojik sınır değil, doğanın en derin yasalarından kaynaklanan bir sınır mı?

En az

Bir atomdan, bir kuarktan, hatta bir nötrinodan bile daha küçük olan tek bir bit, en temel yapı taşı olabilir. Herhangi bir yapı olmadan, bir bit ya vardır ya da yoktur. John Wheeler, tüm maddi nesnelerin bilgi parçalarından oluştuğuna inanıyordu ve bu fikrini "bitin özü" sloganıyla ifade etti.

Max Planck tarafından bir yüzyıldan uzun bir süre önce keşfedilen Temel kuantum boyutuna eşit, mümkün olan en küçük boyuta sahip olduğunu hayal etti . İlk yaklaşım olarak, çoğu fizikçinin aklındaki resme göre, uzay

Orijinal: "Bit'ten". “O” sözcüğü, “o” zamiri olmasının yanı sıra isim olarak “bir şeyin özü, özü” anlamlarına da sahiptir. — Not. perse.

üç boyutlu bir satranç tahtası gibi küçük Planck boyutunda hücrelere bölünebilir. Her hücre biraz bilgi depolayabilir. Bir bit, çok basit bir parçacık olarak temsil edilebilir. Her hücre ya bir parçacık içerir ya da içermez. Bu hücreleri dev bir tic-tac-toe alanı olarak da düşünebilirsiniz.

Wheeler'ın "The Essence of the Bit" kavramına göre, herhangi bir zamanda dünyadaki fiziksel koşullar böyle bir "mesaj" ile temsil edilebilir. Bu kodu okuyabilseydik, uzayın bu bölgesinde tam olarak neler olduğunu bilirdik. Örneğin, genellikle boşluk dediğimiz şey - vakum mu, yoksa bir demir parçası mı, yoksa bir atom çekirdeğinin içi mi?

Dünyadaki her şey sürekli değiştiğinden -gezegenler hareket eder, parçacıklar parçalanır, insanlar doğar ve ölür- sıfırlar ve haçlar tarafından ifade edilen mesajlar da değişmelidir. Bir noktada, çizim yukarıdaki resim gibi görünebilir . Ve biraz sonra değişebilir.

Bu Wheelercı bilgi dünyasında, fizik yasaları, bir bit konfigürasyonunun an be an bir başkasıyla değiştirildiği kurallara indirgenecektir. Bu tür kurallar, doğru bir şekilde çizilirse, X ve O dalgalarının ışık dalgalarını temsil ederek ızgara boyunca yayılmasına izin verir. Büyük, yoğun bir sıfır topu, komşuluğundaki haçların ve sıfırların dağılımını bozabilir ve böylece büyük bir kütlenin yerçekimi alanını temsil edebilir.

Şimdi İskenderiye Kütüphanesi'nin içine ne kadar bilginin sığabileceği sorusuna geri dönelim. Tek yapmanız gereken hacmini - 22 milyar kübik inç - Planck boyutunda hücrelere bölmek. Yaklaşık olarak IO 109 bit çıkacaktır .

Bu çok fazla - tüm İnternet'teki ve dünyadaki tüm kitaplardaki, tüm CD'lerdeki ve sabit disklerdekinden çok daha fazla ve kat kat daha fazla. ІO 109 bitlik bilgi miktarının ne kadar büyük olduğunu hayal etmek için, onu içermek için kaç tane sıradan kitap gerektiğini hayal edin. Cevap, tüm gözlemlenebilir evrene sığabilecek olandan daha fazlasıdır.

Planck boyutunda bilgi parçacıklarıyla dolu "hücresel" bir dünyayı tanımlayan "Bir Bitten Öz" kavramı oldukça caziptir. Ve fizikçiler üzerinde çok çeşitli bir etkisi oldu. Richard Feynman onun ateşli destekçisiydi. Uzay-zaman parçalarından yapılmış basitleştirilmiş dünyalar inşa etmek için çok zaman harcadı. Ama bu bir yanılsamadır. Göreceğimiz gibi, Ptolemy, büyük kütüphanesinin hiçbir zaman IO 74 bitten* fazlasını içeremeyeceğini öğrenince hayal kırıklığına uğrayacaktır.

gösterebilirim : bir kenarı bir metre olan bir kübe bir milyon küçük sakız sığar. Peki ya bir milyar ya da bir trilyon? Bir trilyon bir milyardan yalnızca bin kat daha büyük olsa da, ikisi arasındaki farkı görselleştirmek daha zordur. Ancak IO 74 ve IO 109 gibi sayılar, IO 109'un IO 74'ten çok daha büyük olması dışında, anlaşılamayacak kadar büyüktür . Aslında, İskenderiye Kütüphanesine sığabilecek gerçek bit sayısı olan IO 74 , hesapladığımız IO 109 bitlerinin ihmal edilebilir bir kısmıdır. Neden bu kadar inanılmaz bir farklılık? Bu bir sonraki bölüm için bir hikaye, ama burada küçük bir ipucu vereceğim.

Her zamanki gibi, tamamen kitaplarla dolu bir evrene sığabilecek bit sayısı hakkında.

Krallar ve prensler arasındaki korku ve paranoya, tarihte yaygın bir yer. Ptolemy'nin bunlardan muzdarip olup olmadığı hakkında hiçbir fikrim yok, ancak düşmanlarının kendi kitaplığında gizli bilgiler sakladığına dair söylentilere nasıl tepki verdiğini hayal edelim. Tüm gizli bilgileri yasaklayan acımasız bir yasa çıkarmayı haklı gösterebilir. İskenderiye Kütüphanesi söz konusu olduğunda, hayali Ptolemaios yasası, her türlü bilginin binanın dışından görülebilmesini gerektirecektir. Bu yasaya uymak için, tüm bilgiler kütüphanenin dış duvarlarına kaydedilmelidir. Kütüphanecinin içinde tek bir parça bile saklamasına izin verilmeyecekti. Dış duvarlarda hiyerogliflere izin verilir. Duvarlarda Roma, Yunan veya Arap grafitilerine izin verilir. Ancak parşömenleri içeri sokmak yasaktır. Ne kadar yer israfı! Ama yasa bu. Bu koşullar altında, Ptolemy'nin kütüphanesinde tutmayı bekleyebileceği maksimum bit sayısı nedir?

Bir cevap bulmak için. Ptolemy, hizmetkarlarına binanın dış boyutlarını dikkatlice ölçmelerini ve duvarların ve çatının alanını hesaplamalarını (kemerleri ve zeminleri dikkate almadan) emretti. Yaklaşık 4 bin metrekare olan (60X12) + + (60X12) + (30X12) + (30X12) + (60X30) aldılar. Bu sefer birimin kübik değil, metrekare olacağını unutmayın .

Ancak kral, alanın metrekare olarak değil, Planck birimleriyle ölçülmesini istedi. Senin için hesaplayacağım. Duvarlara ve çatıya yapıştırabileceği bit sayısı ( yaklaşık IO 74 .

Modern fiziğin en beklenmedik ve garip keşiflerinden biri, gerçek dünyada Batlamyus yasasına gerek olmamasıdır. Doğa zaten böyle bir yasa sağlamıştır ve krallar bile onu çiğneyemez. Bu, keşfettiğimiz en derin ve anlaşılması en zor doğa yasalarından biridir: uzay alanında bulunabilecek maksimum bilgi miktarı, bu alanın hacmine değil, alanına eşittir. Boşluğu bilgiyle doldurma konusundaki bu garip kısıtlama, 18. Bölümün konusu olacak.

Entropi ve ısı

Isı rastgele kaotik hareketin enerjisidir ve entropi gizli mikroskobik bilgi miktarıdır. Bir su banyosunu düşünün, bu kez mümkün olan en düşük sıcaklığa, mutlak sıfıra, moleküllerin bir buz kristalinde iyi tanımlanmış konumlarda sabitlendiği bir noktaya soğutulmuştur. Her molekülün konumunda çok az belirsizlik vardır. Aslında, buz kristalleri teorisini bilen herkes, mikroskop kullanmadan bile her bir atomun tam olarak nerede olduğunu söyleyebilir. Gizli bilgi yoktur. Enerji, sıcaklık ve entropi sıfırdır.

Şimdi biraz ısı ekleyelim, buzu ısıtalım. Moleküller titremeye başlar, ancak sadece hafifçe. Az miktarda bilgi kaybolur; bazı ayrıntılar, ne kadar az olursa olsun, kontrolümüz dışındadır. Birbirimize karıştırabileceğimiz konfigürasyonların sayısı eskisinden daha fazla hale geliyor. Yani ısının bir kısmı entropiyi artırır ve enerjinin eklenmesiyle her şey daha da kötüleşir. Kristal erime noktasına yaklaşır ve moleküller birbirine göre hareket etmeye başlar. Kısa sürede tüm detayları takip etmek imkansız hale gelir. Başka bir deyişle, enerji arttıkça entropi de artar.

Enerji ve entropi aynı şey değildir. Enerji birçok biçim alır, ancak bunlardan biri olan sıcaklık, Siyam ikizleri gibi entropi ile birlikte büyümüştür.

İkinci başlangıç hakkında biraz daha

Termodinamiğin birinci yasası, enerjinin korunumu yasasıdır: enerji yaratmak imkansızdır; onu yok etmek imkansızdır; tek yapabileceğiniz şeklini değiştirmek. İkinci ilke daha da cesaret kırıcıdır: cehalet her zaman artar.

Bir dalgıcın sıçrama tahtasından havuza atladığı bir sahne hayal edin:

potansiyel enerji -> kinetik enerji -> ısı.

Hızla durur ve ilk potansiyel enerji, suyun termal enerjisinde küçük bir artışa dönüştürülür. Ve bu hafif ısınmayla birlikte entropi biraz artar.

Dalgıç, performansı tekrarlamaktan çekinmez, ancak tembeldir ve merdivenleri tekrar sıçrama tahtasına çıkmak istemez. Enerjinin asla kaybolmadığını biliyor, o halde neden havuzdan gelen ısının potansiyel enerjiye, yani kendi potansiyel enerjisine dönüşmesini beklemiyor? Enerjinin korunumu kanunundaki hiçbir şey, atlayışının tersine dönmesini engellemez: dalgıcın sıçrama tahtasına geri atılması ve havuzun biraz soğuması için. Bu onu sadece sıçrama tahtasına koymakla kalmayacak, havuzun entropisi de azalacak ve cehaletimizin beklenmedik bir şekilde azalmasına yol açacaktı.

Ne yazık ki, ıslak arkadaşımız termodinamik dersinin sadece yarısında - ilk yarısında - ustalaştı. İkinci yarıda hepimizin bildiği şeyi öğrenmiş olacaktı: entropi her zaman artar. Enerji her zaman aşağılayıcıdır. Potansiyel, kinetik, kimyasal, diğer enerji biçimleri ve ısı arasındaki dönüşümler sırasında, ısı her zaman kazanır, daha fazla hale gelir ve diğer organize, kaotik olmayan enerji biçimleri - daha az olur. Bu termodinamiğin ikinci yasasıdır: dünyadaki toplam entropi miktarı her zaman artmaktadır.

Bu yüzden frene bastığınızda hareket halindeki bir araba gıcırdar ve durur ama duran bir arabada frene basmak onu hareket ettirmez. Toprağın ve havanın kaotik ısısı, arabanın hareketinin daha düzenli kinetik enerjisine dönüştürülemez. Aynı nedenle, denizin ısısı dünyanın enerji problemlerini çözmek için kullanılamaz. Genel olarak, organize enerji bozulur; ısıya dönüşüyor ve geri dönüş yok.

Isı, entropi, bilgi - bu pratik, faydacı kavramların kara deliklerle ve fiziğin temelleriyle ne ilgisi var? Cevap en acil olanıdır. Bir sonraki bölümde, kara deliklerin temel gizli bilgi depoları olduğunu göreceğiz. Aslında doğadaki en yoğun bilgi depolarıdır. Ve bu bir kara deliğin en iyi tanımı olabilir. Jacob Bekenstein ve Stephen Hawking'in bu önemli gerçeği nasıl anladıklarına bakalım.

Wheeler çocuklar veya bir kara deliğe ne kadar bilgi itilebilir?

1972'de West End Cafe'de Richard Feynman ile sohbet ederken, Princeton yüksek lisans öğrencisi Jacob Bekenstein merak ediyordu: kara deliklerde ısı, entropi ve bilgiye ne oluyor? O zamanlar Princeton, yerçekimi fizikçileri için dünyanın öğrenme merkeziydi. Bunun, Einstein'ın 1972'de ölümünün üzerinden on yedi yıl geçmiş olmasına rağmen burada yirmi yıldan fazla yaşamış olmasıyla bir ilgisi olabilir. Princeton profesörü, modern fiziğin en büyük vizyonerlerinden biri olan John Archibald Wheeler'dı ve pek çok parlak genç bilim insanına kütle çekimini incelemeleri ve kara delikler hakkında düşünmeleri için ilham verdi. Bu dönemde Wheeler'dan derinden etkilenen ünlü fizikçiler arasında Charles Misner, Kip Thorne, Claudio Teitelboim ve Jacob Bekenstein vardı. Daha önce Feynman'ın tez danışmanı olan Wheeler, Einstein'ın bir öğrencisiydi. Büyük bilim adamının kendisi gibi, doğa yasalarının anahtarının yerçekimi teorisinde yattığına inanıyordu. Ancak Niels Bohr ile işbirliği yapan Wheeler, Einstein'ın aksine kuantum mekaniğine de inanıyordu. Dolayısıyla Princeton, yalnızca kütleçekiminde değil, aynı zamanda kuantum mekaniğinde de araştırmaların merkeziydi.

O zamanlar, yerçekimi teorisi, teorik fizikte nispeten popüler olmayan bir durgun su idi. Parçacık fizikçileri, gittikçe daha ince yapılara doğru indirgemeci yürüyüşlerinde muazzam adımlar attılar. Atomlar çoktan yerini çekirdeğe, çekirdekler de kuarklara bırakalı çok oldu. Nötrinoların elektronların eşit ortakları olarak gerçek rolü ortaya çıktı ve deneysel keşfi bir veya iki yıl kalana kadar tılsımlı kuark gibi yeni parçacıklar hakkında hipotezler ileri sürüldü . çekirdeklerin radyoaktivitesi sonunda yeterince açıklanmıştı ve temel parçacıkların Standart Modeli ortaya çıkmak üzereydi, parçacık fizikçileri, ben dahil, zamanlarını yerçekimine harcamaktan daha iyi şeyler olduğunu düşündüler. Steven Weinberg gibi istisnalar vardı, ancak çoğunluk bu konuyu anlamsız buluyordu.

Geçmişe bakıldığında, yerçekimine yönelik bu ihmal son derece kısa görüşlü görünüyor. Fizik biliminin enerjik liderleri, bu bilgi alanının cesur öncüleri yerçekimi konusunda neden bu kadar umursamazdı? Gerçek şu ki, temel parçacıkların birbirleriyle etkileşiminde yerçekiminin önemli bir rol oynadığını hayal bile edemediler. Bir atomun çekirdeği ile elektronlar arasında hareket eden elektrik kuvvetlerini kapatmanıza izin veren bir geçiş anahtarınız olduğunu hayal edin, böylece elektronları yörüngelerinde yalnızca yerçekimi kuvveti tutar. Anahtarı çevirdiğinizde atoma ne olur? Atomu bir arada tutan kuvvet azaldıkça hemen şişer. Sıradan bir atom ne kadar büyük olur? Tüm gözlemlenebilir evrenden çok daha büyük!

Ve elektrik kuvvetlerinin çalışmasını bırakıp yerçekimini kapatırsanız ne olur? Dünya güneşten uzaklaşacak, ancak tek tek atomlardaki değişiklikler tespit edilemeyecek kadar küçük olacak. Nicel olarak, bir atomdaki iki elektron arasındaki yerçekimi kuvvetleri, elektrik kuvvetlerinden yaklaşık bir milyon milyar milyar milyar milyar kat daha zayıftır.

John Wheeler, temel parçacıkların sıradan dünyasını Einstein'ın yerçekimi teorisinden ayıran cehalet okyanusunu cesurca keşfetmek için yola çıktığında, entelektüel ortam böyleydi. Wheeler'ın kendisi yürüyen bir gizemdi. Dıştan, tipik bir iş adamı gibi görünüyordu ve konuşuyordu. Amerika'nın en muhafazakar şirketinin yönetim kuruluna kolayca sığabilirdi. Aslında, siyasi görüşleri muhafazakardı. John, Soğuk Savaş'ın ortasında güçlü bir anti-komünistti. Ve 1960'larda ve 1970'lerde üniversite kampüslerinde benzeri görülmemiş bir sosyal aktivite döneminde , öğrencileri tarafından derinden seviliyordu. Artık en ünlü Latin Amerika fizikçisi olan Claudio Teitelboim, Wheeler'ın öğrencilerinden biriydi. Tanınmış bir solcu Şilili ailenin çocuğu olarak, John'un birçok akademik öğrencisinden biri oldu. Aile, Salvador Allende ile bağlantılıydı - Claudio'nun kendisi, Pinochet'nin diktatör rejiminin korkusuz ve açık sözlü bir düşmanıydı. Ancak, siyasi farklılıklara rağmen, John ve Claudio arasında derin bir sempati ve fikirlere karşılıklı saygıya dayalı güçlü bir dostluk ortaya çıktı.

Wheeler ile ilk kez 1961'de tanıştım. Biraz tuhaf bir akademik geçmişe sahip City College of New York'ta bir öğrenciydim . Benimle aynı sol görüşlü Yahudi işgücünden puro kemiren, ağzı bozuk bir profesör olan öğretmenlerimden biri olan Harry Sudak tarafından onunla buluşmaya götürüldüm. Fikir, Wheeler'ı etkilemek ve diplomam olmamasına rağmen bana bir yüksek lisans öğrencisi bulmaktı. O zamanlar Güney Bronx'ta bir tesisatçıydım ve annem toplantı için uygun şekilde giyinmem gerektiğini düşündü. Annem için bu, sosyal sınıfımla dayanışma göstermek ve iş kıyafetlerimi giymek anlamına geliyordu. Şimdi Palo Alto'daki tesisatçım, Stanford Üniversitesi'nde ders verdiğimde yaptığım gibi giyiniyor. Ama 1961'de tesisatçı kıyafetim, babamın ve onun Güney Bronx'taki tüm tesisatçı arkadaşlarınınkiyle aynıydı: Küçük Abner tarzı tulum, mavi flanel gömlek ve ağır

Claudio'nun hayatı dramatik dönemeçlerle doluydu. En keyifli maceralarından biri, 2005 yılında babasının anti-faşist kahraman bir ailenin reisi Alvaro Bunster olduğunu öğrendiğinde yaşandı. Şili'nin en büyük gazetelerinden biri şu manşeti attı: "Evrenin kökenini araştıran ünlü Şilili fizikçi kendi kökenini buldu." Sonuç olarak, Claudio soyadını Bunster olarak değiştirdi.

“ Little Abner, çizgi roman ve komedi filmlerinde bir karakter, her zaman bir omzunun üzerinden yular olan iş tulumu giyen, iri yarı, iyi huylu, çalışkan bir karakterdir. — Not. perse.

çelik at nalı sarı ayakkabılar. Saçlarıma toz ve kir bulaşmaması için de bone taktım .

Harry beni Princeton'a gitmek için aldığında şaşkına döndü. Ağzından büyük bir puro düştü ve üstümü değişmem için beni yukarı gönderdi. John Wheeler'ın tamamen farklı bir adam olduğunu söyledi.

Görkemli profesörlük ofisine girdiğimde, Harry'nin ne demek istediğini anladım. Beni karşılayan kişiyi tanımlamanın tek yolu, onun bir Cumhuriyetçi gibi göründüğünü söylemek. Beni bu düşman inine ne getirdi?

İki saat sonra tamamen büyülenmiştim. John, canavarca bir mikroskopla bakıldığında uzay ve zamanın nasıl çılgınca, titreyen, köpüren kuantum dalgalanmaları dünyasına dönüştüğüne dair fikirlerini coşkulu bir şekilde anlattı. Bana fizikteki en derin ve ilham verici sorunun, Einstein'ın iki büyük kuramının, genel görelilik ve kuantum mekaniğinin birleşmesi olduğunu söyledi. Temel parçacıkların yalnızca Planck mesafesinde gerçek doğalarını ortaya çıkardığını ve bunun tamamen geometrik - kuantum geometrik olması gerektiğini açıkladı. Hırslı bir genç fizikçinin gözleri önünde, önemli bir iş adamı idealist bir hayalpereste dönüştü. Her şeyden çok, bu adamı savaşa kadar takip etmek istedim.

John Wheeler gerçekten göründüğü kadar muhafazakar mıydı? Dürüst olmak gerekirse bilmiyorum. Ama kesinlikle iffetli bir ahlakçı değildi. Bir gün John, eşim Annie ve ben Valparaiso sahil kafesinde içki içerken kalktı ve etrafta dolaşıp bikinili Güney Amerikalı kızları görmek istediğini söyledi. O zamanlar zaten seksenin epey üzerindeydi.

Ne olursa olsun, hiçbir zaman Wheeler'ın çocuklarından biri olmadım; Princeton beni kabul etmedi. Bu yüzden fiziğin çok daha zayıf olduğu Cornell'e gittim. 1961'de yaşadığım heyecanı tekrar hissetmeden önce yıllar geçti.

bir ara Wheeler, Carl Schwarzschild'in 1917'de tanımladığı yerçekimiyle çöken nesnelerle çok ilgilenmeye başladı. Sonra siyah veya karanlık yıldızlar olarak adlandırıldılar. Ancak bu, bu nesnelerin özünü yansıtmıyordu - uzayda yerçekimine karşı konulmaz olan derin delikler oldukları gerçeği. Wheeler onlara kara delikler demeye başladı. İlk başta, ünlü Amerikan fizik dergisi Physical Review bu adı kullanmayı reddetti. Bugün bunun nedeni gülünç görünüyor: "kara delik" terimi müstehcen kabul ediliyordu! Ancak John bunu yayın kurulundan geçirdi ve kara delikler ortaya çıktı.

İronik bir şekilde, John'un bir sonraki tezi "Kara deliklerin kılları yoktur" idi. Physical Review bu sefer itiraz etti mi bilmiyorum ama terminoloji takılıp kaldı. Wheeler, editörleri hiçbir şekilde kışkırtmaya çalışmadı. Bilakis karadeliklerin ufuklarının özellikleri hakkında çok ciddi mülahazalar yapmıştır. "Saç" derken, gözlemlenebilir özellikleri kastediyordu - bir tür tümsekler veya diğer homojensizlikler. Wheeler, bir kara deliğin ufkunun pürüzsüz olduğunu ve kel bir kafa gibi herhangi bir ayrıntıdan yoksun olduğunu kaydetti - aslında çok daha pürüzsüz. Bir kara delik oluştuğunda, örneğin bir yıldız çöktüğünde, ufuk çok hızlı bir şekilde mükemmel, özelliksiz bir küre şeklini alır. Kütle ve dönüş hızı dışında, herhangi bir kara delik diğerlerinden tamamen ayırt edilemez. En azından öyle sanılıyordu.

İsrailli Jakob Bekenstein ufak tefek, sessiz bir adamdır. Ancak bilim camiasındaki nazik tavrı, entelektüel cesaretiyle çelişiyor. 1972'de Wheeler'ın kara deliklerle ilgilenmeye başlayan yüksek lisans öğrencilerinden biriydi. Ancak, onu bir gün teleskopla görülebilecek gök cisimleri gibi işgal etmediler. Bekenstein'ın tutkusu fiziğin temelleri, en temel ilkeleriydi ve karadeliklerin doğa kanunları hakkında çok önemli şeyler söyleyebileceğini hissetti. Einstein'a eziyet eden soruyla özellikle ilgilendi: kara delikler, kuantum mekaniği ve termodinamik ilkeleriyle nasıl bir araya geliyor? Aslında, Bekenstein'ın fizik araştırma tarzı Einstein'ınkine çok benziyordu; ikisi de ustaydı

Bu hikayeyi ilk olarak seçkin rölativist Werner Israel'den duydum.

bir düşünce deneyinin çerçevesi. Minimal matematik kullanarak, ancak fiziğin ilkeleri ve bunların hayali (ancak olası) fiziksel koşullara nasıl uygulanacağı hakkında çok derinlemesine düşünen her iki bilim adamı da fiziğin geleceğini büyük ölçüde etkileyen geniş kapsamlı sonuçlara ulaşmayı başardı.

İşte Bekenstein'ın sorduğu sorunun kısa bir özeti. Emrinizde, yüksek düzeyde entropiye sahip sıcak gaz içeren bir kap var. Bir kara deliğe bir kap entropi atarsınız. Sağduyu, kabın ufkun altında kaybolacağını söylüyor. Herhangi bir pratik sorun açısından bakıldığında, entropi gözlemlenebilir Evrenden tamamen kaybolacaktır. Baskın görüşe göre pürüzsüz, kel bir ufuk hiçbir bilgiyi saklayamaz. Böylece, dünyanın entropisinin azalmakta olduğu görülecektir ki bu, entropinin asla azalmadığını söyleyen termodinamiğin ikinci yasasıyla çelişir. İkinci yasa gibi önemli bir ilkeyi ihlal etmek gerçekten bu kadar kolay mı? Einstein dehşete kapılırdı.

Bekenstein, ikinci yasanın fiziksel yasalar sistemine bu kadar kolay ihlal edilemeyecek kadar derinden gömülü olduğu sonucuna vardı. Bu yüzden radikal yeni bir öneride bulundu: kara deliklerin kendileri de entropiye sahip olmalıdır. Evrenin toplam entropisini - yıldızlardaki, yıldızlararası gazdaki, gezegenin atmosferlerindeki ve tüm sıcak su banyolarındaki eksik bilgiler - hesaplarken, her kara deliğin hesabına belirli bir miktarda entropi eklenmesi gerektiğini savundu. Bu fikir sayesinde Bekenstein ikinci prensibi kurtardı. Einstein şüphesiz bunu onaylayacaktır.

Bekenstein böyle tartıştı. Entropi her zaman enerjiye eşlik eder. Bir şeyin kombinasyonlarının sayısı ile ilgisi vardır ve bu şey her durumda enerjidir. Bu sayfadaki mürekkep bile, Einstein'a göre kütle bir enerji biçimi olduğu için enerjiye sahip olan kütleli atomlardan oluşuyor. Entropinin, enerji bölümlerini düzenlemenin olası yollarının sayısına karşılık geldiğini söyleyebiliriz.

Bekenstein hayalinde sıcak gaz dolu bir kabı kara deliğe soktuğunda ona enerji kattı. Bu, kara deliğin kütlesinde ve boyutunda bir artışa neden oldu. eğer gibi

Bekenstein, kara deliklerin kütleleriyle birlikte büyüyen bir entropiye sahip olduğunu öne sürdü; o zaman ikinci başlangıcı kurtarma şansı var. Kara deliğin entropisi, kayıpları telafi etmek için gerekenden daha fazla artmalıdır. „

Bekenstein'ın bir kara deliğin entropisi formülünü nasıl elde ettiğini anlatmadan önce, bu fikrin neden o kadar şok edici olduğunu açıklamak gerekir ki, Hawking'e göre başlangıçta bunu saçma bularak reddetmiştir.

Entropi, organizasyon için çeşitli seçenekleri hesaba katar, ancak nedir? Bir kara deliğin ufku, hayal edilebilecek en pürüzsüz kel nokta gibi ayrıntıdan yoksunsa, o zaman sayılacak ne var? Bu mantığa göre, bir kara deliğin sıfır entropisi olmalıdır. John Wheeler'ın "kara deliklerin saçı yoktur" ifadesi, Jacob Bekenstein'ın teorisiyle doğrudan çelişiyor gibi görünüyor.

Öğretmen ve öğrenci nasıl barışır? Açıklayıcı bir örnek vereyim. Gri tonlamalı bir sayfadaki baskı aslında küçük siyah beyaz noktalardan oluşur. Bir milyon siyah noktamız ve bir milyon beyaz noktamız olduğunu varsayalım. Olası desenlerden biri, sayfayı dikey veya yatay olarak ikiye bölerek elde edilir. Bir yarısı siyah, diğer yarısı beyaz yapılabilir. Bunu yapmanın sadece dört yolu var.

Keskin kontrastlarla, ancak yalnızca birkaç varyasyonla net bir resim ortaya çıkıyor. Keskin kontrastlara sahip keskin bir model genellikle düşük entropi anlamına gelir.

Bu ilk şüphecilik hakkında daha fazla bilgi A Brief History of Time adlı kitabında bulunabilir .

ve beyaz pikseli aynı alana eşit olarak dağıtalım . Az ya da çok düzgün bir gri renk elde edeceksiniz. Pikseller gerçekten küçükse, bu gri arka plan tamamen tekdüze görünecektir. Siyah ve beyaz noktaları yeniden dağıtmanın çok sayıda yolu vardır, böylece seçenekleri büyüteç olmadan ayırt edemeyiz.

Bu durumda, yüksek entropinin genellikle homojen, “kel” bir görünüme eşlik ettiği görülebilir.

Dış homojenlik ile yüksek entropi arasındaki bağlantı önemli bir şeye işaret ediyor. Bu, ne olursa olsun, bir sistemin (a) görülemeyecek kadar küçük ve (b) sistemin genel görünümünü değiştirmeden birçok farklı şekilde birleştirilebilen çok sayıda mikroskobik nesneden oluşması gerektiğini ima eder.

Bekenstein bir kara deliğin entropisini hesaplıyor

Bekenstein'ın karadeliklerin entropileri olduğu, yani tüysüz olmalarına rağmen gizli bilgiler barındırdıkları fikri, fizikteki durumu bir çırpıda değiştiren o basit ama derin yargılardan biri oldu. Genel halk için kitap yazmaya başladığımda , kendimi tek bir formülle sınırlamam şiddetle tavsiye edildi: E = mâ. Bana her ek denklemde kitabın satışlarının on bin kopya düşeceği söylendi. Dürüst olmak gerekirse, bu benim deneyimime aykırı. Uzun bir tereddütten sonra risk almaya karar verdim. Bekenstein'ın ispatı o kadar olağanüstü basit ve güzel ki, ondan vazgeçmek bu kitabın değerini düşürür. Ancak, matematiksel olarak daha az eğilimli okuyucuların birkaç basit formülü özü kaybetmeden güvenli bir şekilde atlayabilmeleri için sonuçları açıklamak için çaba sarf ettim.

Bekenstein, belirli bir boyuttaki bir karadeliğin içine kaç bitin gizlenebileceğini doğrudan sormadı. Bunun yerine, içine bir bit bilgi atıldığında kara deliğin boyutunun nasıl değişeceğini merak etti. Bu, bir damla su eklenirse banyodaki su seviyesinin ne kadar yükseleceğini sormaya benzer. Daha doğrusu, hatta: bir atom eklendiğinde ne kadar yükselecek?

Hemen başka bir soru ortaya çıktı: bir bit nasıl eklenir? Belki de bunun için Bekenstein'ın bir kağıda basılmış bir noktayı kara deliğe atması gerekiyor? Belli ki değil; nokta çok sayıda atomdan oluşur ve aynı şey kağıt için de geçerlidir. Bu nedenle, bir nokta birden fazla bilgi içerir. En iyi yaklaşım, bir temel parçacık atmaktır.

Örneğin tek bir fotonun bir kara deliğe düştüğünü varsayalım. Bir foton bile birden fazla bilgi taşıyabilir. Özellikle fotonun ufku geçtiği noktanın koordinatlarında pek çok bilgi bulunmaktadır. Burada Bekenstein, Heisenberg'in belirsizlik kavramını akıllıca uyguladı. Bir fotonun konumunun, eğer bir kara deliğe düşecekse, mümkün olduğu kadar belirsiz olması gerektiğini düşündü. Böyle bir "tanımsız foton" yalnızca bir bitlik bilgi taşır, yani bir kara deliğin içinde bir yerde olup olmadığı.

Hatırlarsanız, Bölüm 4'te bir ışık demetinin çözünürlüğünün dalga boyunu aşmadığı söylenmişti. Bu durumda Bekenstein, ayrıntılara ufukta bakma niyetinde değildi; aksine, ufuk olabildiğince bulanık görünmek zorundaydı. İşin püf noktası, tüm ufka yayılması için çok uzun dalga boylu bir foton kullanmaktı. Başka bir deyişle, ufuk bir Schwarzschild yarıçapına sahipse, foton aynı dalga boyuna sahip olmalıdır. Görünüşe göre daha uzun dalga boyları da kullanılabilir, ancak bu tür fotonlar karadelik tarafından yakalanmak yerine karadelikten yansır.

Bekenstein, bir kara deliğe yapışkan bir parça eklemenin, çok küçük de olsa boyutunda bir artışa neden olacağından şüpheleniyordu, tıpkı bir balona fazladan bir kauçuk molekülü eklemenin onu yalnızca biraz artıracağı gibi. Ancak, bu artışı hesaplamak için birkaç ara adım gereklidir. Önce onlara hızlıca bir göz atalım.

1. İlk adım, bir bit bilgi eklendiğinde kara deliğin enerjisinin ne kadar artacağını bulmaktır.

2. Ardından, fazladan bir bit eklenmesiyle kara deliğin kütlesinin ne kadar değişeceğini belirlemeniz gerekir. Bunu yapmak için Einstein'ın ünlü formülünü hatırlayın:

E \u003d ts 2 .

Ancak, bunu tersine çevirmemiz gerekiyor, bu da eklenen enerji miktarından kütledeki değişimi bulmamızı sağlayacak.

3. Kütle belirlendikten sonra, Schwarzschild yarıçapındaki değişiklik, Mitchell, Laplace ve Schwarzschild tarafından türetilen aynı formül kullanılarak hesaplanabilir (bkz. Bölüm 2):

R* = 2MG/â.

4. Son olarak ufuk alanındaki artışı belirlemek gerekir. Bunu yapmak için kürenin alanı formülüne ihtiyacımız var:

Ufuk alanı = 4xR s2 .

Bir bitlik bir fotonun enerjisiyle başlayalım. Daha önce de açıkladığım gibi, fotonun kara delik içindeki konumunun belirsiz olabilmesi için yeterince uzun bir dalga boyuna sahip olması gerekir. Einstein'a göre, B dalga boyuna sahip bir foton , aşağıdaki formülle tanımlanan bir E enerjisine sahiptir:'

E = hc/R,.

Bu formülde h Planck sabitidir ve ac ışık hızıdır. Bundan, bir kara deliğe bir bitlik bilgi damlatmanın ona hc/R* değeri kadar enerji kattığı sonucu çıkar.

dalga boyuna sahip frekans/foton, c/R'ye eşittir . Einstein-Planck formülünü E = hf kullanarak, foton enerjisinin hc/Rt'ye eşit olduğunu elde ederiz .

Bir sonraki adım, kara deliğin kütlesindeki değişimi hesaplamaktır. Enerjiyi kütleye dönüştürmek için c g'ye bölünmesi gerekir , bu da kara deliğin kütlesinin h / R, c kadar artacağı anlamına gelir:

Kütle değişimi = h/-R s o

Güneş kütlesine sahip bir kara deliğin kütlesine bir bitin ne kadar ekleyeceğini görmek için bu formülde sayıları değiştirelim.

Planck sabiti, h = 6.6x10 m

Bir kara deliğin Schwarzschild yarıçapı, R s = 3000 m Işık hızı, c = 3X10®

Yerçekimi sabiti, G=6.7X10"

Böylece, bir bitlik bilgi, güneş kütleli kara deliğe şaşırtıcı derecede küçük bir miktar ekler:

Kilo alımı \u003d IO " 45 kilogram.

Yine de, söylendiği gibi, "hiçten daha fazlasıdır"*.

Üçüncü adıma geçelim: R s'deki değişimi hesaplamak için kütle ve yarıçap arasındaki ilişkiyi kullanın . Cebirsel biçimde, cevap şöyle olacaktır:

Büyüme K, \u003d 2 / iG / (R, s 3 ).

72 m artacağı ortaya çıkar.Bu sadece bir protondan ölçülemeyecek kadar az değil, aynı zamanda ölçülemeyecek kadar daha az Planck uzunluğundan (10' 35 m) daha fazla. Bu kadar küçük bir değişiklikle bunu neden hesapladığımız hiç anlaşılmıyor ama bu küçüklüğü göz ardı etmek hata olur.

Son adım, ufuk alanının ne kadar değişeceğini belirlemektir. Güneş kütleli bir karadelik için, ufuk alanındaki artış yaklaşık 70 metrekaredir. Bu çok küçük bir miktardır, ancak yine, "hiçten daha fazlasıdır." Ve sadece hiçten daha fazlası değil, ama çok özel bir şey: IO' 70 m 2 , tam olarak bir kare Planck birimine eşittir .

Bu bir tesadüf mü? Dünya kütleli bir kara delik (kızılcık büyüklüğünde) veya bir milyonda bir kara delik alırsanız ne olur?

Yazar, rapçi Master R.'nin aynı adlı şarkısından "Ihat ain't hiçbir şey" ifadesinden alıntı yapıyor - Not. çeviri

Liard, Güneş'ten kat kat daha büyük? Rakamlarla veya formüllerle deneyin. Kara deliğin başlangıç boyutu ne olursa olsun, kural her zaman geçerlidir:

Bir bit bilgi eklemek, herhangi bir kara deliğin ufkunun alanını bir Planck birim alanı veya bir kare Planck birimi artırır.

Her nasılsa, kuantum mekaniği ve genel görelilik ilkelerinde gizli olan, görünmez bilgi parçacıkları ile Planck büyüklüğündeki alan parçaları arasındaki gizemli bir bağlantıdır.

Stanford'daki fizik hazırlık sınıfımda tüm bunları açıkladığımda arka sıralardan biri ıslık çaldı ve "Kru-u-uto" dedi. Gerçekten harika ama aynı zamanda derin ve muhtemelen kuantum yerçekiminin gizeminin anahtarını içeriyor.

Şimdi, tıpkı bir banyoyu atom atom doldurabileceğiniz gibi, bir kara deliğin parça parça oluştuğunu hayal edin. Her biraz bilgi eklendiğinde, ufuk alanı bir Planck birimi artar. Kara delik hazır olduğunda, ufkunun alanı, içinde saklı olan toplam bilgi biti sayısına eşit olacaktır. Dolayısıyla Bekenstein'ın ana başarısı şu tezle özetlenebilir:

Bit cinsinden ölçülen bir kara deliğin entropisi, Planck birimlerinde ölçülen ufkunun alanıyla orantılıdır.

Veya daha da kısaca:

Bilgi eşittir alan.

Ufuk, sıkıştırılamaz bilgi parçacıklarıyla yoğun bir şekilde kaplanmış gibi görünüyor; benzer şekilde tezgahı bozuk paralarla sıkıca kapatabilirsiniz.

Yeni madeni paralar eklendikçe, tüm madeni paraların kapladığı alan birlikte büyüyecektir. Bitler, madeni paralar - prensip aynıdır.

Bu resimdeki tek sorun, ufukta madeni para olmaması. Orada olsalardı, Alice onları kara deliğe düşerek bulurdu. Genel göreliliğe göre, serbest düşen bir Alice için ufuk, dönüşü olmayan görünmez bir noktadır. Madeni paraların olduğu bir masa gibi bir şeyle karşılaşma olasılığı, Einstein'ın denklik ilkesiyle doğrudan çelişir.

yoğun bir şekilde maddi parçacıklarla dolu bir yüzey olarak ufuk kavramı ile geri dönüşü olmayan bir nokta arasındaki bariz uyumsuzluk - Kara Delik Savaşı'nın belli olayı haline geldi.

Bekenstein'ın keşfinden bu yana fizikçileri şaşırtan bir başka nokta da entropinin neden bir kara deliğin iç hacmiyle değil de ufkun alanıyla orantılı olduğudur. İçeride çok fazla alan boşa harcanmış gibi görünüyor. Aslında, bir kara delik, bir Ptolemaios kütüphanesine çok benziyor. Tüm dünyanın bir hologram olduğunu göreceğimiz 18. Bölümde bu konuya geri döneceğiz.

Bekenstein, bir kara deliğin entropisinin gerçekten de alanla orantılı olduğu konusunda doğru sonuca varmasına rağmen, ispatı tam olarak kesin değildi ve bunu biliyordu. Entropinin Planck birimleriyle ölçülen alana eşit olduğunu söylemedi . Hesaplamalarındaki bazı belirsizlikler nedeniyle , bir kara deliğin entropisinin yalnızca alanına yaklaşık olarak eşit (veya orantılı) olduğunu söyleyebildi . Fizikte "hakkında" kelimesi çok güvenilmezdir. Alanın iki katı veya dörtte biri anlamına mı geliyor? Bekenstein'ın ispatı parlak olmasına rağmen orantılılık faktörünün kesin olarak belirlenmesine izin vermiyordu.

Bir sonraki bölümde, Bekenstein'ın kara deliklerin entropisine ilişkin keşfinin Stephen Hawking'i en büyük içgörüsüne nasıl götürdüğünü göreceğiz: Bekenstein'ın haklı olarak tahmin ettiği gibi, kara deliklerin yalnızca entropisi değil, aynı zamanda sıcaklıkları da vardır. Bunlar, fizikçilerin hayal ettikleri gibi sonsuz derecede soğuk, ölü nesneler değil. Karadelikler iç ısılarını vurgularlar ama sonunda bu ısı onların ölümüne yol açar.

9

Siyah ışık

Büyük şehirlerde kış rüzgarı iğrençtir. Evlerin düz cepheleri arasındaki uzun sokaklarda ıslık çalıyor, köşelerde kendine güven veriyor, talihsiz yayaları acımasızca kırbaçlıyor. 1974'te fırtınalı bir gün, Manhattan'ın buzlu sokaklarında uzun bir koşuya çıktım. Nefesimden çıkan buhar uzun saçlarıma buz sarkıtları halinde yerleşti. On beş mil koştuktan sonra tamamen bitkin düşmüştüm ama ne yazık ki sıcak ofis hala iki mil uzaktaydı. Cüzdanım olmadan metroya binecek yirmi sentim bile yoktu. Ama sonra mutluluk bana gülümsedi. Diekman Caddesi bölgesinde bir yerde kaldırımdan indiğimde, yakınlarda bir araba durdu ve Aage Petersen'in kafası arabadan fırladı. Büyüleyici Dane Aage, Amerika Birleşik Devletleri'ne taşınmadan önce Niels Bohr'un Kopenhag'daki asistanıydı. Kuantum mekaniğine hayrandı ve Bohr'un felsefesini yaşadı ve soludu.

Arabada Aage, Dennis Skiama'nın Belfer Okulu'ndaki dersine gidip gitmeyeceğimi sordu. Ben öyle düşünmedim. Aslında, Skiam ve dersi hakkında hiçbir şey bilmiyordum. Tüm düşüncelerim üniversite yemekhanesindeki çorba kasesindeydi. Aage, Skiama ile İngiltere'de tanıştı ve onun Cambridge Üniversitesi'nden çok komik bir İngiliz olduğunu ve ondan pek çok harika şaka bekleyebileceğinizi söyledi . Aage, Skiama'nın dersinin kara deliklerle bir ilgisi olabileceğini düşündü - öğrencisi tarafından yapılan bir çalışma tüm Cambridge'i heyecanlandırıyor. Oga'ya geleceğime söz verdim .

Yeshiva Üniversitesi'nin kafeteryası pek bana göre bir yer değildi. Yemekler güzeldi - çorba koşerdi (ki bu beni hiç rahatsız etmedi) ve sıcaktı (ki bu önemliydi), ancak öğrenciler arasındaki konuşmalar beni ağırlaştırdı: neredeyse tamamı hukukla ilgiliydi. Federal yasa, eyalet veya şehir yasaları ve bilimsel yasalar hakkında değil - Talmudic ile ilgili küçük bir safsataydı.

genç Yeshiva öğrencilerini meşgul eden yasanın hükmü: Pepsi-Cola, eski bir domuz çiftliğinin bulunduğu yere inşa edilmiş bir fabrikada üretilseydi, koşer olur muydu? Ve tesisin inşasından önce zemin kontrplakla kaplanmışsa? Sorular bunlardı. Ama sıcak çorba ve soğuk hava beni rahatlamaya ve yan masadaki öğrencileri dinlemeye yöneltti. Bu kez sohbet benim bile bazen önemsediğim bir konuya geldi: tuvalet kağıdı! Son derece önemli bir soru etrafında şiddetli bir Talmud tartışması alevlendi: Şabat'ta tutucudaki bir rulo tuvalet kağıdını değiştirmek mümkün mü yoksa kağıt doğrudan askıya alınmamış bir rulodan mı kullanılmalı? Haham Akiva'nın yazılarına atıfta bulunan bir grup, bu büyük adamın ruloyu değiştirmeyi yasaklayan belirli yasalara katı bir şekilde itaat etmekte ısrar edeceğini öne sürdü. Başka bir grup, emsalsiz Rambam'ın Şaşkınların Rehberi'nde bazı temel işlerin Talmudik yasakların dışında tutulduğunu açıkça belirttiğini ve mantıksal analizin tuvalet kağıdı değiştirmenin böyle bir iş olduğu sonucuna götürdüğünü ileri sürdü. Yarım saat sonra tartışma hala hararetliydi. Birkaç genç müstakbel haham daha yeni, son derece dahiyane, neredeyse matematiksel argümanlarla mücadeleye girdi ve sonunda bu tartışmadan bıktım.

Tüm bunların bu kitabın konusu olan kara deliklerle ne ilgisi olduğunu merak edebilirsiniz. Tek bir şey var: Dennis Skiama'nın muhteşem dersinin ilk kırk dakikasını kafeteryadaki mola yüzünden kaçırdım.

Skiama'nın astronomi ve kozmoloji profesörü olduğu Cambridge Üniversitesi, en iyilerin en iyilerinin yerçekiminin en büyük gizemlerinde zekalarının gücünü test ettikleri üç yerden biriydi (Princeton ve Moskova dışında") .

Rambam, Yahudi olmayan dünyada daha çok İbn Meymun olarak bilinen Haham Moşe ben Maimon'un takma adıdır.

“Moskova'daki Büyük Yerçekimi Merkezi, efsanevi Rus astrofizikçi ve kozmolog Yakov Zeldovich tarafından yönetiliyordu.

aralarında kozmolojide antropik ilkeyi formüle eden Brandon Carter, şu anda Sir Edmond Halley'nin (Halley kuyruklu yıldızının adını taşıyan) Başkanlığını yürüten Büyük Britanya Kraliyet Astronomu Sir Martin Rees, Philip Candelas da dahil olmak üzere parlak genç fizikçilerden oluşan bir ekip. şu anda Oxford'da Matematik alanında Rose Ball Başkanı, kuantum hesaplamanın mucitlerinden biri olan David Deutsch ve seçkin bir Cambridge astronomu olan John Barrow'u elinde bulundurmaktadır. Ah evet, şu anda Cambridge'de Isaac Newton'un başkanlığını yürüten Stephen Hawking vardı. Aslında, 1974'ün o soğuk gününde Dennis, Stephen Hawking'in çalışmasından bahsediyordu ama o zamanlar Stephen Hawking adı benim için hiçbir şey ifade etmiyordu.

Geldiğimde Skiama dersinin üçte ikisini çoktan okumuştu. Daha önce gelmediğime hemen pişman oldum . Eşofmanımla buzlu kaldırımlarda koşmak için bir daha gülümsemedim. Üstelik dersin sonunda hava karardı ve şüphesiz daha da soğudu. Ama donma korkusundan daha fazlası vardı, bu da dersin yeni başlamış olmasını dilememe neden oluyordu. Aage'in dediği gibi, Dennis inanılmaz derecede ilginç bir konuşmacıydı. Şakaları gerçekten harikaydı ama tahtadaki tek formül beni daha da çok şaşırttı.

Genellikle teorik fizik dersinin sonunda tahta matematiksel sembollerle dolar. Ancak Skiama denklemleri kötüye kullanmadı. Geldiğimde tahta şöyle bir şeye benziyordu:

Beş dakikada sembollerin anlamını çözdüm. Aslında bunlar, fizikçiler tarafından iyi bilinen niceliklerin standart notasyonlarıydı. Ancak bağlamı - bu formülün neyi açıkladığını - bilmiyordum, ancak bunun ya çok derin ya da çok aptalca olduğunu hissettim. Yalnızca en temel sabitleri içeriyordu: yerçekiminin gücünü belirleyen yerçekimi sabiti G paydadaydı - onun için oldukça garip bir yer; ışık hızı c, özel göreliliğin kullanıldığını gösteriyordu; Planck'ın h sabiti , kuantum mekaniğini ima ediyordu; ve ayrıca Boltzmann'ın k sabiti de vardı.Burada tamamen yersiz görünen oydu. Onun burada ne işi var? Boltzmann sabiti, ısı ve entropinin mikroskobik doğası ile ilgilidir. Entropi, kuantum yerçekimi formülüne nasıl girdi?

2 sayıları ? Bunlar, tüm formüllerde görünen matematiksel niceliklerdir. Hiçbir şeye işaret etmiyorlar. Tanımlama tanıdıktı ve Skiama'nın sözleri ilk izlenimimi doğruladı: M kütledir. Beş dakika sonra bunun bir kara deliğin kütlesi olduğundan emindim.

Tamam, kara delikler, yerçekimi ve görelilik. Mantıklıydı, ancak kuantum mekaniğinin eklenmesi zaten garip görünüyordu. Kara delikler, içinden çıktıkları yıldızlar gibi inanılmaz büyük kütlelere sahiptir. Ancak kuantum mekaniği küçük şeylerle ilgilenir: atomlar, elektronlar ve fotonlar. Yıldızlar gibi zor konuların tartışılmasına nasıl dahil oldu?

En çok kafa karıştıran şey, T sıcaklığının denklemin sol tarafında olmasıydı.Neyin sıcaklığı?

Skiama'nın dersinin son on beş ya da yirmi dakikası, tüm unsurları bir araya getirmem için yeterliydi. Dennis'in öğrencilerinden biri çok garip bir şey keşfetti: Kuantum mekaniği karadeliklere termal özellikler kazandırıyor ve ısı ile birlikte bir sıcaklık da kazanıyorlar. Tahtadaki denklem, kara deliğin sıcaklığını hesaplamak için kullanılan formüldü.

Ne kadar tuhaf, diye düşündüm. Skiama'yı ölü bir yıldızın, yakıtı tamamen bitmiş bir yıldızın mutlak sıfırdan farklı bir sıcaklığa sahip olması gerektiği şeklindeki aptalca fikre iten neydi?

Gizemli formüle baktığımda ilginç ilişkiler gördüm: Bir kara deliğin sıcaklığı kütlesiyle ters orantılıydı; kütle ne kadar büyükse, sıcaklık o kadar düşük olur. Yıldızlara benzeyen dev astronomik karadelikler, Dünya'daki herhangi bir laboratuvardaki herhangi bir nesneden çok daha düşük, çok küçük bir sıcaklığa sahip olmalıdır. Ama beni sandalyemden kaldıran asıl sürpriz, eğer varsa küçük kara deliklerin inanılmaz derecede sıcak olmalarıydı - hayal edebileceğimiz her şeyden daha sıcak.

Skiama'nın bir sürprizi daha vardı: kara delikler buharlaşıyor! O zamana kadar fizikçiler karadeliklerin tıpkı elmaslar gibi sonsuz olduğuna inanıyorlardı. Bir kara delik bir kez oluştuktan sonra bilinen herhangi bir fiziksel mekanizma ile yok edilemez. Ölü bir yıldızın oluşturduğu uzaydaki siyah boşluk sonsuza kadar var olacak - sonsuz soğuk ve sonsuz sessiz.

Ancak Skiama bize, güneşte kalan bir su damlası gibi karadeliklerin yavaş yavaş buharlaştığını ve sonunda yok olduğunu söyledi. Açıkladığı gibi, elektromanyetik termal radyasyon kara deliğin kütlesinin bir kısmını taşır.

Dennis ve öğrencisinin bu fikri nasıl bulduklarını açıklamak için, size ısı ve radyan ısı hakkında bazı gerçekleri sunmalıyım. Kara deliklere daha sonra döneceğim ama önce konuyu dağıtacağım.

Isı ve sıcaklık

Isı ve sıcaklık en iyi bilinen fiziksel kavramlar arasındadır. Hepimizin yerleşik bir termostatı var. Evrim bize doğuştan gelen bir soğuk ve sıcak duygusu verdi.

Isı, ısının varlığı, soğuk ise yokluğudur. Ama sıcaklık nasıl bir özdür? Banyo soğuduğunda kaybolan sıcak su banyosunda ne var? Sıcak suda asılı duran küçük toz parçacıklarına veya polen parçacıklarına mikroskopla dikkatlice bakarsanız, sarhoş denizciler gibi sendelediklerini görürsünüz. Su ne kadar sıcak olursa, toz parçacıkları o kadar canlı görünür. 1905'te Albert Einstein*, bu Brownian hareketini, toz parçacıklarının sürekli olarak hızlı hareket eden enerjik moleküller tarafından bombardıman edilmesi gerçeğiyle açıkladı. Su, tüm maddeler gibi, ileri geri hareket eden, birbirine, kabın duvarlarına ve herhangi bir yabancı kirleticiye çarpan moleküllerden oluşur. Bu hareket rastgele ve kaotik olduğunda buna ısı diyoruz. Normal nesnelerde, enerjinin ısı şeklinde eklenmesi, moleküllerin rastgele kinetik enerjilerinde bir artışa neden olur.

Sıcaklık, elbette, ısı ile ilgilidir. Rastgele hareket eden moleküller cildinize çarptığında sinir uçlarını harekete geçirir ve sıcaklığı hissedersiniz. Bireysel moleküllerin enerjisi ne kadar büyük olursa, sinir uçları üzerindeki etki o kadar güçlü olur ve siz de o kadar sıcak olursunuz. Cildiniz, moleküllerin kaotik hareketlerini algılayabilen ve kaydedebilen birçok termometre türünden yalnızca biridir.

Yani, kabaca konuşursak, bir nesnenin sıcaklığı, onun bireysel moleküllerinin enerjisinin bir ölçüsüdür. Bir nesne soğuduğunda, enerji kaybolur ve moleküller yavaşlar. Sonunda, gittikçe daha fazla enerji çekildikçe, moleküller en düşük enerji durumlarına ulaşır. Kuantum mekaniğini göz ardı edersek, bu, moleküllerin hareketi tamamen durduğunda gerçekleşecektir. Bu durumda, boşaltılacak daha fazla enerji yoktur ve nesne mutlak sıfırda olacaktır. Sıcaklığı düşürmek imkansızdır.

Kara delikler ve kara cisimler

Çoğu nesne en azından bir miktar ışığı yansıtır. Kırmızı boyanın kırmızı görünmesinin nedeni ,

1905'te Einstein fizikte iki devrim başlattı ve üçüncüsünü tamamladı.

İki yeni devrim, elbette, özel görelilik ve ışığın kuantum (veya foton) teorisiydi. Aynı yıl Einstein, Brownian hareketi üzerine yazdığı ünlü makalesinde maddenin yapısının moleküler teorisinin ilk ikna edici kanıtını verdi. James Clerk Maxwell ve Ludwig Boltzmann gibi fizikçiler, ısının varsayımsal madde moleküllerinin rastgele hareketleri olduğundan uzun süredir şüpheleniyorlardı, ancak bu teoriye güvenilir kanıtlar sağlayan Einstein'dı. kırmızı ışığı yansıtır. Daha doğrusu, gözün ve beynin kırmızı olarak algıladığı bazı dalga boyları kombinasyonlarını yansıtır. Benzer şekilde mavi boya da mavi olarak algıladığımız kombinasyonu yansıtır. Kar beyazdır çünkü buz kristallerinin yüzeyi görünen tüm renkleri aynı şekilde yansıtır. (Kar ile aynalı bir buz tabakası arasındaki tek fark, karın granüler yapısının ışığı her yöne dağıtarak yansıyan görüntüyü binlerce küçük parçaya ayırmasıdır.) Ancak bazı yüzeyler ışığı zar zor yansıtır. Tencerenin isli tabanına düşen herhangi bir ışık, kurum tabakası tarafından emilerek siyah kaplamayı ve nihayetinde metalin kendisini ısıtır. Beyin bu tür nesneleri siyah olarak algılar.

Gelen ışığın tamamını soğuran bir nesnenin fiziksel terimi kara cisimdir*. Skiama, New York'taki üniversitemde ders verdiğinde, fizikçiler kara deliklerin kara cisimler olduğunu uzun zamandır biliyorlardı. Laplace ve Mitchell bunu on sekizinci yüzyılda biliyorlardı ve Schwarzschild'in Einstein'ın denklemlerine getirdiği çözüm bunu kanıtladı. Bir kara deliğin ufkuna giren ışık tamamen emilir. Kara delik ufukları, kara nesnelerin en karasıdır.

Ancak Hawking'in keşfinden önce kimsenin bilmediği şey, kara deliklerin bir sıcaklığa sahip olduğuydu. Birincisi, bir fizikçiye "Bir kara deliğin sıcaklığı nedir?" - ilk tepki muhtemelen şöyle olacaktır: "Kara deliklerin sıcaklığı yoktur." Şöyle itiraz edebilirsiniz: “Saçma. Her şeyin bir sıcaklığı vardır ." Biraz düşünüldüğünde şu cevaba varılır: "Tamam, kara deliklerin ısısı yoktur, dolayısıyla mutlak sıfır sıcaklıkları vardır - mümkün olan en düşük sıcaklık." Aslında, Hawking'den önce tüm fizikçiler kara deliklerin kara cisimler olduğunu, ancak mutlak sıcaklığı sıfır olan kara cisimler olduğunu savundu.

Tamamen bu terim kulağa "kesinlikle siyah cisim" gibi geliyor. Yazar kısaltılmış bir versiyon kullanıyor. — Not. tepsi.

Bugün karadeliklerin hiç ışık yaymadığını söylemek yanlıştır. Dumanlı bir tencere alın, birkaç yüz dereceye kadar ısıtın ve kırmızı parlamaya başlayacaktır. Hala daha sıcak ve parlaklık turuncuya, sonra sarıya ve son olarak da parlak mavimsi beyaza dönecek. Fizikçilerin tanımına göre Güneş'in siyah bir cisim olması ilginçtir. Ne kadar garip diyeceksiniz: Güneş'ten daha siyahtan başka bir şey hayal etmek zor. Ve gerçekten de Güneş'in yüzeyi çok büyük miktarda ışık yayar, ancak hiçbir şeyi yansıtmaz. Bu onu bir fizikçi için kara cisim yapar.

Bir güveç soğutun ve görünmez kızılötesi ışıkta parlayacaktır. Mutlak sıfırda olmadıkça, en soğuk nesneler bile bir miktar elektromanyetik radyasyon yayar.

Ancak siyah cisimlerin yaydığı radyasyon yansıyan ışık değildir; atomların titreşimleri ve çarpışmalarıyla üretilir ve yansıyan ışığın aksine rengi vücudun sıcaklığına bağlıdır.

Dennis Skiama'nın açıkladığı şey inanılmazdı (ve o sırada biraz çılgınca görünüyordu). Kara deliklerin kara cisimler olduğunu ancak mutlak sıfırda olmadıklarını söyledi. Her kara deliğin kütlesine bağlı olan bir sıcaklığı vardır. Ve bu bağımlılığın formülü tahtadaydı.

Bir anlamda en şaşırtıcı olan başka bir şeyden bahsetti. Bir kara deliğin ısısı ve sıcaklığı olduğundan, tıpkı sıcak bir kara kap gibi elektromanyetik radyasyon - fotonlar - yayması gerekir. Bu onun enerji kaybettiği anlamına gelir. Einstein'ın E=mâ formülüne göre enerji ve kütle aslında aynı şeydir. Yani bir karadelik enerji kaybederse kütlesini de kaybeder.

İşte Skiama'nın anlattığı hikayenin doruk noktasına geliyoruz. Bir kara deliğin boyutu, yani ufkunun yarıçapı, kütlesiyle doğru orantılıdır. Kütle azalırsa, kara deliğin boyutu küçülür. Böylece, enerji yayarak kara delik, temel bir parçacıktan daha büyük olmayana kadar küçülür ve sonra kaybolur. Skiama'ya göre kara delikler bir yaz gününde su birikintileri gibi buharlaşır.

Ders boyunca, en azından benim bulduğum kısımda, Skiama bu keşiflerin yazarının kendisi olmadığını açıkça ortaya koydu. “Stephen şunu diyor”, “Stephen bunu söylüyor”... Ama Dennis'in sözlerine rağmen, dersin sonunda, meçhul öğrenci Stephen Hawking'in doğru zamanda doğru yerde olacak kadar şanslı olduğu izlenimine kapıldım. Dennis'in araştırma projesine girmek için. Tanınmış bir fizikçinin bir derste parlak bir öğrenciden tekrar tekrar bahsetmesi yaygındır. Fikir ister parlak ister çılgınca olsun, onun daha büyük bir bilim adamından geldiğini varsaymak benim için doğaldı.

O akşam bu varsayımda derinden yanılmışım. Aage, ben ve diğer birkaç fizik fakültesi, Dennis'i Little Italy'deki harika bir İtalyan restoranına akşam yemeğine çıkardık. Yemek sırasında Dennis bize harika öğrencisinden bahsetti.

Aslında Stephen bir öğrenci değildi. Dennis "öğrencisi Hawking"ten bahsettiğinde, Nobel ödüllü gururlu bir babanın "oğlum" demesiyle ilgiliydi. 1974'te Stephen, genel görelilik dünyasında yükselen bir yıldızdı. O ve Roger Penrose bu bilime büyük katkı sağladılar. Onu ünlü bir akademik danışmanı olan sıradan bir öğrenci olarak düşünebilmemin tek nedeni derin cehaletimdi .

İyi İtalyan yemekleri ve mükemmel şarabın ardından, ancak tedavi edilemez, zayıflatıcı bir hastalık teşhisi konulduktan sonra ünlü olan genç bir dahi hakkında, tüm kurgulardan daha şaşırtıcı olan harika bir hikaye dinledim. Zeki ama tarif edilemeyecek kadar benmerkezci ve yüzeysel bir yüksek lisans öğrencisi -Dennis onun fizik okumaktansa içki arkadaşlarıyla sarhoşken daha sık görüldüğünü söyledi-Stephen'a amiyotrofik lateral skleroz veya Lou Gehrig hastalığı teşhisi kondu. Hastalık hızla ilerledi ve biz akşam yemeğini yerken Hawking neredeyse tamamen felç olmuştu. Ancak denklem yazamamasına ve zar zor iletişim kurabilmesine rağmen, harika fikirlerin havai fişeklerini patlatırken tıbbi kayasıyla savaştı. Tahmin üzücüydü. Lou Gehrig'in hastalığı acımasız bir katil ve tüm hesaplara göre Stephen birkaç yıl önce ölmüş olmalıydı. Bu arada, fizikte büyük bir sevinçle (Skiama'nın ifadesi) devrim yaratarak kudret ve esastan kopuyordu. O zamanlar, Dennis'in Stephen'ın zorluklara karşı cesur direnişiyle ilgili açıklaması bir abartı gibi görünüyordu. Ama Steven'ı yaklaşık yirmi beş yıldır tanıyorum, bunun çok doğru bir tanımlama olduğunu söyleyebilirim.

Stephen ve Skiama, ikisi de benim için yabancıydı ve kara deliklerin buharlaşmasının kurgu mu, çılgın bir spekülasyon mu yoksa parlak bir fikir mi olduğu konusunda hiçbir fikrim yoktu. Kendimi Yahudi tuvalet kağıdı kanunları konusunda eğitirken bazı önemli kanıtları gözden kaçırmış olabilirim. Dennis'in Stephen'ın vardığı sonucu teknik gerekçelerle desteklemeden basitçe iletmiş olması daha olasıdır. Ne de olsa Skiama, Hawking tarafından kullanılan gelişmiş kuantum alan teorisi yöntemleri konusunda uzman değildi. Dediğim gibi, denklemleri kötüye kullanmadı.

Geriye dönüp baktığımda, Skiama'nın dersini iki yıl önce West End Café'de Richard Feynman ile yaptığım kısa bir sohbete bağlamamış olmamı garip buluyorum. Feynman ve ben ayrıca kara deliklerin sonunda nasıl bozunabileceklerini tartıştık. Ancak tüm bunları ilişkilendirmeden önce aylar geçti.

Stephen'ın kanıtı

Stephen, kendi sözleriyle, o zamanlar bilinmeyen bir Princeton öğrencisi olan Jacob Bekenstein'ın yaptığı garip sonuca ilk başta inanmadı. Kara delikler nasıl entropiye sahip olabilir? Entropi cehaletle ilişkilidir - gizli mikroskobik yapının cehaleti, tıpkı bizim bir ılık su banyosundaki moleküllerin tam konumu konusundaki cehaletimiz gibi. Einstein'ın yerçekimi teorisi ve bir kara delik için Schwarzschild çözümü, mikroskobik varlıklar hakkında hiçbir şey söylemez. Dahası, öyle görünüyor ki, bir kara delikte kimsenin bilemeyeceği hiçbir şey yok. Einstein'ın denklemlerinin Schwarzschild çözümü benzersiz ve kesindi. Kütle ve açısal momentumun her değeri için, bir kara deliği tanımlayan tek ve tek bir çözüm vardı. John Wheeler'ın "kara deliklerin kılları yoktur" derken kastettiği buydu. Geleneksel mantığa göre, benzersiz bir konfigürasyon (7. Bölümdeki ideal BMW'yi hatırlayın) entropiye sahip olmamalıdır. Bekenstein'ın entropisi, Hawking'e onun hakkında kendi düşünce tarzını icat edene kadar bir anlam ifade etmiyordu.

Hawking için anahtar sıcaklıktı, entropi değil. Entropinin salt varlığı, sistemin bir sıcaklığa sahip olduğu anlamına gelmez. Üçüncü nicelik olan enerji de denklemlere dahil edildi. Enerji, entropi ve sıcaklık arasındaki bağlantı termodinamiğin başlangıcına, on dokuzuncu yüzyılın başlarına kadar gider. O zamanlar buhar motorları revaçtaydı ve Fransız Nicolas Léonard Sadi Carnot'a buhar mühendisi denilebilirdi. Çok pratik bir soruyla ilgilendi: belirli bir miktarda buharda bulunan ısıyı yararlı işler yapmak için kullanmanın en verimli yolu nedir - paradan maksimum kârı nasıl elde edersiniz. Bu durumda, faydalı çalışma, termal enerjiyi büyük bir demir kütlesinin kinetik enerjisine dönüştürmenin gerekli olduğu lokomotifin hızlanması anlamına geliyordu.

Isı, moleküllerin rastgele hareketinin düzensiz kaotik enerjisidir. Aksine, bir lokomotifin kinetik enerjisi, çok sayıda birlikte hareket eden molekülün eşzamanlı senkronize hareketi şeklinde düzenlenir. Yani zorluk, belirli bir miktarı çevirmekti.

Teorik olarak, enerjiyi değiştirmeden yeniden sıralanan bir sistem hayal edilebilir, ancak gerçek dünyada bu asla olmaz.

Termodinamik, ısı bilimidir.

Organize olmayan enerjinin kalitesi organize hale gelir. Sorun, hiç kimsenin "düzenli" ve "düzensiz" enerjinin tam olarak ne anlama geldiğini gerçekten anlamamasıydı. Entropiyi düzensizliğin bir ölçüsü olarak tanımlayan ilk kişi Carnot idi.

Entropi kavramıyla ilk kez bir mekanik öğrencisi olarak tanıştım. Ne ben ne de öğrenci arkadaşlarım ısının moleküler teorisi hakkında hiçbir şey bilmiyorduk ve profesörümüzün de bildiğine bahse girerim. "Makine Mühendisliği 101: Mekanik için Termodinamik" dersi o kadar kafa karıştırıcıydı ki, kesinlikle gruptaki en iyi öğrenci olarak hiçbir şey anlayamadım. En kötüsü de entropi kavramıydı. Bir şeyi biraz ısıtırsak, termal enerjideki değişimin sıcaklığa bölünmesinin bir entropi ölçüsü verdiği söylendi. Herkes yazdı ama kimse anlamını anlamadı. Benim için tamamen anlaşılmazdı: "Sosis sayısındaki ekşi lahana çorbası katsayısına bölünen değişime beyaz royale denir".

Bu sorunun bir kısmı, sıcaklığı tamamen yanlış anlamamdı. Hocama göre sıcaklık termometre ile ölçülen şeydir. "Evet," diye sorabilirim, "ama nedir ?" Cevabın şu olacağından eminim : “Size zaten söyledim; bir termometre ile ölçülen şeydir.”

Entropiyi sıcaklık cinsinden tanımlamak, arabayı atın önüne koymaktır. Doğuştan bir sıcaklık duygumuz olsa da, daha soyut enerji ve entropi kavramları çok daha temeldir. Profesör önce entropinin gizli bilginin bir ölçüsü olduğunu ve bitlerle ifade edildiğini açıklamak zorunda kaldı. Ve sonra (doğru) ifadeye geçebilir:

Sıcaklık, bir bit entropi eklendiğinde sistemin enerjisindeki artıştır."

Soğanlaşmaya bölünen sosis sayısındaki değişime flogelweiss denir.” — Not. nepe

"Açıkçası, bu sıcaklık (mutlak sıfırdan ölçülen) çarpı Boltzmann sabitidir. Bu sabit, fizikçilerin genellikle uygun sıcaklık ölçeğini seçerek bire eşitlediği bir dönüştürme faktöründen başka bir şey değildir.

Bir bit eklendiğinde enerji değişimi? Bu tam olarak Bekenstein'ın bir kara delik için hesapladığı şeydi. Görünüşe göre farkında olmadan kara deliğin sıcaklığını hesaplamış.

Hawking, Bekenstein'ın ihmalini hemen fark etti, ancak bir kara deliğin sıcaklığa sahip olduğu fikri Stephen'a o kadar saçma geldi ki, ilk tepkisi sıcaklıkla birlikte entropiyi bir yanlış anlama olarak bir kenara atmak oldu. Belki de bu reddin nedenlerinden biri, bir kara deliğin buharlaşmasının saçma bir fikir gibi görünmesiydi. Steven'ın fikrini değiştirmesine neyin sebep olduğunu tam olarak bilmiyorum ama değiştirdi. Kuantum alan teorisinin karmaşık matematiğini kullanarak, kara deliklerin enerji yaydığını kanıtlamanın kendi yolunu buldu.

"Kuantum alan teorisi" terimi, Einstein'ın fotonları keşfinin yarattığı karışıklığı yansıtır. Bir yandan Maxwell, ışığın elektromanyetik alanın dalga benzeri bir bozulması olduğunu ikna edici bir şekilde kanıtladı. O ve diğerleri, uzayı neredeyse bir kasedeki jöle gibi salınabilen bir şey olarak gördüler. Varsayımsal jöle, parlak eter olarak adlandırıldı ve jöle gibi, titreşim etkisi altında (örneğin, titreyen bir çataldan), pertürbasyonlar onun içinden yayıldı. Maxwell, eter üzerine dağılmış ve ışık dalgaları yayan salınımlı elektrik yüklerini hayal etti. Einstein'ın fotonları, yirmi yılı aşkın bir süre boyunca her şeyi karıştırdı, ta ki Paul Dirac nihayet kuantum mekaniğinin güçlü matematiksel aygıtını elektromanyetik alanın dalgalı salınımlarına uygulayana kadar.

Hawking'e göre, kuantum alan kuramının en önemli çıkarımı, elektromanyetik alanın rahatsız edici yüklerin yokluğunda bile "kuantum titremesine" (bkz. Bölüm 4) tabi olduğu fikriydi. Boş uzayda, vakum dalgalanmaları nedeniyle elektromanyetik alan titrer ve salınır . Neden bu titreşimleri boşlukta hissetmiyoruz? Çok zayıf oldukları için değil. Aslında, uzayın küçük bir bölgesindeki elektromanyetik alanın salınımları son derece güçlüdür. Ama boş uzay her şeyden daha az enerjiye sahip olduğundan, kuantum dalgalanmalarının enerjisi hiçbir şekilde bedenimize aktarılamaz.

Doğada, çok belirgin olan başka bir titreme türü vardır - bu termal titremedir. Soğuk su kazanı ile sıcak su kazanı arasındaki fark nedir? Sıcaklıkta; diyorsun. Ancak bu, sıcak suyun sıcak, soğuk suyun soğuk hissettirdiğini söylemenin bir yolu. Aslında fark, sıcak suyun daha fazla enerjiye ve entropiye sahip olmasıdır - kazan, takip edilmesi çok zor olan rastgele, rastgele hareket eden moleküllerle doludur. Bu hareketin kuantum mekaniği ile hiçbir ilgisi yoktur ve hiç de incelikli değildir. Parmağınızı kazanın içine sokun ve termal dalgalanmaları sorunsuz bir şekilde fark edeceksiniz.

Tek tek moleküllerin rastgele termal hareketi görülemez çünkü su molekülleri çok küçüktür, ancak termal titremenin doğrudan etkilerini görmek zor değildir. Daha önce de belirttiğim gibi, bir bardak ılık sudaki polen parçacıkları düzensiz bir şekilde seğirerek, kuantum mekaniği ile hiçbir ilgisi olmayan Brown hareketi gerçekleştirecektir. Suda bulunan bu ısı, moleküllerinin polen parçacıklarını rastgele bombardıman etmesine neden olur. Parmağınızı bir bardağa sokarsanız, cildinizin aynı rastgele bombardımanı sinir uçlarını harekete geçirir ve size ılık su hissi verir. Deri ve sinirler aynı anda çevreden bir miktar enerji emer.

Su, hava ve başka herhangi bir maddenin yokluğunda bile, ısıya duyarlı sinirler kara cisim radyasyonunun ısı titreşimleriyle uyarılabilir. Bu durumda sinirler fotonları emerek çevreden ısı alırlar. Ancak bu, yalnızca sıcaklık mutlak sıfırın üzerindeyse mümkündür. Mutlak sıfırda, elektrik ve manyetik alanların kuantum titremesi çok daha süptildir ve bu kadar bariz tezahürleri yoktur.

İki tür titreme - termal ve kuantum - çok farklıdır ve normal koşullar altında bunları birbiriyle karıştıramazsınız. Termal dalgalanmalar aşırı enerjiden kaynaklanırken , kuantum dalgalanmaları vakumun doğasında vardır ve ortadan kaldırılamaz . Kuantum dalgalanmalarının hilesi - neden onları hissetmediğimiz ve termal dalgalanmalardan nasıl farklı oldukları - karmaşık matematikten kaçınmaya çalışan bir kitapta açıklanmanın eşiğinde; Kullanacağım herhangi bir benzetme veya resim mantıksal olarak yanlış olacaktır. Ancak Kara Delik Muharebesi'ndeki risklerin ne olduğu hakkında bir fikir edinmek istiyorsanız biraz açıklamaya ihtiyaç var. Feynman'ın kuantum olgusunu açıklama konusundaki uyarısını unutmayın (bkz. s. 85).

Kuantum alan teorisi, iki tür kuantum dalgalanmasını görselleştirmenin bir yolunu sunar. Termal dalgalanmalar , cildimizi bombalayan ve ona enerji aktaran gerçek fotonların varlığıyla ilişkilidir . Kuantum dalgalanmalarına, üretilen ve ardından vakum tarafından hızla emilen sanal foton çiftleri neden olur. İşte iki gerçek foton ve sanal çift için Feynman'ın uzay-zaman diyagramı - dikey zaman, yatay uzay -.

Gerçek fotonlar düz noktalı çizgilerdir. Varlıkları, sıcaklığı ve termal titremeyi gösterir. Ancak uzay mutlak sıfırdaysa, gerçek fotonlar olmayacaktır. Geriye yalnızca, hızlı patlamalarla var olan ve yok olan sanal fotonların mikroskobik döngüleri kalır . Sanal foton çiftleri, sıcaklık mutlak sıfır olsa bile boşluğun -boş uzay dediğimiz- bir parçasıdır.

Normal şartlar altında, iki tür titreme birbirine karıştırılamaz. Ancak bir kara deliğin ufku alışılmadık bir şeydir. Ufukta, bu iki tür dalgalanma kimsenin beklemediği bir şekilde karışmaya başlar. Bunun nasıl olduğu hakkında bir fikir edinmek için, Alice'in mutlak sıfır sıcaklıktaki bir ortamda, yani mutlak boşlukta, bir kara deliğin içine serbestçe düştüğünü hayal edin. Etrafı sanal foton çiftleriyle çevrili, ancak onları fark etmiyor. Etrafında gerçek fotonlar yok.

Şimdi ufukta asılı duran Bob'u düşünün. Onun için her şey çok kafa karıştırıcı. Alice'in fark etmediği bazı sanal foton çiftleri kısmen ufkun içinde, kısmen de dışında olabilir. Ancak ufkun ötesindeki parçacık, Bob ile herhangi bir bağlantıdan yoksundur. Yalnızca bir foton görür ve bunun sanal bir çifte ait olduğunu anlayamaz. İster inanın ister inanmayın, eşi ufkun altındayken dışarıda kalan böyle bir foton, Bob'u ve cildini tıpkı normal bir termal fotonmuşçasına aynı şekilde etkileyecektir. Ufka yakın yerlerde, termal ve kuantum ayrımı gözlemciye bağlıdır: Alice'in kuantum gürültüsü olarak algıladığı (veya algılamadığı) şeyi Bob, termal enerji olarak kaydeder. Bir kara delik söz konusu olduğunda, termal ve kuantum dalgalanmaları aynı madalyonun iki yüzü haline gelir. Alisyn'in uçağına baktığımızda bu konuya Bölüm 20'de döneceğiz.

Hawking, kuantum alan teorisinin matematiğine dayanarak, bir kara deliğin varlığındaki vakum dalgalanmalarının, sanki kara deliğin ufku sıcak bir kara cisimmiş gibi, fotonların yayılmasına neden olacağını hesapladı. Bu fotonlara Hawking radyasyonu denir . En ilginç şey, kara deliğin, sıcaklığı, Bekenstein'ın kendisi bu sonuca varmış olsaydı, Bekenstein'ın ispatından elde edilecek olana yaklaşık olarak eşitmiş gibi ışımasıdır. Aslında Hawking, Bekenstein'dan daha ileri gitti, * yöntemleri o kadar doğruydu ki, tam sıcaklığı ve ondan kara deliğin entropisini hesaplamayı mümkün kıldılar. Bekenstein, yalnızca entropinin Planck birimlerinde ölçülen ufkun alanıyla orantılı olduğunu belirtti. Hawking'in artık belirsiz "orantılı" terimini kullanması gerekmiyordu.

\

nal. Hesaplamalarına göre, bir kara deliğin entropisi, Planck birimleriyle ölçülen ufuk alanının dörtte birine tam olarak eşittir.

Bu arada, Skiama'nın dersine geldiğimde karadeliğin sıcaklığı için Hawking'in denklemi tahtadaydı:

1 saat 3 saat

Sen -2 GMk

Hawking'in formülünde kara deliğin kütlesinin paydada olduğuna dikkat edin. Bu, kütle ne kadar büyükse kara deliğin o kadar soğuk olduğu ve bunun tersinin de geçerli olduğu anlamına gelir: kütle ne kadar küçükse kara delik o kadar sıcaktır.

Bu formülü bir kara deliğe uygulayalım. İşte tüm sabitlerin değerleri*:

c \u003d Zx10 8

G=6,7x10"

H = 7X1O' 34

k \ u003d 1.4X10-4

Kütlesi Güneş'in beş katı olan ve sonunda bir kara deliğe dönüşen bir yıldızın durumunu düşünün. Kilogram cinsinden kütlesi:

M=10 31 .

Tüm bu sayıları Hawking'in formülünde yerine koyarsak, kara deliğin sıcaklığının -8 Kelvin olduğu ortaya çıkar. Bu çok düşük bir sıcaklık - mutlak sıfırın yalnızca on milyarda biri üzerinde! Doğada bu kadar soğuk bir şey yoktur. Yıldızlararası ve hatta galaksiler arası uzay çok daha sıcaktır.

Galaksilerin merkezlerinde bile daha soğuk karadelikler bulunur. Yıldız karadeliklerinden bir milyar kat daha büyük, bir milyar kat daha büyük ve bir milyar kat daha soğuk. Ancak çok daha küçük kara delikler de hayal edilebilir. Bir tür felaket olduğunu varsayalım

Tüm değerler metre, saniye, kilogram ve derece Kelvin cinsinden ifade edilir. Kelvin ölçeği, Celsius ölçeğiyle aynıdır, ancak sıcaklık, suyun donma noktasından değil, mutlak sıfırdan ölçülür. Normal oda sıcaklığı 300 derece Kelvin'dir. toprağı ezdi. Kütlesi, bir yıldızın kütlesinden yaklaşık bir milyon kat daha azdır. Ortaya çıkan kara delik, mutlak sıfırın yaklaşık 0,01 derece üzerinde muazzam bir sıcaklığa sahip olacaktır: yıldız kara deliğinden çok daha sıcak, ancak yine de çok soğuk - sıvı helyumdan daha soğuk ve donmuş oksijenden çok daha soğuk. Ay kütlesindeki bir kara delik 1 Kelvin dereceye kadar ısınır.

Ama şimdi bir kara delik Hawking radyasyonu yayıp buharlaştığında ne olduğunu düşünün. Kütle azaldıkça kara delik küçülür ve sıcaklığı yükselir. Zamanla kara delik ısınır. Kütlesi büyük bir kayanın boyutuna geldiğinde, sıcaklık bir milyar milyar dereceye yükselecek. Ve Planck kütlesine ulaşıldığında, sıcaklık ІО 32 dereceye yükselecektir. Evrenin böyle bir sıcaklığa sahip olabileceği tek yer ve zaman, Big Bang'in başlangıcıdır.

Hawking'in kara deliklerin nasıl buharlaştığını gösteren hesaplamaları bir yaratıcılık harikasıdır. Bence sonuçları tam olarak anlaşıldığında, fizikçiler onları büyük bir bilimsel devrimin başlangıcı olarak görecekler. Bu devrimin tam olarak nasıl sonuçlanacağını tahmin etmek için henüz çok erken, ancak çok derin sorulara değinecek: uzay-zamanın doğası, temel parçacıkların rolü ve evrenin kökeninin gizemleri. Bilim adamları, Hawking'in tüm zamanların en büyük fizikçilerinden biri olup olmadığını ve bu hiyerarşideki yerini merak ediyorlar. Hawking'in büyüklüğünden şüphe duyanlar için, onun 1975 tarihli "Birth of Particles by Black Holes" adlı makalesini okumanızı öneririm.

Ama Stephen Hawking ne kadar büyük olursa olsun, en azından bir kez yoldan çıktı ve Kara Delik Savaşı böyle başladı.

Bölüm II

sürpriz saldırı

10

Steven atımlarını nasıl kaybetti ve onları nerede bulacağını bilmiyordu

Olayla ilgili açıklamamda mantıksız bir şey var - bu nedenle bir hata yaptım.

- Sherlock Holmes'un

Gazeteler bazen Irak savaşının İkinci Dünya Savaşı'ndan daha uzun sürdüğünü yazıyor. Gazeteciler, elbette, Irak'taki savaşın, Amerika'nın 1939 sonbaharında başlayan ve ancak 1945'te sona eren II. Amerikalılar, Pearl Harbor saldırısı sırasında savaşın üçüncü yılında olduğunu unutma eğilimindeler.

Belki de Kara Delik Savaşı'nın 1983'te Werner Erhard'ın tavan arasında gerçekleştiğini söylerken aynı benmerkezci hatayı yapıyorum. Stephen'ın saldırısı aslında 1976'da başladı, ancak rakipsiz savaş olmaz. Saldırısı, fiziğin en güvenilir ilkelerinden birine - bilginin asla kaybolmadığı yasasına veya kısacası bilginin korunumu yasasına - doğrudan bir saldırı olmasına rağmen, büyük ölçüde göz ardı edildi. Bundan sonraki tüm sunumlar için istisnai önemi göz önüne alındığında, bilginin korunumu yasasını bir kez daha ele alalım.

Sonsuza dek bilgi

Bilgi ile ilgili olarak imha ne anlama geliyor? Klasik fizikte cevap basit: eğer bilgi yok edilirse

"Yatılı Okulda Bir Vaka" öyküsünden, op. Alıntı: Arthur Conan Aoil. Sherlock Holmes hakkında notlar. — M.: AST; Kaleci, 2007.

Gelecekte geçmişin izleri kaybolur. Şaşırtıcı bir şekilde, bu, deterministik yasalar durumunda bile olabilir. Bunu göstermek için , 4. Bölüm'de oynadığımız üç yüzlü madeni paraya geri dönelim. Madalyonun üç yüzü R, O ve B idi (yazı, tura ve yan). Bu bölümde, iki deterministik yasayı aşağıdaki diyagramlarla açıkladım:

Her iki yasa da deterministiktir, böylece madeni paranın durumu ne olursa olsun, sonraki ve önceki durumlarını tam bir kesinlikle belirtmek mümkündür. Bunu, aşağıdaki diyagramda açıklanan yasa ile karşılaştırın:

veya formül

R=O O=R B=O

Sözlü bir formülasyonda: madeni para bir anda yazı gelirse, sonraki an tura gelir. Yazı gelirse yalan olur. Yan yatarsa, bir sonraki an kartal gibi yatacaktır. Bu kural tamamen deterministiktir: Nereden başlarsanız başlayın, gelecek bu yasa tarafından belirlenir. Örneğin, başlangıç durumunun B olduğunu varsayalım. İleri Tarih tamamen önceden belirlenmiştir: BOROROROR O ... P ile başlarsak, o zaman tarih şöyle olacaktır: RORORORROR O ... Başlangıçta O ise, o zaman şunu elde ederiz : hikaye: OROROROROR O. ..

Bu yasada bir sorun var ama tam olarak ne? Diğer deterministik yasalar gibi geleceği tamamen belirler.

Ama geçmişi tanımlamaya çalışırsan, ondan hiçbir şey çıkmaz. Diyelim ki P durumunda bir madeni para bulduk . Önceki durumun O olduğundan emin olabiliriz. Buraya kadar her şey yolunda. Ama geçmişe bir adım daha atmaya çalışalım. O'ya götüren iki durum vardır, yani P ve B. Bu bir sorun yaratır: O'yu P'den mi yoksa B'den mi aldık? Bunu bilmek imkansız. Bilgi kaybı dediğim şey bu ama klasik fizikte bu asla olmaz. Newton yasalarının ve Maxwell'in elektromanyetizma teorisinin üzerine inşa edildiği matematiksel kurallar hiçbir şüpheye yer bırakmaz: her durumu tek bir durum izler ve öncesinde tek bir durum gelir.

Bilgilerin kaybolmasının bir başka yolu da kanundaki belirsizliğin varlığından kaynaklanmaktadır. Bu durumda, ne gelecekten ne de geçmişten tam olarak emin olunamaz.

Daha önce açıkladığım gibi, kuantum mekaniği bir rastgelelik unsuru içerir, ancak daha derin bir anlamda, bilgi onun içinde asla kaybolmaz. Bunu 4. Bölüm'deki foton örneğiyle örnekledim , tekrar yapalım, bu sefer bir elektronun ağır bir çekirdek gibi durağan bir hedefi vurmasıyla. Bir elektron yatay yönde hareket ederek soldan yukarı uçar.

• *■ Hakkında

Çekirdekle çarpışır ve öngörülemeyen yeni bir yönde dağılır. İyi bir kuantum teorisyeni, örneğin bir elektronun dikey bir yönde sekme olasılığını hesaplar, ancak bu yönü güvenilir bir şekilde tahmin edemez.

İlk hareket bilgisinin saklanıp saklanmadığını kontrol etmenin iki yolu vardır. Her ikisi de elektronu tersine çevrilmiş yasalar altında geriye doğru fırlatmayı içerir.

İlk durumda gözlemci, yasanın tersine dönmesinden hemen önce elektronun nerede olduğunu kontrol eder. Bu, çoğu fotonları sonda olarak kullanan çeşitli şekillerde yapılabilir. İkinci durumda, gözlemci kontrol etme zahmetine girmez; elektronun davranışına hiçbir şekilde müdahale etmeden yasayı tersine çevirir. Bu iki deneyin sonuçları kökten farklıdır. İlk durumda, geriye doğru hareket eden elektron rastgele bir yerde durur ve öngörülemeyen bir yönde hareket eder. İkinci durumda, test yapılmadığında, dönüş dizisinin sonundaki elektron her zaman yatay yönde geriye doğru hareket ediyor gibi görünür. Gözlemci, deneyin başlangıcından sonra elektrona ilk kez baktığında, elektronun tam olarak başlangıçtaki gibi hareket ettiğini, sadece ters yönde hareket ettiğini görecektir. Görünüşe göre bilgi yalnızca elektronla aktif olarak etkileşime girdiğimizde kayboluyor. Kuantum mekaniğinde sistemle etkileşime girmediğimiz sürece taşıdığı bilgi klasik fizikteki gibi yok edilemez kalır.

Stephen saldırısı

1983'te San Francisco'da Gerard 't Hooft ve benim o gün sahip olduğumuzdan daha kasvetli iki yüz bulmak kolay değil. Franklin Caddesi'nin yukarısında, Werner Erhard'ın tavan arasında savaş ilan edildi ve en derin inançlarımıza açık bir saldırı yapıldı. Küstah Stephen, Cesur Stephen, Yok Edici Stephen tüm ağır silahlara sahipti ve meleksi/şeytani gülümsemesi bunu bildiğini gösteriyordu.

Bu saldırıda kişisel hiçbir şey yoktu. Blitzkrieg, fiziğin temel direği olan bilginin yok edilemezliğini hedefliyordu. Bilgi genellikle tanınmayacak kadar karıştırılır, ancak Steven bir kara deliğe düşen bilgi parçalarının dünyamızdan sonsuza kadar kaybolduğunu savundu. Tahtada bunu kanıtlayan bir diyagramı vardı.

Roger Penrose, uzay-zaman geometrisi üzerine yaptığı parlak araştırması sırasında, tüm uzay-zamanı tek bir tahtada veya tek bir kağıtta görselleştirmenin bir yolunu buldu. Uzay-zaman sonsuz olsa bile , Penrose onu sonlu bir bölgeye tamamen sığsın diye kurnaz matematiksel hilelerle sıkıştırarak söylemedi. Werner'in malikanesindeki bir tahtaya çizilen bir Penrose diyagramı , ufukta düşen bilgi parçalarıyla bir kara delik tasvir ediyordu . Ufuk çapraz bir çizgi olarak gösterildi ve bit bir kez onu geçtiğinde ışık hızını aşmadan geri dönemezdi. Diyagram ayrıca, bu türden her bir bitin bir tekilliğe düşmeye mahkum olduğunu da gösterdi.

Penrose diyagramları teorik fizikçiler için önemli bir araçtır, ancak onları anlamak biraz hazırlık gerektirir. İşte aynı kara deliği temsil eden daha tanıdık bir resim.

Biraz

Stephen'ın fikri basitti. Parçalar, Bölüm 2'deki geri dönüşü olmayan noktayı dikkatsizce düşen mecazi kurbağa yavruları gibi kara deliğe düşüyor.

Ama beni ve Hooft'u bu kadar endişelendiren şey, bilgi parçalarının ufukta sonsuza kadar kaybolabileceği gerçeği değildi. Bir kara deliğe düşen bilgiler, onu çok güvenli bir kasaya kilitlemekten daha kötü değildir. Burada daha uğursuz bir şeyler oluyordu. Bilgileri bir kasada saklama yeteneği pek de endişe edilecek bir durum değildir, ancak ya kapıyı kapattıktan sonra kasa gözlerinizin önünde buharlaşırsa? Bu tam olarak Hawking'in siyahlar için öngördüğü şeydi .

1983'e gelindiğinde, kara deliklerin buharlaşmasını, 1972'de West End Cafe'de Richard Feynman'la yaptığımız sohbete bağladığımdan bu yana çok zaman geçti. Kara deliklerin sonunda temel parçacıklara dönüşebileceği fikri beni hiç rahatsız etmedi. Ancak Stephen'ın ifadesi bende inanamama neden oldu: Bir kara delik buharlaştığında, onun tarafından yakalanan bilgi parçacıkları evrenimizden kaybolur. Bilgi gürültülü değil. Geri dönülmez bir şekilde ve sonsuza dek yok edilir.

Stephen, kuantum mekaniğinin mezarında mutlu bir şekilde dans ederken, 't Hooft ve ben tam bir kargaşa içindeydik. Bizim için bu fikir tüm fizik yasalarını tehdit ediyordu. Genel göreliliği kuantum mekaniği yasalarıyla birleştirmeye çalışmak bir tren kazası gibi görünüyordu.

Hooft, Werner'in çatı katında buluşmadan önce Steven'ın radikal fikrini bilip bilmediğini bilmiyorum ama bunu ilk kez ben duydum “Menno orada. Her ne olursa olsun, o zamana kadar fikir artık yeni değildi . Stephen argümanlarını birkaç yıl önce yayınlanan makalelerde geliştirdi ve evinde iyi bir iş çıkardı. "Bilgi paradoksu"ndan kaçınmak için aklıma gelen her itirazı zaten düşünmüş ve reddetmişti. Dört tanesine bakalım.

1. Kara delikler aslında buharlaşmazlar.

kara deliklerin buharlaşmasıyla ilgili varılan sonuç büyük bir sürprizdi. Ancak buharlaşmanın kanıtı çok zor olmasına rağmen son derece inandırıcıydı. Hawking (ve Bill Unruh) ufkun yakınındaki kuantum dalgalanmalarını inceleyerek, kara deliklerin bir sıcaklığa sahip olduğunu ve tüm ısıtılmış nesneler gibi termal (kara cisim) radyasyon yayması gerektiğini kanıtladı. Zaman zaman karadeliklerin buharlaşmadığını belirten bilimsel makaleler çıkıyor. Ancak bu tür makaleler, marjinal fikirlerin büyük bir çöp yığını içinde hızla kaybolur.

2. Bir kara delik kalıntısı var

Kara deliklerin buharlaşması kesin olarak belirlenmiş gibi görünse de, aynı zamanda açıktı; buharlaştıkça daha sıcak ve daha küçük hale gelirler. Bir noktada, buharlaşan kara delik o kadar ısınacak ki, aşırı derecede yüksek enerjili parçacıklar yayacak. Son buharlaşma patlamasında, şimdiye kadar deneyimlediğimiz her şeyin çok ötesinde enerjilere sahip olacaklar . Bu son nefes hakkında çok az şey biliniyor. Belki de kara delik, Planck kütlesine (yani bir toz tanesinin kütlesine) ulaştığında buharlaşmayı durduracaktır. Bu noktada yarıçapı Planck uzunluğuna eşit olacaktır ve bundan sonra ne olacağını kimse söyleyemez. Kara deliğin buharlaşmayı durdurması ve kara deliğin bir kalıntısını - yakalanan tüm bilgileri içeren küçük bir bilgi kasası - bırakması mantıklı bir olasılıktır. Bu fikre göre, bir kara deliğe düşen her bir bilgi zerresi, bu hayal edilemeyecek kadar küçük kasada sıkıca kapalı kalır. Minik Planck tortusu o zaman harika özelliklere sahip olacaktır: ölçülemeyecek kadar küçük bir parçacık olacaktır; herhangi bir miktarda bilginin gizlenebileceği yer.

Geriye kalan fikir, bilgi imhasına popüler bir alternatif olsa da (aslında doğru fikirden çok daha popüler), bana hiçbir zaman çekici gelmedi. Sorudan kaçınmak için bir hile gibi görünüyor. Ama bu sadece bir zevk meselesi değil. Sonsuz miktarda bilgiyi saklayabilen bir parçacık, sonsuz entropiye sahip olacaktır. Bu tür sonsuz entropik parçacıkların varlığı termodinamik bir felakete yol açar: Termal dalgalanmalarda ortaya çıkarak herhangi bir sistemdeki tüm ısıyı çekerler. Bence kalıntılar ciddiye alınamaz.

3. Çocuk evrenler doğar

Zaman zaman aynı şekilde başlayan e-postalar alıyorum: "Ben bir bilim insanı değilim, fizik ve matematikte pek iyi değilim ama sanırım siz ve Hickins'in ortak sorununa bir çözüm buldum. ... - bazen "Hawkings" yaz , aporoy "Hoskins" - ... çalış. Bu gönderilerde önerilen çözüm^ neredeyse her zaman çocuk evrenlerdir. Kara deliğin derinliklerinde bir yerde, bir uzay parçası parçalanır ve uzay-zaman bölgemizden ayrılmış, kendi kendine yeten küçük bir evren oluşturur. (Her zaman bir helyum balonunun kayıp gittiğini hayal etmişimdir.) Yazar genellikle bir kara deliğe düşen tüm bilgilerin bir kardeş evrende sona erdiğini savunur. Bu sorunu çözer: bilgi yok edilmez; sadece bir yere hiper uzaya, süper uzaya, meta uzaya veya çocuk evrenlerin gittiği her yere akar. Son olarak, kara delik Buharlaştığında, uzaydaki yarık iyileşir ve bir kez ayrıldıktan sonra, etkilenen parçalar tamamen gözlemlenemez hale gelir.

Çocuk evrenler, özellikle de bu kızların büyüdüğünü varsayarsak, belki de tamamen aptalca bir fikir değildir. Evrenimiz "m" ile genişliyor. Belki de her çocuk evren de genişler ve sonunda galaksiler, yıldızlar, gezegenler, köpekler, kediler, insanlar ve kendi kara delikleriyle eksiksiz bir evrene dönüşür . Ancak kayıp bilgi sorununa bir çözüm olarak, bu sadece asılsız bir konu dışıdır. Fizik gözlem ve deneyle ilgilenir. Eğer çocuk evrenler gözlemlenemez hale gelen bilgileri alıp götürürlerse, o zaman bizim dünyamız için sonuç, bu tür bir yıkımın tüm nahoş sonuçlarıyla birlikte, bilgi yok edilmiş gibi tamamen aynı olacaktır.'

4. Küvetli seçenek

Bu seçenek, Hawking'in fikrine en az popüler olan itirazdı. Kara delik ve genel görelilik uzmanları, onu "işareti kaçırdığı" gerekçesiyle reddettiler. Ancak bu bana mantıklı gelen tek olasılıktı. Bir mesaj taşıyan bir su küvetine düşen mürekkep damlalarını hayal edin: boule, boule , boule, boule, boule, pass, boule, boule.

Çok hızlı bir şekilde, açıkça tanımlanmış damlalar çözülmeye başlar, mesajı okumak gittikçe zorlaşır ve suyun üzerine mürekkep bulutları yayılır.

Bölüm 1'de kısaca bahsettiğim gibi, bu sonuçlardan en can sıkıcı olanı, bilgi kaybının entropide bir artışa, dolayısıyla da ısı üretimine işaret etmesidir. Bansk, Peskin ve ben, kuantum dalgalanmalarının daha sonra termal dalgalanmalara dönüşeceğini ve dünyanın neredeyse anında inanılmaz derecede yüksek bir sıcaklığa ısınacağını gösterdik.

Birkaç saat sonra geriye sadece homojen, hafif grimsi suyla dolu bir küvet kalır.

Pratik bir bakış açısından, mesaj umutsuzca gürültülü olsa da, kuantum mekaniğinin ilkeleri, çok sayıda hareket eden molekülün kaosunda hala mevcut olduğunu söylüyor. Ancak çok geçmeden sıvı küvetten buharlaşmaya başlar. Molekül molekül, mürekkep ve su boşluğa sızarak küveti boş ve kuru bırakır. Bilgi kaybolur ama yok olur mu? Kurtarmanın pratik bir yolu olmayacak kadar gürültülü olmasına rağmen, tek bir bilgi bile kaybolmadı. Ona ne olduğu oldukça açık: uzaya uçan bir molekül bulutu olan buharlaşma ürünleri tarafından götürüldü.

Kara deliklere dönersek, buharlaştıklarında içlerine düşen bilgilere ne olduğunu düşünelim. Bir kara delik küvet gibi bir şeyse, o zaman cevap aynıdır: tüm bilgi parçaları sonunda kara deliğin enerjisini taşıyan fotonlara veya diğer parçacıklara aktarılır. Başka bir deyişle, bilgi, Hawking radyasyonunu oluşturan sayısız parçacık arasında depolanır. T Hooft ve ben durumun böyle olduğuna ikna olmuştuk. Ancak kara delik uzmanlarının neredeyse hiçbiri bize inanmadı.

Stephen'ın bilgi paradoksunu anlamanın başka bir yolu daha var. Kara deliğin kaybolmasına izin vermek yerine; buharlaştıkça, küçülmesini önlemek için onu yeni öğelerle -bilgisayarlar, kitaplar, CD'ler- tam doğru hızda besleyeceğiz. Yani kara deliğin küçülmesini engellemek için sonsuz bir bilgi akışıyla kayıplarını telafi edeceğiz. Hawking'e göre kara delik, büyümemesine rağmen (biz onu besledikçe buharlaşır), herhangi bir kısıtlama olmaksızın bilgiyi yutar.

Bütün bunlar bana çocukluğumda en sevdiğim sirk numarasını hatırlatıyor. Ben en çok palyaçoları beğendim ve performansları içinde beni en çok palyaço fragmanındaki hile etkiledi. Bunu nasıl yaptıklarını bilmiyorum ama şaşırtıcı sayıda palyaço çok küçük bir kabine sıkıştı. Peki ya karavana sonsuz bir palyaço akışı girerse ama kimse çıkmazsa? Bu sonsuza kadar devam edemez, değil mi? Herhangi bir arabanın palyaço kapasitesi sınırlıdır ve tamamen dolduğunda , en azından bir şey - belki palyaçolar veya belki sosisler - geri gelmeye başlamalıdır.

Bilgi palyaçolar gibidir ve kara delikler onların karavanı gibidir. Belirli bir boyuttaki bir kara delik için, içerebileceği bit sayısının bir sınırı vardır. Bu sınırın kara deliğin entropisi olduğunu zaten tahmin edebilirsiniz. Bir kara delik diğer nesneler gibiyse, kap dolduğunda ya delik büyümeye başlamalı ya da bilgi dışarı sızmaya başlamalıdır. Ama ufuk gerçekten geri dönüşü olmayan bir noktaysa, nasıl sızabilir?

Stephen bu kadar bilgisiz miydi ve Hawking radyasyonunun gizli bilgiler içerebileceğini görmemiş miydi? Tabii ki değil. Stephen gençliğine rağmen kara delikler hakkında en az herkes kadar, hatta benden çok daha fazla şey biliyordu. Banyo benzetmesi hakkında çok derin düşündü ve onu reddetmek için iyi bir neden buldu.

Bir Schwarzschild kara deliğinin geometrisi 1970'lerin ortalarında tamamen açıktı. Konuya dahil olan herkes ufku geri dönülmez bir nokta olarak görüyordu. Ve lağım benzetmesi gibi, Einstein'ın teorisi de istemeden ufku geçen kimsenin özel bir şey fark etmeyeceğini öngördü: ufuk, fiziksel bir somutlaşmaya sahip olmayan matematiksel bir yüzeydir.

Aşağıdaki en önemli iki gerçek, rölativistlerin ruhlarına tanıtıldı.

♦ Ufukta bir cismin kara deliğe düşmesini engelleyebilecek hiçbir engel yoktur.

♦ Hiçbir şey - ne bir foton ne de herhangi bir sinyal - ufuktan geri gelemez. Bunu yapmak için, Einstein'a göre imkansız olan ışık hızını aşmak gerekir .

Bunu mümkün olduğu kadar açık hale getirmek için, 2. Bölüm'deki sonsuz göle, ortasında tehlikeli bir kanalla dönelim.

Akışla yüzen bir parça bilgi düşünün. Geri dönülmez noktayı geçmediği sürece geri getirilebilir. Ancak bu noktaya yakın bir uyarı yok; vuruş onun yanından sıçrayarak geçecek ve bir kez geçtiğinde hız sınırını aşmadan geri dönemeyecektir. Şimdi ritim sonsuza kadar kayboldu.

Genel göreliliğin matematiği, kara deliklerin ufukları hakkında hiçbir şüphe bırakmadı. Bunlar, düşen nesneler için herhangi bir engel oluşturmayan, geri dönüşü olmayan işaretlenmemiş noktalardı.

Bu anlayış, tüm teorisyenlerin zihinlerinde derinden kök salmıştır. Bu nedenle Hawking, parçaların yalnızca ufukta düşmediğinden, aynı zamanda dış dünya tarafından sonsuza kadar kaybolduğundan da emindi. Kara deliklerin buharlaştığını keşfeden Stephen, bilginin bu radyasyonla kaçamayacağı sonucuna vardı. Kalmalı - ama nerede? Kara delik buharlaştıktan sonra saklanabileceği bir yer kalmayacak.

Werner'ı kötü bir ruh halinde bıraktım . San Francisco standartlarına göre çok soğuktu, üzerimde ince bir ceket vardı, arabamı nereye park ettiğimi hatırlamıyordum ve iş arkadaşlarıma çok kızgındım. Ayrılmadan önce onlarla Stephen'ın argümanlarını tartışmaya çalıştım ve görünürdeki merak ve ilgi eksikliği beni şaşırttı. Grup çoğunlukla yerçekimine çok az ilgi duyan nükleer fizikçilerden oluşuyordu. Feynman gibi onlar da Planck ölçeğinin temel parçacıkların özelliklerini etkileyemeyecek kadar uzakta olduğuna inanıyorlardı. Roma yanıyordu ve Hunlar kapılardaydı ama kimse fark etmemişti.

Eve giderken trafik o kadar yoğundu ki, Route 101* üzerindeki trafik aralıklı olarak durdu. Stephen'ın ifadesini aklımdan çıkaramıyordum. Trafikte buz tutmuş ön cama birkaç diyagram ve denklem çizdim ama çıkış yolu bulamadım. Ya bilgi kaybolur ve sonra fiziğin temel yasaları tam bir revizyon gerektirir ya da Einstein'ın yerçekimi teorisi bir kara deliğin ufkunun yakınında hiç çalışmaz.

Otoyol 101, Amerika Birleşik Devletleri'nin tüm Batı Kıyısı boyunca uzanır. - Çeviriyi kabul et.

Hooft hepsini nasıl aldı? Çok net söyleyebilirim . Hawking'in açıklamalarına muhalefeti inkar edilemezdi. Gerard'ın bakış açısını bir sonraki bölümde anlatacağım ama önce onun en güçlü silahı olan S-matrix'in anlamını açıklamalıyım.

onbir

Danimarka direnişi

Bize değil, merkezi yıldızı Güneş'ten on kat daha ağır olan bir gezegen sisteminin başına gelen uzun bir hikaye ile başlayalım. Bu sistem her zaman gezegensel değildi; çoğunlukla hidrojen ve helyum atomlarından oluşan dev bir gaz bulutundan kaynaklanır, ancak periyodik tablodaki diğer tüm elementlerden bir tutam içerir. Ayrıca serbest elektronlar ve iyonlar da vardır. Başka bir deyişle, her şey çok seyrek bir parçacık bulutu ile başlar.

Ve burada yerçekimi devreye giriyor. Bulut kendini çekmeye başlar. Kendi ağırlığının etkisiyle sıkıştırılır ve bu süreçte çekim potansiyel enerjisi kinetik enerjiye dönüşür. Parçacıklar, aralarındaki boşluk küçüldükçe daha hızlı hareket eder. Bulut yoğunlaştıkça ısınır ve nihayet tutuşup bir yıldız olacak kadar ısınır. Ancak yıldız tüm gazı tutmaz; bazıları yörüngede kalır ve küçülerek gezegenlere, asteroitlere, kuyruklu yıldızlara ve diğer enkazlara dönüşür.

On milyon yıl geçti ve şimdi yıldız hidrojen rezervlerini tüketti. Bu noktada, belki sadece birkaç yüz bin yıl süren kısa bir dönem, kırmızı bir süperdev şeklinde hayatına başlar. Sonunda ölür ve feci, içe doğru bir patlamada bir kara deliğe yol açar.

Sonra yavaşça, çok yavaşça, kara delik kütlesini yayar. Hawking buharlaşması uzayda dağılır, enerjiyi fotonlar ve diğer parçacıklar biçiminde uzaklaştırır. Korkunç derecede uzun bir süreden sonra - yaklaşık 68 yıl gibi bir şey - kara delik, yüksek enerjili parçacıkların son patlamasında kaybolur. O zamana kadar, gezegenler çoktan temel parçacıklara ayrışmıştı.

Parçacıklar gelir ve parçacıklar gider, tarih böyle gider. Laboratuarlarda meydana gelenler de dahil olmak üzere temel parçacıkların tüm çarpışmaları aynı şekilde başlar ve biter: parçacıklar yaklaşır ve sonra uzaklaşır ve aralarındaki aralıkta bir şey olur. Öyleyse neden bir yıldızın uzun tarihi, bir aşamada bir kara delik içerse bile, temel parçacıkların herhangi bir çarpışmasından temel olarak farklıdır? Gerard 't Hooft , hiçbir fark olmadığını yarı yarıya söyledi ve bu, Hawking'in hatasını açıklamanın anahtarı olabilir.

saçılma - saçılma kelimesinden geldiği matematiksel bir nesne ile tanımlanır . S-matrisi, olasılıklara dönüştürülebilen sayısal değerlerle, olası tüm koşulların ve bir karşılaşmanın sonuçlarının dev bir tablosudur. Bu elbette kalın bir kitap şeklinde basılmış bir tablo değil, belli bir matematiksel soyutlamadır.

Işık hızının sırasıyla %20'si ve %4'ü hızlarla yatay eksen boyunca birbirine doğru hareket eden bir elektron ve bir proton düşünün . Çarpışmalarının nihai sonucunun bir elektron, bir proton ve dört foton daha olma olasılığı nedir? S-matrisi, çarpışmanın kuantum tarihini bir araya getiren bu tür olasılıkların (kesinlikle konuşursak, olasılık genlikleri) matematiksel bir tablosudur, t Hooft, benim gibi, yıldızın tüm tarihinin (gaz bulutu) olduğuna derinden ikna olmuştu. gezegen sistemi -> kırmızı dev -> kara delik -> Hawking radyasyonu) tek bir S matrisine indirgenebilir.

S matrisinin en önemli özelliklerinden biri tersinirliktir. Bu terimin anlamını anlamaya yardımcı olmak için uç bir örnek vereceğim. Düşünce deneyimiz iki "parçacığın" çarpışmasını içeriyor. Bunlardan biri oldukça sıradışı olacak. Bu, tek bir temel parçacık değil, çok sayıda plütonyum atomudur. Aslında bu son derece tehlikeli parçacık, tek bir elektronun etkisi altında çalışabilecek kadar hassas bir sigortaya sahip bir atom bombasıdır .

Çarpışmaya dahil olan diğer parçacık sadece bir elektron olacaktır. Yani, S-matris tablosunun girişinde bir bombamız ve bir elektronumuz var. Ve çıktı ne olacak? Kaos. Sıcak gaz atomlarının, nötronların, fotonların ve nötrinoların rastgele patlaması. Elbette, gerçek bir S matrisi inanılmaz derecede karmaşık olacaktır. Ortaya çıkan tüm parçaları, hareket yönleri ve hızlarıyla birlikte ayrıntılı olarak listelemeli ve ardından olası her sonuç için karşılık gelen olasılık genliğini vb . S matrisinin ölçülemeyecek kadar basitleştirilmiş bir versiyonu şuna benzer:[1]'

çıkış

1		elektron, proton ve dört foton	* * *	parça	Daha
	elektron, proton ve foton	0,002+0,321"
	*
	*		olasılık genlikleri
	*
	*
	*
	elektron ve bomba			0,012 + 0,002"	0,143

Gerard thooft, Kara Delik Savaşı'na S-Matrix bayrağı altında girdi. Pozisyonu tamamen açıktı: Bir kara deliğin oluşumu ve müteakip buharlaşması, parçacık çarpışmasının çok karmaşık bir örneğidir. Temel olarak, bu, laboratuvarda bir elektronun bir protonla çarpışmasından farklı değildir. Aslında, bir elektron ve bir protonun enerjisini inanılmaz bir oranda artırmak mümkün olsaydı, çarpışmaları bir kara delik oluştururdu. Bir gaz bulutunun çökmesi, bir kara delik yaratmanın yollarından yalnızca biridir. Yeterince büyük bir hızlandırıcı ile sadece iki parçacık, daha sonra buharlaşan bir kara delik oluşturabilir.

Stephen Hawking'e göre, S matrisinin bilginin korunumunu varsayması, bir kara deliğin geçmişine ilişkin böyle bir tanımlamanın yanlışlığını kanıtladı. Ona göre, bir gaz bulutu hakkındaki kesin bilgiler - ister hidrojen, ister helyum veya gülme gazı olsun - geri dönüşü olmayan noktayı geçiyor ve kara delik buharlaştığında yok oluyor. Orijinal gaz topaklı mı yoksa homojen miydi, tam olarak kaç tane parçacık içeriyordu - tüm bu ayrıntılar sonsuza kadar kayboldu. Ortaya çıkan tüm parçacıkların tersine çevrilmesi ve tüm olayların geriye doğru izlenmesi, başlangıç durumunun yeniden oluşturulmasına yol açmayacaktır. Hawking'e göre, nihai radyasyonun tersine çevrilmesi yalnızca daha homojen bir Hawking radyasyonu üretecektir.

Hawking haklıysa, o zaman tüm süreç "parçacıklar -" kara delik -> Hawking radyasyonu "S-matrisine dayalı sıradan matematikle açıklanamaz. Bu nedenle Stephen, onun yerini alacak yeni bir konsept buldu. Yeni kod, orijinal bilgilerin silinmesine yol açan ek bir rastgelelik derecesine sahipti. Stephen, S matrisini değiştirmek için "S olmayan matrisi" icat etti. Bunu "$" sembolü ile belirledi ve dolar matrisi olarak bilinmeye başlandı.

S matrisi gibi, dolar matrisi de girdiyi çıktıyla ilişkilendiren yasadır. Ancak, başlangıç noktasından miras alınan farklılıkları korumak yerine, bir kara delik söz konusu olduğunda, dolar matrisi, aksine, girdinin Alice mi, beyzbol mu yoksa üç günlük bir maç mı olduğunu fark etmeyene kadar bu farklılıkları bulanıklaştırır. -eski pizza - tersine döndükten sonra hala aynı ve aynı çıkıyor. Bilgisayarınızı tüm dosyalarla birlikte kara deliğe atın. Tamamen homojen bir Hawking radyasyonu geri gelecek. Bu eylem tersine çevrilirse, S matrisi bilgisayarı bir araya getirecek, ancak aynı homojen Hawking radyasyonu $ matrisinden dışarı akacaktır. Hawking'e göre, geçmişin tüm hatırası geçici bir kara deliğin kalbinde kaybolmuştur.

Çok talihsiz bir çıkmazdı. Gerard şöyle dedi: S-matris, Steven dedi ki: $-matris. Stephen'ın argümanları açık ve inandırıcıydı, ancak Gerard'ın kuantum mekaniği yasalarına olan inancı sarsılmazdı.

Belki bazılarının dediği gibi, Gerard ve ben Steven'ın vardığı sonuçlara karşı çıktık, çünkü fizikçiler olarak görelilikle değil temel parçacıklarla ilgileniyorduk. Parçacık fiziği metodolojisinin neredeyse tamamı, çarpışmaların tersine çevrilebilir bir S-matrisi tarafından kontrol edildiği ilkesi etrafında döner. Ama ben öyle düşünmüyorum. "temel parçacık" şovenizmi nedeniyle bu yasayı kaldırmayı reddettik. Sadece kara delikler teorisi değil, tüm fizik / bilgi kaybına kapı aralansaydı yeraltı dünyası tarafından yutulacaktı. Stephen'ın meydan okuması, koca bir teorik dinamit paketinin fitilini ateşledi.

Bu göz önüne alındığında, belki de fizikçilerin bir bomba patlamasının tersine çevrilebileceğine neden inandıklarını açıklamanın zamanı gelmiştir. Bu, elbette, laboratuvarda test edilemez. Ancak tüm uçan atomları ve fotonları yakalayıp geri yerleştirebildiğimizi hayal edin. Sonsuz hassasiyetle yapılırsa, fizik yasaları bombanın yeniden yaratılmasına yol açar. Ancak en ufak bir hata, belki tek bir kayıp foton, hatta o fotonun yönünü belirlemedeki en ufak bir hata felakete yol açar. En ufak bir yanlışlık artma eğilimindedir. Hedefine ulaşamayan tek bir sperm, diyelim ki Cengiz Han'ın babasına ait olsaydı, tarihi değiştirebilirdi. Bilardoda topların ilk dizilişindeki veya ilk vuruşun yönündeki ufak bir değişiklik her çarpışmada büyüyerek bambaşka bir sonuca yol açar. Aynı şey bir bomba patladığında ve bir çift yüksek enerjili parçacık çarpıştığında da olur: hareketlerini tersine çevirmedeki en ufak bir hata - ve sonucun orijinal bomba veya orijinal parçacıklarla hiçbir ilgisi olmayacaktır.

Öyleyse neden tüm parçaların mükemmel bir şekilde tersine çevrilmesinin bombayı geri getireceğinden bu kadar eminiz? Bunu biliyoruz çünkü atom fiziğinin temel matematiksel yasaları tersine çevrilebilir. Bu yasalar, bombalardan çok daha basit durumlarda inanılmaz bir doğrulukla test edildi. Bir bomba, bir atom koleksiyonundan başka bir şey değildir. Elbette patlama sırasında 27 atomun hareketlerini takip etmek çok zor ama atom kanunları bilgimiz çok güvenilir.

Ancak patlayan bir bombanın yerini buharlaşan bir kara delik aldığında, atomlar ve atom fiziği yasaları neyi değiştirir? t Hooft, ufkun doğası hakkında birçok parlak fikre sahip olmasına rağmen, bu soruya net bir cevap vermedi. Hayır, atomların ufka entropi veren mikroskobik nesnelerle değiştirilmesi gerektiğini kesinlikle biliyordu. Ama bu nedir ve tam olarak hangi yasalara göre hareket eder, birleşir, ayrılır ve birleşir? Hooft bunu bilmiyordu. Hawking ve çoğu rölativist, "Termodinamiğin ikinci yasası bize fiziksel süreçlerin tersine çevrilemeyeceğini söyler" diyerek böylesine mikroskobik bir gerekçelendirme fikrini basitçe reddetti.

Aslında, ikinci yasanın söylediği bu değildir. Fiziği tersine çevirmenin inanılmaz derecede zor olduğunu ve en ufak bir hatanın tüm çabaları boşa çıkaracağını söylüyor. Dahası, tüm detayları - mikro yapıyı - tam olarak bilmek gerekir, aksi takdirde başarısızlık kaçınılmazdır.

Ben kendim, tartışmaların ilk yıllarında $ matrisinin değil, S matrisinin doğru olduğuna inanıyordum. Ama sadece "$ için S" demek ikna edici olmaz. Yapılabilecek en iyi şey, kara delik entropisinin gizemli mikroskobik kökenini keşfetmeye çalışmaktı. Ve her şeyden önce, Stephen'ın muhakemesindeki hatanın nerede olduğunu anlamak gerekiyordu.

12

Kimin endişesi?

Hiç kimse Hawking radyasyonunu kanseri tedavi etmek veya buhar motorunu iyileştirmek için kullanmaz. Kara delikler asla bilgi depolamak veya düşman savaş başlıklarını emmek için kullanılmayacaktır. Daha da kötüsü, parçacık fiziği veya galaksiler arası astronominin -muhtemelen hiçbir zaman pratik uygulama bulamayacak iki disiplinin- aksine, kara delik buharlaşmasının kuantum teorisi muhtemelen hiçbir zaman doğrudan gözlem veya deneyle test edilmeyecek. Öyleyse neden biri zamanını bununla harcasın ki?

Bu soruyu cevaplamadan önce, Hawking radyasyonunun neden gözlenemeyeceğini açıklayayım. Astronomik bir kara deliğe onu ayrıntılı olarak görmek için yeterince yaklaşabileceğimiz bir geleceğe hızla ilerleyelim. Ancak o zaman bile basit bir nedenden dolayı buharlaşmasını gözlemleme şansı olmayacak: şu anda tek bir kara delik buharlaşmıyor. Aksine, hepsi enerjiyi emer ve büyür; en yalnız kara delik bile ısı ile çevrilidir. Galaksiler arası uzayın olabildiğince soğuk olan en ıssız bölgeleri, yine de yıldız kütleli bir karadelikten daha sıcaktır. Uzay, Büyük Patlama'dan kalan kara cisim radyasyonu (fotonlar) ile doludur. Evrendeki en soğuk yerler mutlak sıfırın üzerinde üç derece kadar sıcakken, en sıcak kara delik yüz milyonlarca kat daha soğuktur.

Termal enerji kendiliğinden her zaman sıcaktan soğuğa doğru akar ve asla ters yönde akmaz, bu nedenle uzayın daha sıcak kısımlarından gelen radyasyon soğuk karadeliklere akar. Karanlıkta olduğu gibi buharlaşmak ve küçülmek yerine

Uzayda mutlak sıfır sıcaklıklarda, gerçek kara delikler sürekli olarak enerji emiyor ve büyüyor.

Uzay bir zamanlar şimdikinden çok daha sıcaktı ve gelecekte evrenin genişlemesi onu çok daha soğuk yapacak. Sonunda, yüz milyarlarca yıl sonra, yıldız karadeliklerinden daha soğuk olacak kadar soğuyacak. Bu olduğunda, kara delikler buharlaşmaya başlayacak. (O zaman kimse izleyecek mi? Kim bilir, ama iyimser olalım.) Yine de, buharlaşma son derece yavaş olacaktır - bir kara deliğin kütlesinde ve boyutunda en ufak bir değişikliği bile görmek en az 1060 yıl alacaktır - bu nedenle olası değildir. hiç kimsenin küçülen bir kara delik görmüş olması . Son olarak, evrendeki tüm zaman elimizde olsa bile, Hawking radyasyonunun taşıdığı bilgiyi deşifre etme ümidi yoktur.

Hawking radyasyonunun içerdiği mesajları deşifre etme girişimleri o kadar umutsuzsa, onları denemenin bir anlamı yok, bu sorun neden hala fizikçileri bu kadar endişelendiriyor? Cevap biraz bencilce geliyor: Bunu dünyanın nasıl çalıştığına ve fizik yasalarının birbiriyle nasıl ilişkili olduğuna dair merakımızı gidermek için yapıyoruz.

Aslında, fiziğin çoğu için aynı şey söylenebilir. Bazen pragmatik sorular derin bilimsel araştırmalara yol açar. Örneğin, buhar mühendisi Sadi Carnot, geliştirilmiş bir buhar makinesi yapmaya çalışarak fizikte devrim yarattı. Ancak çok daha sık olarak, saf merak fizikte bir paradigma değişikliğine yol açtı. Merak - tıpkı bir kaşıntı gibi - her zaman kaşınmak için çeker. Ve hiçbir şey bir fizikçi için bir paradokstan, hakkında her şeyi bildiğini sandığı farklı şeyler arasındaki uyumsuzluktan daha fazla canını sıkamaz. Bir şeyin nasıl çalıştığını bilmemek de yeterince tatsız, ancak zaten iyi bilinen fikirler arasında bir çelişki bulmak, özellikle de en temel ilkeler çatıştığında, kesinlikle dayanılmaz. Bu tür birkaç çarpışmayı hatırlamak ve bunların fiziği nasıl çok geniş kapsamlı sonuçlara götürdüğünü göstermek yersiz olmayacaktır.

Eski Yunan filozofları, tamamen ayrı iki fenomen dünyasını - göksel ve dünyevi - tanımlayan iki uyumsuz teorinin paradoksal bir mirasını bıraktılar. Gök cisimlerinin dünyası artık astronominin idaresine aittir. Daha iyi, daha temiz, daha mükemmel olduğuna inanılıyordu - bu, sonsuz ve kesin hareketin harika bir dünyası. Aristoteles'e göre, her gök cismi elli beş ideal eşmerkezli kristal küreden biri boyunca hareket ediyordu.

Aksine, dünyevi fenomenlerin yasaları bozuk kabul edildi. Dünyanın çirkin yüzeyinde hareket etmek her zaman zor bir konu olmuştur. Sallanan ve gıcırdayan yüklü bir araba, at onu çekmeyi bırakırsa duracaktır. Madde parçaları kelimenin tam anlamıyla yere düşer ve orada kalır. Bu temel yasalar dört elementi yönetir: ateş yükselir, hava yükselir, su düşer, toprak en alçak noktasına kadar alçalır.

Yunanlılar, bu çok farklı iki yasa grubundan son derece memnun görünüyorlar. Ancak Galileo ve hatta Newton bu ikilemi dayanılmaz buldu. Galileo, iki ayrı doğa yasası sistemi fikrini çürüten bir deneyle ortaya çıktı. Bir dağın tepesinde durduğunu ve oradan taşlar attığını hayal etti: ilk önce, taş ayaklarından birkaç metre uzağa düştü; sonra daha güçlü, böylece düşmeden önce birkaç bin kilometre uçtu; ve son olarak, taş Dünya'yı dairesel bir yörüngede daire içine alacak şekilde daha da güçlü. Bu yeni bir paradoks yaratır: Dünyevi bir taş göksel bir cisim haline gelebiliyorsa, neden dünyevi olayların yasaları göksel olayların yasalarından bu kadar farklıdır?

Galileo'nun öldüğü yıl doğan Newton bu bilmeceyi çözdü. Aynı yerçekimi yasasının bir elmayı ağaçtan düşürdüğünü ve Ay'ı Dünya'nın, Dünya'yı da Güneş'in etrafında yörüngede tuttuğunu fark etti. Newton'un hareket ve yerçekimi yasaları, evrensel fizik yasalarının ilk sistemiydi. Newton, geleceğin uzay mühendisleri için ne kadar yararlı olacağını biliyor muydu? Pek umursamadı. Pragmatizmden değil, meraktan hareket ediyordu.

Başka bir olayda Ludwig Boltzmann'ın kafasında büyük bir kaşıntı oluştu ve kafayı şiddetle kaşımaya başladı. Bir kez daha ilkeler çatıştı: Her zaman entropide artış gerektiren tek yönlü bir yasa, Newton'un tersinir hareket yasalarıyla nasıl bir arada var olabilir? Laplace'ın inandığı gibi, dünya Newton yasalarına uyan parçacıklardan oluşuyorsa, o zaman onları ters yönde fırlatmak mümkün olmalıdır. Boltzmann sonunda entropinin gizli mikroskobik bilgi olduğunu ve sonra entropinin her zaman artmadığını fark ederek sorunu çözdü . Zaman zaman beklenmedik olaylar meydana gelir. Desteyi karıştırırsınız ve tamamen şans eseri, kartlar kesinlikle artan sırada istiflenir; solucanlar karoları, sinekleri ve maçaları takip eder. Ancak, entropi azaltan olaylar çok nadir istisnalardır. Boltzmann, entropinin neredeyse her zaman arttığını söyleyerek paradoksu çözdü . Bugün, Boltzmann'ın istatistiksel entropi görüşü, uygulamalı bilgi biliminin temeli haline geldi, ancak kendisi için entropinin gizemi, onu kaşındıran korkunç bir kaşıntıdan başka bir şey değildi.

İlginç bir şekilde, Galileo ve Boltzmann vakalarında, yeni bir deneysel keşif sonucunda çelişkiler ortaya çıkmadı. Her seferinde anahtarın doğru düşünce deneyi olduğu ortaya çıktı. Galileo'nun taş atma deneyi ve Boltzmann'ın zamanı tersine çevirme deneyi hiçbir zaman gerçekleştirilmedi; sadece onları düşünmek yeterliydi. Ama düşünce deneyinin en büyük ustası Albert Einstein'dı.

20. yüzyılın başında iki derin çelişki peşini bırakmadı. Birincisi, Newton fiziğinin ilkeleri ile Maxwell'in ışık teorisi arasındaki çatışmaydı. Einstein ile ilişkilendirdiğimiz görelilik ilkesi aslında Newton'a ve hatta Galileo'ya kadar uzanıyor. Bu, fizik yasalarının farklı referans çerçevelerinden nasıl göründüğüne dair basit bir ifadedir. Bunu anlamak için, başka bir şehre trenle giden bir top hokkabazlığı sirk sanatçısı hayal edin. Yolda biraz pratik yapmak istedi. Ama hareket halindeki bir trende hiç hokkabazlık yapmadı ve merak ediyor: "Havaya bir top atıp yakaladığımda trenin hareketini telafi etmem gerekecek mi? Tahmin etmelisin. Tren batıya hareket ediyor. Bu yüzden atılan topu biraz doğudan yakalamam gerekiyor. Bunu tek topla yapmaya çalışıyor. Uçarken, yakalama eli doğuya hareket eder ve bam! - Top yere düşer. Hokkabaz tekrar dener, bu sefer doğu telafisinin miktarını azaltır. Yine başarısızlık.

Trenin çok kaliteli yakaladığını söylemeliyim. Üzerinde yürüdüğü raylar o kadar pürüzsüz ve arabaların süspansiyonu o kadar harika ki, hareket yolcular tarafından tamamen algılanamıyor. Hokkabaz sırıtır ve kendi kendine şöyle der: “Anlıyorum. Trenin nasıl yavaşladığını ve durduğunu fark etmedim . Ayrılana kadar her zamanki gibi egzersiz yapabilirim. Hokkabazlığın eski güzel kurallarına geri döneyim." Ve burada her şey harika çıkıyor.

Hokkabazın pencereden dışarı baktığında arazinin 150 km/s gibi iyi bir hızla geri estiğini gördüğünde ne kadar şaşırdığını hayal edin. Derinden kafası karışmış bir hokkabaz, palyaço arkadaşından (aslında tatilde bir Harvard fizik profesörü) açıklama ister. Ve palyaçonun cevapladığı şey şu: "Newton mekaniğinin ilkelerine göre, hareket yasaları, eğer birbirlerine göre düzgün hareket ediyorlarsa, tüm referans çerçevelerinde aynıdır. Dolayısıyla, yerde duran bir referans çerçevesinde ve düzgün hareket eden bir trenle birlikte hareket eden bir referans çerçevesinde hokkabazlık kuralları tamamen aynıdır. Tamamen vagon içinde yapılan hiçbir deneyde trenin hareketini tespit etmek mümkün değildir. Sadece pencereden dışarı bakarak trenin yere göre hareket ettiğini söyleyebilirsiniz ve o zaman bile hangisinin hareket ettiğini, trenin mi yoksa yerin mi olduğunu anlayamazsınız. Tüm hareketler görecelidir. Şaşıran hokkabaz toplarını alır ve egzersiz yapmaya devam eder.

Tüm hareketler görecelidir. Bir vagonun 150 km/s hızla hareketi, Dünya'nın Güneş etrafında 30 km/s hızla hareketi ve güneş sisteminin galaksi etrafında 200 km/s hızla hareketi, düzgün çalıştıkları sürece saptanamaz. .

Düz? Bu ne anlama geliyor? Trenin kalkış saatinde bir hokkabaz düşünün. Aniden tren hareket eder. Bu durumda, yalnızca Toplar geri kaydırılmakla kalmaz, aynı zamanda hokkabazın kendisi de Bölmenin üzerine düşebilir. Tren durduğunda buna benzer bir şey oluyor. Ya da tren raylardaki keskin bir virajdan geçiyor diyelim. Kesinlikle tüm bu durumlarda jonglörlük kurallarının değiştirilmesi gerekecektir. Onlara hangi yeni içerik eklenecek? Cevap ivmedir.

Hızlanma, hızdaki bir değişiklik anlamına gelir. Bir vagon hareket etmeye başladığında veya aniden durduğunda hızı değişir ve ivme oluşur. Bir dönüş yaptığınızda ne olacak? Bu daha az belirgindir, ancak gerçek şu ki burada hız değişir - büyüklük olarak değil, yön olarak. Bir fizikçi için, hem büyüklük hem de yön bakımından hızdaki herhangi bir değişiklik bir ivmedir. Dolayısıyla görelilik ilkesinin açıklığa kavuşturulması gerekiyor:

Fizik yasaları, birbirine göre düzgün (ivme olmadan) hareket eden tüm referans çerçevelerinde aynıdır. Görelilik ilkesi ilk olarak Einstein'ın doğumundan yaklaşık 250 yıl önce formüle edildi. Einstein neden bu kadar ünlü? Çünkü görelilik ilkesi ile fiziğin başka bir ilkesi olan Maxwell ilkesi arasında bariz bir çelişki keşfetti. 2. ve 4. bölümlerde tartışıldığı gibi, James Clerk Maxwell modern elektromanyetizma teorisini, doğadaki tüm elektrik ve manyetik kuvvetlerin teorisini keşfetti. Maxwell'in en önemli başarısı, ışığın büyük sırrını keşfetmesiydi. Işığın, deniz yüzeyindeki dalgalar gibi uzayda hareket eden elektriksel ve manyetik bozulma dalgalarından oluştuğunu savundu. Ama bizim için en önemli şey, Maxwell'in kanıtladığı gibi, ışığın boşlukta her zaman tam olarak aynı hızda - yaklaşık 300.000 km/s' hızla gitmesidir. Maxwell prensibi dediğim şey bu:

Işık nasıl üretilirse üretilsin, boşlukta her zaman aynı hızla hareket eder.

Ama şimdi bir sorunumuz var - iki ilke arasında ciddi bir çelişki. Einstein, görelilik ilkesi ile ilke arasındaki çelişki konusunda endişelenen ilk kişi değildi.

* Işık sudan veya camdan geçtiğinde hızı bir miktar azalır. Maxwell döngüsü; ama sorunu daha net gördü. Diğerleri deneysel verilerle uğraşırken, düşünce deneyinin ustası Einstein, tamamen kafasının içinde yaptığı bir deneyle uğraşıyordu. Einstein'ın kendi anılarına göre, 1895'te 16 yaşındayken aşağıdaki paradoksu formüle etti. Kendini ışık hızında hareket eden bir vagonda hayal ederken , yanında aynı yönde hareket eden bir ışık dalgası görür. Hareketsiz duran bir ışık demeti görecek mi?

Einstein'ın zamanında helikopter yoktu, ama onun denizin üzerinde okyanus dalgalarıyla tam olarak aynı hızda süzüldüğünü hayal edebiliyoruz. Dalgalar donmuş görünecektir. Tam olarak aynı şekilde, on altı yaşındaki genç, arabanın yolcusunun (size ışık hızında hareket ettiğini hatırlatırım) tamamen hareketsiz bir ışık dalgası bulacağını düşündü. Her nasılsa, Einstein, genç yaşta Maxwell'in teorisinin denklemlerini, çizdiği resmin imkansız olduğunu anlayacak kadar biliyordu: Maxwell'in prensibi, ışığın her zaman aynı hızda hareket ettiğini söyler. Doğa yasaları tüm referans çerçevelerinde aynıysa, Maxwell ilkesi hareket halindeki bir trene de uygulanabilir. Maxwell ilkesi ve Galileo'nun görelilik ilkesi kafa kafaya gitti.

Einstein, bir çıkış yolu bulana kadar on yıl boyunca kaşındı. 1905'te tamamen yeni bir uzay ve zaman kavramını, özel görelilik teorisini formüle ettiği ünlü makalesi "Hareketli Cisimlerin Elektrodinamiği Üzerine" yazdı. Uzaklık ve süre hakkındaki fikirleri ve özellikle de iki olayın eşzamanlılığından ne kastettiğimizi kökten değiştirdi.

Einstein, özel görelilik kuramını ortaya atarken, başka bir paradoksla kafası karışmıştı. 20. yüzyılın başında, fizikçiler siyah-Il radyasyonu nedeniyle son derece şaşkındı. Siyahı açıkladığım 9. bölümü hatırla.

Einstein A. Hareketli cisimlerin elektrodinamiği üzerine // Bilimsel çalışmaların toplanması: 4 ciltte T. 1. M., 1965. S. 7. - Not. çeviri

Radyasyon, parlak sıcak bir nesne tarafından yayılan elektromanyetik enerjidir. Mutlak sıfır sıcaklıkta tamamen boş, kapalı bir kap düşünün. Kabın içinde mükemmel bir vakum olacaktır. Şimdi kabı dışarıdan ısıtalım. Dış duvarlar siyah cisim radyasyonu yaymaya başlar, aynı şey iç duvarlarda da olur. Radyasyonları, kabın içindeki kapalı alana girer ve kara cisim radyasyonu ile dolar. Farklı uzunluklardaki elektromanyetik dalgalar hacim boyunca akar, iç duvarlardan seker: kırmızı ışık, mavi, kızılötesi ve tayfın diğer tüm renkleri.

Klasik fiziğe göre tüm dalga boyları -mikrodalgalar, kızılötesi, kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi ve ultraviyole- enerjiye eşit şekilde katkıda bulunmalıdır. Ama neden bu sıralamada durduk? Hatta daha kısa dalga boyları -X-ışınları, gama ışınları ve hatta giderek daha kısa dalga boyları- da enerjiye eşit şekilde katkıda bulunmalıdır. Bir dalganın ne kadar kısa olabileceğinin bir sınırı olmadığı için, klasik fizik, kabın sonsuz miktarda enerji tutacağını öngörür. Bu bir saçmalık işaretidir - böyle bir enerji, kabı anında buharlaştırır. Ama hata tam olarak nerede?

Bu sorun o kadar şiddetliydi ki, 19. yüzyılın sonunda ultraviyole felaketi olarak adlandırıldı. Bir kez daha perçin, çok güvenilen ve her ikisinden de vazgeçmesi çok zor olan ilkelerin çatışmasından kaynaklandı. Bir yandan, dalga teorisi ışığın iyi bilinen özelliklerini - kırınım, kırılma, yansıma ve en etkileyici şekilde girişim - açıklamada inanılmaz derecede başarılıydı. Kimse dalga teorisini terk etmeye hazır değildi, ancak öte yandan, her dalga boyuna eşit enerji düşmelidir - bu, özellikle ısı teorisinin en genel yönlerinden çıkan sözde eşbölüm teoremidir. bu ısı rastgele bir harekettir.

1900'de Max Planck, ikilemi çözmeye yaklaşan önemli yeni fikirler buldu. Ancak 1905'te yalnızca Einstein doğru cevabı buldu. Hiç tereddüt etmeden, bilinmeyen bir patent memuru inanılmaz derecede cesur bir hamle yaptı. Maxwell'in inandığı gibi ışığın bulanık enerji noktaları olmadığını söyledi. Daha sonra fotonlar olarak bilinen bölünmez enerji parçacıklarından veya kuantumlardan oluşur. Dünyanın en büyük bilim adamlarına ışıkla ilgili tüm bilgilerinin yanlış olduğunu söyleyen genç bir adamın küstahlığına ancak hayret edilebilir.

Işığın, enerjisi frekanslarıyla orantılı olan bireysel fotonlardan oluştuğu hipotezi sorunu çözdü. Einstein, Boltzmann'ın istatistiksel mekaniğini bu fotonlara uygulayarak, çok kısa dalga boyunda (yüksek frekans) birden az foton olduğunu buldu. Birden az, hiç anlamına gelir. Yani çok kısa dalga boyları enerjiye katkıda bulunmaz ve ultraviyole felaketinden kaçınırız. Tartışma burada bitmedi. Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger ve Paul Dirac'ın Einsteincı fotonları Maxwellci dalgalarla bağdaştırması neredeyse otuz yıl sürdü. Ama yolu açan, Einstein'ın buluşuydu.

Einstein'ın en büyük buluşu olan genel görelilik de ilkelerin çatışmasını içeren basit bir düşünce deneyinden doğdu. Düşünce deneyinin kendisi o kadar basitti ki bir çocuk bile yapabilirdi. İçerdiği tek şey günlük bir gözlemdi: tren hızlanırken, sanki araba burnunu kıvırmış gibi yolcular koltuklarına bastırılır ve yerçekimi onları trenin kuyruğuna doğru çeker. Peki Einstein, referans çerçevesinin hızlandığını nasıl belirleyebiliriz diye sordu. Ve neye göre hızlanıyor?

Palyaço tarafından tekrarlanan Einstein'ın cevabı: belirlenemez. "Ne? hokkabaz sordu. - Elbette yapılabilir. Az önce bana sandalyenin arkasına yaslandığını söylemedin mi?" Palyaço, "Evet," diye yanıtlar, "tıpkı birisi arabanın burnunu kaldırıp yerçekiminin sizi geri çekmesi gibi." Einstein şu fikre kapıldı: İvme ile yerçekimi arasında ayrım yapmak imkansızdır. Yolcunun, trenin gerçekten hareket etmeye başlayıp başlamadığını veya yerçekiminin onu koltuğun arkasına mı bastırdığını bilmesinin bir yolu yoktur. Bu paradoks ve çelişkiden eşdeğerlik ilkesi doğdu:

Yerçekimi ve ivmenin etkileri birbirinden ayırt edilemez. Yerçekiminin herhangi bir fiziksel sistem üzerindeki etkisi, ivmenin etkisiyle tamamen aynıdır.

Tekrar tekrar aynı resmi görüyoruz. Biraz abartma pahasına, fizikteki en büyük buluşların, en derin ilkeler arasındaki çelişkileri ortaya çıkaran düşünce deneyleri sayesinde gerçekleştiğini söyleyebiliriz. Ve bu bağlamda, bugün geçmişe göre hiçbir şey değişmedi.

çarpışma

Bu bölümün başında sorulan orijinal soruya geri dönelim: Bir kara delik buharlaştığında bilgi kaybını neden umursayalım?

Werner Erhard'ın çatı katındaki toplantının ardından günler ve haftalar geçtikçe, Stephen Hawking'in geçmişin büyük paradokslarına rakip olabilecek bir ilkeler çatışmasına ulaştığını fark etmeye başladım. Uzay ve zaman hakkındaki temel fikirlerimizde çok önemli bir şey ciddi şekilde yanlıştır. Eşdeğerlik ilkesinin ve kuantum mekaniğinin bir çarpışma rotasında olduğu açıktı - Hawking bunu kendisi söyledi. Paradoks tüm yapıyı yıkabilir veya teorileri uzlaştırarak her ikisine de yeni ve derin bir anlayış getirebilir.

Benim için bu çarpışma dayanılmaz bir kaşıntıya neden oldu ama çok bulaşıcı değildi. Stephen, bilgi kaybıyla ilgili sonuçtan memnun görünüyordu ve çok az insan bu paradokstan rahatsız görünüyordu.1983'ten 1993'e kadar on yıl boyunca, bu gönül rahatlığı beni çok rahatsız etti. Herkesin, özellikle de Steven'ın, kuantum mekaniği ile göreliliğin ilkelerini uzlaştırmanın bizim neslimizin en büyük zorluğu ve Planck, Einstein, Heisenberg ve diğer kahramanların başarılarıyla boy ölçüşmek için büyük bir şans olduğunu nasıl göremediğini anlayamıyordum . geçmiş. Stephen'ın kendi sorusunun derinliğini tamamen kaçırdığını hissettim . Steven'ı ve diğerlerini (ama özellikle Steven'ı) amacın kuantum mekaniğini reddetmek değil, onu kara delikler teorisiyle uzlaştırmak olduğuna ikna etmek benim için bir tür saplantı haline geldi .

Bana apaçık göründü - ve eminim ki Steven, Gerard 't Hooft, John Wheeler ve neredeyse tüm tanıdık rölativistler, kozmologlar veya sicim teorisyenleri aynı fikirde olacaktır - iki uyumsuz doğa teorisine sahip olmanın entelektüel açıdan hoşgörüsüz olduğu ve genel görelilik, kuantum mekaniği ile uyumlu hale getirilmelidir. Bununla birlikte, teorik fizikçiler oldukça kavgacı bir topluluktur*.

Geçenlerde herkesin buna katılmadığını görünce çok şaşırdım. Brian Greene'nin The Fabric of the Cosmos (Rusça çevirisi: Green Brian. The Fabric of the Cosmos. Space, Time, and the Texture of Reality, - M .: Librocom, 2011. - Not trans.), Freeman Dyson inanılmaz bir açıklama yaptı: "Bir muhafazakar olarak, fiziğin büyük ve küçük için ayrı teorilere bölünmesinin kabul edilemez olduğuna katılmıyorum. Yıldızların ve gezegenlerin klasik dünyası ile atomların ve elektronların kuantum dünyası için farklı teorilerle son 80 yıldır içinde yaşadığımız durumdan tamamen memnunum.” Dyson ne düşünüyordu? Galileo'dan önce yaşamış eski bilim adamları gibi, karşı konulamaz şekilde birbirinden ayrılmış iki doğa teorisini kabul etmemiz gerektiğini mi? muhafazakar mı? Yoksa tepkisel mi? Benim zevkime göre, kulağa ilginç gelmiyor.

13

çıkmaz durum

Daha gençken, özellikle partilerde ve diğer sosyal etkinliklerde insanların ne iş yaptığımı sormalarından hoşlanmazdım. Utandığımdan ya da utandığımdan değil. Açıklamak çok zordu. Bu konudan kaçınmak için "Ben bir nükleer fizikçiyim ama bu konuyu tartışamam" demeye başladım. 60'larda ve 70'lerde işe yaradı ama bugün Soğuk Savaş bittiğinde artık çalışmıyor.

Bu soruda hala biraz zorluk çekiyorum, ancak farklı bir nedenden dolayı: Ben kendim bu soruya nasıl doğru cevap vereceğimi bilmiyorum. "Ben teorik bir fizikçiyim" şeklindeki bariz yanıt, genellikle "Fiziğin hangi dalındasınız?" sorusuna yol açar. İşte burada tıkanıyorum. Temel parçacıklarla ilgilendiğimi söyleyebilirsin ama aynı zamanda kara delikler ve tüm evren gibi büyük nesnelerle de çok çalıştım . Yüksek enerji fiziği yapıyorum diyebilirim ama bazen en düşük enerjilerle ve hatta boş uzayın özellikleriyle çalışmak gerekiyor. Benim ve arkadaşlarımın çoğunun yaptığı şeyin doğru bir adı yok. İnsanların bana sicim teorisyeni demeleri canımı sıkıyor; Bu kadar dar bir şekilde sınıflandırılmak utanç verici. Doğanın temel kanunlarıyla çalıştığımı söylemekten mutluluk duyarım ama bu kulağa çok iddialı geliyor. Bu yüzden her zamanki cevabım, ben bir teorik fizikçiyim ve pek çok farklı şeyle çalışıyorum.

Aslında, 1980'lerin başına kadar, üzerinde çalıştığım şey oldukça doğru bir şekilde parçacık fiziği olarak adlandırılabilirdi. Ancak o zamanlar bu bölge belli bir durgunluk içindeydi. Temel Parçacıkların Standart Modeli hazırdı ve en ilginç varyantları çoktan çalışılmıştı. Sonuna kadar beklemek sadece bir an meselesiydi - uzun bir zaman -

Bu seçenekleri test etmek için hızlandırıcılar. Bu yüzden, doğruyu söylemek gerekirse, biraz sıkıldım ve kuantum yerçekimi alanında neler yapılabileceğini görmeye karar verdim. Birkaç aylık çalışmadan sonra, Feynman'ın haklı olduğundan endişelenmeye başladım - kuantum yerçekimi çok uzaktaydı ve ilerlemenin hiçbir yolu yoktu. Aslında sorunların ne olduğu benim için bile net değildi. John Wheeler, taklit edilemez tavrıyla, "Soru şu... soru nedir?" dedi. - ve buna nasıl cevap vereceğimi kesinlikle anlamadım. Her zamanki parçacık fiziğime geri dönmenin eşiğindeydim ki Stephen birdenbire Wheeler'ın sorusunu yanıtlayan bombayı attı: Fiziği kayıp bilgi anarşisinden nasıl kurtarabiliriz?

Temel parçacıkların fiziği o zamanlar durgunsa, o zaman kara deliklerin kuantum teorisi aynıydı ve bu yaklaşık dokuz yıl sürdü. Hawking bile 1983'ten 1989'a kadar kara delikler hakkında hiçbir şey yayınlamadı. O dönemde kara deliklerde bilgi kaybı konusunu ele alan yalnızca sekiz dergi makalesi bulabildim . Bunlardan birini kendim yazdım, geri kalan her şey - 't Hooft, temelde onlarla Hawking $-matrix'e değil, S-matrix'e olan inancımı ifade ediyorum.

1983'ten sonraki dokuz yıl boyunca kara delikler hakkında fazla bir şey yayınlamamamın nedeni, bilmeceyi çözecek bir yol bulamamış olmamdı. Bu süre boyunca kendime tekrar tekrar sorular sorarken buldum ve her seferinde aşılmaz engellerle karşılaştım. Hawking'in mantığı son derece açıktı: Ufuk yalnızca geri dönüşü olmayan bir noktadır ve onu aşan ne olursa olsun geri dönemez. Gerekçe inandırıcıydı, ancak sonuç saçmaydı.

1988'de San Francisco'da bir grup amatör fizik ve astronomiye verdiğim bir konferansta sorunu böyle açıklamıştım.

Aşağıda, sakladığım notlara dayanarak dersin yaklaşık bir yeniden yapılandırması yer almaktadır. Formülleri kelimelerle değiştirmek için biraz özgürlük aldım. "Yerçekimi Karşıtı Haplarınızı Almayı Unutmayın" adlı yapıt, popüler bir bilim dergisi için tasarlandı. Hiçbir zaman tamamlanmadı, ancak kısaltılmış bir versiyonu San Francisco'da verilen bir dersin temelini oluşturdu.

Çok Büyük Kara Delik Paradoksu: San Francisco'da Verilen Bir Ders

İlk olarak on üç yıl önce Stephen Hawking tarafından açıklanan ciddi bir ilke çatışmasına dikkatinizi çekmek istiyorum . Şimdi bu çatışmaya dönmemin nedeni, fizik ve kozmolojideki en derin soruları anlamadan önce çözülmesi gereken çok ciddi bir krize işaret etmesidir. Bu sorular bir yandan yerçekimini, diğer yandan kuantum teorisini içerir.

Şunu sorabilirsiniz: neden bu iki alanı karıştırmamız gerekiyor? Ne de olsa yerçekimi çok büyük ve çok ağır şeylerle ilgilenirken, kuantum mekaniği çok küçük ve hafif dünyaları yönetir. Hiçbir şey aynı anda hem ağır hem de hafif olamaz, o halde her iki teori de aynı bağlamda nasıl önemli olabilir?

Temel parçacıklarla başlayalım. Hepinizin bildiği gibi, elektronlar ve atom çekirdeği arasındaki yerçekimi kuvveti, atomu bir arada tutan elektrik kuvvetlerine kıyasla inanılmaz derecede küçüktür. Aynı şey, bir protonda kuarkları bir arada tutan nükleer kuvvetler için daha da doğrudur. Aslında yerçekimi kuvveti, sıradan kuvvetlerden yaklaşık bir milyon milyar milyar milyar milyar (IO 40 ) kat daha zayıftır. Bu nedenle, temel parçacıklar bir yana, atom ve nükleer fizikte önemli bir rol oynamadığı açıktır.

Elektron gibi temel parçacıkları genellikle uzayda sonsuz küçük noktalar olarak düşünürüz. Ama bu tüm gerçek değil. Gerçek şu ki, temel parçacıkların birbirlerinden farklı oldukları pek çok özelliği vardır. Bazıları elektrik yüklüyken bazıları değildir. Kuarklar, örneğin, baryon numarasına, isospin'e ve yanlışlıkla renk olarak adlandırılan bir özelliğe sahiptir . Tepecikler gibi parçacıklar kendi eksenleri etrafında dönerler. Bir noktanın böyle bir yapıya ve çeşitli özelliklere sahip olabileceğine inanmak için hiçbir sebep yoktur. Çoğu parçacık fizikçisi, parçacıkları inanılmaz derecede küçük ölçeklerde inceleyebilirsek, iç mekanizmalarının nasıl çalıştığını göreceğimize inanır.

Elektronların ve pek çok akrabalarının sonsuz derecede küçük olmadığı gerçekten doğruysa, o zaman kesin boyutları olmalıdır. Ancak doğrudan gözlemlerden (parçacık çarpışmalarından) bildiğimiz tek şey, bunların bir atom çekirdeğinin yaklaşık on binde birinden daha büyük olmadığıdır.

Ancak oldukça sıra dışı şeyler oluyor. Geçtiğimiz birkaç yılda, temel parçacıkların içindeki mekanizmanın Planck boyutlarından ne eksik ne de fazla olduğuna dair ikinci dereceden kanıtlar topladık. Şimdi Planck uzunluğu, teorik fizikçiler için inanılmaz bir önem kazandı. Yerçekiminin elektrik ve nükleerden çok daha zayıf olduğunu düşünürdük? kuvvetler ve bu nedenle temel parçacıkların davranışını açıklamak için tamamen önemsizdir. Ancak, madde parçacıkları birbirine Planck uzunluğu kadar yaklaştığında durum böyle değildir. Bu koşullar altında yerçekimi diğer kuvvetlerle eşitlenmekle kalmaz, onları da aşar.

Bütün bunlar, dünyamızın derinliklerinde, elektronların bile karmaşık bir yapıya sahip olduğu kadar küçük mesafelerde, yerçekiminin parçacıkları bir arada tutan en önemli kuvvet olabileceği anlamına gelir. Gördüğünüz gibi, Planck ölçeğinde yerçekimi ve kuantum mekaniği elektronların, kuarkların, fotonların ve tüm bu adil şirketin özelliklerini açıklamak için birlikte çalışabilir. Temel parçacıkları inceleyen biz fizikçiler, gerçekten net bir kuantum yerçekimi teorisi oluşturmaya ihtiyacımız var.

Kozmologlar da kuantum yerçekiminden ancak bir noktaya kadar kaçınabilirler. Evreni zamanda geriye doğru takip ettiğimizde, parçacıklarla dolu çok daha yoğun olduğunu öğreniyoruz. Bugün [1988] CMF'yi oluşturan fotonlar arasında neredeyse bir santimetre var, ama ne zaman

Kozmik mikrodalga arka plan (CMB), orijinal olarak Büyük Patlama'da yayılan radyasyondur.

sadece yayıldılar, aralarındaki mesafe bin kat daha küçüktü. Geçmişte daha da geriye, parçacıklar bir kutudaki sardalyalar gibi ve daha da küçük bir hacimde birbirine sıkıştırıldı. Görünüşe göre Büyük Patlama sırasında, Planck uzunluğundan daha fazla olmayan bir mesafede olabilirler. Bu durumda parçacıklar o kadar yakındı ki, aralarında etkili olan en önemli kuvvet yerçekimiydi. Başka bir deyişle, temel parçacıkları anlamanın anahtarı olan aynı kuantum yerçekimi kuvveti, Büyük Patlama'dan sorumlu ana kuvvet olabilir.

Öyleyse, geleceğimiz (ve geçmişimiz) için kuantum yerçekiminin önemini anladıktan sonra, onun hakkında ne bildiğimizi anlamaya çalışalım mı? Bundan daha fazlası değil, kuantum teorisi ve yerçekimi, özellikle kara delikler konusunda çok ciddi bir şekilde çatıştı. Bu aslında iyi, çünkü bu çatışmayı çözerek önemli şeyleri anlama şansımız olduğu anlamına geliyor. Bugün bu sorunu gösteren kısa bir hikaye anlatacağım - çözümünü değil, yalnızca sorunun kendisini.

Yerçekimi Karşıtı Haplarınızı Almayı Unutmayın

8 419 677 599. yıl

Uzun zaman önce, Dünya artık ölü olan yıldız Sol'un etrafındaki yörüngesini kaybetti. Biz, Saç Üstkümesi'nin herhangi bir yerindeki dev bir kara deliğin yörüngesindeki yerimizi bulana kadar, yolculuk sırasında sayısız nesil değişti. Gezegen, kansız bir darbeyle tüm gücün ilaç endüstrisinin eline geçtiği yirmi birinci yüzyılın sonundan beri aynı şirketin kontrolünde.

"Peki şimdi ne olacak, Kont Geritol?" Beş yıl içinde sonuç vaat ettiniz. Şimdi de zamanımı başka bir "ilerleme" raporuyla mı harcıyorsun?

"Majesteleri, değersiz solucan affedilemez aptallığınız için kraliyet affınız için yalvarıyor, ama bu sefer gerçekten harika haberlerim var. Onu yakaladık!

Majesteleri İmparator Merck LLXXXVI bir an için kaşlarını çattı. Sonra inanılmaz derecede kel kafasını, Yanlış Bilgi Üretimi ve Akıl Karşıtı Bilimleri Teşvik Bakanı Kont'a çevirdi ve sıkıcı bakışlarıyla onu duvara sabitledi:

- Aptal. Kimi yakaladın? Başka bir papağan mı?

Hayır, Ekselansları. Bu bir sapkın, hepsinin en büyüğü. Kirli bir fizikçinin soyunun çözücüsünü, yerçekimi önleyici hapların sahte olduğuna dair şeytani söylentileri halkımıza bulaştıran kişiyi yakaladık. Şu anda bekleme odanızda duvara zincirlenmiş durumda. Yol göstermek? Kontun dalkavuk yüzü kölece bir gülümsemeye dönüştü. "Bahse girerim Valium'u şu anda geri çevirmez. Haha.

Majestelerinin yüzünde hafif bir gülümseme belirdi.

- Köpeği buraya getirin.

Parçalanmış ve dövülmüş ama pişmanlık duymayan mahkum kabaca yere, Geritol'ün ayaklarının dibine fırlatıldı.

- Adın ne köpek ve akrabaların kimler?

Mahkum ayağa kalktı ve tuniğindeki tozu cesurca silkeledi, zulmünün gözlerinin içine baktı ve gururla cevap verdi:

Benim adım Steve*. Gösterilere yönelik uzun bir duraklamadan sonra, sayım kendini rahatsız hissetti ve devam etti: " Ben Kara Delik Savaşı'ndan beri bilinen kadim bir ailenin soyundan geliyorum. Benim atam Cambridge'li Cesur Stephen'dı.

İmparatorun yüz hatları bir an için belirsizlikle lekelendi, ancak hemen soğukkanlılığını geri kazandı ve gülümsedi:

"Pekâlâ Dr. Steve, bence bu başlık size çok yakışacak. Şimdi kadim soyunun seni nereye götürdüğüne bir bak. senin su

20. yüzyılın sonunda, dünyanın en büyük fizikçilerinin büyük bir kısmına Steve adı verildi. Fiziğin sayısız Steve'leri arasında Steve Weinberg, Steve Hawking, Steve Shaker, Steve Giddings, Steve Chu yer alır. 21. yüzyılın sonunda büyük fizikçilerin ebeveyni olmak isteyenler çocuklarına (hem kız hem de erkek) Steve adını vermeye başladılar. varlığı beni rahatsız ediyor. Tek soru, varlığınızdan tam olarak nasıl kurtulacağınızdır.

Daha sonra yapay güneş batıdan batarken Steve'e son yemeği getirildi. İmparator sanki alay edercesine kendi masasından seçilmiş yemekleri gönderdi ve onlara bir "sempati" mesajı ekledi. Alçak kafalı asık suratlı bir gardiyan (ancak gardiyanlar Steve'e iyi davrandılar) mesajı okudu. Muhafızın gözünde bu olabilecek en kötü haberdi. "Yarın ilk saatte, siz, aileniz ve tüm kafir arkadaşlarınız küçük, yaşanabilir bir gezegene yerleştirilecek ve uçuruma - bir kara deliği çevreleyen devasa bir kara ateş ve ısı ağzına - atılacaksınız. İlk başta, daha sıcak olacaksın. O zaman etiniz kızarmaya başlayacak ve kanınız kaynamaya başlayacak. Tüm bitleriniz, tamamen buharlaşana ve gökyüzünde geri dönüşü olmayan bir şekilde dağılana kadar karışacaktır. Belirgin bir sebep olmadan, Steve'in yüzü sakinleşti ve hafif bir gülümseme ortaya çıktı. Gardiyan, "Kötü haberlere garip bir tepki," diye düşündü.

İmparator ve Kont sabah erkenden kalktılar. Hükümdarın havası arkadaş canlısıydı, neredeyse neşeliydi.

"Bugün eğleneceğiz. Öyle değil mi, Kont?

Ah evet, Ekselansları. İnfazı zaten duyurdum . Halk, sapkınların kanının nasıl kaynadığını teleskoplarından memnuniyetle izleyecek.

İmparatorluk onayı konusunda endişelenen Kont, kara deliğin sıcaklığının daha fazla test edilmesini önerdi.

İnceleyin sayın bakanım. Bu mesafeden ufuk soğuk görünüyor, ancak termometreyi bir kabloyla yüzeye yaklaştıralım ve ufuktaki sıcaklığı kaydedelim. Tabii ki, bu birden fazla kez yapıldı, ancak sütunlu cıvanın nasıl büyüdüğüne sevinmek istiyorum.

Ve şimdi küçük bir roket Dünya'nın üzerine bir termometre yükseltmeye hazır. Dünyanın yerçekiminin üstesinden gelen termometre ufka düşer ve arkasında bir kablo uzanır. Termometre, kablo gergin olana kadar alçalır.

- Ilık ama sıcak değil. Aşağı indirin, kont, diye emrediyor imparator. Tamburdan biraz daha kablo açılır. İmparator bir teleskopla cıvanın yükselişini izliyor: suyun kaynama noktasının üzerinde, cıvanın kaynama noktasının üzerinde, cam - sonunda termometre buharlaşıyor.

"Yeterince sıcak mı, Majesteleri?" Kont sorar.

"Yani Steve için yeterince sıcak mı, Kont?" Evet, bence orada iklim harika. İnfazı başlatma zamanı.

Ve şimdi, bu kez iki yüz kişiyi taşıyabilecek kadar büyük olan ikinci roket, talihsiz bilimsel-akılcı sapkınları küçük ama misafirperver bir uyduya göndermeye hazırlanıyor. Çaresizlik içinde ağlayan Steve'in karısı, onun kolunu sıkıca kavradı. Fizikçi ona gerçeği açıklamak ister ama henüz çok erken. Etraflarında imparatorluk muhafızları var.

Birkaç saat sonra, Kont kendi eliyle küçük yeşilimsi mavi bir uyduyu Dünya yörüngesinden çıkaran dev bir roket fırlatan bir düğmeye basar. Korkmuş iki yüz yolcuyla birlikte (artık artık gardiyan yok), koloni karanlık ateşe doğru alçalmaya başlar.

İmparator, " Onları görüyorum, kont," diyor. "Sıcaklar onları etkilemeye başladı. Hareketleri gevşer ve yavaşlar. Çok yavaş.

Gözlemevinin kubbesi çok büyük ve teleskopun göz merceği en elverişsiz yerdeydi. Kont gülümser, yerçekimi önleyici hapları çıkarır ve imparatora bir tane sunar:

Majestelerinin güvenliği için. Buradan düşmek oldukça nahoş olabilir.

İmparator hapı yutar ve göz merceğinden tekrar bakar:

" Onları hâlâ görüyorum. Ama bak, ufka doğru düşmeye başlıyorlar. Şimdi sadık tebaam bunun düşmanlarımı nasıl parçaladığını görecek. Bireysel parçalarının yavaş yavaş sıcak, yoğun bir çorbaya karıştığını izleyin. Ve birer birer fotonlar tarafından taşınırlar. Onları sayalım ve düşmanların tamamen buharlaştığından emin olalım.

Teleskobun dev bilgisayar pili tarafından fotonların kaydedilip analiz edilmesini izliyorlar.

"Pekala," diyor Kont. “Her şey kuantum mekaniğinin öngörülerine tam olarak uygun. Her bilgi parçası dikkate alınır, ancak bunlar tamamen tanınmayacak kadar karıştırılır. Humpty Dumpty'yi kimse toplayamaz.

İmparator elini kontun omzuna koyar ve şöyle der:

“Tebrikler, Kont. Çok günaydın iş. Ancak dikkatsiz bir hareket dengesini bozar. Yere altmış metre ve kont birdenbire şunu düşünüyor: yerçekimini önleyici haplarla ilgili söylentiler gerçekten de tamamen yalan mı?

Steve defterini dikkatle inceliyor. Sonra gülümseyerek uzaklaşır ve karısına sarılır:

"Sevgilim, yakında ufku tamamen güvenli bir şekilde geçeceğiz.

Bayan Steve ve diğerleri açıkça şaşırdılar ve devam etti:

"Kurtuluşumuz denklik ilkesidir" diye açıklıyor. "Ufukta tehlike yok. Bu, geri dönüşü olmayan zararsız bir noktadan başka bir şey değildir.

Ve ekler:

"Neyse ki serbest düşüş içindeyiz ve ivmemiz kara deliğin yer çekiminin etkisini tamamen ortadan kaldıracak. Ufuktan geçerken hiçbir şey hissetmeyeceğiz. . .

Karısı hala şüpheci:

Ufuk zararsız olsa bile. Ama bir kara deliğin içindeki kaçınılmaz bir tekillik hakkında korku hikayeleri duydum. Bizi parçalara ayırmaz mı?

— Evet ; öyle, diye yanıtlıyor. "Ama bu kara delik o kadar büyük ki, gezegenimizin tekilliğe yaklaşması yaklaşık bir milyon yıl alacak.

Ve bununla, en azından eşdeğerlik ilkesine inanıyorsanız, ufku mutlu bir şekilde aştılar.

Son

Bu hikayede edebi olanlara ek olarak birçok kusur var. Özellikle, kara delik Steve ve takipçilerinin tekilliğe ulaşmadan önce yıllarca yaşayabilecekleri kadar büyükse, o zaman Kont'un termometresinin ölçüm yerine ulaşması en az yıl alacaktır. Daha da kötüsü, kara deliğin Steve ve takipçilerinin orijinal olarak sahip olduğu bilgi parçalarını yayması için geçen süre inanılmaz derecede uzun olmalı, evrenin ömründen çok daha uzun olmalı. Ancak bu tür nicel detayları görmezden gelirseniz, bu hikayenin temel mantığı çok mantıklı geliyor.

Ya da değil?

Steve ufuk kurbanı mıydı? Kont ve imparator her şeyi saydı ve hepsi "kuantum mekaniğinin tahminlerine tam olarak uygun olarak" buharlaşma ürünleri içindeydi. Yani Steve ufka yaklaşırken yok oldu. Ancak tarih aynı zamanda Steve'in, eşdeğerlik ilkesine tamamen uygun olarak, kendisine veya ailesine zarar vermeden ufku güvenli bir şekilde geçtiğini söylüyor.

Açıkçası, bir ilkeler çatışmasıyla karşı karşıyayız. Kuantum mekaniğinden, ufkun üzerindeki tüm nesnelerin, aşırı sıcaklığın tüm maddeyi dağılmış fotonlara dönüştürdüğü ve ardından ışığın Güneş'ten ayrıldığı gibi kara deliği terk ettiği süper sıcak bir bölgeyle karşılaştığı sonucu çıkar. Sonuç olarak, düşen maddenin taşıdığı her bilgi parçasının bu fotonlara yansıması gerekir.

Ancak, eşdeğerlik ilkesi bize bu hikayenin farklı, zıt bir versiyonunu veriyor gibi görünüyor.

Ufkun ötesinde olan imparator ve kont asla göremeyecek.

ders yarıda kaldı

İzleyiciler arasındaki fizik meraklılarının birçoğunun bildiği ama belki sizin bilmediğiniz ayrıntıları açıklığa kavuşturmak için 1988 dersinin yeniden anlatımını yarıda kesmeme izin verin. Her şeyden önce, denklik ilkesi neden sürgündekilere ufkun güvenli olduğu konusunda kesinlik veriyor? Bölüm 2'de bahsettiğim düşünce deneyi burada yardımcı oluyor: Bir asansörde yaşadığınızı, ancak yerçekiminin Dünya yüzeyinden çok daha güçlü olduğu bir dünyada yaşadığınızı hayal edin. Asansör duruyorsa, yolcular yerçekiminin tüm gücünü ayak tabanlarında ve sıkışan bedenlerinin her yerinde hissederler. Diyelim ki asansör yukarı çıkmaya başladı. Yukarı doğru hızlanma durumu daha da kötüleştirir. Eşdeğerlik ilkesine göre ivme, yolcuların maruz kaldığı yerçekimi kuvvetine ek bir katkı sağlar.

Peki ya kablo koparsa ve asansör aşağı doğru hızlanmaya başlarsa? Ardından yolcularla birlikte serbest düşüş durumunda olacak. Yerçekiminin etkileri ve aşağı doğru ivmelenme tam olarak birbirini dengeler ve yolcular, en azından yere çarpıp yukarı doğru ivmenin tahribatını deneyimleyene kadar, güçlü bir yerçekimi alanında olduklarını söyleyemezler.

Benzer şekilde, serbest düşen gezegenlerindeki sürgünler, ufka yakın bir kara deliğin yerçekiminden herhangi bir etki hissetmemelidir. Bölüm 2'de farkına varmadan geri dönüşü olmayan noktayı yüzerek geçen serbest sürüklenen iribaşlar gibidirler.

İkinci nokta daha az tanıdık. Daha önce de açıkladığım gibi, bir kara deliğin Hawking sıcaklığı son derece düşüktür. O halde kont ve imparator, termometrelerini oraya indirdiklerinde neden ufka yakın bir yerde bu kadar yüksek bir sıcaklık kaydettiler? Bunu anlamak için, güçlü bir yerçekimi alanından kaçan bir fotona ne olduğunu bilmemiz gerekiyor. Ama daha tanıdık bir şeyle başlayalım - Dünya yüzeyinden dikey olarak yukarı doğru fırlatılan bir kaya. İlk hızı düşükse, yüzeye geri düşecektir. Ama ona yeterli kinetik enerji verirseniz, taş dünyanın yerçekiminden kurtulacaktır.

Ancak taş başarılı olsa bile başlangıçta sahip olduğundan çok daha az kinetik enerjiye sahip olacaktır. Başka bir deyişle, harekete başlayan taş, Dünya'yı nihayet terk ettiği andan çok daha fazla kinetik enerjiye sahiptir.

Tüm fotonlar ışık hızında hareket eder, ancak bu, hepsinin aynı kinetik enerjiye sahip olduğu anlamına gelmez. Aslında birçok yönden taşa benzerler. Yerçekimi alanında yükselirken enerji kaybederler; üstesinden geldikleri yerçekimi ne kadar güçlü olursa, o kadar fazla enerji boşa harcanır. Ufuktan uzaklaştıkça gama radyasyonunun enerji rezervleri o kadar tükenir ki çok düşük enerjili bir radyo dalgasına dönüşür. Tersine, karadelikten uzakta görülen radyo dalgası, ufuktan çıkarken yüksek enerjili gama radyasyonu olmalıdır.

Şimdi kara deliğin çok yukarısında bulunan kontu ve imparatoru düşünün. Hawking sıcaklığı o kadar düşüktür ki, RF fotonları çok düşük enerjiye sahiptir. Ancak biraz düşündükten sonra, Kont ve İmparator, aynı fotonların ufka yakın bir yerde yayınlandıklarında ultra yüksek enerjili gama kuantumları olduğunu anlayabilirler. Ama bu, aşağısının çok daha sıcak olduğunu söylemekle aynı şey. Bir kara deliğin ufkunun yakınındaki yerçekimi o kadar güçlüdür ki, fotonların bu bölgeden kaçmak için muazzam bir enerjiye ihtiyacı vardır. Uzaktan bakıldığında, bir kara delik çok soğuk olabilir, ancak yakın çekim bir termometre, enerjik fotonlar tarafından acımasızca bombalanır. Bu yüzden cellatlar, kurbanlarının ufukta buharlaşacağından emindi.

ders devam ediyor

Görünüşe göre bir çelişkiye geldik. Bir dizi ilke - genel görelilik ve eşdeğerlik ilkesi - bilginin bozulmadan ufka düştüğünü söylüyor. Diğeri, kuantum mekaniği ise bizi tam tersi bir sonuca götürüyor: Düşen parçacıklar, korkunç bir şekilde birbirine karışmış olsalar da, sonunda fotonlar ve diğer parçacıklar biçiminde geri dönüyorlar.

Burada şunu sorabilirsiniz: Ufuktan düştükten sonra, ancak tekilliğe çarpmadan önce, parçacıkların Hawking radyasyonu biçiminde geri kaçamayacağını nasıl bilebiliriz? Cevap açık: Bunu yapmak için ışık hızını aşmaları gerekiyor.

gösterdim ve bunun fiziğin geleceği için büyük önem taşıyabileceğini savunuyorum. Ancak size bu ikilemi çözmenin olası yollarına dair herhangi bir ipucu vermedim. Bunun nedeni, onun çözümünü kendim bilmememdir. Ama bu konuda bir ön yargım var ve ne olduğunu size anlatayım.

Kuantum mekaniğinin ilkelerini veya genel görelilik kuramının üzerine inşa edildiği ilkeleri terk edeceğimize inanmıyorum . Özellikle Gerard t Hooft gibi ben de kara delikler buharlaştığında bilgi kaybı olmadığına inanıyorum. Her nasılsa, bilgi ve uzayda nasıl yerelleştirildiği hakkında çok önemli bir şeyi kaçırıyoruz.

San Francisco'daki bu konferans, en az beş kıtada fizik bölümlerinde ve konferanslarda verdiğim uzun bir dizi konferansın ilkiydi. Bu bilmeceyi çözemesem bile önemini vaaz etmem gerektiğine karar verdim.

Bu derslerden birini özellikle iyi hatırlıyorum. Amerika Birleşik Devletleri'nin en iyi fizik bölümlerinden birinde Texas Üniversitesi'nde gerçekleşti. Seyirci, hepsi yerçekimi teorisine büyük katkılarda bulunan Steven Weinberg, Willie Fischler, Joe Polchinski, Bryce DeWitt ve Claudio Teitelboim gibi önde gelen fizikçilerle doluydu. Görüşleriyle çok ilgilendim, bu yüzden dersin sonunda dinleyiciler arasında bir anket yaptım. Hafızam bana hizmet ediyorsa, bilginin kaybolmadığına inanan Fischler, Devitt ve Teitelboim azınlıktaydı. Polchinski, Hawking'in argümanlarına ikna oldu ve çoğunluk ile oy kullandı. Weinberg çekimser kaldı. Genel olarak, oylama sonucu Hawking lehine yaklaşık üçe bir oldu, ancak seyircilerin önemli bir kısmı kendilerini belirli bir konumla ilişkilendirmek istemedi.

Bu çıkmaz sırasında, Stephen ve benim yollarımız birkaç kez kesişti. Tüm bu toplantıların en önemlisi Aspen şehrinde gerçekleşti.

Aspen'de Çatışma

1964 yazına kadar, Catskills'de Minnewaska Dağı'ndan (neredeyse bir kilometre yüksekliğinde) daha yüksek tepeler hiç görmemiştim. Yirmi dört yaşında bir yüksek lisans öğrencisi olarak Aspen'i Colorado'da ilk gördüğümde, bana tuhaf ve büyülü bir dağ krallığı gibi geldi. Şehri çevreleyen yüksek, karla kaplı zirveler, özellikle benim gibi şehirli bir çocuğun gözünde doğaüstü ve medeniyetten uzak bir duygu uyandırıyor. Zaten popüler bir kayak merkezi haline gelen Aspen, burada gümüş çıkarıldığı on dokuzuncu yüzyılın sonlarındaki o renkli dönemin ruhunu hâlâ koruyordu. Sokaklar asfaltsızdı ve haziran ayında o kadar az turist vardı ki, şehrin hemen hemen her yerinde kamp yapmak mümkündü. Burası oldukça garip tiplerle doluydu. Herhangi bir barda kendinizi gerçek bir Amerikan kovboyu ile sert, tıraşsız bir madenci arasında veya pis bir balıkçı ile Polonyalı bir çoban arasında bulabilirsiniz. Ayrıca, Amerikan iş seçkinlerinden biriyle veya bir Berkeley öğrenci orkestra eşlikçisiyle veya bir teorik fizikçiyle sohbet başlatabilirsiniz.

Şehrin batı ucunda, güneyde Aspen Dağı ile kuzeyde Kızıl Dağ arasında, biçilmiş büyük bir çimenlikle çevrili bir grup alçak bina vardır. Yaz günlerinde bahçe masalarında oturmuş bir şeyler tartışan, bir şeyler kanıtlayan ya da sadece harika havanın tadını çıkaran onlarca fizikçi görebilirsiniz. Aspen Teorik Fizik Enstitüsü'nün ana binasında görülecek pek bir şey yok, ancak hemen arkasında, açık havada , bir gölgelikle gölgelenen bir tahta var. Dünyanın en büyük teorik fizikçilerinden bazıları en son fikirlerini tartışmak için seminerlerde bir araya geldiğinde tüm eğlence burada olur.

1964'te bu merkezdeki ve muhtemelen bu enstitünün iki yıllık tarihi boyunca tek öğrenciydim. Ama doğruyu söylemek gerekirse, oraya fizikteki herhangi bir özel yeteneğim nedeniyle gelmedim. Yakındaki Continental Divide'dan, Roaring Fork Nehri şehrin içinden geçmektedir. İçindeki akıntı hızlı ve çalkantılı, su çok soğuk ve en önemlisi gümüş dolu. Gümüş madenlerinden metal değil, yabani gökkuşağı alabalığından canlı gümüş. Amirim Peter sinek avcısıydı ve benim de bu işi yaptığımı öğrenince beni yaz için Aspen'e davet etti.

Ben çocukken babam bana doğudaki sakin nehirlerde, efsanevi Beaverkill Nehri'nde ve Catskill'deki Aesopus Deresi'nde alabalık tutmayı öğretti. Oradaki durgun sular oldukça sessizdi ve insan onlara sandığa kadar girilebilirdi. Genellikle sadece bir sinek değil, aynı zamanda onu ısıran bir kahverengi alabalık da görülebilir. Ancak Haziran ayında Roaring Fork'ta aklı başında bir balıkçı kıyıda durdu ve sineğinin nerede olduğunu takip etmek için elinden geleni yaptı. Bu tekniğe alışmam biraz zaman alsa da o yaz çok fazla alabalık yakaladım ve fizik hakkında neredeyse hiçbir şey öğrenmedim.

Bugün artık Aspen'i pek sevmiyorum. Kovboyların yerini seçkin bir seyirci aldı ve bence daha iyi olmadı. Yıllar boyunca buraya birkaç kez balık tutmak için değil, fizik uğruna döndüm. 1990'larda bir gün, Boulder'a giderken kasabadan geçerken bir konferans vermek için durdum.

Kimin zamanında kara delikler ve kayıp bilgilerin gizemi yeniden radar ekranlarında görünmeye başladı. Genel fikir birliği, Hawking'in haklı olduğu yönündeydi, ancak bazıları (ben ve 'tHooft dışında) bunu sorguladı. Bunların arasında eşsiz Sidney Coleman da vardı.

Sidney renkli bir karakter ve bütün bir nesil fizikçinin kahramanıydı. Bıyığı, çökük gözleri ve uzun dağınık saçlarıyla bana hep Einstein'ı hatırlatırdı. İnanılmaz derecede hızlı bir zihne sahipti ve özellikle karmaşık ve ince konuları tartışırken konunun özünü anında kavrama yeteneği bir efsane haline geldi. Sidney kibar bir adamdı ama aptallardan nefret ederdi. Harvard'da (Sidney'in olduğu yerde) tek bir ünlü konuşmacı yok.

Seçkin Profesör), Coleman tarafından yapılan acımasız bir sorgulamanın ardından kuyruğunu bacaklarının arasına alarak uzaklaştı. O gün Aspen'de onun varlığı, konuşmacının en yüksek standartlarda tutulması gerektiği anlamına geliyordu.

Tamamen şans eseri seyirciler arasında tanıdık bir yüz daha vardı. Avludaki seminer katına çıkıp beyaz tahtaya yöneldiğim anda, tanıdık yüksek teknolojili tekerlekli sandalye önümde yuvarlandı ve Stephen Hawking ön sıraya oturdu. Herkesin bildiği gibi, amacım Stephen'ın bilgi kaybıyla ilgili iddialarını baltalamaktı. Stratejim, önce Stephen'ın vardığı sonuçları tekrarlayarak sorunun doğasını belirtmekti. Bana ayrılan saatin yaklaşık yarısının buna harcanması planlandı. Sonra bu mantığın neden doğru olamayacağını açıklayacaktım. Ama aynı zamanda, Stephen'ın muhakemesine, argümanını daha da inandırıcı kılmak için bir şeyler eklemek istedim. Ne de olsa, konumu ne kadar güçlüyse, sonunda yanlış olduğu kanıtlanırsa, bir paradigma değişikliğine ihtiyaç duyulması o kadar olasıdır.

Stephen'ın mantığına göre, kimsenin düşünmediği önemli bir boşluğu doldurmak istedim. Fikir oradaydı. Ufkun hemen üzerindeki alanın pek çok küçük, görünmez fotokopi makinesiyle dolu olduğunu hayal edin. Herhangi bir bilgi parçası, örneğin yazılı bir belge ufka doğru düştüğünde, bu makineler onu çoğaltarak tamamen birbirinin aynısı iki kopya üretir. Bunlardan biri ufukta engellenmeden kara deliğin iç bölgelerine doğru ilerlemeye devam eder ve sonunda tekillik içinde yok olur. Ancak ikinci kopyanın kaderi çok daha karmaşık. Başlangıç olarak, tamamen tanınmaz hale gelinceye kadar (karıştırma şeması bilgisi olmadan) iyice karıştırılır ve karıştırılır. Daha sonra Hawking radyasyonu şeklinde dışarıya yayılır.

Ufku geçmeden hemen önce bilgilerin fotokopisini çekmek sorunu çözecek gibi görünüyor. Kara delikten uzaklaşan ilk gözlemcileri düşünün. Hawking radyasyonunun her bilgi parçasını nasıl geri döndürdüğünü görecekler. Ve kuantum mekaniğinin kurallarını değiştirmeye gerek olmadığı sonucuna varacaklar. Kabaca söylemek gerekirse, Hawking'in bilginin yok edilmesiyle ilgili fikirlerinin yanlış olduğunu düşünecekler.

Peki ya serbest düşen bir gözlemci? Ufku geçtikten hemen sonra etrafına bakacak ve hiçbir şey olmadığını görecek. Tüm parçaları onunla birlikte, aynı kişiliği oluşturuyor ve eskisi gibi aynı nesnelerle çevrili olarak düşmeye devam ediyor. Ufuk, bu bakış açısından, zararsız ve geri dönüşü olmayan bir noktadan başka bir şey değildir, bu nedenle Einstein'ın denklik ilkesi tam olarak gözetilir.

Bir kara deliğin ufku tamamen güvenilir minyatür (belki Planck boyutunda) kopyalayıcılarla kaplı olabilir mi? Bu cazip bir fikir gibi görünüyor. Doğruysa, Steven'ın paradoksunu kolayca ve mantıklı bir şekilde açıklayabilir: karadelikte hiçbir bilgi kaybolmaz ve geleceğin fizikçileri kuantum mekaniğinin ilkelerini kullanmaya devam edebilir. Her kara deliğin ufkunda bulunan kuantum kopyalayıcılar, Kara Delik Savaşı'nı bir anda sona erdirebilir.

Sidney etkilenmişti. Seyirciyle yüzleşmek için sandalyesinde döndü ve kendine özgü tavrıyla söylediklerini benim ifade ettiğimden çok daha net bir şekilde açıkladı. Ancak Stephen hiçbir şey söylemedi. Yüzünde geniş bir gülümsemeyle kamburunu çıkararak sandalyesine oturdu. Sydney'in bilmediği bir şeyi bildiğim çok açıktı. Aslında, hem Steven hem de ben, açıklamamın sadece yakılmak için yaratılmış bir saman adam olduğunu anladık.

Steven ve ben, kuantum bilgisini kopyalamak için ideal cihazların kuantum mekaniğinin ilkelerine aykırı olduğunu biliyorduk. Heisenberg ve Dirac tarafından formüle edilen matematiksel kurallar tarafından yönetilen bir dünyada kusursuz bir fotokopi makinesi imkansızdır. Bu ifadeye kuantum kopyalanamazlık ilkesi adını verdim . Kuantum bilgi teorisi adı verilen yeni bir fizik alanında, bu fikre klonlamama ilkesi denir.

baktım ve hemen anlamasını bekleyerek, "Sidney, bir kuantum kopyalayıcı imkansız," dedim. Ama bu sefer, ateşli hızlı beyni yavaşladı ve her şeyi ayrıntılı olarak açıklamak zorunda kaldım. Sidney'e ve seminerdeki diğer katılımcılara yaptığım açıklama tahtayı formüllerle doldurdu ve seminerin geri kalanının çoğunu kapladı. İşte basitleştirilmiş versiyonu.

Bir girişi ve iki çıkışı olan bir makine düşünün. Herhangi bir kuantum durumundaki herhangi bir sistem, giriş portuna yerleştirilebilir. Örneğin, bir fotokopi makinesine bir elektron yüklenebilir. Makine bir girdi yapar ve iki özdeş elektron verir. Dahası, çıktılardaki nesneler yalnızca birbirleriyle değil, aynı zamanda başlangıçta girdide olanlarla da aynıdır.

■ Girişte belirli bir değere sahip bir elektron vardır.

• dalga fonksiyonu. Çıkışta iki

özdeş elektron

Kuantum Xerox

Böyle bir makine yapılabilseydi, Heisenberg'in yok edilemez belirsizlik ilkesini atlatırdı. Diyelim ki bir elektronun konumunu ve hızını aynı anda bilmek istiyoruz. Tek ihtiyacımız olan onu kopyalamak ve ardından bir klonun konumunu ve diğerinin hızını ölçmek. Ancak, elbette, kuantum mekaniğinin ilkeleri nedeniyle bu imkansızdır.

Bir saatin sonunda, Steven'ın paradoksunu başarıyla savunmuş ve Kopyalama Olmama İlkesini açıklamıştım, ancak kendi bakış açımı ifade edecek zamanım yoktu. Ve seminerin bitiminden hemen önce, Stephen'ın bedensiz mekanik sesi şöyle dedi: "Demek şimdi benimle aynı fikirdesin!" Gözleri haylazca parlıyordu.

Başarısız olduğum açıktı. Kendi dost ateşim, zaman eksikliği ve Stephen'ın özellikle hızlı zekası karşısında şaşkına dönmüştüm. O akşam Aspen'den ayrılırken Difficalt Creek'te durdum ve oltamı çıkardım. Ancak en sevdiğim havuz, lastik bir tüpün üzerinde yüzen gürültücü çocuklarla doluydu.

Bölüm III

Karşı atak

15

Santa Barbara Savaşı

1993'te Cuma iş günlerinden birinin sonunda, diğer tüm çalışanlar çoktan evlerine gitmişti. Sadece John, Larus ve ben hala Stanford ofisimde oturmuş sohbet ediyor ve Larus'un kahvesini içiyorduk. İzlandalılar dünyanın en sert kahvesini yaparlar. Larus'a göre bunun gece geç saatlere kadar içki içme geleneğiyle bir ilgisi var.

Uzun boylu bir İzlandalı Viking olan Larus Thorlasius (Norveçli savaşçılardan değil, İrlandalı kölelerden geldiğini söylüyor), Princeton'daki tezinden yeni çıkmış bir Stanford doktora sonrası öğrencisiydi. Teksaslı ve Cumhuriyetçi (ama dindar değil ama Ayn Rand benzeri bir özgürlükçü) olan John Uglum benim yüksek lisans öğrencimdi. Siyasi ve kültürel farklılıklarımıza rağmen -ben de Güney Bronx'lu liberal bir Yahudiyim- pek çok erkek eğlencesi olan arkadaştık: kahve içmek (ve bazen daha güçlü kahve), politika hakkında tartışmak, kara delikler hakkında konuşmak. (Kısa bir süre sonra, Yeni Zelandalı bir öğrenci olan Amanda Peet, küçük kardeşliğimizi üç erkek ve bir kız kardeşe genişletecek.)

1993 yılına gelindiğinde, kara delikler yalnızca fizikçilerin radar ekranlarında görünmekle kalmadı, aynı zamanda görüş alanının tam merkezinde de belirdi. Bunun nedenlerinden biri, yaklaşık bir buçuk yıl önce dört önde gelen Amerikalı teorik fizikçi tarafından yazılan kışkırtıcı bir makaleydi. Bir Princeton aristokratı ve temel parçacık fiziği alanında önde gelen bir bilim adamı olan Kurt Collan, 1960'lardan beri Amerikan bilim camiasının etkili bir üyesi olmuştur.

Ayn Rand (Alisa Zinovievna Rosenbaum, 1905-1982) Amerikalı yazar ve Rus kökenli filozof. Özgürlükçü felsefe çerçevesinde, nihai bireyciliği ve devletin işlevlerini olabildiğince sınırlama arzusunu takip eden nesnelcilik adı verilen felsefi bir yön yarattı - Not . perse.

Blishmenta. (Larus'un tez danışmanıydı.) Andy Strominger ve Steve Giddings, California Üniversitesi, Santa Barbara'da (UCSB) daha genç ve daha iddialı profesörlerdi. O zamanlar, Giddings'in şort giydiği ve Strominger'in diş teli taktığı gerçeğiyle onları ayırt edebiliyordum. Chicago Üniversitesi'nden Jeff Harvey büyük bir fizikçi, yetenekli besteci (24. bölümün sonuna bakın) ve komedyendi (ve hala da öyle). Topluca CGHS (baş harfleriyle) olarak biliniyorlardı ve tanımladıkları kara deliklerin basitleştirilmiş versiyonuna CGHS delikleri deniyordu. Ortak makaleleri kısa bir süre için sansasyon yarattı, çünkü kısmen yazarlar bir kara delik buharlaştığında bilgi kaybı sorununu nihayet çözdüklerini söylediler.

CGHS teorisini bu kadar basit yapan şey -geçmişe bakıldığında, aldatıcı bir şekilde basit- evreni uzayda yalnızca bir boyuta sahip olarak tanımlıyordu. Onların dünyası, Edwin Abbott'ın iki boyutlu fantezi dünyası Flatland'den bile daha basitti. CGHS, sonsuz ince bir çizgide yaşayan varlıkların dünyasını tasavvur etti. Bu yaratıklar olabildiğince basitti: bireysel temel parçacıklardan daha karmaşık değillerdi. Bu tek boyutlu evrenin bir ucunda, kendisine çok yaklaşan her şeyi hapsedecek kadar ağır ve yoğun olan devasa bir kara delik vardı.

Rusça çeviri: Edwin Abbott. Düz arazi. Sferland. - St. Petersburg: Amphora, 2001. - Not. çeviri

CGHS tarafından yazılan makale, Hawking radyasyonunun son derece zarif bir matematiksel analizini içeriyordu, ancak bu analizin bir yerinde yanlış anladılar ve kuantum mekaniğinin tekilliği ve onunla birlikte ufku devre dışı bıraktığını savundular. Larus, ben ve başka bir meslektaşım, Jörg Russo, hataya dikkat çeken birkaç kişi arasındaydık. Bu bizi CGHS deliklerinde uzman yaptı. (CGHS teorisinin Rousseau, Susskind ve Thorlasius'un baş harflerinden sonra RST modeli adı verilen özel bir versiyonu bile vardı.)

Cuma günü işten sonra John, Larus ve benim geç saatlere kadar kalmamızın sebebi, özellikle kara deliklerin gizemlerine ve paradokslarına adanmış yaklaşan bir konferanstı. İki hafta sonra, UCSB Teorik Fizik Enstitüsü'nün (ITP) bulunduğu Santa Barbara'da başladı. ITP'yi bilimsel bir kurum olarak nasıl değerlendirirsiniz? Kısacası, çok yüksek. 1993'te aktif bir siyah araştırma merkezi haline geldi. delikler.

James Hartle, UCSB'deki fizik bölümündeki en saygın kara delik uzmanıydı. James, Stephen Hawking ile birlikte, kuantum yerçekimi popüler olmadan çok önce, çığır açıcı çalışmalar yapan seçkin bir maestroydu. Ancak fakültede Kara Delik Savaşı'nda büyük rol oynayacak dört genç bilim adamı vardı. Hepsi kırklı yaşlarındaydı ve bilimsel formlarının zirvesindeydiler. Steve Giddings ve Andy Strominger'ı (CGHS'de G ve S) zaten tanıyorsunuz. Her ikisi de çalışmalarını içtenlikle takdir ettiğim arkadaşlarım olmasına rağmen, sonraki iki yıl oldukça çekilmez düşmanlar olabileceklerini gösterdi. Çoğu zaman hatalı fikirlere inatla bağlı kalmalarıyla beni umutsuzluğa sürüklediler. Ama sonunda karşılığını fazlasıyla aldı.

UCSB gençlik takımında üçüncü olan Gary Horowitz bir görecilikçiydi, yani görelilik teorisinde uzmandı. Üzerinde, kendisi için bir isim yaptı ve parlak bir bilim adamı olarak kabul edildi. Ayrıca Hawking ile çalıştı ve kara delikler hakkında herkesten daha fazla şey biliyordu.

* Bugün KITP (Kavli Institute for Hieoretical Physics) - Kavli Institute of Theorical Physics olarak adlandırılmaktadır.

“Santa Barbara'daki California Üniversitesi. — Not. çev. bir diğer. Son olarak, Joe Polchinski kısa süre önce Teksas Üniversitesi'nden Santa Barbara'ya transfer oldu. Joe ve ben birkaç araştırma projesinde birlikte çalıştık ve onu iyi tanıyordum. Onu her zaman harika bir mizah anlayışı olan çok hoş bir insan olarak gördüğüm ve aynı zamanda zekasının gücü, hızı ve parlaklığından da etkilendim. Arkadaşlığımızın en başından beri - Joe o zamanlar yaklaşık yirmi beş yaşındaydı ve ben kırk yaşındaydım - onun dönemin en büyük teorik fizikçisi olacağından hiç şüphem yoktu. Ve beni hayal kırıklığına uğratmadı.

Bu olağanüstü genç fizikçiler yakın işbirliği içinde çalıştılar. Bazen kara deliklerle, bazen de sicim teorisiyle ilgilendiler. Birbirine sıkı sıkıya bağlı bu küçük grubun muazzam yeteneği, onu teorik fizikte çok etkili bir güç haline getirdi. Ayrıca Santa Barbara'yı bir teorik fizikçi için ( en harika değilse de) en harika yerlerden biri yaptı . Santa Barbara'daki Kara Delik Konferansı'nın önemli bir olay olacağına şüphe yoktu.

Görünüşe göre konferans, CGHS makalesinin etkisini kutlamak için toplandı. CGHS tarafından icat edilen matematiksel tekniğin, o zamanlar bilgi paradoksu olarak adlandırılan şeye bir ipucu sağlayacağı umuluyordu . Organizatörler benden Darus, Jörg ve benim Stanford'da yaptığımız çalışmalar hakkında bir rapor vermemi istediler ve Cuma gününün sonunda ne hakkında konuşmam gerektiğini tartışıyorduk.

Belki kahvedeki kafein artışından, testosteron artışından ya da sadece üç silahşör kardeşliğimizdendir ama John ve Darus'a, “Kahretsin, CGHS veya RST hakkında konuşmak istemiyorum. Bu bir çıkmaz sokak. Harika bir şey yapmamızı istiyorum . Ayağa kalkalım ve gerçekten cesurca, gerçekten dikkat çeken bir şey söyleyelim."

Bir süredir, üçümüz Stephen'ın paradoksal sonucunu aşmanın yollarını arıyorduk ve fikir kristalleşmeye başladı. Hoşçakal

Geriye dönüp baktığımda, CGHS teorisinin bize çok şey öğrettiğine inanıyorum. Daha önce her şeyden daha fazla. Hawking'in keşfettiği çelişkinin kristal netliğinde bir matematiksel formülasyonunu verdi. Ve elbette, kendi düşüncelerimin gidişatını büyük ölçüde etkiledi. o sadece bir adı bile olmayan belirsiz bir görüntüydü, ama harekete geçme zamanı gelmişti.

“Üçümüzün yarı pişmiş fikrimizin dağınık iplerini bir araya getirmemiz ve kanıtlayamasak bile daha doğru hale getirmeye çalışmamız gerektiğine inanıyorum. Yeni bir kavramı adlandırma eylemi bile bazen netlik katabilir. Kara deliklerin tamamlayıcılığı üzerine birlikte bir makale yazmayı öneriyorum ve Santa Barbara'daki bir konferansta yeni bir fikir sunacağım."

"Yerçekimi önleyici haplarınızı almayı unutmayın" (bkz. Bölüm 13) hikayesi, ne düşündüğümü açıklamak için iyi bir başlangıç. Akira Kurosawa'nın Rashomon Gate filmi gibi, bu da farklı katılımcıların gözünden görülen ve tamamen zıt sonuçlara götüren bir hikaye. Bir versiyona göre (İmparator ve Kont), zulüm gören fizikçi Steve, ufku çevreleyen inanılmaz derecede sıcak ortamda yok oldu. Ancak Steve'e göre hikaye farklıydı; çok daha mutlu son. Açıkça; sürümlerden birinin yanlış olduğu (ve muhtemelen her ikisinin de); Steve ufkun yakınında hem hayatta kalamaz hem de ölemezdi.

"Kara delik tamamlayıcılığının özü," diye açıkladım meslektaşlarıma, "kulağa çılgınca gelse de, her iki hikaye de eşit derecede DOĞRU."

İki arkadaşım şaşkındı. Onlara daha sonra ne söylediğimi artık hatırlamıyorum ; ama bu ; muhtemelen böyle bir şeydi. Kara deliğin dışında kalan herkes -kont, imparator, sadık tebaası- aynı şeyi görür: Steve ısınır, buharlaşır ve Hawking radyasyonuna dönüşür. Ama önemli olan; tüm bunlar daha önce olur; ufka ulaştığında.

Nasıl anlamlandırılır? Tek yol; Fizik yasalarıyla tutarlı olarak, ufkun hemen üzerinde, belki de Planck uzunluğundan daha kalın olmayan aşırı derecede sıcak bir katman olduğunu varsaymaktır. John ve Darus'a hiçbir fikrim olmadığını itiraf ettim ; bu katmanın nelerden oluşabileceği, ancak bir kara delikte entropinin varlığının açıklanması

"Görmek" kelimesini biraz genelleştirilmiş bir anlamda kullanıyorum. Kara deliğin dışındaki bir gözlemci, Steve'in Hawking radyasyonu biçimindeki vücudunu oluşturan enerjiyi ve hatta bireysel bilgi parçalarını algılayabilir.

yakınlaştırma; bu katmanın, büyük olasılıkla Planck boyutundan büyük olmayan küçük nesnelerden oluşması gerektiği. Sıcak tabaka, tıpkı bir damla mürekkebin suda erimesi gibi, ufukta düşen her şeyi emecektir. Bilinmeyen küçük nesnelerden ufuk atomları olarak bahsettiğimi hatırlıyorum ama tabii ki sıradan atomları kastetmedim. Bu ufuk atomları hakkında, on dokuzuncu yüzyıl fizikçilerinin sıradan atomlar hakkında bildiklerinden daha fazlasını bilmiyorum : sadece onların var olduğunu.

Bu sıcak madde tabakası bir şekilde çağrılmak zorundaydı. ZIKI astrofizikleri, sonunda kararlaştırdığım bir terim önerdi. Kara deliklerin bazı elektriksel özelliklerini analiz etmek için ufkun hemen üzerinde bir kara deliği çevreleyen hayali bir zar fikrini kullandılar. Bu hayali yüzeye uzatılmış ufuk adını verdiler , ancak ben ufkun üzerinde Planck uzunluğu kadar bir mesafede hayali bir yüzey değil, gerçek bir madde tabakası olduğunu varsaydım. Dahası, herhangi bir deneyin -örneğin, sıcaklığı ölçmek için bir termometreyi düşürmek- horizon atomlarının varlığını doğrulayacağını öne sürdüm.

"Geniş ufuk" terimini beğendim ve kendi ihtiyaçlarıma göre uyarladım. Bugün, uzatılmış bir ufuk, kara delik fiziğinde standart bir kavramdır. Bu, ufkun üzerinde yaklaşık bir Planck boyu uzaklıkta bulunan ince bir sıcak mikroskobik "serbestlik derecesi" tabakası anlamına gelir.

uzatılmış ufuk

Fizikçiler 1970'lerden beri, bir termometreyi ufka yakın bir yere indirirseniz, bunun yüksek bir sıcaklık göstereceğini biliyorlar. Kör deliklerin mucidi Bill Unruh, John Wheeler'ın öğrencisiyken bu gerçeği keşfetti.

Genişletilmiş ufuk, karadeliklerin nasıl buharlaştığını anlamamıza yardımcı olur. Zaman zaman ufkun enerjik atomlarından biri güçleniyor; normalden daha fazla itin ve yüzeyden uzaya fırlatın. Genişletilmiş ufuk, atmosferin ince ve sıcak bir tabakası olarak düşünülebilir. Bu durumda, kara deliğin buharlaşması, Dünya atmosferinin uzayda kademeli olarak dağılmasına çok benzer olacaktır. Ancak kara delik buharlaştıkça kütle kaybettiğine göre, aynı zamanda büzülüyor da olmalıdır.

Ancak bu, kara deliğin dışından bakıldığında hikayenin sadece yarısı. Kendi başına, bu yarı özellikle radikal olarak adlandırılamaz. Madde sıcak çorbaya düşer. Çorba buharlaşır. Bilgi parçaları buharla birlikte taşınır. Her şey oldukça sıradan. Kara delikten başka bir şeyden bahsediyor olsaydık, böyle bir açıklama önemsiz görünürdü.

Ama ya içeriden ya da daha doğrusu serbestçe düşen bir gözlemcinin bakış açısından bakarsanız? Buna Steve'in versiyonu diyelim ve dışarıdan gözlemlerle çelişiyor gibi görünecek (imparatorun ve kontun versiyonları).

sürdüm .

1. Kara deliğin dışında kalan herhangi bir gözlemci için, uzatılmış ufuk, kara deliğe düşen her bilgi parçasını emen, karıştıran ve sonunda (Hawking radyasyonu şeklinde) yayan sıcak bir ufuk atomları tabakası gibi görünür.

2. Serbest düşen bir gözlemci için ufuk tamamen boş bir uzay gibi görünür. Bu tür serbest düşüş gözlemcileri, onlar için geri dönüşü olmayan bir nokta olmasına rağmen, ufukta özel bir şey bulamıyorlar. Daha sonra tekilliğe yaklaştıkça yıkıcı güçlerle karşılaşırlar.

Buraya üçüncü varsayımı da eklemek biraz abartı olur ama yine de yapacağım.

3. Postülat 1 ve 2'nin her ikisi de doğrudur ve görünen çelişki gerçek değildir.

Larus bu konuda şüpheliydi. Nasıl olur da birbiriyle bağdaşmayan iki hikâyenin ikisi de doğru olabilir diye sordu. Düşen Steve'in ufukta öldüğü ve yine de bir milyon yıl daha yaşadığı iddiasında bir iç çelişki var. Temel mantık, bir ifadenin ve onun olumsuzlanmasının aynı anda doğru olamayacağını söyler. Aslında ben de kendime aynı soruyu sordum.

Stanford'daki fizik bölümünün ikinci katında bir hologram sergileniyor. Rastgele koyu ve açık nokta desenli bir 2D filmden yansıyan ışık, siz yanınızdan geçerken size göz kırpan genç ve güzel bir kızın yüzen bir 3D görüntüsünü oluşturmak için uzayda odaklanır.

Hayali görüntünün etrafında dolaşabilir ve farklı açılardan inceleyebilirsiniz. Larus, John ve ben zaman zaman hologramın yanında oyalandık. Şimdi şaka yollu bir şekilde Larus'a bir kara deliğin yüzeyinin - ufkun - bir hologram, kara deliğin içindeki tüm üç boyutlu maddenin iki boyutlu bir anlık görüntüsü olması gerektiğini söyledim. Larus onu satın almadı. Ben de, en azından bu sefer değil. Aslında kendi sözümün anlamını ben de anlamadım.

Ama bir süre düşündüm ve daha ciddi bir cevap buldum. Fizik deneysel ve gözlemsel bir bilimdir; tüm zihinsel yapıları bir kenara bırakırsak, geriye kalan bir dizi deneysel veri ve bu verileri genelleştiren matematiksel denklemler olacaktır. Gerçek çelişki, iki spekülatif resim arasındaki bir ayrılık değildir. Bu tür resimler, anlamaya çalıştığımız gerçeklikten çok, evrimsel geçmişimizin dayattığı sınırlamalarla ilgilidir. Gerçek bir çelişki ancak deneyler çelişkili sonuçlara yol açtığında ortaya çıkar. Örneğin, sıcak su dolu bir kaba daldırılan iki özdeş termometre farklı bir sıcaklık değeri verirse, böyle bir sonucu tanımamız pek olası değildir; termometrelerden birinde bir sorun olduğunu anlayacağız. Spekülatif temsiller fizik için önemlidir, ancak bir çelişkiye yol açıyor gibi görünüyorsa, verilerde bir çelişki olmadığında, o zaman temsiller yanlıştır.

Hem Steve'in hem de Kont'un kara delik hikayelerinin doğru olduğunu varsayarsak gerçek bir çelişkiye varabilir miyiz? Bir çelişkiyi belirlemek için, iki gözlemci deney tamamlandıktan sonra bir araya gelmeli ve notlarını karşılaştırmalıdır. Ancak ufkun altında bazı gözlemler yapılırsa ve başka bir gözlemci onu hiç geçmediyse, o zaman ufkun tanımı gereği, verilerini karşılaştırmak için buluşamazlar. Yani gerçekte çelişki yok, sadece kötü bir spekülatif tablo var.

John bana Hawking'in buna ne diyeceğini sordu. Cevabım oldukça doğruydu: "Ah, Stephen gülümserdi."

ilave

"Tamamlayıcılık" kelimesi, kuantum mekaniğinin efsanevi kurucu babası Niels Bohr tarafından fiziğe tanıtıldı. Bohr ve Einstein arkadaştı, ancak sürekli olarak bu teorinin paradoksları ve görünüşteki çelişkileri hakkında tartıştılar. Kuantum mekaniğinin gerçek babası Einstein'dı, ama buna dayanamadı ve tüm benzersiz entelektüel güçlerini mantıksal temellerinde bir delik açmak için kullandı. Einstein defalarca bir çelişki bulduğunu düşündü ve Bohr defalarca saldırılarını seçtiği silahı olan tamamlayıcılıkla savuşturdu.

Kuantum kara deliklerin paradokslarının nasıl çözülebileceğini açıklamak için tamamlayıcılığı kullanmam tesadüf değil . 1920'lerde kuantum mekaniği görünüşte çelişkilerle doluydu. Bunlardan biri çözülmemiş ışık sorunuydu: dalga mı yoksa parçacık mı? Bazen ışık bir şekilde, bazen de başka bir şekilde davranıyor gibi görünüyor. Işığın hem dalga hem de parçacık olduğunu söylemek anlamsızdı. Parçacık denklemlerini ne zaman ve dalga denklemlerini ne zaman kullanacağınızı nasıl anlarsınız?

Başka bir bilmece. Parçacıkları uzayda belirli bir konumu işgal eden küçük nesneler olarak düşünüyoruz. Ancak parçacıklar bir noktadan diğerine hareket edebilir. Hareketlerini tanımlayarak, ne kadar hızlı ve hangi yönde hareket ettiklerini belirtiyoruz. Neredeyse tanımı gereği, bir parçacık konumu ve hızı olan bir şeydir. Ama hayır! Heisener'in Mantığa meydan okur görünen bir yasa olan Belirsizlik İlkesi, konum ve hızın birlikte belirlenemeyeceğini belirtir. Başka bir saçmalık.

Çok garip bir şey olmaya başladı. Sağduyu boşa gidiyormuş gibi geldi. Tabii ki, deneysel verilerde gerçek bir çelişki yoktu - her deney belirli bir sonuç verdi, ölçeklerde okumalar, sayılar. Ancak spekülatif resimde, bir şeyler derinden yanlıştı. Beynimize bağlı gerçeklik modeli, ışığın gerçek doğasını ve parçacık hareketinin belirsiz doğasını yakalayamadı.

Kara deliklerin paradokslarına karşı tavrım, Bohr'un kuantum mekaniğinin paradokslarına karşı tavrıyla aynıydı. Fizikte bir çelişki, yalnızca tutarsız deneysel sonuçlara yol açıyorsa bir çelişkidir. Bohr ayrıca her zaman sözcüklerin kesin kullanımına çabalamıştır. Sözcükler yanlış kullanılırsa, bu bazen gerçekte hiç olmayan görünüşte çelişkilere yol açar.

Tamamlayıcılık, "ve" birliğinin yanlış kullanımına atıfta bulunur. "Işık dalgadır ve ışık parçacıklardır." "Bir parçacığın bir konumu ve hızı vardır." Aslında Bohr şöyle dedi: "ve" den kurtulun, onu "veya" ile değiştirin: "Işık dalgadır veya ışık parçacıklardır." "Bir parçacığın bir konumu veya hızı vardır."

Bohr, ışığın bazı deneylerde bir parçacıklar topluluğu gibi davrandığını, diğerlerinde ise bir dalga gibi davrandığını kastediyordu. Aynı anda ikisi gibi davranacağı böyle bir deney yoktur. Belirli dalga özelliklerini ölçerseniz, dalga boyunca elektrik alanın değerini söylerseniz, cevabı alırsınız. Çok düşük yoğunluklu bir ışık huzmesindeki fotonların konumu gibi parçacıkları karakterize eden bir özelliği ölçerseniz, aynı zamanda bir cevap alırsınız. Ancak parçacık özelliklerini ölçerken dalga özelliklerini de ölçmeye çalışmayın. Biri diğerinin önüne geçiyor. Dalga özellikleri veya parçacık özellikleri ölçülebilir. Bohr, ne dalgaların ne de parçacıkların ışığın tam bir tanımı olmadığını, birbirlerini tamamladıklarını söyledi .

Aynı şey konum ve hız için de geçerlidir. Bazı deneyler elektronun konumuna duyarlıdır: örneğin, elektronun bir televizyon ekranıyla çarpıştığında aydınlattığı noktayı ortaya çıkarırlar. Elektronun yörüngesinin bir mıknatısın yanından geçerken ne kadar büküldüğünü ortaya çıkarmak gibi diğer deneyler hızına duyarlıdır. Ancak hiçbir deney bir elektronun kesin konumunu ve hızını veremez .

Heisenberg mikroskobu

Peki neden bir parçacığın konumunu ve hızını aynı anda ölçemiyoruz? Bir nesnenin hızını ölçmek, o zaman içinde ne kadar hareket ettiğini bulmak için art arda iki kez konumunu ölçmekten ibarettir. Bir parçacığın konumunu bir kez ölçmek mümkünse, o zaman doğal olarak iki kez yapılabilir. Konum ve hızın aynı anda ölçülemeyeceği fikri bir çelişki gibi görünüyor. Görünüşe göre Heisenberg saçma sapan konuşuyor.

Heisenberg'in stratejisi, tamamlayıcılığı bu kadar çekici kılacak düşünme tarzının en iyi örneğiydi. Einstein gibi o da bir düşünce deneycisi oldu. Bir elektronun hem konumunun hem de hızının pratikte nasıl ölçülebileceğini sordu .

Bu verilerden hızı anlamak için, zaman içinde iki farklı noktada konumu ölçerek işe başladı. Ayrıca, elektronun hareketini bozmadan konumu ölçmek gereklidir, aksi takdirde pertürbasyonlar başlangıç hızının ölçümünü bozabilir.

Bir nesnenin konumunu ölçmenin en doğrudan yolu ona bakmaktır. Başka bir deyişle, ışığı ona doğrultun ve yansıyan ışıktan konumunu belirleyin. Aslında gözlerimiz ve beynimiz, nesnelerin retinadaki görüntülerinden konumlarını belirlemek için özel bir yerleşik sisteme sahiptir. Bu, evrimin bize bahşettiği "donanım" özelliklerinden biridir.

Heisenberg, elektrona mikroskopla baktığını hayal etti.

Buradaki fikir, elektrona bir ışık huzmesiyle çok nazikçe dokunmaktı, o kadar nazikçe ki itme hızını değiştirmedi ve ardından ışını odaklayıp bir görüntü oluşturdu. Ancak Heisenberg kendini ışığın özelliklerinde kapana kısılmış halde buldu. Her şeyden önce, ışığın tek bir elektron tarafından saçılması, elektromanyetik radyasyonun parçacık teorisi için bir problemdir. Bir elektronu en dikkatli şekilde ele alsa bile, Heisenberg onu birden az fotonla vuramadı. Bu foton çok zayıf olmalı, yani çok düşük bir enerjiye sahip olmalıdır. Enerjik bir fotonla çarpışma, istenmeyen güçlü bir sarsıntıya neden olur.

Dalgalar tarafından oluşturulan tüm görüntüler doğal olarak bulanıktır ve dalga boyu ne kadar uzun olursa, resim o kadar keskin olmaz. Radyo dalgaları en uzun dalga boyuna sahiptir - 30 santimetre veya daha fazlası. Astronomik nesnelerin harika görüntülerini veriyorlar, ancak radyo dalgalarında bir portre çekmeye çalışırsanız, oldukça bulanık çıkacaktır.

Mikrodalgalar - daha kısa dalgaların yönünü takip eder. Odaklanmış 10 cm'lik mikrodalgalarla oluşturulmuş bir portre, yüz hatlarını ayırt etmek için yine de çok bulanık olacaktır. Ancak dalga boyu birkaç santimetreye düştüğünde burun, gözler ve ağız ayırt edilebilir hale gelir.

Basit bir kural: Görüntüyü oluşturan radyasyonun dalga boyundan daha iyi odaklanma elde edemezsiniz. Yüzün ayrıntılarının boyutları birkaç santimetredir ve yalnızca daha kısa dalga boylarında ayırt edilebilir hale gelirler. Dalga boyu bir santimetrenin onda birine düşürüldüğünde, yüz mükemmel bir şekilde netleşir, ancak belki de üzerindeki küçük sivilceler görünmez.

Diyelim ki Heisenberg bir elektronun bir Mikron* içindeki konumunu görmek için yeterince keskin bir görüntüsünü elde etmek istiyor. Bunu yapmak için, bir mikrondan daha az dalga boyuna sahip ışık kullanması gerekecek.

Mikron, metrenin milyonda biridir. Bu kabaca çok küçük bir bakterinin boyutudur.

Ve tuzağın kapandığı yer burasıdır. 4. Bölüm'de bir fotonun dalga boyu ne kadar kısaysa enerjisinin o kadar yüksek olduğunu hatırlıyor musunuz? Örneğin, bir radyo dalgası fotonunun enerjisi o kadar küçüktür ki, atom üzerinde neredeyse hiçbir etkisi olmayacaktır. Tersine, bir mikronluk bir fotonun enerjisi, bir atomu harekete geçirerek, bir elektronu kuantum yörüngelerinin enerji merdiveninden yukarı fırlatmaya yetecektir. On kat daha kısa dalga boyuna sahip bir ultraviyole foton, bir elektronu bir atomdan tamamen atacak kadar enerjik olacaktır. Yani Heisenberg kapana kısılmıştı. Bir elektronun konumunu büyük bir hassasiyetle belirlemek istiyorsa, ödenmesi gereken bir bedel vardır. Elektronu "itecek" ve hareketini öngörülemeyen şekillerde değiştirecek çok enerjik bir foton kullanmak zorunda kalacak. Çok az enerjiye sahip zayıf bir foton kullanırsanız , elde edebileceğiniz en iyi şey elektronun konumu hakkında çok belirsiz bir fikirdir. Gerçek yakalama-22.

de bir sorunuz olacak: Bir elektronun hızını ölçmek mümkün mü ? Cevap, yapabilirsin. Bunu yapmak için konumunu iki kez ölçmeniz gerekir, ancak çok düşük bir doğrulukla. Örneğin, çok bulanık bir görüntü elde etmek için uzun dalga boylu bir foton kullanabilir ve çok uzun bir süre sonra bu işlemi tekrarlayabilirsiniz. İki bulanık görüntüyü ölçerek, hızı doğru bir şekilde belirleyebilirsiniz, ancak bunu konum doğruluğunu kaybetme pahasına yapabilirsiniz.

Heisenberg ne bulursa bulsun, elektronun konumunu ve hızını aynı anda belirlemeyi başaramadı. Onun ve tabii ki akıl hocası Bohr'un, bir elektronun hem konumu hem de hızı olduğunu düşünmenin bir anlamı olup olmadığını nasıl merak etmeye başladıklarını hayal edebiliyorum. Bohr'un felsefesine göre, bir elektron, çok kısa dalga boylu bir foton kullanılarak doğru bir şekilde ölçülebilen bir konuma sahip olarak tanımlanabilir veya şu şekilde tanımlanabilir:

Amerikalı yazar Joseph Heller'in Catch-22 adlı romanı, bir askeri pilotun delirmesi durumunda hizmetten çıkarılabileceği, ancak bunun hakkında resmi olarak ("yakalama" olarak bilinen bürokratik bir talimata göre) bir açıklama yazması gereken bir durumu anlatıyor. -22). — Not. perse. uzun dalga boylu fotonlarla ölçülebilen bir hıza sahip olmakla birlikte aynı anda ikisi birden değil. Bir özelliğin ölçülmesi diğerinin ölçülmesini engeller. Bohr bunu, iki tür bilginin, konum ve hızın, elektronun karşılıklı olarak tamamlayıcı yönleri olduğunu söyleyerek ifade etti. Ve elbette Heisenberg'in akıl yürütmesinde elektrona özgü hiçbir şey yoktur; bir proton, bir atom veya bir bowling topu için de geçerlidirler.

Kont, imparator ve Steve hakkındaki hikaye kendi içinde çelişkili görünüyor. Ancak bir kara deliğin içindeki bilgi parçacıklarını gözlemlemek ve onları ufkun dışında gözlemlemek, tıpkı konum ve hız ölçümlerinin birbiriyle uyumsuz olması gibi uyumsuzdur. Hiç kimse aynı anda hem ufkun içinde hem de dışında olamaz. En azından Santa Barbara'da yapacağım açıklama buydu.

Santa Barbara

Kara delikler gerçektir. Evren onlarla dolu ve en etkileyici ve şiddetli uzay nesneleri arasındalar. Ancak 1993'te, Santa Barbara'daki bir konferansta çoğu fizikçi astronomik karadeliklerle fazla ilgilenmiyordu. Daha çok teleskopik gözlemlerle değil, düşünce deneyleriyle ilgileniyorlardı. Ve bilgi paradoksu nihayet en ciddi ilgiyi çekti.

Konferans mütevazıydı - belki de yüzden fazla katılımcı yoktu. Oditoryuma girdiğimde birçok tanıdık yüz gördüm. Stephen tekerlekli sandalyesinde kenarda oturuyordu. Daha önce hiç tanışmadığım Jacob Bekenstein oditoryumun ortasındaydı. Yerel ekip -Steve Giddings, Joe Polchinski, Andy Strominger ve Gary Horowitz- tam görüş alanındaydı. Yaklaşan devrimde büyük bir rol oynayacaklardı, ama o zaman hasım oldular, bilgi kaybedenler ordusunun kandırılmış piyadeleri oldular.' Sağda, ön sırada savaşa hazır Gerard t Hooft oturuyordu.

Burada bir kelime oyunu var: Bilgi kaybedenler, hem "bilgi kaybedenler" hem de "bilgi kaybedenler", yani Hawking'in görüşlerine bağlı kalmak olarak anlaşılabilir. — Not. perse, '

Hawking Dersi

Hawking'in konuşmasından aklımda kalanlar bunlar. Stephen tekerlekli sandalyesinde rahatsız bir şekilde oturuyordu, başı dik duramayacak kadar ağırdı, geri kalan herkes gergin bir beklenti içinde sessizdi. Sahnenin sağ tarafındaydı, oradan büyük bir projeksiyon perdesini görebiliyordu ve seyirciyi takip edebiliyordu. Bu zamana kadar Stephen kendi sesiyle konuşma yeteneğini kaybetmişti. Elektronik sesi önceden kaydedilmiş bir metin yayınladı ve asistan, arkasında duran slayt projektörünü manipüle etti. Projektör, kaydedilen mesajla senkronize edildi ve asistanın orada ne yaptığı net değil.

Mekanik tınıya rağmen sesi kişisel tonlarla doluydu. Ve Stephen'ın gülümsemesi tam bir güven ve inanç gösteriyordu. Performanslarında bir gizem var: Hareketsiz, kırılgan bir vücudun varlığı, normalde sıkıcı görünen faaliyetlere nasıl bu kadar çok hayat veriyor? Stephen'ın zar zor fark edilen yüz ifadeleri, çok az insanın sahip olduğu bir çekicilik ve karizma taşıyor.

Raporun kendisi, en azından içeriği açısından özellikle akılda kalıcı değildi. Stephen ne hakkında konuşacağı ve ne hakkında konuşmak istemediğim hakkında konuştu - CGHS teorisi ve CGHS'nin onu nasıl geliştirdiği hakkında (bir hata bulduğu için RST'den cömertçe bahsetti). Ana mesajı, CGHS'de tüm hesaplamalar doğru yapılırsa, sonuçların bir kara delikten bilgi yayılamayacağına dair kendi teorisini doğruladığıydı. Stephen için CGHS'nin dersi, teorinin matematiğinin onun amacını kanıtlamasıydı. Benim için ders, yalnızca spekülatif tablonun kusurlu olmadığı değil, aynı zamanda kuantum yerçekiminin matematiksel temellerinin, en azından CGHS'ye girdiklerinde, kendi içinde çelişkili olduğuydu.

Stephen'ın raporunun en şaşırtıcı kısmı, ardından gelen soru-cevap bölümüydü. Konferans organizatörlerinden biri sahneye çıktı ve seyirciyi soru sormaya davet etti. Genellikle sorular tekniktir ve bazen oldukça uzundur çünkü soruyu soran kişi konunun özünü anladığını göstermek ister. Ama sonra seyircilerde ölüm sessizliği var. Tuhaf bir şekilde sessiz bir katedralde tapınan yüz kişi sessiz keşişlere dönüşür. Stephen cevabı oluşturur. HE'nin dış dünya ile iletişim kurma şekli inanılmaz. Konuşamıyor veya işaret vermek için elini kaldıramıyor. Kasları o kadar köreldi ki neredeyse hiç çaba gösteremiyorlar. Klavyede yazacak güç ve koordinasyondan yoksundur. Yanlış hatırlamıyorsam o sırada joystick'e hafifçe basarak sinyaller veriyordu.

Koltuğunun koluna monte edilmiş küçük bir bilgisayar ekranında, kelime dizileri aşağı yukarı sürekli olarak akıyor ve harfler yanıp sönüyor. Steven onları birer birer çıkarır ve bir cümle veya bir çift oluşturarak bilgisayara kaydeder. Bu on dakika kadar sürebilir. Kahin cevabı derlerken, oda bir mahzende olduğu gibi sessizdir. Artan beklenti ve kaygı zemininde, tüm konuşmalar kesintiye uğrar. Sonunda cevap belirir: "evet" veya "hayır"dan başka bir şey olamaz, belki bir cümle veya birkaç cümle olabilir.

Güney Amerika başkanı, savunma bakanı ve birkaç üst düzey general de dahil olmak üzere 5.000 seyircinin olduğu küçük bir stadyumun yanı sıra yüz fizikçinin olduğu bir odada olduğunu gördüm . Bu inanılmaz sessizliğe tepkilerim, şaşkınlıktan ciddi sıkıntıya kadar değişiyordu (neden bu maskaralık için zamanım boşa gidiyor?). Her zaman biraz gürültü yapmak istemişimdir, belki sadece bir komşuyla konuşmak, ama bunu hiç yapmadım.

Tanrı'nın ve evrenin en derin sırlarını ifşa ederek bir azizin görebileceği kadar hayranlık uyandıran Stephen'ın nesi var? Hawking kibirli, narsist ve son derece bencil bir kişidir. Ancak bu, kendim de dahil olmak üzere tanıdığım Bovina halkı için geçerli. Bence bu sorunun cevabının bir kısmı , tekerlekli sandalyede evrende dolaşan bedensiz zekanın büyüsü ve gizemiyle ilgili. Ama kısmen mesele şu ki, teorik Fizik birbirini uzun yıllardır tanıyan insanlardan oluşan küçük bir dünya. Çoğumuz için bu, ailenin bir uzantısıdır ve Steven, bazen hüsrana ve tahrişe neden olsa da, bu ailenin sevilen ve derinden saygı duyulan bir üyesidir . zhenie. Kullandığı sıkıcı ve uzun yoldan başka bir şekilde iletişim kuramamasından hepimiz çok rahatsızız. Onun bakış açısını takdir ettiğimiz için oturup sessizce bekliyoruz. Ayrıca Stephen'ın cevabı derleme sürecindeki konsantrasyon derecesinin muhtemelen o kadar yüksek olduğunu ve etraftaki garip sessizliği fark etmediğini düşünüyorum .

Dediğim gibi, rapor unutulmazdı. Stephen her zamanki iddialarında bulundu: bilgi bir kara deliğe giriyor ve bir daha geri gelmiyor. Kara delik buharlaştığında tamamen yok olur.

Hawking'in hemen ardından Gerard thHooft konuştu. Aynı zamanda fizik camiasının da hayran olduğu çok karizmatik bir kişidir. Gerard'ın performansları muazzam bir etki yaratıyor ve ona büyük saygı kazandırıyor. Anlaması her zaman kolay olmasa da, Hawking gibi bir "kehanet sırrı" ile ilişkilendirilmez. Oldukça açık sözlü ve oldukça elle tutulur bir Dane.

Gerard'ın sunumları her zaman komiktir. Farklı anları resmetmek için vücudunu kullanmayı seviyor ve etkileyici grafikler hazırlayabiliyor. Yıllar sonra, bir kara deliğin ufkunu göstermek için hazırladığı bir videoyu hatırlıyorum. Küre rastgele siyah ve beyaz piksellerle dolduruldu. Video ilerledikçe, pikseller siyahtan beyaza ve tekrar siyaha giderek titremeye başladı. Resim, bozuk bir televizyondaki beyaz gürültüye benziyordu. Kara deliğin entropisini oluşturan, hızla değişen ufuk atomlarından oluşan aktif bir katmanın varlığı açısından 't Hooft'un fikirlerinin benimkine benzediği oldukça açıktı. (Kara deliklerin tamamlayıcılığına dair kendi versiyonunu sunarak alkışımı çalacağından zaten korkmuştum, ama düşündüyse bile söylemedi.)

'tHooft son derece derin ve orijinal bir düşünür. Ancak pek çok orijinal kişi gibi o da genellikle yanlış anlaşılıyor. Kara delikler hakkındaki raporundan sonra seyirciyle bağını kaybettiği anlaşıldı. Dinleyiciler sıkıldığından değil - hiç de değil,

d0 ONLAR onun mantığını anlamadılar. Hatırlatmama izin verin: Bir kara deliğin ufku, arızalı bir televizyon ekranı değil, boş alan olarak kabul edildi.

Sonuç olarak, bir kara deliğin içindeki bilginin kaderi hakkında tek bir kişinin fikrini değiştirdiğinden şüpheliyim. Kimse seyirciye anket yapmadı, ancak bu noktada skorun Hawking lehine 2:1 civarında olduğunu tahmin ediyorum.

Konferansın geri kalanında beni şaşırtan şey, paradoksun doğru çözümünü inatla reddetmesiydi. Çoğu konuşmacı üç olası çözümden bahsetti.

1. Bilgi, Hawking radyasyonu ile ayrılır.

2. Bilgi kaybolur.

3. Bilgi eninde sonunda, buharlaşmadan sonra varlığını sürdüren bir kara deliğin özel bir küçücük kalıntısında tutulur. (Tipik olarak kalıntı, Planck boyutundan daha büyük ve Planck kütlesinden daha ağır değildi.)

Konuşmacılar birer birer bu üç olasılığı tekrarladılar ve ilkini hemen bir kenara attılar. Konuşmacılar arasında bir fikir birliği vardı: Hawking'in ısrar ettiği gibi bilgi ya kaybolur ya da sınırsız miktarda bilgiyi emebilecek küçük bir kalıntıda saklanır. Çocuk evrenler teorisinin bireysel savunucuları olmuş olabilir ama ben bunu hatırlamıyorum. Hooft ve birkaç kişi dışında neredeyse hiç kimse, olağan bilgi ve entropi yasalarına güvendiğini ifade etmedi.

Don Page böyle bir güveni ifade etmeye çok yaklaştı. Paige, Alaska'dan büyük bir iştahı olan arkadaş canlısı bir ayı-adamdır. Çok hareketli, gürültülü, tüm ekstrem sporların hayranı olan Don, yürüyen bir çelişki, en azından benim zevkime göre Pere. Olağanüstü bir fizikçi ve derin düşünür. Kuantum alan teorisi, olasılık teorisi, bilgi, kara delikler ve Bilimsel Biliş Yönteminin genel temelleri hakkında çok etkileyici bir anlayışa sahiptir. Aynı zamanda Evanjelik bir Hristiyandır. Bir keresinde bana, Matematik kullanarak, İsa'nın Tanrı'nın Oğlu olma ihtimalinin neden yüzde 96'dan fazla olduğunu açıklamak için bir saatten fazla zaman harcadı . Ancak fiziği ve matematiği ideolojik ve parlak değildir. Çalışmaları sadece kara delikleri anlamam üzerinde değil, tüm bilgi alanı üzerinde derin bir etkiye sahipti.

Sunumunda Don, üç olasılık mantrasını tekrarladı, ancak ilk seçeneği reddetmeye en az meyilli gibi görünüyordu. Bana öyle geldi ki, kara deliklerin buharlaştıklarında bilginin dışarı sızmasını gerektiren olağan doğa kanunlarına saygı duyması gerektiğine gerçekten inanıyormuş gibi geldi. Ancak bunu eşdeğerlik ilkesiyle nasıl bağdaştıracağını da görmedi. O zamanlar fizikçilerin, bir su ısıtıcısından kaynayan suyla nasıl kaçtığı gibi, Hawking radyasyonuyla bilgi sızdırma olasılığına karşı ne kadar bağışık oldukları şaşırtıcı.

Kara deliklerin tamamlayıcılığı

Kara deliğin savaşı durma noktasına geldi. Her iki taraf da diğerini etkileyebilecek gibi görünmüyordu. Aslında, savaş alanındaki duman o kadar yoğundu ki, savaşan tarafları ayırt etmek zordu. Hawking ve 't Hooft dışında, geri kalanlar, benim izlenimime göre, tam bir yönelim bozukluğu içinde, çok sayıda şok geçirmiş askerdi.

Raporum ertesi gün için planlandı. Sherlock Holmes'un Watson'a söylediği gibi hissettim , "İmkansızı elediğinizde, geriye en olası olmayan bile olsa gerçek kalır." Konuşmak için ayağa kalktığımda, tek bir olasılık dışında her şeyin söz konusu olmadığını hissettim - kulağa o kadar inanılmaz gelen ve gülünç görünen bir olasılık. Bununla birlikte, kara deliklerin tamamlayıcılığının saçmalığına rağmen, bu fikir doğrudur. Tüm alternatifler imkansız olarak sınıflandırılır.

"Söylediklerime katılıp katılmaman umurumda değil. Sadece ne söylendiğini hatırlamanızı istiyorum ” diyerek konuşmama şu iki cümle ile başladım; On dört yıl sonra, onları hala hatırlıyorum.

Kitap ilk olarak 2008 yılında İngilizce olarak yayınlandı. - Perse'yi al.

Ardından, fiziksel terminolojiyi kullanarak, Steve öyküsünde yer alan birbiriyle bağdaşmayan iki sonucun ana hatlarını çizdim. Seyirci, "Açıkçası, finallerden en az biri yanlış olmalı, çünkü zıt şeyler ileri sürüyorlar," diye onayladı seyirciler. Ama sonra dedim ki, "Yine de sana imkansızı söylemeye geldim: Hikayelerin hiçbiri yanlış değil. Her ikisi de ek bir şekilde doğrudur."

tamamlayıcılık terimini nasıl kullandığını açıkladıktan sonra , bir kara delik söz konusu olduğunda, deneycinin bir seçimle karşı karşıya olduğunu gösterdim: kara deliğin dışında kalın ve verileri ufuktan güvenli bir mesafede kaydedin ya da kara deliğe atlayın. ve her şeyi içeriden gözlemleyin. "İkisini de yapamazsın," diye vurguladım.

Evinize bir paketin teslim edildiğini düşünün. Yanından geçen kız arkadaşın; görür; postacının teslim edemediğini ve arabaya geri götürdüğünü. Aynı zamanda evde olduğunuz için kapıyı açıp paketi postacının elinden alıyorsunuz. Sanırım herkes bu gözlemlerin ikisinin de doğru olamayacağı konusunda hemfikir olacaktır. Birisi yanlış.

Kara delikler neden farklı olsun? Paketin geçmişini biraz daha izlemeyi önerdim . Teknik jargon ve matematiksel sembollerden tercüme edilen hikaye şöyle bir şey oluyor. Aynı günün akşamı evden çıkarsınız ve kız arkadaşınızla bir kafede buluşursunuz. “Öğleden sonra evinizin önünden geçiyordum ve gördüm ki; postacı paketi teslim etmeye çalıştı. Ama kimse ona açmadı; bu yüzden paketi arabaya geri götürdü. - "HAYIR; yanılıyorsun; sen cevapla. Paketi teslim etti. Bir katalogdan sipariş ettiğim yeni bir elbiseydi.” Açıkçası, çelişki netleşti. Her iki gözlemci de NTO'nun uyumsuz olduğunu biliyor. Aslında bir çelişki keşfetmek için evinizden çıkmanıza bile gerek yok. Telefonla konuşmak da onu ortaya çıkarırdı.

Kullandığım dil, Teorik Fizikçilerin iletişimde kullandıkları olağan matematikti, ancak matematiksel formüllerle değil, önceki deneyimlerle oluşturulmuş spekülatif bir tty haritasına saldırıyordum. Aynı başarı ile resimleri kullanmak mümkün oldu.

Ancak bir kara deliğin ufku, evinizin girişinden temelde farklıdır. Mecazi olarak konuşursak, bu tek yönlü bir kapıdır: girebilirsin ama çıkamazsın. Ufuk tanımı gereği, ufuk içinden dışarıya hiçbir mesaj kaçamaz. Ufkun ötesindeki gözlemci, kalın duvarlarla değil, fiziğin temel yasaları tarafından içerideki her şeyden ve herkesten sonsuza kadar ayrılmıştır. Çelişkiye yol açan zincirin en son halkası - sözde uyumsuz iki versiyonun tek bir gözleme indirgenmesi - fiziksel olarak mümkün değildir.

Buna, evrimin bizi mağaralara, çadırlara, evlere ve kapılara girdiğimizde davranışlarımıza yön veren, ancak karadeliklere ve ufuklara uygulandığında yanıltıcı olan o spekülatif tabloya nasıl götürdüğüne dair bazı felsefi açıklamalar eklemek istiyorum . Ancak, bu tür açıklamalar göz ardı edilecektir. Fizikçiler felsefe ve popüler bilim evrimsel psikoloji değil gerçekler, denklemler ve veriler isterler.

Ben yazarken Steven gülümsedi ama benimle aynı fikirde olduğundan pek şüpheliydim.

Daha sonra, uzatılmış bir ufkun bilgiyi nasıl emebileceğini, sonra karıştırabileceğini ve son olarak, suyun bir kaptan buharlaşması gibi, bilginin Hawking radyasyonuyla nasıl taşınabileceğini göstermek için bir su kabına düşen bir damla mürekkebin analojisini kullandım. . Bir kara deliğin dışındaki herkes için her şey oldukça sıradan - kara delikler ve banyolar o kadar da farklı değil, dedim.

Seyirci huzursuzdu; birkaç el tereddütle itiraz etti. Bilginin küvetten nasıl buharlaştığını herkes biliyordu ama bir şey eksikti: Kara deliğe düşen birine ne olacak? Uzayan ufka varınca birdenbire ıslanacak mı? Burada denklik ilkesine aykırı bir durum var mı?

Böylece hikayenin başka bir bölümüne geçtim: "Kara deliğin içine düşen biri için ufuk tamamen sıradan bir uzay gibi görünür. Uzatılmış ufuk yok, inanılmaz derecede sıcak mikroskobik nesneler yok, kaynayan demleme yok - sıra dışı hiçbir şey yok, sadece boşluk." Ayrıca hiçbir çelişkinin neden kaydedilmeyeceğini de açıkladım.

—

Stephen'ın gülümsemeye devam edip etmediğini bilmiyorum . Ve daha sonra öğrendiğim gibi , seyirciler arasındaki rölativistlerin çoğu evimin solda olduğunu düşündü.

Rapor sırasında bile kamuoyunun dikkatini çektiğim belliydi. Gerard aksi bir tavırla ön sıraya oturdu, başını sallayıp kaşlarını çattı. Orada bulunanların hepsinden, neden bahsettiğimi herkesten daha iyi anladığını biliyordum . Benimle aynı fikirde olduğunu da biliyordum . Ama her şeyin kendi tarzında sunulmasını istiyor.

Beni en çok ilgilendiren Santa Barbara halkının tepkileriydi - Piddings, Horowitz, Strominger ve özellikle Polchinski. Sahnedeyken yakalayamadım ama sonraları argümanlarımın onları zerre kadar etkilemediğini öğrendim .

Ama bana sempati duyan iki dinleyici de vardı. Kafeteryada, konuşmamdan sonra öğle yemeğinde John Preskill ve Don Page gelip yanıma oturdular. Hiperaktif Don, üç büyük tatlı da dahil olmak üzere büyük bir yiyecek dağının olduğu bir tepsi getirdi. (Tüm enerjisinin nereden geldiği açıktı.) Don gürültülü ve fanatik olabilir ama aynı zamanda çok iyi bir dinleyicidir ve o sırada o moddaydı. Bilgi söz konusu olduğunda kara deliklerin aşağı yukarı sıradan nesneler olduğu fikrinden hoşlandığını zaten biliyordum . Kendi enerjik konuşmasında bundan açıkça bahsetti.

Yanındaki John Preskill, hiçbir şekilde mesafeli olmasa da, daha içine kapanık görünüyordu. Alaycı bir mizah anlayışı olan zayıf bir adam olan John, Joe Polchinski ile aşağı yukarı aynı yaştaydı ve o zamanlar Caltech'te profesördü. Caltech, yüzyılın en büyük fizikçilerinden ikisine, Murray Gell-Mann ve Dick Feynman'a ev sahipliği yapıyordu. John'un kendisi, son derece isabetli bir nişancı olmakla ün yapmış, tanınmış bir fizikçiydi. Sydney Coleman gibi, John da düşünce netliği onlara özel bir ahlaki otorite veren insanlardan biridir . Benim için John ile sohbetler her zaman çok faydalı olmuştur. O gün gerçekleşen konuşma tam anlamıyla bir vahiydi * Ancak açıklamaya geçmeden önce kara deliklerin tamamlayıcılığı hakkında biraz daha ayrıntıya girmeliyim.

Heisenberg mikroskobuyla ufka bakmak

Yalnız bir hidrojen atomu bir kara deliğe düşer. İlk naif tablo: Küçücük bir atom, hiçbir engelle karşılaşmadan ufku geçen bir yörünge izliyor. Klasik fizikte, bir atom ufku, şemsiyeyi kesin olarak tanımlanmış bir yerde - atomun kendisinden daha büyük olmayan bir noktada geçecektir. Bu doğru gibi görünüyor, çünkü eşdeğerlik ilkesine göre, bir hidrojen parçacığı geri dönüşü olmayan noktayı geçtiği anda, felaketle sonuçlanacak hiçbir şey olmamalıdır.

Ancak bu çok naiftir, kara deliklerin tamamlayıcılığına göre, süreci dışarıdan izleyen bir gözlemci, bir atomun sıcak su dolu bir kaba uçan bir parçacık gibi çok sıcak bir katmana (uzatılmış ufuk) girdiğini görecektir. Bir sıcak madde tabakasına düşen atom, her taraftan şiddetli enerji serbestlik dereceleri tarafından bombalanır. Önce soldan, sonra yukarıdan, sonra tekrar soldan, sonra sağdan vurulur. Atom sarhoş bir denizci gibi sendeliyor. Brown hareketi yerinde bir şekilde rastgele yürüyüş olarak adlandırılır .

Brown hareketi

Ufku oluşturan sıcak serbestlik dereceleri katmanına düştüğünde atomun da başına aynı şeyin gelmesini bekleyebiliriz - tüm ufuk boyunca sendelemeye başlayacak.

Ancak bu bile aşırı basitleştirilmiş bir resim. Uzayan ufuk o kadar sıcak ki atom parçalanacak -bilimsel terminolojiyi kullanırsak iyonlaşacak- ve elektron ve proton ufukta bağımsız olarak sallanacak. Elektronlar ve kuarklar bile daha temel parçalara bölünebilir. Tüm bunların atom ufku geçmeden önce gerçekleştiğine dikkat edin . Görünüşe göre bu, üçüncü tatlıyı bitiren Don, yakıcı bir şekilde sordu: bu ek için zor değil mi? Görünüşe göre bir atomun ufku geçmeden önce bile iki tanımı olması gerekir . Birinde, atom iyonize olur ve tüm ufukta sallanır. Diğerinde ise atom tamamen bozulmamış bir biçimde doğrudan ufukta istenen noktaya düşer. Neden kimse atomu dışarıdan gözlemleyip başına felaket bir şey gelmediğini göremiyor? Bu, kara deliklerin tamamlayıcılığını kesin olarak çürütecektir.

Açıklamaya başladığımda, kısa süre sonra John Preskill W*e'nin konuyu değerlendirdiği ve benimle aynı sonuca vardığı anlaşıldı. Bir atomun, ufka yakın sıcaklığın yaklaşık 100.000 dereceye çıktığı bir noktaya ulaşmadan iyonlaşamayacağını söyleyerek başladık. Bu, ufka çok yakın, yaklaşık bir santimetrenin milyonda biri uzaklıkta gerçekleşir. ** Elektronu gözlemlemeliyiz. Bu büyük bir anlaşma gibi görünmüyor; santimetrenin milyonda biri o kadar da küçük bir miktar değil.

Heisenberg burada ne yapardı? Yanıt elbette mikroskobunu çıkarıp atomu uygun dalga boyundaki ışıkla aydınlatacağıdır. Bu durumda bir atomu ufuktan santimetrenin milyonda biri kadar uzaktayken görebilmesi için, dalga boyu IO* 6 santimetre olan fotonları kullanması gerekir. Ve şimdi her zamanki tuzağa düşüyoruz: bu kadar küçük bir dalga boyuna sahip bir foton çok fazla enerji taşır; hatta öyle bir enerjisi vardır ki, bir atoma çarptığında atom iyonlaşır. Başka bir deyişle, bir atomun sıcak bir genişletilmiş ufuk tarafından iyonlaşmadığını kanıtlamaya yönelik herhangi bir girişim, atomun iyonlaşmasıyla sonuçlanacaktır. Daha da ileri giderek, elektron ve protonun ufukta gerçekten rastgele dolaşıp dolaşmadığını görmeye yönelik herhangi bir girişimin, ufkun her yerine dağılacak parçacıkların yayılmasıyla sonuçlanacağını göreceğiz.

hatırlamıyorum ama Don'un çok canlandığını ve en kendinden emin ses tonuyla onu tamamlayıcı dediğimde şaka yapmadığımı söylediğini hatırlıyorum. Bu tam olarak Bohr ve Heisenberg'in bahsettiği şeyin aynısı. Aslında, kara deliklerin tamamlayıcılığını deneysel olarak çürütme girişimleri, belirsizlik ilkesi 3'ü çürütme girişimlerine çok benzer - ortadan kaldırmak için tasarlanan belirsizliği deneyin kendisi üretir.

Atom ufka daha da yaklaştığında ne olacağını tartıştık. Heisenberg mikroskobu daha da enerjik kuantum kullanmak zorunda kalacak. Ne de olsa, ufuktan bir Planck uzunluğundaki bir atomu takip edebilmek için, onu Planck'ınkinden bile daha büyük enerjilere sahip fotonlarla bombardıman etmemiz gerekiyor. Bu çarpışmaların ne olduğu hakkında kimse bir şey bilmiyor. Dünyadaki hiçbir hızlandırıcı, parçacıkları Planck enerjisine yakın bir enerjiye hızlandıramadı. John Wheeler bu fikri bir ilke olarak formüle etti:

herhangi bir teorik kanıt, zorunlu olarak "Planck ölçeğinin ötesindeki fizik" hakkındaki keyfi varsayımlara veya başka bir deyişle, deneyimimizin çok ötesinde yer alan şeylerin doğası hakkındaki varsayımlara dayanmaktadır.

Sonra Preskill beni heyecanlandıran bir soru sordu. Diyelim ki bir kara deliğe bir miktar bilgi düştü. Benim bakış açıma göre, dışarıdan birisi Hawking radyasyonunu toplayabilir ve sonunda bu parçayı geri yükleyebilir. Ancak, bu parçayı aldıktan sonra, ucu yanında taşıyarak kendisinin bir kara deliğe atladığını varsayalım. İçeride bu parçanın iki kopyası olacak mı? Sanki postacıdan bir paket aldıktan sonra evde kaldın ve kız arkadaşın sana geldi. Gözlemciler kara deliğin içinde buluşup kayıtlarını karşılaştırdıklarında bir çelişki olmaz mı?

John'un sorusu beni şok etti. Bu ihtimali düşünmedim . İçeriden biri aynı bitin iki kopyasını bulursa, bu kuantum kopyalanamazlık ilkesinin ihlali olacaktır. Bu, Black ANR'nin tamamlayıcılığına karşı yüzleşmem gereken en ciddi zorluktu. Haftalarca anlamamış olsam da yanıt kısmen Preskill'in kendisi tarafından verildi. İki nüshanın tekillikle çarpışmadan önce buluşamayabileceğini öne sürdü. Tekillik mahallesinin fiziği, kuantum yerçekiminin son derece gizemli bir terra incognita'sıdır. Bu, sorundan uzaklaşmamızı sağlayacaktır. Eğer öyleyse , Don Page'in fikirleri Preskill'in orijinal bombasının etkisiz hale getirilmesinde merkezi bir rol oynayacaktı.

Kara deliğe düşen bilgiye ne olur?

a) ortadan kaybolur

b) Hawking radyasyonuyla çıkıyor

c) Kara delik kalıntılarında (mevcut) kalır (Hawking radyasyonundan daha büyük zaman ölçeklerinde bozunan kalıntılar dahil)

d) Başka bir şey

Birisi bir sonraki konuşmanın başlamak üzere olduğunu anons ettiğinde tartışmamız aniden sona erdi. Sanırım konferanstaki son ders olabilirdi ve ne hakkında olduğunu ya da kimin verdiğini bilmiyordum. John'un sorusu hakkında konsantre olamayacak kadar endişeliydim. Ancak konferans nihayet bitmeden organizatörlerden biri düşüncelerimi böldü. Joe Polchinski ayağa kalktı ve bir ankete katılmak istediğini söyledi: "Hawking'in öne sürdüğü gibi kara delikler buharlaştığında bilginin kaybolduğunu mu düşünüyorsunuz yoksa thHooft ve Susskind'in iddia ettiği gibi geri geldiğini mi düşünüyorsunuz?" Konferans başlamadan önce oyların Hawking lehine önemli bir farkla dağıtılacağını düşündüm. Konferanstaki insanların bu konuda tereddüt etme eğiliminde olup olmadıklarını bilmek beni son derece ilgilendiriyordu.

Katılımcılardan olağan üç seçenekten biri artı bir tane daha için oy vermeleri istendi. İşte önerilen seçeneklerin bir açıklaması. 1. Hawking'in versiyonu: Bir kara deliğe düşen bilgi geri dönüşü olmayan bir şekilde kaybolur.

4I nm'Sh Ts-'=?oL'-

GDYL x7c A 61- Y' SOR : C& <

k) TN 6 7 8 , LOJT.

TT SEL<« OUT W/TM IWto HAW<WO ₽-AZ>/AT/S-//.

.■> BT YSMLL.15 <A£XS5 ( gl.ff' x) ІЛ-'

Bir BI-ACX ^bjD/AA/'T

C RSMAWTJ U.MICW >t( J

t/"in SCAte UiU(r sl^^de**' 'W-WA-W</Ut-RAT>>A7/öA> ) üzerinde.

>' ' '”rn<7U(- . / diğer tüm seçenekler bir araya geldiğinde - göründüğü kadar eğlenceli değildi. Gerçek zafer nedir? 45'e 32 mi? 60'a 17 mi? çoğunluk düşünüyor • Bilim, siyasetin aksine, geleneksel akla tabi olmamalıdır.

Santa Barbara konferansından kısa bir süre önce Thomas Kuhn'un Bilimsel Devrimlerin Yapısı'nı okudum. Aslında çoğu fizikçi gibi ben de felsefeyle pek ilgilenmiyorum ama Kuhn'un fikirleri isabetli görünüyor; fiziğin geçmişteki yolu ve daha da önemlisi onun 1993'teki gelişimiyle ilgili umutlarım hakkında kendi dağınık düşüncelerime odaklanmama yardımcı oldular. Kuhn, bilimin normal gelişiminin -deneysel verileri toplama ve bunları teorik modeller aracılığıyla yorumlama ve denklemleri çözme- bazen büyük paradigma kaymalarıyla kesintiye uğradığına inanıyordu. Bir paradigma değişikliği, dünyanın bir resmini bir başkasıyla değiştirmekten başka bir şey değildir. Eski kavramsal çerçevenin yerine, ortaya çıkan sorunlar hakkında yeni bütüncül bir düşünme biçimi gelir. Darwin'in doğal seçilim ilkesi bir paradigma değişikliğiydi; uzay ve zamandan uzay-zamana ve ayrıca esnek, esnek uzay-zamana geçiş; ve tabii ki klasik determinizmin kuantum mekaniği mantığıyla değiştirilmesi.

Bilimsel paradigma kaymaları, fikir değişikliğinin aslında sadece fikir değişikliği olduğu sanat ve siyasettekilerden farklıdır. Buna karşılık, Newton'un hareket yasalarından Aristoteles'in mekaniğine asla bir dönüş olmayacaktır. Genel göreliliğin, güneş sistemindeki hareketlere ilişkin doğru tahminler verdiğinde, genel göreliliğin Newton'un yerçekimi kuramına üstünlüğünü kabul etmeyi bırakabileceğimizden çok şüpheliyim. İlerleme - tutarlı bir paradigma değişikliği - bilimin gerçek gelişimidir.

Elbette bilim bir insan girişimidir ve yeni paradigmalar için verilen ıstıraplı mücadelede görüşler ve duygular değişebilir.

Rusça çevirisi: Kuhn T. Bilimsel devrimlerin yapısı. — M.: AST, 2009. — Not. çeviri

diğer mesleklerde olduğu kadar değişken. Ancak bir şekilde, tüm radikal görüşler bilimsel yöntemle filtrelendiğinde, geriye küçük gerçek parçacıkları kalıyor. İyileşebilirler, ancak kural olarak geri dönüş yoktur.

Kara Delik Savaşı'nın yeni bir paradigma için klasik bir mücadele olduğunu hissettim. Kara delik tamamlayıcılığının anketi kazanması, herhangi bir gerçek zaferin kanıtı değildi. Çünkü etkilemeyi en çok istediğim insanlar -Joe Polchinski, Gary Horowitz, Andy Strominger ve en önemlisi Stephen- muhalefette oy kullandı.

Sonraki haftalarda Larus Thorlasius ve ben, John Preskill'in sorusuna ortaklaşa bir yanıt tasarladık ve formüle ettik. Biraz zamanımızı aldı ama eminim Preskill ve Page ile görüşmem yarım saat daha sürseydi bu sorunu o zaman bile çözebilirdik. John'un aslında cevabın yarısını kendisinin verdiğine inanıyorum. Bilgi parçalarının bir kara delikten yayılmasının biraz zaman aldığını unutmayın. John, bir dış gözlemci bu parçayı kurtarıp kara deliğe atladığında, orijinal parçanın çoktan tekillikte olacağını öne sürdü. Geriye kalan tek soru, buharlaşan Hawking radyasyonundan biraz kurtulmanın ne kadar süreceğiydi.

Cevabın, Santa Barbara konferansından bir ay önce çıkan olağanüstü bir makalede verilmiş olması komik. Makaleden, açıkça belirtilmese de, bir bit bilgiyi geri yüklemek için Hawking fotonlarının yarısının yayılmasının beklenmesi gerektiği sonucu çıktı. Kara delikler tarafından bilinen çok düşük foton emisyonu oranı göz önüne alındığında, bu , yıldız kütleli bir kara delik söz konusu olduğunda, Evren'in yaşından ölçülemeyecek kadar daha büyük bir süre olan yaklaşık 10 68 yıl alacaktır . Ancak orijinal bitin tekillik içinde yok olması için Al'nin yalnızca bir saniyesinin kesri yeterlidir. Açıktır ki, Hawking radyasyonundan bir parça çekip onunla bir kara deliğe atlamanın ve onu orada ilk bit ile karşılaştırmanın bir yolu yoktur . Kara deliklerin tamamlayıcılığı kurtarıldı. Harika makalenin yazarı kimdi? Don Sayfası.

16

Beklemek! Eski bellenimi geri getirin

1960'larda bir gün, Greenwich Village'daki küçük bir avangart tiyatroda bir oyun izlemeye gittim. Performansın önemli bir unsuru - ortaya çıktığı üzere kaba mizah - sahneler arasında teknik personel yerine sahneyi değiştirme işine seyircinin dahil olmasıydı.

Bir kadına sandalyeyi sahnenin arkasına taşıması teklif edildi, ancak sandalyeye dokunduğu anda bir cips yığınına dönüştü. Biri valizi kolundan tuttu ama yerinden kıpırdamadı. İki metrelik bir kayayı kaldırıp alçak bir balkondaki birine servis etmem talimatı verildi. Genel havayı korumak adına kollarımı ona doladım ve gücümün son noktasına kadar onu kaldırıyormuş gibi yaptım. Taş sanki neredeyse hiç ağırlığı yokmuş gibi hafifçe havaya uçtuğunda, gerçek bir bilişsel uyumsuzluk anı yaşandı. Boş bir boyalı balsa kabuğuydu.

Kafamızda bir nesnenin boyutu ile ağırlığı arasındaki bağlantı, o sabit içgüdülerden biri olmalı - otomatik fizik algımızın bir parçası. Buna göre, yanlış çalışması - kişi bir kuantum fizikçisi değilse - beyinde ciddi hasar anlamına gelmelidir.

Einstein'ın 1905 keşiflerinden yola çıkarak kavramlarımızı yeniden yapılandırmanın en büyük çalışmalarından biri, büyük-ağır-küçük-ışık içgüdüsünün terk edilmesi ve onun tam tersi olan büyük-hafif, küçük-ağır ile değiştirilmesi çağrısında bulundu. Diğer pek çok durumda olduğu gibi, mantığın bu ayna benzeri tersine çevrilmesinden ilk şüphelenen Einstein oldu. O zaman ne içiyordu? Büyük olasılıkla, sadece ahizesi. Her zaman olduğu gibi, Einstein'ın geniş kapsamlı sonuçları, kafasında kurduğu en basit hayali deneyden kaynaklanmıştır.

Bir Foton Kutusunun İnanılmaz Büzülmesi Bu düşünce deneyi, isteğe göre büyütülebilen veya küçültülebilen ayarlanabilir bir kutuyla başlar - birkaç foton dışında boştur. İç duvarları mükemmel şekilde yansıtan aynalardan yapılmıştır, böylece kutuda hapsolmuş fotonlar ayna yüzeyleri arasında ileri geri hareket eder ve kaçamazlar.

Uzayın kapalı bir bölgesinde çevrelenmiş bir dalga, bu bölgenin boyutlarından daha büyük bir uzunluğa sahip olamaz. Bir metrelik kutunun içine on metrelik bir dalga çizmeye çalışın.

Saçma sapan çıkıyor. Ancak santimetre dalga bir kutuya kolayca sığar.

Einstein, fotonların içinde kalırken kutunun küçüldüğünü ve küçüldüğünü hayal etti. Kutu sıkıştırıldığında fotonlar değişmeden kalamaz. Tek olasılık, her fotonun dalga boyunun kutu ile büzülmesi gerektiğidir. Sonunda, mikro kopya kutusunun çok yüksek enerjili fotonlarla dolu olduğu ortaya çıkıyor - yüksek enerji, onların çok küçük dalga boylarına karşılık geliyor. Kutunun daha fazla sıkıştırılması, enerjilerini daha da artıracaktır.

Ama Einstein'ın en ünlü formülünü hatırlayalım E = mc 1 . Kutunun içindeki enerji artarsa kütlesi de artar. Yani ne kadar küçülürse kütlesi o kadar artacaktır . Yine, her şey saf sezginin aksine gerçekleşir. Fizikçiler yeniden öğrenmek zorunda: küçük - ağır, büyük - hafif.

Boyut ve kütle arasındaki ilişki başka bir şekilde kendini gösterir. Doğa hiyerarşik olarak inşa edilmiş gibi görünüyor ve birbirini izleyen her seviyede daha küçük ve daha küçük nesnelerden oluşuyor. Böylece moleküller atomlardan oluşur; atomlar - elektronlardan, protonlardan ve nötronlardan; protonlar ve nötronlar kuarklardan oluşur. Maddenin yapısının bu seviyeleri, hedef atomları parçacıklarla çarpıştıran ve neler olduğunu izleyen bilim adamları tarafından keşfedildi. Temel olarak, bu, ışığın (fotonların) nesnelerden yansıdığı ve ardından fotoğraf filmine veya gözün retinasına odaklandığı sıradan gözlemlerden çok da farklı değildir. Ancak gördüğümüz gibi, çok küçük boyutları keşfetmek için çok enerjik fotonlara (veya diğer parçacıklara) ihtiyacımız var. Açıkçası, bir atom çok enerjik bir fotona maruz kaldığı anda, büyük bir kütle (en azından temel parçacık fiziği standartlarına göre) küçük bir hacimde yoğunlaşmalıdır.

Boyut ile kütle/enerji arasındaki ilişkiyi gösteren bir grafik çizelim. Dikey eksende, keşfetmeye çalıştığımız ölçeğin değerini çiziyoruz. Yatayda - nesneyi ayırt etmek için gerekli olan fotonun kütlesi / enerjisi.

Prensip açıktır: nesne ne kadar küçükse, onu görmek için o kadar fazla kütle/enerji gerekir. 20. yüzyılın büyük bir bölümünde, her fizik öğrencisi boyut ve kütle/enerji arasındaki bu ters ilişkiyi kafasında delmek zorunda kaldı.

Einstein'ın foton kutusu bir anormallik değildi. Daha küçüğün daha kütleli olduğu fikri tüm modern parçacık fiziğine hakimdir. Ancak, ironik bir şekilde, 21. yüzyıl bu ürün yazılımını iptal etmeyi vaat ediyor.

Nedenini anlamak için, ne olduğunu (eğer olursa) Planck uzunluğundan bir milyon kat daha küçük bir ölçekte belirlemek istediğimizi hayal edin. Belki de doğanın hiyerarşik yapısı bu derinlikte devam ediyor. 20. yüzyılın standart stratejisi, Planck'ınkinden bir milyon kat daha fazla enerjiye sahip bir foton içeren bir nesne bulmak olacaktır. Ancak bu strateji geri tepecektir.

Ne söylemek istiyorum? Parçacıkları muhtemelen hiçbir zaman Planck enerjisine hızlandıramayacak olsak da, parçacıklardan biri bir milyon kat daha enerjik olsaydı ne olacağını biliyoruz. Bu kadar büyük bir kütle, bu kadar küçük bir hacimde yoğunlaştığında, orada bir kara delik oluşur. Hayal kırıklığına uğrayacağız çünkü göreceğimiz her şey bu kara deliğin ufkunda saklı kalacak. Foton enerjisi oluşturan daha küçük ve daha küçük ölçeklere baktığımızda, ufuk daha da genişleyecek ve gittikçe daha fazlasını gizleyecektir - başka bir yakalama-22.

Peki çarpışma sonucunda ne olur? Hawking radyasyonu ve başka bir şey değil. Ancak kara deliğin boyutu arttıkça Hawking fotonlarının dalga boyu da artacaktır. Planck altı küçük bir cismin keskin görüntüsü yerine, uzun dalga boyuna sahip fotonların oluşturduğu, giderek bulanıklaşan bir görüntü elde edilecektir. Bu nedenle, çarpışma enerjisindeki bir artıştan beklenebilecek maksimum, doğanın özelliklerinin büyük ölçekte yeniden keşfedilmesidir. Dolayısıyla, "boyut - enerji" grafiğinin gerçek biçimi buna benzer bir şeydir.

Planck ölçeğinde alt boyut sınırına ulaşılır, daha küçük hiçbir şey algılanamaz ve ardından yeni ürün yazılımı endüstri öncesi olanla çakışır: büyük = ağır. Dolayısıyla, indirgemeciliğin zafer yürüyüşü -her şeyin daha küçük şeylerden yapıldığı fikri- Planck ölçeğinde sona ermelidir.

ve kızılötesi (IR) terimleri , kısa ve uzun dalga boylu ışığın orijinal anlamlarıyla ilişkili olarak fizikte geniş bir şekilde kullanılmaya başlandı. Boyut ve enerji arasındaki 20. yüzyıl ilişkisinden dolayı, fizikçiler genellikle bu kelimeleri yüksek (UV) ve düşük (IR) enerjileri ifade etmek için kullanırlar. Bununla birlikte, yeni ürün yazılımı her şeyi karıştırdı: Planck kütlesinin dışında, yüksek enerji daha büyük boyutlar ve düşük enerji daha küçük boyutlar anlamına gelir. Bu kafa karışıklığı terminolojiye yansıdı: Büyük boyutları yüksek enerjilerle eşitleyen yeni eğilim, kafa karıştırıcı bir şekilde kızılötesi-morötesi bağlantı olarak adlandırılıyordu.

Bu kısmen, ufuktaki bilgi düşüşünün doğası konusunda fizikçilerin kafasını karıştıran kızılötesi-morötesi bağlantının anlaşılmamasından kaynaklanıyordu. 15. Bölümde, Heisenberg mikroskobunu gözlemlemek için kullanmayı hayal ettik.

* Bu korkunç terim benim ihmalim. Kızılötesi-morötesi bileşik terimini ilk kez 1998'de Edward Witten ile yazdığım bir makalede kullandım . (Görünüşe göre, bu terim Rus edebiyatına girmedi. - Perse'ye dikkat edin.) Bir kara delik yönünde düşen bir atomun arkasında. Bir atom ufka yaklaştıkça, onu ayırt etmek için artan enerjili fotonlar gerekir. Sonunda bu enerji o kadar büyüyecek ki, bir fotonun bir atomla çarpışması büyük bir kara delik oluşmasına yol açacaktır. Ardından, uzun dalga boylu Hawking radyasyonu toplanarak görüntü oluşturulabilir. Sonuç olarak, atomun görüntüsü keskinleşmek yerine, atomun tüm ufku kaplamış gibi görüneceği noktaya kadar giderek daha bulanık hale gelecektir. Dışarıdan - tanıdık bir benzetme kullanırsak - bir damla mürekkep sıcak su banyosunda erimiş gibi görünecektir.

Kara deliklerin tamamlayıcılığı fikri, çirkin görünse bile kendi içinde tutarlı görünüyor. 1994 yılına gelindiğinde, Hawking'in güvenini sarsmak ve ona "Bak Stephen, görünüşe göre tüm çalışman zemin kaybediyor!" demek istedim. Yakında bunu yapmaya çalıştım ama başarılı olamadım. Bir ay süren kuşatmada mizah ve acıma yoktu. Bir an için fizikten uzaklaşalım ve o zamanki hayal kırıklığımdan bahsedeceğim.

17

Cambridge'deki Ahab

Minik beyaz nokta o kadar büyüdü ki benim için tüm dünyayı kararttı. Ama Ahab'ın yanılsamasının aksine, benimki yüz tonluk bir balina değildi*; motorlu bir sandalyede oturan yüz kiloluk bir teorik fizikçiydi. Düşüncelerim, kara deliklerin içindeki bilgilerin yok edilmesiyle ilgili hatalı fikirleriyle Stephen Hawking'den nadiren uzaklaştı. Artık gerçekle ilgili kafamda hiçbir şüphe yoktu, ama Stephen'ın bunu görmesini sağlama ihtiyacı beni tüketiyordu. Onu zıpkınlamak, hatta aşağılamak gibi bir arzum yoktu; Sadece gerçekleri onların gördüğü gibi görmesini istedim. Kendi paradoksunun derin sonuçlarını görmesini istedim.

Beni en çok rahatsız eden şey, pek çok uzmanın -aslında rölativistlerin tümü ya da hemen hemen tümü- St.

Herman Mellville'in ünlü romanı Moby Dick'in kahramanı balina avcısı Kaptan Ahab, son yolculuğunda Ahab'ın bacağını ısıran dev beyaz balina Moby Dick'ten intikam alma fikrine kafayı takmıştır. — Not. çeviri

269

damar Onun ve diğerlerinin nasıl bu kadar kendini beğenmiş olabildiklerini anlayamıyordum. Stephen'ın bir paradoks olduğu ve bunun bir devrimin habercisi olabileceği yönündeki iddiası doğruydu. Ama o zaman neden o ve diğer herkes geçip gidiyor?

Daha da kötüsü, Hawking ve rölativistlerin bilimin temel direklerinden birini karşılığında hiçbir şey sunmadan dikkatsizce bir kenara attıklarını hissettim. Stephen, dolar matrisiyle bir girişimde bulundu, ancak başarısız oldu - tutarlı uygulaması, enerjinin korunumu yasasının feci bir ihlaline yol açtı - ve diğer tüm takipçileri memnuniyetle şöyle dedi: "Kara delikler buharlaştığında bilgi kaybolur" ve gitti her şey olduğu gibi. Entelektüel tembellik ve bilimsel merakın reddi gibi görünen şeylerden rahatsız olmuştum.

Takıntımdan kurtulmamın tek yolu koşmaktı, bazen Palo Alto'nun ötesindeki tepelerde yirmi beş mil veya daha fazla koşmaktı. Çoğu zaman, ben onu geçene kadar birkaç metre ileride koşan birine konsantre olarak zihnimi boşaltmak mümkündü. Sonra Stephen yine önümde belirdi.

Benim de hayallerimi doldurdu. Teksas'ta bir gece rüyamda Stephen'la ikimizin de mekanize sandalyelerde oturduğumuzu gördüm. Tüm gücümle onu eyerden düşürmeye çalıştım. Ama Kudretli Stephen inanılmaz derecede güçlüydü. Boğazımdan tuttu ve nefes almama izin vermeden beni tuttu. Soğuk terler içinde uyanana kadar savaştık.

Bu saplantıdan nasıl kurtulacaktım? Ahab gibi ben de düşmanıma gidip onu saklandığı yerde avlayabilirdim. Böylece 1994'ün başlarında, Cambridge Üniversitesi'nde yeni açılan Newton Enstitüsü'nü ziyaret etme davetini kabul ettim. Haziran ayında Stephen, çoğunu tanıdığım ama destekçilerim arasında saymadığım bir grup fizikçiyi ağırladı: Gary Horowitz, Gary Pebbons, Andy Strominger, Jeff Harvey, Steve Giddings, Roger Penrose, Shintan Yau ve diğer ağırsikletler. Müttefikim sadece, gelmeyecek olan Gerard t Hooft'du.

Cambridge ziyareti beni rahatsız etmedi. Yirmi üç yıl önce, birkaç bölüm beni kırgın ve rahatsız hissettirdi. O zamanlar gençtim, kimse tarafından bilinmiyordum ve henüz işçi sınıfından bir bilim insanı olarak kendimi güvende hissetmiyordum. Cambridge'deki Trinity College'da bir akşam yemeğinde profesörün masasına davet edilmesi bu duyguları pek hafifletmedi.

©JeremyBays, 1996, www.art-work-shop.co.uk

' — ■ ..I ... ■■ I .

Profesörün masasına davetin anlamını hala tam olarak anlamış değilim. Bu bir onurdu, öyleyse kim veya ne onurlandırıldı bilmiyorum. Yoksa sadece öğle yemeği için bir yer miydi? Ne olursa olsun, beni kabul eden Profesör John Polkinghorne, beni Isaac Newton ve diğer devlerin portrelerinin asılı olduğu bir ortaçağ salonuna götürdü. Öğrenciler en alt kata oturdu. Öğretim kadrosu, salonun sonundaki yükseltilmiş bir sahnede duran profesör masasına yürüdü. Yemekler benden çok daha iyi giyimli garsonlar tarafından servis edildi ve iki yanımda da güçlükle anlayamadığım bir dilde bir şeyler mırıldanan bilgin beyler vardı. Solda, az sonra çorbasını içerken horlamaya başlayan üniversite konseyinin yaşlı bir üyesi oturuyordu. Sağda, seçkin bir öğretmen, bir zamanlar burada bulunan Amerikalı bir misafir hakkında bir hikaye anlatıyordu. Görünüşe göre bu Amerikalı, gülünç derecede uygunsuz bir şarap seçimi yaptığı için Cambridge standartlarına göre yeterince rafine edilmemiş.

Bir şarap uzmanı olarak, gözlerim kapalıyken bile kırmızıyı beyazdan ayırabileceğime az çok eminim. Daha da güvenilir bir şekilde şarabı biradan ayırt edeceğim. Ama sonra tadı beni hayal kırıklığına uğratacak. Anlatılan hikayede bir karakterin rolünde olmaktan pek memnun kalmadım. Konuşmanın geri kalanı tamamen Cambridge meseleleriyle ilgiliydi ve beni geçti. Böylece geriye kalan tek şey tatsız yemeğin (beyaz macunla kaplanmış haşlanmış balık) tadını çıkarmak, tartışmadan tamamen kopmaktı.

Başka bir seferinde Polkinghorn beni Trinity College'da yürüyüşe çıkardı. Geniş, güzel bakımlı bir çim, binalardan birinin ana girişinin önünde gurur verici bir yer tutuyordu. Ama kimse çimenlerin üzerinde yürümedi. Çimenliğin etrafındaki yol, izin verilen tek yoldu. Bu yüzden, Profesör Polkinghorn elimi tutup beni dümdüz çaprazlamasına yönlendirdiğinde şaşırdım. Bu ne anlama gelir? Kutsal toprakları işgal ettik mi? Cevabın basit olduğu ortaya çıktı: İngiliz üniversitelerinde Amerikan üniversitelerine göre çok daha az olan profesörler, uzun süredir çimlerde yürüme ayrıcalığına sahipler. Başka hiç kimsenin veya en azından sıralamada daha düşük hiç kimsenin bunu yapmasına izin verilmez.

Ertesi gün üniversiteden otele refakatsiz yürüdüm. 31 yaşında bir profesör için gençtim ama öyleydim. Doğal olarak, bunun bana çimenlikte yürüme hakkı verdiğini varsaydım. Ama yolun ortasına geldiğimde, kısa boylu, tıknaz bir beyefendi, smokin ve melon şapka gibi görünen bir şey giymiş, komşu bir binadan belirdi ve derhal çimenliği terk etmek istedi. Amerikalı bir profesör olduğumu söyleyerek itiraz ettim . Ancak bunun bir etkisi olmadı.

Yirmi üç yıl sonra, sakal bırakmış, yaşlanmış ve belki de biraz daha ürkütücü bir görünüm kazanmış olarak, bu başarıyı tekrarlamaya çalıştım. Bu sefer sorun yoktu. Cambridge değişti mi? bilmiyorum _ Ben değiştim mi? Evet. Birkaç on yıl önce sınıf züppeliğimi rahatsız eden şeyler -profesörün masası, özel çim ayrıcalıkları- şimdi hoş bir misafirperverlikten ve belki de biraz İngiliz eksantrikliğinden başka bir şey değildi. Cambridge'e döndüğümde bir şey beni şaşırttı. Yerel üniversite huylarının yerini bir ziyafete bırakmasından hoşlanmamamın yanı sıra, kötü şöhretli İngiliz yemekleri çok gelişti. Cambridge'i kesinlikle sevdiğimi fark ettim.

İlk gün çok erken uyandım ve kasabayı dolaşmaya karar verdim, yavaş yavaş hedefe - Newton Enstitüsü'ne ulaştım. Eşim Ann'i Chesterton Road apartmanlarında bırakarak Cam Nehri'ne yürüdüm, kayıkhanelerin yanından kayıklarla geçtim ve Jesus Green'den geçtim. (İlk ziyaretimde, Cambridge kültürünün bu kadar büyük bir bölümünün dini kökleri olmasına şaşırdım ve hatta sinirlendim.)

Bridge Caddesi'ni geçtim ve Cam Nehri'ni geçtim. Kim tarafından? Köprü? Cambridge?9 Büyük üniversitenin adını aldığı orijinal köprünün yerinde miydim? Muhtemelen hayır, ama bunu düşünmek eğlenceliydi.

Bir park bankında, uzun, kıvrık üstleri olan "bilimsel" görünümlü yaşlı ama zarif bir beyefendi oturuyordu. Tanrım! Bu adam, atom çekirdeğini keşfeden Rutherford'a çok benziyordu. Yanına oturdum ve konuşmaya başladım . Neredeyse altmış yıldır dinlendiği mezardan kalkmamışsa, bunun Rutherford olmadığı açıktır. Ama belki de bu Rutherford'un oğludur?

Görünüşe göre sıra komşum Ernest Rutherford'un adını ve bu Yeni Zelandalı'nın nükleer enerjiyi keşfettiğini biliyordu. Ancak, güçlü dış benzerliğe rağmen, o Rutherford değildi. Aksine, benim akrabam olabilirdi - bilime amatör bir ilgisi olan emekli bir Yahudi postacı olduğu ortaya çıktı. Soyadı Goodfriend'di ve muhtemelen son nesilde Gutefreund gibi geliyordu.

Erken bir yürüyüş beni, Uygulamalı Matematik ve Teorik Fizik Bölümünün bir zamanlar eski bir binada yer aldığı Silver Street'e götürdü. Bu binada John Paul-kinhorn tarafından kabul edildim. Ama Cambridge'de bile işler değişiyor. Matematik bilimleri (İngiliz bilimsel terminolojisinde "matematik") şimdi Newton Enstitüsü'nün yanındaki yeni bir yere taşındı.

Sonra uzaktan yükselen kuleler gördüm. Asıldılar. havada asılı kaldılar. Yükseldiler. King's College Şapeli, Tanrı'nın Cambridge meskenidir. Cambridge'deki birçok akademik binaya hakimdir.

Her iki varyant da hem İngilizce hem de Almanca'da "iyi arkadaş" anlamına gelir. — Promek. perse.

Bilim öğrencilerinin kaç nesli bu katedralde dua etti ve hatta dua ediyormuş gibi yaptı? Merakımdan kutsal yere girdim. Bu ortamda zerre kadar dindar olmayan bir bilim adamı olarak ben bile elektronlardan, protonlardan ve nötronlardan başka bir şey olmadığına, hayatın evriminin tıpkı bir bilgisayar oyununda olduğu gibi bir yarışmadan başka bir şey olmadığına dair inancımda bir miktar şüphe hissettim. , bencil genler arasında. "Katedral", taş sütunlar ve renkli vitray pencerelerin ustaca birleşimiyle hayranlık uyandırıyor: Buna neredeyse bağışıklığım var ama yine de tam olarak değil.

Bütün bunlar, İngiliz akademisinde uzun süredir kafamı karıştıran dini ve bilimsel geleneklerin garip karışımını anımsatıyor. On ikinci yüzyılda din adamları tarafından kurulan Cambridge ve Oxford, Amerika Birleşik Devletleri'nde geçici olarak dindar ve gerçekçi olarak adlandırdığımız topluluklarla eşit derecede yakından ilişkilidir.' Bunun benim için gizemli, benzersiz bir entelektüel hoşgörüyü göstermesi daha da garip. Örneğin, en ünlü dokuz Cambridge kolejinin adlarını alın: Jesus College, Christ College, Corpus Christi College, Magdalen College, Peterhouse, St. Catherine's College, St. Edmund's College, St. John's College ve Trinity College (St. . Üçlü). Ama aynı zamanda laik bir Yahudi olan Isaac Wolfson'un adını taşıyan Wolfson Koleji de var. Daha da güçlü bir örnek, adını Tanrı'yı yaşam bilimleri alanından ustalıkla sürgün eden aynı Darwin'den alan Darwin Koleji'dir.

[Bu birlikte yaşamanın] tarihi uzun ve renklidir. Isaac Newton, doğaüstü inançlardan kurtulmak için kendisinden önceki herkesten daha fazlasını yaptı. Atalet (kütle), ivme ve evrensel çekim yasası ilahi olanın yerini almıştır.

* Orijinal: "inanç temelli ve gerçekliğe dayalı topluluklar". Her iki terim de Amerikan neolojizmleridir. "İnanç temelli topluluklar" kavramı, dini bir inanca veya başka bir ideolojiye dayalı örgütleri ve hareketleri karakterize eder. "Gerçekliğe dayalı topluluk" terimi daha da gençtir - basında ilk kez 2004 yılında Amerikalı gazeteci Ron Suskind tarafından kullanılmıştır ve "çözümlerin görünen gerçekliğin ayık bir şekilde incelenmesinden kaynaklandığına" inanan insanlar anlamına gelir. — Not. tepsi.

artık gezegenlerin hareketini yönlendirmesi gerekmeyen el. Bununla birlikte, on yedinci yüzyıl bilim tarihçileri, Newton'un bir Hıristiyan ve dahası, dindar bir inanan olduğuna işaret etmekten asla yorulmazlar. Hıristiyan teolojisine fizikten daha fazla zaman, enerji ve mürekkep harcadı.

Newton ve meslektaşları için akıllı bir Yaratıcının varlığı entelektüel bir gereklilikti: insanın varlığı başka nasıl açıklanabilir? Newton'un dünya görüşündeki hiçbir şey, duygu sahibi insan gibi cansız maddelerden bu kadar karmaşık nesnelerin yaratılmasını açıklayamaz. Newton'un ilahi yaratıma inanmak için fazlasıyla yeterli nedeni vardı.

Ama Newton'un başaramadığı yerde, iki yüzyıl sonra, temellerin altını oyan (farkında olmadan) Charles Darwin (aynı zamanda bir Cambridge adamı) tarafından yapıldı. Darwin'in Watson ve Crick'in (Cambridge'de keşfedilen) ikili sarmalıyla birleşen doğal seçilim fikri, büyülü yaratılışı olasılık ve kimya yasalarıyla değiştirdi.

Darwin din düşmanı mıydı? Hiç de bile. Kendisini bir agnostik, Hıristiyan dogmalarına gerçek bir inanan olarak görse de, yerel bölge kilisesinin yanı sıra yakın arkadaşı papaz Rahip John Innes'i aktif olarak destekledi.

Tabii ki, işler her zaman pek dostane gitmedi. Thomas Huxley ve Piskopos Samuel Wilberforce ("Soapy Sam") arasındaki (evrim üzerine) tartışmanın tarihinde bazı çok sert dönüşler oldu. Piskopos sordu: maymun tam olarak kimdi - büyükanne veya büyükbaba Huxley? Huxley, Wilberforce'un gerçeği uydurduğunu söyleyerek iltifata karşılık verdi. Yine de kimse ölmedi, yaralanmadı ve hatta vurulmadı. Her şey İngiliz akademik etkileşiminin medeni gelenekleri çerçevesinde yapıldı.

Şimdi nasıl? Bugün bile, bilim ve dinin asil birlikteliği devam etmektedir. Beni bahçeden karşıya geçiren John Polkinhorn artık bir fizik profesörü değil. 1979'da Anglikan rahibi olarak okumak için profesörlüğünden istifa etti. Polkinhorn, bilim ve dinin dikkate değer bir yakınlaşma dönemine girdiği ve ilahi planın doğa kanunlarının harikulade tasarımında ifade edildiği şeklindeki popüler fikrin ana savunucularından biridir . Bu yasalar tamamen olasılık dışı olmakla kalmaz, aynı zamanda akıllı yaşamın - bu arada, Tanrı'yı ve yasalarını gerçekten takdir edebilen bir yaşamın - varlığını kesin olarak garanti eder. Bugün Polkinhorn, Büyük Britanya'daki en ünlü kilise liderlerinden biridir. Ancak çimlerde yürümesine hala izin verilip verilmediğini bilmiyorum.

Bu arada, ünlü Oxford evrimcisi Richard Dawkins, bilim ve dinin sözde yakınlaşmasına yönelik saldırıyı yönetiyor. Dawkins'e göre yaşam, aşk ve ahlak, bireyler arasındaki değil, bencil genler arasındaki ölümcül rekabette önemli bir rol oynamaktadır. İngiliz entelektüel topluluğu, hem Dawkins'i hem de Polkinhorn'u barındıracak kadar büyük görünüyor.

Ama King's College Şapeli'ne geri dönelim. Renkli camdan süzülen sabah ışığı hakkında tamamen optik terimlerle düşünmek zor, bu yüzden, hafif bir "katedrallik" duygusuyla, etkileyici iç mekana bakarak bir banka oturdum.

Aklım kara deliklere döndü: teknik sorulara değil, Cambridge'e tartışmak için geldiğim paradokslara götüren doğa yasalarının inceliklerine.

Kısa süre sonra ciddi görünümlü bir adam bana katıldı - uzun boylu, iri ama şişman değil, görünüşü bana belirgin bir şekilde İngiliz'e aykırı geldi. Kaba beyaz pamuklu gömleği gençliğimde iş kıyafeti olarak giydiğim gibiydi. Kahverengi fitilli kadife pantolon bir çift geniş pantolon askısıyla tutturulmuştu ve ona on dokuzuncu yüzyıl Amerikan Batılı havası veriyordu. Sonunda, gerçeklerden uzak değildim. Aksanı Doğu Anglia değil, Batı Montana idi.

Ortak Amerikan mirasımızı oluşturduğumuzda, sohbet dine döndü. Hayır, açıkladılar, ben buraya namaz kılmak için gelmedim. Aslında ben bir Hristiyan değilim, mimariye hayran olan İbrahim'in soyundan geliyorum. Bir müteahhit olduğu ortaya çıktı ve taş işçiliğine bakmak için King's College Şapeli'ne gitti. Dahası, derin dini inançlara sahip bir adam olarak, bu kilisede dua etmenin uygun olup olmadığından şüphe duyuyordu. Kendisi Son Zaman Azizleri Mesih Kilisesi'ne aitti. İngiltere Kilisesi onu şüphelendirdi. Bana gelince, derin şüpheciliğimle onu utandırmak için hiçbir neden görmedim - doğaüstü güçlere derin bir inanç olarak anladığım dindarlığın tamamen reddi.

Mormonlar hakkında pek bir şey bilmiyordum. Bu dinle tek bağlantım, bir zamanlar çok hoş bir Mormon ailesinin yanında yaşamış olmamdı. Tek bildiğim, Mormonların kahve, çay ve Coca-Cola içmeye karşı çok katı kuralları olduğuydu. Mormon inancının Kuzey Avrupa Protestanlığının tipik bir kolu olduğunu varsaydım. Bu yüzden bir arkadaşım Mormonların Yahudilerle pek çok ortak noktası olduğunu söylediğinde şaşırdım. Ev diyebilecekleri bir toprakları olmadığı için, sonunda Utah'ın Büyük Tuz Gölü bölgesinde süt nehirleri ve jöle kıyıları olan ülkelerini bulana kadar akla gelebilecek her türlü tehlike ve zorluğa cesurca göğüs gererek Musa'larını vahşi doğada takip ettiler.

Tanıdığım eğildi, elleri açık dizlerinin üzerinde, büyük avuçları aralarında sarkıyordu. Anlattığı şey puslu bir antik dönem değil, 1820'lerde başlayan Amerikan yaşamından bir hikayeydi. Onu tanımam gerektiğini düşündüm ama tanımadım. İşte duyduklarımın kaba bir özeti, daha sonra izini sürdüğüm tarihsel verilerle destekleniyor.

Joseph Smith, 1805'te sara hastası bir annenin çocuğu olarak dünyaya geldi. Bir gün melek Moroni ona göründü ve üzerlerinde Tanrı'nın sözlerinin yazılı olduğu saf altından eski gizli levhaların sırrını fısıldadı. Bu sözler yalnızca Smith'e yönelikti, ancak bir hile vardı: Yazı, yaşayan hiç kimsenin deşifre edemeyeceği bir dildeydi.

Ama Moroni, Joseph'e endişelenmemesini söyledi. Joseph'e bir çift büyülü şeffaf taş - doğaüstü gözlük sağlayacak. Taşlara Urim ve Tummim adı verildi. Moroni, Joseph'e Urim ve Thummim'i şapkaya takması talimatını verdi, böylece sade İngilizce yazıtların içeriğini görebilirdi.

Bu hikayeyi dinlerken derin düşüncelere dalmış gibi sessizce oturdum. Bir insanın inançlı olup olamayacağını düşündüm ve eğer değilse, o zaman şapkaya takılan sihirli gözlüklerden bakılan altın plakaların hikayesi ona çok komik gelmiş olmalı. Ancak, komik olsun ya da olmasın, birkaç bin inanan Joseph Smith'i takip etti ve ardından, o otuz sekiz yaşında şiddetli bir şekilde öldüğünde, halefi Brigham Young'ı yürek burkan tehlike ve eziyet içinde takip ettiler. Bugün, bu inananların dini takipçilerinin sayısı on milyonları bulmaktadır.

Yusuf'un Urim ve Tummim'in yardımıyla deşifre ettiği altın levhalara ne olduğunu sorabilirsiniz. Cevap: İngilizceye çevrildikten sonra onları kaybetti.

Joseph Smith son derece karizmatik bir adamdı, karşı cins için çok sevecen ve çekiciydi. Bu ilahi planın bir parçası olmalıydı. Tanrı, Yusuf'a mümkün olduğu kadar çok genç kızla evlenmesini ve onları hamile bırakmasını emretti. Ayrıca çok sayıda takipçi toplamayı da emretti.

ve Illinois'de Nauvoo adlı bir yer olan vaat edilmiş toprakların ilk versiyonuna götürür. Joseph, takipçileriyle birlikte oraya vardığında, kısa süre sonra Amerikan başkanlığı için savaşacağını duyurdu. Ancak Nauvoo'daki iyi insanlar iyi Hıristiyanlardı, sıradan Hıristiyanlardı ve Smith'in çok eşlilik hakkındaki fikirlerinden hoşlanmadılar. Böylece onu vurdular.

Musa'nın cübbesi Joshua'ya gittiği gibi, Smith'in yetkisi de birçok karısı ve çocuğu olan başka bir adam olan Brigham Young'a geçti. Mormon göçü, Nauvoo'dan çok hızlı bir ayrılma ile başladı. Ve sonunda, çölde uzun ve tehlikeli bir yolculuktan sonra, Young onları Utah'a götürdü.

Bu hikaye beni büyüledi ve etkilemeye devam ediyor. Eminim o zamanlar Stephen ve onun birçok fizikçi üzerindeki güçlü karizmatik etkisi hakkındaki duygularımı etkilemiştir - hiç şüphesiz tamamen temelsizdir. Kendi hayal kırıklığım tarafından tüketilen, onu kuantum mekaniğine karşı sahte bir haçlı seferine çeken Fare olarak hayal ettim.

Ama o sabah ne Steven ne de kara delikler ilgimi çekti. King's College Şapeli, beni etkisi altına alan yeni bir bilimsel paradoks sunuyor. Belki de en dolaylı olanı dışında fizikle hiçbir ilgisi yoktu. Darwinci evrimle ilişkilendirilen paradoks buydu. İnsanların irrasyonel inanç sistemleri yaratmak için bu kadar güçlü bir dürtü ve bunlara güçlü bir bağlılık geliştirmesi nasıl mümkün olabilir? Görünüşe göre Darwinci seçilim, akılcılık eğilimini artırmalı ve hurafe ve inanç sistemlerine yönelik her türlü genetik eğilimi ortadan kaldırmalıdır. Ne de olsa, Joseph Smith'in başına geldiği gibi, irrasyonel inançlar ölüme yol açabilir. Milyonlarca insanı öldürdüklerine şüphe yok. Görünüşe göre evrim, dini gerekçelerle pervasız liderleri takip etme eğiliminden kurtulmalıdır. Ama öyle görünüyor ki her şey tam tersi. Bu Bilimsel Paradoks, ilk olarak Cambridge'de merakımı uyandırdı. O zamandan beri beni o kadar büyüledi ki, bunu anlamak için Ch'de çok zaman harcadım.

Cambridge'de geçirdiğim birkaç hafta içinde, beni oraya getiren konudan, karadeliklerin kuantum davranışından çok uzaklaşmış gibiydim. Ama öyle değil. Aklımın bir köşesinde, Hawking, Hooft, ben ve Kara Delik Savaşı'ndaki diğer tüm katılımcılar gibi bilim adamlarının kendi inanca dayalı illüzyonlarının kurbanı olup olamayacakları sorusu beni rahatsız etmeye devam etti.

Cambridge'deki o haftalar rahatsız ediciydi ve melodramatik düşüncelerle doluydu. Ahab ve balinanın hikayesi oldukça muğlak: Deli balina Ahab'ı denizin dibine mi sürükledi, yoksa deli Ahab zayıf Starbuck'ı kendisiyle birlikte cehenneme mi sürükledi?' Daha da önemlisi, Ahab gibi ben de aptalca bir saplantının peşinden mi gidiyorum yoksa Stephen yanlış bir fikirle başkalarını mı cezbediyor?

Bugün Fareli Köyün Kavalcısı Stephen'ın ya da Münzevi Stephen'ın (Fransız Haçlı Seferi Münzevi Peter'den sonra) büyülü hayranlarını entelektüel yıkıma sürüklediğini hayal etmenin çok eğlenceli olduğunu itiraf etmeliyim.Takıntı açıkça çok güçlü bir halüsinojendir.

Cambridge sokaklarında kendi karanlık düşüncelerimde amaçsızca dolaşarak birkaç hafta harcadığım izlenimine kapılmanı istemiyorum. Kara deliklerin tamamlayıcılığı üzerine Newton Enstitüsü'nde birkaç sunum yapacaktım. Enstitüde bu konuşmalara hazırlanmak ve şüpheci meslektaşlarıma çeşitli tezleri kanıtlamak için çok zaman harcadım.

Newton Enstitüsü

King's College Şapeli'nden ayrılıp haziran güneşine çıktığımda saat sabah 10 civarındaydı. Akıldışı inançla ilgili Darwinci bilmece aklıma geldi, ama şu anda daha acil bir teknik sorun gerekiyordu.

* Starbuck, Ahab'ın Moby Dick'i aradığı Pequod uskunasının birinci kaptanıydı. — Not. çeviri

” Hermit Peter, 1096-1099 Birinci Haçlı Seferi'nin ana ilham kaynaklarından biridir. — Not. çeviri

acil çözüm: Newton Enstitüsünü bulmam gerekiyordu.

Yerleşik haritam, eski Cambridge'in merkezinin dışında, modern görünümlü bir yerleşim bölgesinde bir yeri gösteriyordu. Romantik duygusallığıma aykırıydı ve bir hata olmasını umdum. Wilberforce Yolu tabelasını gördüğümde, bunun Soapy Sam olarak adlandırılan ve Huxley'e hangi büyükanne ve büyükbabasının maymun olduğunu soran Wilberforce olup olmadığını merak ettim. Belki de tarihin romantizmi henüz tamamen kaybolmadı.

Ancak gerçek daha da iyiydi. Wilberforce Road, adını Samuel'in biyolojik babası Rahip William Wilberforce'dan almıştır. William, Britanya İmparatorluğu'ndan köleliği ortadan kaldırmak için kölelik karşıtı hareketin liderlerinden biri olarak Britanya tarihinde inanılmaz bir rol oynadı.

Sonunda Wilberforce Road'dan Clarscon Road'a döndüm. Newton Enstitüsü'nde gördüğü ilk izlenim yine hayal kırıklığıydı. Bu modern bir bina - çirkin değil, cam, tuğla ve çelikten modern tarzda inşa edilmiş.

Ancak binaya girer girmez kafa karışıklığım yerini şaşkınlığa bıraktı. Mimari, amacı için ideal olduğunu kanıtladı: eski, yeni ve denenmemiş fikir alışverişinde bulunmak ve bunları aktif olarak tartışmak, hatalı teorileri ortadan kaldırmak ve umarım, ideolojik rakiplerle tanışıp onları yenmek. Bol miktarda rahat sandalye ve masa ve duvarların çoğunda tahtalar bulunan geniş, çok iyi aydınlatılmış bir alandı. Kahve masalarının etrafında, fizikçilerin her zaman bir şeyler tahmin ettiği kağıtlarla dolu birkaç grup var.

Bir masada Gary Horowitz, Jeff Harvey ve diğer birkaç arkadaşa katılmak üzereydim ama bunu yapamadan başka bir şey dikkatimi çekti. Farklı türden bir konuşmaya kulak misafiri oldum ve kulak misafiri olma isteğine karşı koyamadım. Salonun köşesinde, kral hayranlarını topladı: Stephen merkezde oturdu, mekanik tahtında hafifçe yükseldi ve İngiliz gazetecileri memnun etti. Röportaj görünüşe göre fizikle ilgili değildi, Steven'ın kendisiyle ilgiliydi. Yaklaştığımda, kişisel geçmişinden ve zayıflatıcı hastalığından bahsediyordu. Hikaye önceden yazılmalıydı, ancak her zaman olduğu gibi, kişiliğinin özelliği olan ifade edilemez bir tat, robotik sesin monotonluğunun üstesinden geldi.

Gazeteciler büyülenmişti - herkes Stephen'ın Lou Gehrig hastalığı teşhisi konmadan önceki ilk yıllarından bahsederken yüzünün en ufak hareketlerini takip etti. İfadesine göre, o ilk yıllarda bir can sıkıntısı duygusu hakimdi - ne yapacağını bilemez görünen genç bir adamın can sıkıntısı. Yirmi dört yaşında, çok az başarılı olan veya hiç başarılı olmayan, biraz tembel ve hırstan yoksun tipik bir fizik mezunuydu. Ve sonra, gece yarısını vuran bir saat gibi, ardından korkunç bir teşhis, kaçınılmaz bir ölüm cezası. Hayatta olan hepimiz ölüme mahkumuz, ama Stephen'ın durumunda zaman sayılı gibi görünüyordu - bir, belki iki yıl. Tez hazırlamak için bile yeterli değil.

Stephen ilk başta korkmuş ve bunalıma girmişti. Bazı haberlere göre, olması gerekenden daha fazla içmeye başladı. İdam edildiği kabuslarla eziyet gördü. Ama sonra beklenmedik bir şey oldu. Her nasılsa, yakın ölüm düşüncesinin yerini birkaç yıllık gecikme olasılığı aldı. Sonuç, beklenmedik derecede güçlü bir yaşam arzusuydu. Can sıkıntısı yerini fizikte iz bırakmak, evlenmek, çocuk sahibi olmak ve dünyayı keşfetmek için çılgınca bir arzuya bıraktı - hepsi de geride kalan zamanda. Stephen muhabirlere o kadar harika ve unutulmaz bir şey söyledi ki, başka birinden gelseydi bunu saçmalık olarak kabul ederdim. Hastalığın - felç edici hastalık - başına gelebilecek en iyi şey olduğunu söyledi.

İnsanları kahramanlaştırma eğiliminde değilim. Fikirlerinin netliği ve derinliği için bazı bilim adamlarının ve yazarların önünde eğiliyorum ama onlara kahraman kişilikler demiyorum. O güne kadar, kahramanlar panteonumdaki tek dev, büyük Nelson Mandela'ydı. Ama Newton Enstitüsü'ne kulak misafiri olurken birdenbire Stephen'ın gerçekten kahramanca bir figür olduğunu gördüm: Moby Dick ile aynı masada oturmaya değer bir adam (masalarda balinalar oturuyorsa).

Ama aynı zamanda Steven gibi bir adamın Fareli Köyün Kavalcısı olmasının ne kadar kolay olduğunu da gördüm ya da gördüğümü sandım. Stephen bir soruya yanıt yazarken büyük amfileri dolduran büyüleyici, katedral benzeri sessizliği düşünün.

Stephen böyle bir tavrı sadece bilim çevrelerinde uyandırmadı. Bir keresinde Stephen, eşi Elaine ve geçmişteki son derece başarılı öğrencilerinden biri olan Rafael Busso ile akşam yemeği yemiştim. Teksas'ın merkezinde, yol kenarındaki sıradan bir restorandaydı ve bunlardan Amerika'da pek çok yer vardı. Zaten yemek yiyorduk - Elaine ve Rafael ile konuşuyordum, Stephen çoğunlukla dinliyordu - garson tarafından tanındı ve onun büyük bir hayranı olduğu ortaya çıktı. Akşam yemeğinde beklenmedik bir şekilde Papa ile tanışan dindar bir Katolik gibi titreyerek, saygıyla, korku ve utançla yaklaştı. Bir kutsama için yalvararak neredeyse kendini Stephen'ın ayaklarına attı ve büyük fizikçiyle her zaman hissettiği derin ruhsal yakınlıktan bahsetti.

Stephen kesinlikle süper ünlü olmaktan hoşlanıyor; dünya ile iletişim halinde olması için ender fırsatlardan biridir.

Ama bu neredeyse dinsel bağlılığı seviyor mu, teşvik ediyor mu? Ne düşündüğünü söylemek kolay değil ama onun ifadesini bir dereceye kadar okumayı öğrenecek kadar onunla yeterince zaman geçirdim. Texas restoranında beliren zayıf sinyal, zevkten çok sıkıntıyı gösteriyordu.

Şimdi İngiltere'ye yaptığı gezinin asıl amacına dönelim: Stephen'ı bilgi kaybına olan inancının yanlış olduğuna ikna etmeye çalışmak. Ne yazık ki, Steven ile doğrudan bir tartışma benim için imkansıza yakın. Sadece birkaç kelimelik bir cevap için birkaç dakika bekleyecek sakinliğe sahip değilim. Ama Don Page, Gary Horowitz ve Andy Strominger gibi Steven'la etkileşime girmek ve işbirliği yapmak için çok zaman harcayan başka insanlar da vardı. Onunla benden çok daha etkili iletişim kurmayı öğrendiler.

Stratejimin merkezinde iki koz vardı. İlk olarak, fizikçiler konuşmayı severler ve ben sohbet etmede çok iyiyimdir. Aslında o kadar iyi ki, fizikçiler benimle aynı fikirde olmasalar bile başlattığım tartışmalara akın ediyorlar. Ne zaman bir fizik bölümüne girsem, en sessiz yerde bile bir anda mini seminerler beliriyor. Bu yüzden birkaç ortak arkadaşımla Steven'ı bir araya getirmenin (Kara Delik Savaşı'nda onları rakip olarak görmeme rağmen arkadaştılar) ve bir tartışma başlatmanın zor olmayacağını biliyordum. Ayrıca Steven'ın bir tartışmanın içine çekileceğinden de emindim: Onun için fiziksel bir tartışmanın dışında kalmak, bir kedinin kedi nanesini görmezden gelmesinden daha kolay değil, bu yüzden yakında birimiz yenilgiyi kabul edene kadar onunla şiddetli bir kavgada karşılaşacağız. .

Ayrıca stratejim, argümanlarımın gücüne ve karşı taraftakilerin zayıflığına dayanıyordu. Nihai zaferden hiç şüphem yoktu.

Bir ayrıntı dışında her şey harika çalıştı: Steven asla katılmadı. Kendisini özellikle kötü hissettiği bir dönem olduğu ortaya çıktı ve onu neredeyse hiç görmedik. Sonuç olarak, dövüşler benim birkaç yıldır Amerika Birleşik Devletleri'nde yaptığım dövüşlerle tamamen aynıydı. Keith ben onu vuramadan sıvıştı.

Cambridge'den ayrılmadan bir veya iki gün önce, tüm enstitü için kara deliklerin tamamlayıcılığı üzerine bir seminer vermem gerekiyordu . Bu, Steven'la yüzleşmek için son şansıydı. Konferans salonu doluydu. Stephen start için biraz geç geldi ve arkaya oturdu. Genellikle tahtanın yanında önde oturur , ancak bu sefer yalnız değildi, bir hemşire ve tıbbi yardıma ihtiyaç duyma ihtimaline karşı başka bir asistanla birlikteydi. Görünüşe göre, seminerin ortasında binayı terk ettiği için gerçekten sorunlar çıktı. İşte burada. Ahab şansını kaçırdı.

Seminer saat beş civarında sona erdi, bu sırada Newton Enstitüsü'nden çoktan bıkmıştım. Cambridge'den çıkmak istiyordum. Ann bir arkadaşına gitti ve bana kiralık bir araba bıraktı. Dairelerimize dönmek yerine komşu köy Milton'a gittim ve bir barda oturdum. Çok içici değilimdir ve tek başıma içmek kesinlikle alışkanlığım değildir, ama bu sefer gerçekten oturup bir bira içmek istedim. Yalnızlık istemiyordum , sadece fizikçi olmamasını istiyordum.

Barda orta yaşlı bir barmen ve birkaç yerlinin bulunduğu tipik bir taşra barıydı. Papyonlu kahverengi bir takım elbise giymiş seksen yaşlarında bir müşteri bir bastona yaslanmıştı. İrlandalı olduğunu sanmıyorum ama Go Your Own Way'de Bing Crosby'yi oynayan aktör Barry Fitzgerald'a çok benziyordu. (Fitzgerald'ın kahramanı, sinirli ama iyi kalpli bir İrlandalı rahiptir.) Ziyaretçi, ona Lou diyen barmenle iyi huylu bir şekilde tartışıyordu.

Fizikçi olmadığından emin olarak bara, yanına gittim ve kendime bir bira ısmarladım. Sohbetimizin nasıl başladığını tam olarak hatırlamıyorum ama kısa bir askeri kariyeri olduğunu, anladığım kadarıyla İkinci Dünya Savaşı'nda savaşta bir bacağını kaybettikten sonra ara verdiğini söyledi. Ancak bir bacağının olmaması barın yanında durmasını engellemedi.

Milton'da ne yaptığım sorusuna döndü . Fizik hakkında konuşacak havamda değildim ama yaşlı beyefendiyi aldatmak istemedim ve kara delikler üzerine bir konferans için Cambridge'de olduğumu söyledim. Hemen bu konuda büyük bir uzman olduğunu ve bilmediğim birçok şeyi bana söyleyebileceğini söyledi. Konuşma garip bir hal almaya başladı. Aile efsanesine göre atalarından birinin kara deliğin içinde olduğunu ancak son anda çıkmayı başardığını belirtti.

Hangi kara delikten bahsediyordu? Kara delik ucubeleri beş sente gider ve çok sıkıcı olma eğilimindedirler, ama bu adam normal bir deli gibi görünmüyordu. Birasından bir yudum aldıktan sonra Kalküta Kara Deliği'nin ne kadar korkunç, lanet olası, kesinlikle iğrenç bir yer olduğundan bahsetmeye başladı.

Kalküta'nın kara deliği! Görünüşe göre benim Cambridge'de İngiliz-Hint tarihi konulu bir konferans için olduğumu sanmış. Kalküta'nın Kara Deliği'ni duydum ama ne olduğu hakkında hiçbir fikrim yoktu. Çok belirsiz fikirlerime göre, dikkatsiz İngiliz askerlerinin soyulduğu ve öldürüldüğü bir genelevdi.

Durumu açıklığa kavuşturmamaya, bunun yerine gerçek Kara Delik hakkında daha fazla şey öğrenmeye karar verdim. Hikaye belirsiz, ancak 1756'da düşman kuvvetleri tarafından ele geçirilen bir İngiliz kalesinde bir bodrum katı, hatta bir zindan olduğu anlaşılıyor. Çok sayıda İngiliz askeri gece bodrumda kilitli kaldı ve belki de bir yanlış anlaşılma nedeniyle boğuldular. Yedi nesildir aktarılan bir aile efsanesine göre, Lou'nun atalarından biri ölüler arasında olmadan zar zor kurtulmuştur.

Bu yüzden bir kara delikten çıkan bir bilgi vakası keşfettim. Keşke Stephen orada olup bunu duysaydı.

18

Dünya bir hologram gibi

Baskın paradigmayı alt üst edin.

Tamponda görülen yazıt

Cambridge'den ayrılırken, sorunun Stephen'da ya da rölativistlerde olmadığını anladım. Tartışmalarda harcanan saatler, özellikle belirgin bir rölativist olan Gary Horowitz (CGHS'den H) ile harcanan saatler beni aksi yönde ikna etti. Genel görelilik denklemleri alanında gerçek bir sihirbaz olan Gary, aynı zamanda her şeyin en derinine inmeyi seven derin bir düşünürdür. Stephen'ın paradoksu hakkında saatlerce düşündükten sonra, bilgi kaybetme tehlikesini açıkça anladı, ancak yine de Stephen'ın haklı olduğu sonucuna vardı - kara delik buharlaştığında bilginin kaybolması gerektiği sonucuna varmaktan nasıl kaçınacağını bilmiyordu. Gary'ye kara deliklerin tamamlayıcılığını açıkladığımda (ilk kez değil), o konuyu çok iyi anladı ve bunun çok radikal bir adım olduğunu düşündü. Kuantum mekaniği belirsizliğinin devasa bir kara delik kadar büyük ölçekleri etkileyebileceğini söylemek ona doğal gelmiyordu. Kesinlikle entelektüel tembellikle ilgisi yoktu . Her şey tek bir soruya geldi: Hangi ilkelere güveniyorsunuz?

Cambridge'den uçakta, asıl sorunun kara delik tamamlayıcılığı için sağlam bir matematiksel temelin olmaması olduğunu fark ettim. Einstein bile diğer fizikçilerin çoğunu uzun süre kendi ışık teorisinin doğru olduğuna ikna edemedi . Yaklaşık yirmi yıl sürdü, belirleyici deney yapıldı ve soru kapanmadan önce Gay-Oberg ve Dirac'ın soyut matematiksel teorileri oluşturuldu. Açıkçası, daha önce

Kara deliklerin tamamlayıcılığını test etmek için bir deney kurmanın asla mümkün olmayacağını varsaydım. (Burada yanılmışım.) Ama muhtemelen daha katı bir teorik temel oluşturulabilir.

İngiltere'den dönerken, matematiksel fiziğin beş yıldan kısa bir süre içinde tüm zamanların en rahatsız edici felsefi fikirlerinden birini besleyeceğini bilmiyordum: Bir anlamda, deneyimimizin katı üç boyutlu dünyası bir illüzyon. Ve bu radikal atılımın Kara Delik Savaşı'nın gidişatını nasıl değiştireceği hakkında hiçbir fikrim yoktu.

Hollanda

Elveda, güzel eski İngiltere. Merhaba yel değirmenleri ve uzun Hollandalılar. Arkadaşım Gerard t Hooft'u ziyaret etmek için Kuzey Denizi'ni geçtim. Amsterdam'a kısa bir uçuştan sonra Ann ve ben, Gerard'ın Fizik Profesörü (veya bazılarının vurguladığı gibi Fizik Profesörü) olduğu, başka bir kanallar ve dar evler şehri olan Utrecht'e gittik. 1994'te henüz Nobel Ödülü'nü almamıştı ama çok uzak olmadığından kimsenin şüphesi yoktu.

Fizikçiler arasında, 't Hooft'un adı bilimsel büyüklükle eşanlamlıdır ve kişi başına düşen büyük fizikçi sayısının başka herhangi bir yerden daha fazla olduğu bir ülke olan Hollanda'da, o ulusal bir hazinedir. Bu yüzden Utrecht Üniversitesi'ne geldiğimde Gerard'ın işgal ettiği mütevazı ofis beni şaşırttı. O yaz Avrupa nemli bir sera gibiydi ve Hollanda, serin ve nemli bir yer olarak ününe rağmen dayanılmazdı. T Hooft'un sıkışık ofisi, klimasız olmasına rağmen tıpkı diğerleri gibiydi. Hatırladığım kadarıyla, binanın güneşli tarafındaydı ve büyük yeşil egzotik bitkilerinin bu ölümcül sıcakta nasıl mucizevi bir şekilde hayatta kaldığını merak etmiştim. Konuk olarak, gölgeli bir ofiste köşede oturuyordum, ama burada bile çalışmak ve hatta ortak tutkumuz olan kara delikleri tartışmak için çok sıcaktı.

Hafta sonu Ann, Gerard ve ben onun arabasıyla Utrecht civarındaki küçük kasabalara bir geziye çıktık.

ruh biraz daha soğuktu. Birçok büyük bilim adamı gibi, Hooft da etrafındaki dünya hakkında muazzam bir meraka sahiptir - sadece fizik açısından değil, tüm doğa açısından. Kentsel kirlilikle dolu bir dünyada hayvanların nasıl değişebileceği sorusuna olan ilgisi, fütüristik yaratıklardan oluşan koca bir hayvan kitabına yol açtı. İşte onun kreasyonlarından biri. Diğerleri ana sayfasında bulunabilir: http://www.staff.science.uu. nl/~hooftl01/evolve.html.

Het Wijndiefje (şarap hırsızı) Bacchus deliriosus. Bu parazit barların yakınında bulunabilir. Her türden şişe ve teneke kutu açmak için tamamen uyarlanmıştır. Şarap mahzeninize girmesi çok tatsız olacaktır.

• Hooft aynı zamanda amatör bir ressam ve müzisyendir. Ann ayrıca resim yapıyor ve piyano çalıyor, bu yüzden arabada ve yerel köyde öğle yemeğinde -Hollandalı börek, soğuk maden suyu ve tonlarca dondurma- deniz kabuklarının şeklinden hayatın gelecekteki evrimine kadar her şey hakkında konuştuk. Hollandalı ressamlara ve piyano tekniğine kirli bir gezegen. Ama kara delikler hakkında değil.

Çalışma haftasında fizik hakkında çok az konuştuk. Gerard - Tartışmayı seven bir rakip ve diyaloğumuz genellikle şöyle bir şeydi: "Gerard," diye başladım, "Sana tamamen katılıyorum." "Evet," diye yanıtladı, "ama sana tamamen katılmıyorum."

Tartışmak istediğim belirli bir konu vardı . Neredeyse yirmi beş yıldır düşündüğüm bu şey sicim teorisiyle ilgili. Ancak Gerard sicim teorisini sevmiyordu ve onu bu teoriyi araştırmaya ikna etmek kolay bir iş değildi. Tartışmak istediğim soru, bireysel bilgi parçalarının yeri hakkındaydı. 1969'da ilk kez sicim teorisinde harika ve aynı zamanda o kadar çılgınca bir şey keşfettim ki sicim teorisyenleri bunu düşünmek bile istemiyor.

Sicim teorisi, dünyadaki her şeyin mikroskobik tek boyutlu elastik sicimlerden oluştuğunu belirtir. Protonlar ve elektronlar gibi temel parçacıklar, her biri Planck ölçeğinden daha büyük olmayan son derece küçük ilmekli dizilerdir. (Anlamadıysanız merak etmeyin. Ana fikirleri bir sonraki bölümde anlatacağım. Şimdilik bunu başlangıç noktası olarak kabul edin.)

Belirsizlik ilkesi, ek enerji olmadığında bile bu tellerin sıfır titreşim nedeniyle titreşmesine ve dalgalanmasına neden olur (bkz. Bölüm 4). Bir ipin farklı parçaları birbirine göre sürekli hareket halindedir ve bu da küçük parçalarının bir miktar uzamasına ve birbirinden ayrılmasına neden olur. Kendi içinde bu ayrılık bir sorun değildir; atomlardaki elektronlar çekirdekten çok daha büyük bir hacme dağılmıştır ve bunun nedeni de sıfır noktası titreşimleridir. Tüm fizikçiler, temel parçacıkların uzayda sonsuz küçük noktalar olmadığını kesin olarak kabul ederler. Hepimiz elektronların, protonların ve diğer temel parçacıkların en azından Planck boyutu kadar ve muhtemelen daha büyük olmasını bekleriz. Sorun şu ki, sicim teorisinin matematiği, dalgalanmaların o kadar şiddetli olduğu, bir elektronun parçalarının evrenin en uç noktalarına savrulduğu absürt derecede güçlü bir kuantum titremesine yol açıyor. Sicim teorisyenleri de dahil olmak üzere çoğu fizikçi için bu, inanılmayacak kadar çılgınca görünüyor.

Bir elektronun evren kadar büyük olması ve bizim bunu fark etmemiş olmamız nasıl mümkün olabilir? Aramızda yüzlerce mil olsa bile, senin vücudunun iplerinin benim bedenimin ipleriyle çarpışmasını ve dolaşmasını engelleyen şeyin ne olduğunu sorabilirsin. Cevap o kadar basit değil. İlk olarak, bu dalgalanmalar, ölçülemeyecek kadar küçük olan Planck süresine kıyasla bile inanılmaz derecede hızlı. Ama buna ek olarak, o kadar ince ayarlanmışlar ki, bir telin dalgalanması diğerinin dalgalanmasına tam olarak karşılık geliyor ve böylece tüm kötü etkiler sıfırlanıyor. Bununla birlikte, bir temel parçacığın en hızlı iç sıfır noktası salınımlarını gözlemlemek mümkün olsaydı, o zaman parçalarının Evrenin bir ucundan diğer ucuna salındığını bulmak mümkün olurdu. En azından sicim teorisi böyle söylüyor.

Bu son derece tuhaf davranış bana, Larus Thorlasius'un (bkz. s. 238) bir kara deliğin içindeki dünyanın, gerçek bilginin çok uzakta olduğu bir hologram gibi olabileceğine dair bir şakasını hatırlattı. Sicim kuramı ciddiye alınırsa daha da ileri gider. İster bir kara delikte, ister bir kağıt üzerindeki kara mürekkepte olsun, her türlü bilgiyi evrenin dış kenarına ya da evrenin sonu yoksa "sonsuzluğa" yerleştirir.

Thooft ile bu fikir hakkında ne zaman konuşmaya başlasam, tartışma hemen durdu. Ama Utrecht'ten eve dönmemden kısa bir süre önce Gerard bana şaşırtıcı bir şey söyledi. Yani, ofisinin duvarlarını bir Planck ölçeğinde ele alırsanız, o zaman prensipte odanın içinde ne olduğuna dair tüm bilgi parçalarını içereceklerdir. Ona "hologram" kelimesinden bahsetmedim ama o da belli ki benim düşündüğüm şeyi düşünüyordu: anlaşılmaz bir şekilde, dünyadaki her bilgi parçası çok uzakta, uzayın en uç noktalarında kaydediliyor. Aslında benden ilerideydi: Birkaç ay önce yayınlanan ve bu fikri tartıştığı makalesine atıfta bulundu.

Bu söz üzerine diyaloğumuz kesintiye uğradı ve Hollanda'da kaldığım sürenin geri kalan iki DIA'sında artık kara deliklerden bahsetmedik. Ancak o akşam otele döndüğümde şu ifadenin ispatını detaylı bir şekilde yaptım: Uzayın herhangi bir bölgesinde bulunabilecek maksimum bilgi miktarı, bölgenin sınırında yazılabilecekleri geçmez, bir Planck düzleminde bitin dörtte birinden fazla tasarruf etme Chadi.

Şimdi her yerde bulunan ve sürekli tekrarlanan bir çeyrek ile ilgili bir açıklama yapayım . Neden Planck alanı başına çeyrek bit ve Planck alanı başına bir bit değil? Cevap önemsiz. Tarihsel olarak, Planck birimi zayıf bir şekilde tanımlanmıştır. Aslında, fizikçiler geri dönüp Planck birimini yeniden tanımlamalı, böylece dört Planck alanı bir olsun. Ve bu harekete öncülük edeceğim; Bundan sonra yasa şöyle olacak:

Uzayın bir bölgesindeki maksimum entropi, Planck alanı başına bir bittir.

7. bölümde tanıştığımız Ptolemy'ye dönelim. Orada onun bir komplodan o kadar korktuğunu ve kütüphanede yalnızca dışarıdan görülebilen bilgilerin saklanmasına izin verdiğini öne sürdük. Bu nedenle sadece dış duvarlara yazılmıştır. Planck alanı başına bir bit kayıt yoğunluğu ile Ptolemy, maksimum IO 74 bit depolayabilir. Bu, herhangi bir gerçek kütüphanenin tutabileceğinden çok daha fazla, ancak yine de bir kütüphaneye sıkıştırılabilecek IO 109 Planck boyutundaki bitlerden daha az, muazzam miktarda bir bilgidir. Hooft'un tahmin ettiği ve benim bir otel odasında otururken kanıtladığım şey, Batlamyus'un hayali yasasının, uzayın bir bölgesinde bulunabilecek bilgi miktarına ilişkin gerçek bir fiziksel sınıra tekabül ettiğidir.

Pikseller ve vokseller

Modern bir dijital kameranın filme ihtiyacı yoktur. Piksel adı verilen mikroskobik ışığa duyarlı hücre hücreleriyle dolu iki boyutlu bir "retinaya" sahiptir . İster modern bir dijital fotoğrafçı, ister eski bir tuval ressamı tarafından çekilmiş olsun, tüm görüntüler illüzyondur; bizi yanıltıyorlar, bizi orada olmayanı görmeye zorluyorlar - kendileri yalnızca iki boyutlu bilgi içermelerine rağmen üç boyutlu görüntüler üretiyorlar. Anatomi Dersi'nde Rembrandt, gerçekte iki boyutlu bir tuval üzerinde yalnızca ince bir boya tabakası varken, bedeni, kesikleri ve derinliği görmemizi sağlayarak bizi aldatıyor.

Bu numara neden işe yarıyor? Her şey, özel devrelerin, önceki deneyimlere dayanarak, beyninizin görmek için eğitilmiş olduğu şeyi gördüğünüz yanılsamasını yarattığı beyinde gerçekleşir. Ölü adamın bacaklarının gerçekten size daha yakın olup olmadığını veya vücudun geri kalanına göre çok büyük olup olmadığını belirlemek için tuvalde gerçekten yeterli bilgi yok mu? Vücudu perspektiften mi kısaltılmış yoksa gerçekten çok mu kısa? Derisinin altındaki organlar, kan ve bağırsakların hepsi senin kafanın içinde. Belki; bu kişi hiç bir insan değil, alçıdan bir manken hatta iki boyutlu bir tablodur. En yüksek doktorun başının arkasındaki parşömende ne yazdığını görmek ister misin? Daha iyi bir açı bulmak için tablonun etrafında yürümeyi deneyin. Ne yazık ki, bu bilgi burada değil. Kameranızın piksel ekranındaki görüntü de gerçek 3B bilgilerini saklamaz; aynı zamanda bir yanılsamadır.

Gerçek üç boyutlu bilgileri depolamak için bir elektronik sistem oluşturmak mümkün mü? Tabi ki yapabilirsin. Bir yüzeyi 2B piksellerle doldurmak yerine, alanı mikroskobik 3B Hücrelerle veya bazen adlandırıldıkları şekliyle voksellerle doldurduğunuzu hayal edin. Çünkü

İngilizce neologizm vohei, hacimsel (hacimsel) ve pіhei (piksel) kelimelerinden oluşur. — Not. çeviri

Voksel dizisi gerçekten 3B olduğundan, kodlanmış bilginin 3B dünyasının belirli bir parçasını doğru bir şekilde yeniden üretebileceğini anlamak zor değildir. 2B bilginin 2B piksel dizilerinde depolanabileceğini*, oysa 3B bilginin yalnızca 3B voksel dizilerinde depolanabileceğini varsaymak cazip gelebilir. Bu varsayıma geleneksel bir ad verelim, örneğin boyut değişmezliği.

Bu hipotezin görünüşteki doğruluğu, tam olarak hologramları bu kadar harika yapan şeydir. Bir hologram, iki boyutlu bir film tabakası veya üç boyutlu bir sahnenin tüm ayrıntılarını koruyabilen iki boyutlu bir piksel dizisidir. Bu beynin yarattığı bir illüzyon değil. Bilgi aslında kasette mevcuttur.

Sıradan bir hologramın ilkesi ilk olarak 1947'de Macar fizikçi Dennis Gabor tarafından keşfedildi. Hologramlar, ışığın iki yarıktan geçerken oluşturduğuna benzer, rastgele kesişen çizgili girişim desenlerinden oluşan alışılmadık fotoğraflardır. Bir hologramda desen, yarıklar tarafından değil, fotoğrafı çekilen nesnelerin farklı kısımlarından saçılan ışık tarafından oluşturulur. Fotoğraf filmi, mikroskobik karanlık ve aydınlık noktalar biçimindeki bilgilerle doludur. Dıştan bakıldığında, gerçek bir üç boyutlu nesneyle hiçbir ilgileri yoktur; bir mikroskop altında, sadece bu türden rastgele optik gürültü göreceksiniz.

gürültü terimi sesle ilgili değildir. Bozuk bir TV ekranındaki beyaz gürültü gibi rastgele, yapılandırılmamış bilgiler anlamına gelir.

3B nesneler birbirinden ayrılır ve görünüşe göre umutsuzca karışık bir 2B görüntüye katlanır. Ve ancak parçaların bu şekilde karıştırılması nedeniyle, üç boyutlu dünya iki boyutlu bir yüzey üzerinde doğru bir şekilde temsil edilebilir.

Bu karıştırma tersine çevrilebilir, ancak yalnızca nasıl yapılacağını biliyorsanız. Bilgi kasettedir ve çoğaltılabilir. Bu iç içe desenin üzerine düşen ışık, havada süzülen gerçekçi bir üç boyutlu görüntüyü dağıtacak ve geri yükleyecektir.

Holografik görüntü, tüm hayaletimsi gerçekliğine rağmen her yönden izlenebiliyor ve inandırıcı görünüyor. Doğru teknolojiyle Ptolemy, kütüphanesinin duvarlarını binlerce parşömenin karışık holografik görüntüsünü içeren piksellerle kaplayabilirdi. Ve sonra, doğru ışıklandırmayla, bu parşömenler kitaplığın içinde üç boyutlu görüntüler olarak görünürdü.

Sizi oldukça garip bir bölgeye yönlendirdiğimi fark etmiş olabilirsiniz, ancak bunların hepsi, fizikte bir kez daha gerçekleşen entelektüel yeniden kablolama sürecinin bir parçasıdır. Hooft ve benim vardığımız sonuç şu: Olağan deneyimimizin üç boyutlu dünyası -galaksiler, yıldızlar, gezegenler, evler, kayalar ve insanlarla dolu evren- bir hologram, uzak bir iki- üzerine kodlanmış bir gerçeklik görüntüsü. boyutlu yüzey. Holografik ilke adı verilen bu yeni fizik yasası , uzayın belirli bir bölgesindeki her şeyin sınırında bulunan bilgi parçacıkları aracılığıyla tanımlanabileceğini belirtir.

Çalıştığım ofisi kesin olarak düşünün . Sandalyemdeyim, bilgisayar önümde, masamın üstünde atmaya korktuğum karmakarışık kağıt yığınları, tüm bu bilgiler ayrıntılı olarak, görülemeyecek kadar küçük ama duvarları yoğun bir şekilde kaplayan Planck parçalarında kodlanmış. odanın. Ya da Güneş'in bir milyon ışıkyılı içindeki herhangi bir şeyi düşünün. Bu bölgenin bir sınırı vardır - fiziksel bir duvar değil, hayali bir matematiksel kabuk - ve içinde bulunan her şeyi içerir: yıldızlararası gaz, yıldızlar, gezegenler, insanlar ve diğer her şey. Daha önce olduğu gibi, böylesine dev bir kabuğun içindeki her şey, kabuğun her yerine dağılmış mikroskobik parçaların oluşturduğu bir görüntüdür. Ayrıca, her bir Planck alanı için birden fazla bit'e ihtiyacınız olmayacak. Sanki sınır -ofis duvarları ya da matematiksel kabuk- her biri birer kare Planck uzunluğunda minik piksellerden oluşuyormuş ve alanın içinde olan her şey bu pikselli sınır tarafından yaratılan holografik bir görüntü. Ancak, geleneksel bir hologramda olduğu gibi, uzak kenarda kodlanan bilgi, 3B orijinalin oldukça karışık bir temsilidir.

Holografik ilke, daha önce gördüğümüz her şeyden çarpıcı biçimde farklıdır. Bilginin bir uzay hacminde dağılmış olması o kadar sezgisel görünüyor ki, bu fikrin yanlış olduğuna inanmak zor. Ancak dünya vokselleştirilmemiştir; pikselleştirilir ve tüm bilgiler alanın kenarında saklanır. Ama sınır nedir ve boşluk nedir?

7. bölümde şu soruyu sordum: Grant'in Grant'in mozolesine gömüldüğü bilgisi nerede? Birkaç yanlış cevabı reddettikten sonra, bu bilginin Grant'in mozolesinde olduğu sonucuna vardım. Ama gerçekten öyle mi? Grant'in tabutunun çevrelediği uzay bölgesiyle başlayalım. Holografik ilkeye göre, Grant'in kalıntıları holografik bir illüzyon, tabutunun duvarlarına kaydedilen bilgilerden yeniden oluşturulmuş bir görüntü. Ayrıca kalıntılar ve tabutun kendisi, Grant Mozolesi adı verilen devasa bir anıtın duvarları içinde yer almaktadır.

Yani Grant'in, eşi Julia'nın kalıntıları, tabutları ve onları görmeye gelen turistler, mozolenin duvarlarına yazılan bilgilerin görüntüleridir.

Ama neden orada dursun? Tüm güneş sistemini içeren devasa bir küre hayal edin. Grant, Julia, tabutlar, turistler, mozole, Dünya, Güneş ve diğer sekiz gezegen (Pluto hala bir gezegen!) Kocaman bir kürenin üzerine bilgilerle kodlanmış durumdalar. Ve böylece evrenin sınırlarına veya sonsuzluğa ulaşana kadar devam edebiliriz.

Açıkçası, belirli bir bilgi parçasının nerede bulunduğu sorusunun net bir cevabı yoktur. Sıradan kuantum mekaniği, bu tür sorulara bazı belirsizlikler getirir. Bir parçacığa ya da bizim durumumuzda herhangi bir nesneye bakana kadar, konumunda bir kuantum belirsizliği vardır. Ancak bir nesne gözlemlendiğinde, herkes onun nerede olduğu konusunda hemfikir olacaktır. Nesnenin Grant'in vücudunun bir atomu olduğu ortaya çıkarsa, sıradan kuantum mekaniği onun konumunu biraz belirsizleştirir, ancak onu uzayın sınırlarının, hatta tabutun duvarlarının dışına yerleştirmez. Ancak bilgi biti nerede diye sorarsanız; yanlış; bu soru nasıl sorulmalı?

Giderek daha fazla doğruluk elde etmeye çalışmak; özellikle yerçekimi ve kuantum mekaniği dikkate alındığında; matematiksel temsillere geliyoruz; piksel desenleri dahil; uzaktaki iki boyutlu bir ekranda dans etmek; ve gizli kod hakkında; karışık desenleri bütünleşik üç boyutlu görüntülere dönüştürmek. Ancak; Kesinlikle; ekran yok; piksellerle kaplı ve uzayın tüm alanlarını çevreleyen. Grant'in tabutu, Grant'in mozolesinin bir parçasıdır; güneş sisteminin bir parçası olan; galaktik kürede bulunur; Samanyolu'nu kaplamak... ve böylece tüm evren kaplanana kadar. Her seviyede her şey; ele aldığımız şey holografik bir görüntü olarak tanımlanabilir ; ama hologramın kendisine baktığımızda; her zaman bir sonraki seviyede sona erer*.

Tüm tuhaflığına rağmen - ve çok tuhaf - holografik ilke çoktan genel kabul görmüş teorik fiziğin bir parçası haline geldi. Bu artık bir kuantum yerçekimi tahmini değil; günlük çalışan bir araç haline geldi; sadece kuantum yerçekimi ile ilgili soruları yanıtlamakla kalmayıp; ama aynı zamanda bu tür yavan şeyler hakkında; atom çekirdeği gibi (bkz. bölüm 23).

2005'e kadar yayınlanan dünyanın ilk bilim kurgu edebiyat dergisi. - Perce notu ) bulunanlara benzer garip sorulara yol açar. , belki de bir kozmik kuantum bilgisayarına programlanmıştır? Ya da daha da heyecan verici: "Geleceğin amatörleri, kuantum piksellerden oluşan bir ekranda gerçekliği simüle edebilecek ve kendi evrenlerinin yaratıcıları olabilecekler mi?" Bu iki sorunun da cevabı evet ama...

Tabii ki, tüm dünya fütüristik bir kuantum bilgisayarda olabilir, ancak holografik ilkenin bu fikre ne ekleyebileceğini bilmiyorum, ancak böyle bir bilgisayarın devrelerindeki öğelerin sayısı göründüğünden biraz daha az olabilir. gerekli. Geleceğin dünyasını inşa edenler, evreni doldurmak için gereken 10™° element yerine, holografik ilke sayesinde yalnızca 0 120 piksele ihtiyaç duyduklarını görebilirler . (Karşılaştırma için: dijital kameraların birkaç milyon pikseli vardır.)

Holografik ilke, fizik yasalarını kökten yeniden şekillendirse de, ispatı karmaşık matematik gerektirmez. Her şey, hayali bir matematiksel sınırla işaretlenmiş küresel bir uzay bölgesi ile başlar. Bu alan her türden "şey" içerir: hidrojen gazı, fotonlar, peynir, şarap, taşmadığı sürece her şey. Tüm bunları arayacağım.

Bölgemize doldurulabilecek en büyük şey, ufku sınıra denk gelen bir karadeliktir. Şeylerin bundan daha büyük olması gerekmez, yoksa sınırın içine sığmazlar, ancak bu şeylerde bilgi bitlerinin sayısında bir sınır var mı? Kürenin içine itilebilecek maksimum bit sayısını belirlemekle ilgileniyoruz.

Şimdi, incelenmekte olan tüm sistemi çevreleyen -artık hayali bir sınır değil, gerçek maddeden yapılmış- küresel bir malzeme kabuğu hayal edin. Gerçek maddeden yapılan bu kabuğun kendi kütlesi vardır. Hangi malzemeden yapılmış olursa olsun, bölgenin sınırıyla tam olarak örtüşmediği sürece, dış basınçla veya içerideki maddenin çekim kuvvetiyle sıkıştırılabilir .

Kabuğun kütlesini ayarlayarak, alanın sınırına denk gelen bir ufuk oluşturabilirsiniz.

En başından beri sahip olduğumuz orijinal şeyler, anlamını belirtmeyeceğimiz belirli bir miktarda entropi - gizli bilgi - içerir. Ancak nihai entropinin kara deliğin entropisi, yani alanı olduğuna şüphe yok , Planck birimleriyle ifade ediliyor.

Kanıtı tamamlamak için geriye sadece termodinamiğin ikinci yasasının entropinin her zaman artmasını gerektirdiğini hatırlamak kalıyor. Yani bir kara deliğin entropisi, orijinal şeylerin herhangi birinden daha büyük olmalıdır. Hepsini bir araya getirdiğimizde, şaşırtıcı bir gerçeğin kanıtını elde ediyoruz: herhangi bir koşulda uzayın bir bölgesine sığabilecek maksimum bilgi biti sayısı, alanına sığabilecek Planck piksellerinin sayısına eşittir. onun sınırı. Örtülü olarak, bu, uzayın bir bölgesinde meydana gelen her şeyin bir "sınır tanımı" olduğu anlamına gelir; sınır yüzeyi, üç boyutlu iç bölgenin iki boyutlu bir hologramıdır. Benim için bu en iyi kanıt türü: birkaç temel ilke, bir düşünce deneyi ve geniş kapsamlı sonuçlar.

Holografik prensibi tanımlamanın başka bir yolu daha var. Sınırlayıcı küre çok büyükse, herhangi bir küçük parçası bir düzlem gibi görünecektir. Geçmişte, insanlar büyük boyutundan dolayı Dünya'nın düz olduğuna inanmakta yanılıyorlardı. Küremiz birçok kez daha büyük, diyelim ki bir milyar ışıkyılı çapında olsun. Böyle bir kürenin içindeki bir noktadan bakıldığında, ancak sınırdan yalnızca birkaç ışıkyılı uzaklıkta, küresel yüzey düz görünecektir. Bu, sınırın birkaç ışıkyılı içinde gerçekleşen her şeyin düz bir piksel tabakasının hologramı olarak düşünülebileceği anlamına gelir.

Tabii ki sıradan bir hologramdan bahsettiğim sanılmasın. Söylemeye gerek yok, sıradan bir fotoğraf filmi tabakasının grenliliği, Planck boyutlu bir piksel tabakasınınkinden çok daha fazladır. Üstelik bu yeni hologram türü zamanla değişebilir; holografik bir film.

Ama en büyük fark, bu hologramın kuantum mekaniği olmasıdır. Kuantum sistemlerinin belirsizliği nedeniyle titrer ve salınır, böylece üç boyutlu görüntüler kuantum titremeleri yaşar. Hepimiz karmaşık kuantum hareketlerinde yer alan bitlerden oluşuyoruz ve bu bitlere yakından bakarsanız, onların uzayın en uzak noktalarında bulunduğunu göreceksiniz. Dünyada bundan daha az sezgisel bir şey bilmiyorum . Holografik ilkeye ilişkin ortak bir anlayışa ulaşmak, muhtemelen kuantum mekaniğinin yaratılmasından bu yana fizikçiler için en büyük zorluktur.

Her nasılsa, Hooft'un benimkinden birkaç ay önce gelen makalesi büyük ölçüde fark edilmedi. Bu kısmen başlığından kaynaklanmaktadır: Kuantum Yerçekiminde Boyutsal İndirgeme. "Boyut indirgeme" ifadesinin, fizikçilerin Thomas'ın kullandığından tamamen farklı bir anlamda kullandıkları oldukça özel bir terim olduğu ortaya çıktı. Yazımın aynı kaderi yaşamamasını sağladım ve adını "Hologram Olarak Dünya" koydum .

Hollanda'dan eve dönerken hepsini yazmaya başladım. Holografik prensip beni çok heyecanlandırdı ama başka birini buna ikna etmenin çok zor olacağını da biliyordum. Dünya bir hologram gibi mi? Şüpheci tepkiyi neredeyse açıkça duydum : "O iyi bir fizikçiydi ama tamamen deliydi."

Kara deliklerin tamamlayıcılığı ve holografik ilke, yüzlerce yıldır fizikçiler ve filozoflar tarafından doğrulanan atomların varlığı fikri gibi fikirler kategorisine ait olabilir. Laboratuvarda bir kara delik yaratmak ve incelemek, eski Yunanlılar için atomları görmek kadar bizim için de zor. Ama aslında bir konsensüsün oluşması beş yıldan az sürdü.Bu paradigma kayması nasıl oldu? Savaşı sona erdiren silah, büyük ölçüde sicim kuramının titiz matematiğiydi.

Bölüm IV

halka KAPAT

19

Kitle ikna silahları

Aslında, sicim teorisini bir "model" yerine bir "teori" olarak adlandırmaya hazır değilim, hatta buna bile: bu sadece bir tahmin. Ne de olsa, bir teoriye, tanımladığı şeyleri, bizim durumumuzda temel parçacıkları ortaya çıkarmak için nasıl ilerleyeceğine dair talimatlar eşlik etmelidir ve en azından prensipte, bu parçacıkların özelliklerini hesaplamak için kuralların formüle edilmesine izin vermelidir ve onlar hakkında yenilerini elde etmek.tahminler. Size bir sandalye verdiğimi, henüz bacakları olmadığını ve oturma yeri, sırtlığı ve kolçaklarının muhtemelen yakında teslim edileceğini açıkladığımı düşünün; Sana ne verirsem vereyim ona sandalye diyebilir miyim?

— Gerard'tHooft

Holografik ilke, Kara Delik Savaşı'nı kazanmak için tek başına yeterli değildi. Yeterince titiz değildi ve sağlam bir matematiksel temelden yoksundu. Tepki şüphecilikti: hologram olarak dünya mı? Bilim kurgu gibi görünüyor. Kurgusal fizikçi Steve, uzak bir gelecekte "diğer dünyaya" geçer ve imparator ve sayım aynı zamanda onun yıkımını izler. Bana ruhçuluğu hatırlatıyor.

Yıllarca atıl duran marjinal bir fikir neden bir anda teraziyi kendi lehine çevirir? Fizikte bu genellikle uyarı yapılmadan gerçekleşir. Önemli ve çarpıcı bir olay, birdenbire kritik bir fizikçi kitlesinin dikkatini çeker ve kısa sürede garip, fantastik, düşünülemez olan olağan hale gelir.

\ Bazen itici güç deneysel bir sonuçtur. Çoğu fizikçi, bazı yeni olayların sonunda dalga teorisini kurtaracağını umduğundan, Einstein'ın ışığın parçacık teorisi yavaş yavaş kabul görüyordu. Bununla birlikte, 1923'te Arthur Compton, X-ışınlarının karbon atomları tarafından saçılmasını inceledi ve açıların ve enerjilerin tam olarak parçacıkların çarpışmasına karşılık geldiğini gösterdi. Einstein'ın orijinal ifadesi ile Compton'ın deneyi arasında on sekiz yıl geçti, ama sonra, sadece birkaç ay içinde, ışığın parçacık teorisine karşı direnç dağıldı.

Matematiksel bir sonuç, özellikle beklenmedikse, böyle bir katalizör görevi görebilir. Standart Model'in (parçacık fiziği) temel unsurları 1960'ların ortalarına kadar uzanır, ancak matematiksel temellerinin kendi içinde çelişkili olduğuna dair argümanlar (bazıları teorinin yaratıcıları tarafından ileri sürülmüştür) vardır. Sonra 1971'de, genç, meçhul bir yüksek lisans öğrencisi son derece karmaşık ve hassas hesaplamalar yaptı ve uzmanların yanıldığını açıkladı. Çok kısa bir süre içinde, Standart Model gerçekten standart hale geldi ve bilinmeyen bir öğrenci - Gerard 't Hooft - fizik dünyasının en parlak yıldızı oldu.

Matematiğin çılgın bir fikir lehine teraziyi nasıl değiştirebileceğinin bir başka örneği, Stephen Hawking'in bir kara deliğin sıcaklığını hesaplamasıdır. Bekenstein'ın kara deliklerin entropiye sahip olduğu iddiasına ilk tepki, Hawking de dahil olmak üzere alay konusu olacak kadar şüphecilik oldu. Geriye dönüp bakıldığında, Bekenstein'ın argümanları harika görünüyor; ama o zamanlar kabul edilemeyecek kadar belirsiz ve yaklaşıktılar ve kara deliklerin buharlaştığı saçma sonucuna götürdüler. Kara delikler paradigmasını soğuk, ölü yıldızlardan kendi iç ısılarını yayan nesnelere kaydıran, Hawking'in teknik olarak gelişmiş hesaplamalarıydı.

Tarif ettiğim dönüm noktalarının bir takım ortak özellikleri var. Birincisi, beklenmediklerdi. İster deneysel ister matematiksel olsun, tamamen beklenmedik bir sonuç, güçlü bir odaklanmadır. İkinci olarak, matematiksel bir sonuç söz konusu olduğunda, sonuç ne kadar teknik, kesin, sezgisel olmayan ve zor olursa, insanları yeni bir düşünme biçiminin önemini fark etmeye o kadar fazla iter. Bunun bir nedeni, karmaşık hesaplamalarda hatanın gizlenebileceği birçok yerin olmasıdır. Bu tehlikelerin önlenebileceği durumları göz ardı etmek zordur. Bu, hem Hooft'un hesaplamalarına hem de Hawking'in hesaplamalarına bağlanabilir.

Üçüncüsü, yeni fikirler diğer araştırmacılara daha tanıdık bir çalışma için daha geniş bir alan sağladığında paradigmalar değişir. Fizikçiler her zaman üzerinde çalışmak için yeni fikirler ararlar ve kendi araştırmaları için fırsatlar yaratan her şeye atılırlar.

Kara deliklerin ve holografik ilkenin tamamlayıcılığı kesinlikle beklenmedik, hatta şok ediciydi, ancak diğer iki özelliğe kendi içlerinde sahip değillerdi, en azından henüz . 1994'te, holografik ilkenin deneysel olarak doğrulanması sorununun, ikna edici matematiksel gerekçelendirme olasılığının yanı sıra tartışmaya bile değmediği görülüyordu. Ama aslında ikisi de kimsenin hayal edebileceğinden daha yakındı. Sadece iki yıl içinde, kesin bir matematiksel teori şekillenmeye başladı ve bir on yıl sonra, hoş bir deneysel doğrulama olasılığı ortaya çıkmaya başladı. Ve hepsi sicim teorisi sayesinde.

Sicim teorisi hakkında daha ayrıntılı bir tartışmaya geçmeden önce, büyük resmi özetlememe izin verin. Sicim kuramının dünyamızı doğru bir şekilde tanımlayıp açıklamadığını kimse kesin olarak bilmiyor ve bunu uzun yıllar boyunca bilemeyebiliriz. Ancak amaçlarımız açısından bu en önemli soru değil. Sicim kuramının bir dünyanın matematiksel olarak tutarlı bir kuramı olduğuna dair etkileyici kanıtlarımız var . Kuantum mekaniğinin ilkelerine dayanmaktadır; dünyamızdakilere benzer bir temel parçacıklar sistemini tanımlar; ve burada, diğer teorilerden farklı olarak (her şeyden önce kuantum alan teorisi kastedilmektedir), tüm maddi nesneler yerçekimi kuvvetleri aracılığıyla etkileşime girer. Ve en önemlisi, sicim teorisinde kara delikler var.

23. bölüme bakın.

\ Ama doğru olduğundan emin değilsek, sicim kuramının yardımıyla dünyamızın bazı özelliklerini nasıl kanıtlayabiliriz? Bazı görevler için önemli değil. Sicim teorisini bir dünya modeli olarak kullanıyoruz ve sonra bu dünyanın kara deliklerinde bilginin kaybolup kaybolmadığını hesaplıyor veya matematiksel olarak kanıtlıyoruz.

Diyelim ki modelimizde bilgilerin kaybolmadığını bulduk. Buna ikna olarak, daha yakından bakabilir ve Hawking'in ne hakkında yanıldığını anlayabilirsiniz. Sicim teorisinde kara deliklerin tamamlayıcılığı ile holografik ilkenin yer alıp almadığı anlaşılmaya çalışılabilir. Eğer öyleyse, bu sicim teorisinin doğru olduğunu kanıtlamaz, ancak Hawking'in kara deliklerin herhangi bir tutarlı dünyada bilgiyi yok etmesi gerektiğini kanıtladığını ilan ettiği için hatalı olduğunu kanıtlar .

Sicim kuramı açıklamamı çıplak temellerle sınırlamak niyetindeyim. Cosmic Landscape kitabım, Brian Greene'in Elegant Universe ve Lisa Randell'in Swirling Passages' kitabı da dahil olmak üzere birçok yayında bununla ilgili daha fazla bilgi edinebilirsiniz. Sicim teorisi neredeyse tesadüfi bir keşifti. Başlangıçta, kara deliklerle ve kuantum yerçekiminin uzak Planck dünyasıyla hiçbir ilgisi yoktu. Hadronlarla ilgili çok daha sıradan meseleleri ele aldı. Günlük yaşamda "hadron" kelimesi kullanılmasa da, hadronların kendisi en yaygın ve iyi çalışılmış temel parçacıklar arasındadır. Bunlar arasında, atom çekirdeğini oluşturan parçacıklar olan protonlar ve nötronların yanı sıra mezon adı verilen yakın akrabaları ve sözde yapışkan toplar bulunur. Bir zamanlar hadronlar parçacık fiziğinin en ileri noktasıydı, ancak bugün genellikle nükleer fizikte eski moda bir konu olarak görülüyorlar. Bununla birlikte, 23. Bölüm'de, hadronları fizikteki eski ihtişamlarına kavuşturan bir dizi fikirle tanışacağız.

Son iki kitabın Rusça çevirileri: Brian Green. Zarif Evren: Süper Sicimler, Gizli Boyutlar ve Nihai Teori Arayışı. — Editoryal URSS, 2008. Lisa Randell. Bükülmüş pasajlar: uzayın gizli boyutlarının sırlarına nüfuz etmek. - Librocom, Editoryal URSS, 2011. - Not. çeviri

İlkokul, sevgili Watson

Brooklyn'de bir köşede tanışan iki Yahudi kadınla ilgili eski bir anekdot vardır. Biri diğerine, “Benim oğlumun doktor olduğunu zaten bilmelisiniz. Ve bu arada, matematikte her zaman zorluk çeken oğlunuz ne oldu? Başka bir cevap: "Ah, oğlum Harvard'da parçacık fiziği profesörü oldu." İlki sempatik bir şekilde yanıt verir: "Evet canım, daha yüksek parçacık fiziğine hiç ulaşamamış olması çok yazık."

Temel parçacıklar ile tam olarak ne kastedilmektedir ve başka ne olabilirler? En basit cevap, bir parçacığın daha küçük parçalara bölünemeyecek kadar küçük ve basit olması durumunda temel olduğudur. Karşıtları daha yüksek değil, bileşik parçacıklar - daha küçük boyutlu daha basit parçalardan oluşanlar.

İndirgemecilik, anlayışı şeyleri parçalara ayırmakla eşitleyen bilimsel bir felsefedir. Şimdiye kadar bu çok iyi çalıştı. Moleküller atomlardan oluşmuş olarak açıklanır; sırayla, atomlar, merkezi bir pozitif yüklü çekirdek etrafında dönen, negatif olarak enfekte olmuş elektronların koleksiyonlarıdır; çekirdeklerin nükleon kümeleri olduğu ortaya çıktı; son olarak, her nükleon üç kuarktan oluşur. Bugün tüm fizikçiler moleküllerin, atomların, çekirdeklerin ve nükleonların bileşik nesneler olduğu konusunda hemfikirdir.

Ancak, bir süre önce, her biri temel kabul edildi. Aslında "atom" terimi, yaklaşık 2500 yıldır var olan "bölünemez" anlamına gelen Yunanca bir kelimeden gelmektedir. Yakın zamanda Ernest Rutherford atom çekirdeğini keşfetti. O kadar küçük görünüyordu ki, sadece bir nokta olarak kabul edilebilirdi. Gördüğünüz gibi, bir neslin temel olarak adlandırdığı şey, sonraki nesiller tarafından bileşik olarak kabul edilebilir.

Bütün bunlar şu soruyu gündeme getiriyor - en azından şu anda - belirli bir parçacığın temel mi yoksa bileşik mi olduğuna nasıl karar veririz? İşte olası bir cevap: Bu nesnelerden ikisini yeterli kuvvetle itin ve neyin uçup gittiğini görün. Bir şey çıktıysa, orijinal parçacıklardan birinin içinde olmalı. Aslında, iki çok hızlı elektron çarpıştığında, her türden çöp her yöne dağılır. Özellikle çok sayıda foton, elektron ve pozitron* olacaktır. Çarpışma çok güçlüyse, o zaman protonlar, nötronlar ve onların antiparçacıkları da ortaya çıkacaktır. "Ve resmi tamamlamak için bazen bütün bir atom görünebilir. Bu, elektronların atomlardan oluştuğu anlamına mı geliyor? Tabii ki hayır. Büyük enerjili çarpışmalar yardımcı olur parçacıkların özelliklerini anlamak için, ancak aynı anda uçup giden şeyin, bu parçacıkların neden yapıldığını yargılamamıza her zaman izin vermediği ortaya çıktı.

İşte bir şeyin parçaları olup olmadığını anlamanın daha iyi bir yöntemi. Bileşik olduğu açıkça belli olan bir nesneyle başlayalım - bir taş, bir basketbol topu veya bir parça pizza hamuru. Böyle bir nesneyle çok şey yapabilirsiniz - daha küçük bir hacme sıkıştırın, deforme edin, ona yeni bir şekil verin veya kendi ekseni etrafında döndürün. Sıkıştırmak, bükmek veya bükmek enerji gerektirir. Örneğin dönen bir topun kinetik enerjisi vardır; ne kadar hızlı dönerse, o kadar fazla enerji. Ve enerji kütle olduğu için, hızla dönen top daha kütleli hale gelir. Dönme ölçüsü , topun dönme hızını, boyutunu ve kütlesini hesaba katan açısal momentumdur . Top, giderek daha fazla açısal momentum elde ederek enerji biriktirir. Aşağıdaki grafik, dönen bir basketbolun enerjisinin nasıl arttığını göstermektedir.

Pozitronlar, elektronların antimateryal ikizleridir. Elektronlarla tam olarak aynı kütleye, ancak zıt elektrik yüküne sahiptirler. Elektronlar negatif bir yüke sahipken, pozitronlar pozitif bir yüke sahiptir.

Tüm parçacıklar, zıt elektrik yüklerine ve diğer benzer özelliklere sahip antimateryal ikizlere sahiptir. Dolayısıyla antiprotonlar, antinötronlar ve pozitron adı verilen elektronların antiparçacıkları vardır. Kuarklar bir istisna değildir. Bir kuarkın antiparçacığı antikuark olarak adlandırılır.

dönen basketbol

Peki bu eğri neden birdenbire sona eriyor? Tahmin etmesi kolay. Topun yapıldığı malzeme (deri veya kauçuk) çok fazla gerilime dayanamaz. Bir noktada, top merkezkaç kuvvetleri tarafından parçalanacaktır.

Şimdi uzayda bir noktadan daha büyük olmayan bir parçacık hayal edin. Matematiksel bir noktanın kendi ekseni etrafında dönmesi nasıl sağlanır? Veya şeklindeki değişiklik ne anlama gelebilir? Bir nesneyi döndürebilmek ya da titreştirebilmek bunun bir işaretidir; daha küçük parçalardan oluştuğunu; parçalar; birbirine göre hareket eden.

Moleküller, atomlar ve çekirdekler de döndürülebilir, ancak bu mikroskobik madde toplarında kuantum mekaniği merkezi bir rol oynar. Tüm salınımlı sistemlerde olduğu gibi, enerji ve açısal momentum ancak ayrık adımlarla artabilir. Çekirdeği gevşetmek, içine kademeli olarak enerji pompalama süreci değildir. Daha çok merdivenleri çıkmak gibi. Yani enerji ve açısal momentum grafiği, bireysel noktaların bir dizisidir.

İtalyan fizikçi Tullio Regge, bu tür grafiklerin özelliklerini ilk araştıran kişiydi; ve bu noktalar zincirine Regge yörüngesi denir.

Enerji

X

X

X

X

X

Dönen çekirdek

Ayrık adımların dışında, grafik, ani bir mola da dahil olmak üzere temelde bir basketboldakiyle aynı görünüyor. Bir top gibi, top da parçalanmadan önce yalnızca belirli bir miktardaki merkezkaç kuvvetine dayanabilir.

0 1 2 3 4 5 6 7

açısal momentum

Elektronlar hakkında ne söylenebilir? Açılabilirler mi? Uzun yıllardır oldukça önemli olan tüm çabalara rağmen, hiç kimse elektronun açısal momentumunu artırmayı başaramadı. Elektronlara geri döneceğiz, ama önce hadronlara, protonlara, nötronlara, mezonlara ve yapışkan toplara bakalım.

Protonlar ve nötronlar çok benzerdir. Neredeyse aynı kütleye sahipler ve onları çekirdeklere bağlayan kuvvetler neredeyse aynı. Tek önemli fark, protonun küçük bir elektrik yüküne sahip olması, nötronun ise adından da anlaşılacağı gibi elektriksel olarak nötr olmasıdır. Sanki nötron bir şekilde yükünü saklamayı başarmış bir protonmuş gibi. Fizikçileri terminolojik olarak bu parçacıkları tek bir nesnede - nükleonda - birleştirmeye iten bu benzerliktir. Bir proton pozitif bir nükleondur ve bir nötron nötr bir nükleondur.

Nükleer fiziğin doğduğu çağda, nükleon, elektrondan neredeyse 2000 kat daha ağır olmasına rağmen, aynı zamanda temel bir parça olarak kabul edildi - Kimin. Ancak basitlik açısından nükleonun elektronla hiçbir ilgisi yoktur. Nükleer fizik geliştikçe, atomlardan 100.000 kat daha küçük nesneler o kadar da küçük sayılmaya başlandı. Elektron, en azından mevcut bilgi düzeyinde, uzayda bir nokta olarak kalırken, nükleon zengin, karmaşık iç mekaniği sergiler. Nükleonların elektronlarla çekirdekler, atomlar ve moleküllerden çok daha az ortak noktası olduğu ortaya çıktı. Protonlar ve nötronlar birçok küçük nesnenin kümeleridir. Bunu biliyoruz çünkü dönüyorlar, titreşiyorlar ve şekil değiştirebiliyorlar.

Tıpkı bir basketbol topu için olduğu gibi, bir atom çekirdeği için de, nükleonun dönüşünün, yani nükleonun açısal momentumunun yatay eksen boyunca ve enerjisinin dikey eksen boyunca gösterildiği bir grafik oluşturmak mümkündür. Bu kırk yıl önce ilk kez yapıldığında, ortaya çıkan grafik basitliğiyle şaşırtıcıydı: noktaların dizisi neredeyse tam olarak düz bir çizgi üzerinde uzanıyordu. Daha da şaşırtıcı olan, görünürde bir sonunun olmamasıydı.

Enerji.

X

X

X

X

X

X

X

X

X

0 1 234567 Açısal moment

Dönen nükleon

Böyle bir diyagram, nükleonun iç yapısı hakkında önemli bilgiler taşır. Belirtilen iki özellik, içlerinde saklı olan mesajı okumayı bilenler için büyük önem taşımaktadır.

Nükleonun kendi ekseni etrafında dönebilmesi, onun bir nokta parçacık olmadığını gösterir; birbirine göre hareket edebilen parçalardan oluşur. Ama burada gizlenen bir şey daha var. Aniden kopmak yerine dizi süresiz olarak devam ediyor gibi görünüyor, bu da nükleonun çok hızlı dönerken dağılmadığı anlamına geliyor. Parçalarını bir arada tutan şey, atom çekirdeğini bir arada tutan kuvvetlerden çok daha güçlüdür.

Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, nükleon dönerken esner, ancak bunu iki boyutlu bir pankek haline dönüşen dönen bir pizza hamuru parçasından çok farklı yapar.

Noktaların düz bir çizgide düzenlenmesi, nükleonun uzun ince elastik sicim benzeri bir nesneye doğru gerildiğini gösterir.

Nükleonlarla yapılan yarım asırlık deneyler, bunların ek enerjiyle uyarıldıklarında esneyebilen, dönebilen ve titreyebilen elastik sicimler olduğu inancına yol açtı. Aslında, tüm hadronlar uzun ip benzeri nesnelere gerilebilir. Görünüşe göre, hepsi aynı yapışkan, esnek, gerilebilir malzemeden yapılmış - hiç yırtılmayan, kabus gibi güçlü bir sakız gibi bir şey. Richard Feynman, "parton" terimini aşağıdakiler için kullanmıştır:

nükleonun bölümlerinin açıklamaları, bununla birlikte, Murray Gell-Mann tarafından önerilen "kuarklar" ve "gluonlar" terimleri düzeltildi. Gluonlar , sicimler oluşturan ve kuarkların birbirinden ayrılmasını engelleyen yapışkan şeylerdir. .

Mezonlar en basit hadronlardır. Pek çok farklı türde mezon keşfedildi, ancak hepsi aynı yapıya sahip: yapışkan bir iple birbirine bağlı bir kuark ve bir antikuark.

Mezon bir yay gibi titreşebilir, kendi ekseni etrafında bir amigo sopası gibi dönebilir, birçok farklı şekilde bükülebilir ve katlanabilir. Mezonlar açık dizilere, yani uçları olan dizilere bir örnektir . Bu bakımdan kapalı teller olarak adlandıracağımız lastik halkalardan ayrılırlar .

Nükleonlar, her biri bir tele bağlı üç kuarktan oluşur ve üç tel, Gaucho Kızılderililerinin bolaları gibi merkezde birleşir. Ayrıca dönebilir ve titreyebilirler.

* "Gluon" kelimesi İngilizce yapıştırıcı - yapıştırıcıdan gelir. — Not. perse.

Hadronun hızlı dönüşü ve titreşimi tele enerji katarak ipi uzatır ve kütlesini arttırır*.

Başka bir hadron türü daha vardır - yalnızca kendi üzerine kapanan ve bir döngü oluşturan sicimlerden oluşan "kuarksız" parçacıklar ailesi. Fizikçiler onlara yapışkan toplar diyor, ama bir sicim teorisyeni için bunlar sadece kapalı sicimler.

Görünüşe göre kuarklar daha da küçük parçacıklardan oluşuyor. Elektronlar gibi o kadar küçüktürler ki boyutları ölçülemez. Ama kuarkları birbirine bağlayan sicimler kesinlikle başka nesnelerden oluşur ve bu nesneler kuark değildir. Sicim oluşturmak için birbirine yapışan yapışkan parçacıklara gluon denir.

Temel olarak, gluonlar bir ipin çok küçük parçalarıdır. Son derece küçük, yine de iki "ucu" var - pozitif ve negatif - neredeyse küçük mıknatıslarmış gibi**.

İlk başta fizikçiler, birçok hadronun nükleonların ve mezonların dönen veya titreşen versiyonları olduğunun farkına varmadılar; tamamen yeni farklı parçacıklar olarak kabul edildiler. 1960'larda yayınlanan temel parçacık tabloları, Yunan ve Latin alfabelerinde yeterince harf bulunmayan uzun listelerdi. Ancak zamanla "uyarılmış durumlar" kavramı daha net hale geldi ve tüm bunların esas olarak dönen ve titreşen mezonlar ve nükleonlar olduğu anlaşıldı.

Bir mıknatısın uçları genellikle kuzey ve güney kutupları olarak adlandırılır. Tutkalların pusula iğneleri gibi yönlendirildiği izlenimini vermek istemiyorum, bu yüzden gluon kutuplarını pozitif ve negatif olarak adlandırıyorum.

tutkal

Kuarkların ve gluonların matematiksel teorisine kuantum kromodinamiği (QCD) denir. Görünüşe göre bu isim, temel parçacıklarla değil, renkli fotoğrafçılıkla ilişkilendiriliyor. Ancak terminoloji yakında netleşecek.

QCD'nin matematiksel kurallarına göre bir gluon kendi başına var olamaz. Matematiksel yasalara göre, pozitif ve negatif uçları diğer gluonlara veya kuarklara bağlanmalıdır: her pozitif uç, başka bir gluon veya kuarkın negatif ucuna bağlanmalıdır; her negatif uç, başka bir gluonun veya antikuarkın pozitif ucuyla birleşmelidir; son olarak, üç pozitif veya üç negatif uç bir araya gelebilir. Bu kurallara göre nükleonlar, mezonlar ve yapışkan toplar kolayca birleştirilebilir.

yapışkan top

Şimdi mezondaki kuark çok güçlü bir kuvvete maruz kalırsa ne olacağını düşünün. Böyle bir kuark, antikuarktan hızla uzaklaşmaya başlar. Her şey bir atomdaki elektronla aynı olsaydı, o zaman uçup giderdi ama burada tamamen farklı bir şey oluyor. Bir kuark eşinden uzaklaştığında, çok fazla gerildiğinde bir lastik bandın molekülleri arasında olduğu gibi, gluonlar arasında boşluklar oluşur. Ancak gluonlar parçalanmak yerine kendilerini klonlar ve boşlukları doldurmak için yeni gluonlar üretirler. Bu, kuark ile antikuark arasında, kuarkın kaçmasını engelleyen bir dizi oluşturur. Aşağıdaki şekil, bir mezondaki bir antikuarktan bu tür yüksek hızlı bir kuark kaçış girişimi sırasındaki durumların zamansal sırasını göstermektedir.

. Kuark

antikuark

. . . Kuark

•t ut jt jt tsѢtsі

antikuark

Kuark

antikuark

. XX F F X * Kuark

antikuark

Kuark

h- t-3-L L ♦,,+ ,* » »tt*

anti kuark

Sonunda kuarkın enerjisi tükenecek, duracak ve antikuarka geri dönecektir. Aynı şey nükleondaki hızlandırılmış kuark için de olacak.

Nükleonların, mezonların ve yapışkan topların sicim teorisi boş bir spekülasyon değildir. Yıllar içinde olağanüstü bir doğrulukla doğrulandı ve standart hadron teorisinin bir parçası olarak kabul edildi. Karışıklığa neden olan, sicim teorisinin kuantum renk dinamiğinin bir sonucu olarak mı, yani sicimlerin temel gluonlardan daha uzun zincirler olarak mı düşünülmesi gerektiği veya başka bir açıklama yönteminin mi tercih edilmesi gerektiği sorusudur: gluonlar hiçbir şeydir. kısa dizi parçalarından daha fazlası. Her iki yaklaşımın da doğru olması mümkündür.

İkinci Dünya Savaşı öncesinde Avrupalılar ağırlıklı olarak fizikle uğraşırken; parçacıklar Yunanca olarak adlandırıldı. Fotonlar, elektronlar, mezonlar, baryonlar, leptonlar ve hatta hadronlar Yunancadan gelmektedir. Ama sonra düşüncesiz, saygısız ve bazen de aptal Amerikalılar işi devraldı ve isimler basitleştirildi. "Quark", James Joyce'un Finnegans Wake'inden saçma sapan bir kelime ama o edebi yükseklikten itibaren her şey tepetaklak oldu. Farklı türlerdeki kuarklar arasındaki farklar, tamamen kabul edilemez tat terimiyle gösterilmeye başlandı . Çikolatadan, çilekten, vanilyadan, antep fıstığından, vişneden, naneli kuarklardan bahsedebilirdik ama öyle olmadı. Kuarkların altı çeşidi: üst, alt, garip, çekicilik, alt ve üst. Bir noktada, "alt" ve "üst" adları çok riskli görünüyordu ve çok hızlı bir şekilde "sevimli" ve "gerçek" * haline geldiler.

temel parçacıklar teriminin kullanımının ne kadar keyfi olabileceğini göstermektir . Ancak QCD'nin çalışması için çok önemli olan başka bir fark daha vardır . Her kuark - yukarı, aşağı, garip, tılsımlı, sevimli, gerçek - üç renkte olabilir : kırmızı, mavi ve yeşil. Kuantum renk dinamiğindeki "kromo" buradan gelir.

Bir dakika yavaşlayalım. Doğal olarak kuarklar, bildiğimiz anlamda ışığı yansıtamayacak kadar küçüktür. Renk kuarkları, çikolata, çilek veya vanilya kuarklarından yalnızca marjinal olarak daha az aptaldır. Bununla birlikte, insanların şeylere atıfta bulunmak için isimlere ihtiyacı vardır; Kuarklara kırmızı, yeşil veya mavi demek, liberallere mavi ve muhafazakârlara kırmızı demekten daha saçma değil*. Ve kuark renginin kökenini lezzetlerinin kaynağından daha iyi anlamamıza rağmen, renk QCD'de çok daha önemli bir rol oynar.

QCD'ye göre gluonların tadı yoktur, ancak bireysel olarak kuarklardan bile daha renklidirler. Her gluonun bir pozitif ve bir negatif kutbu vardır ve her kutbun bir rengi vardır - kırmızı, yeşil veya mavi. Dokuz tip gluon olduğunu söyleyebiliriz (bu biraz fazla basitleştirme ama özünde doğru)**.

Neden üç renk var da iki, dört değil, başka bir sayı değil? Renk görüşünün üç ana renge dayandığı gerçeğiyle hiçbir ilgisi yoktur. Daha önce de belirttiğim gibi , renk etiketleri keyfidir ve gördüğümüz renklerle hiçbir ilgisi yoktur. Aslında kimse neden üç tane olduğunu bilmiyor; Bu

temel parçacıkları tam olarak anlamaktan ne kadar uzakta olduğumuzu gösteren gizemlerden biri. Bununla birlikte, nükleonlarda ve mezonlarda bir araya gelme biçimlerinden, kuarkların üç ve yalnızca üç rengi olduğunu biliyoruz. „

Dokuz tip gluon

Burada bir itirafta bulunmalıyım. Kırk yılı aşkın süredir parçacık fiziği ile uğraşıyor olmama rağmen, fiziğin bu dalını pek sevmiyorum. Burada her şey çok fazla karışmış: altı koku, üç renk, düzinelerce keyfi sayısal sabit - buna bir sadelik ve zarafet örneği demek zor. Neden bunu yapmaya devam ediyorum? Bunun nedeni (ve sanırım sadece benim için değil) bu karmakarışıklığın kendisinin bize doğa hakkında önemli bir şey söylemesi. Sonsuz küçük nokta parçacıkların bu kadar çok özelliğe ve bu kadar karmaşık bir yapıya sahip olabileceğine inanmak güç. Henüz keşfedilmemiş bazı seviyelerde, tüm bu sözde temel parçacıkları destekleyen bir mekanizma olmalı. Mekanizmanın bu gizli, devasa karmaşıklığına ve bunun doğanın temel yasaları üzerindeki etkisine dair merakım, beni parçacık fiziğinin korkunç bataklığında ağır ağır yürümeye devam ettiriyor.

Her zamanki gibi, kuarklar genel halk tarafından iyi bilinir hale geldi. Ancak, hangi parçacıkların altta yatan mekanizma hakkında bize en iyi ipuçlarını verdiğini tahmin etmem istenseydi, gluonlara bahse girerdim. Bu yapışkan olumlu ve olumsuz uç çiftleri bize ne anlatmaya çalışıyor?

4. Bölümde, kuantum alan teorisinin bir parçacıklar listesinden daha fazlası olduğunu açıkladım. Diğer iki "bileşen" çoğaltıcılar, parçacıkların uzay-zamanda bir noktadan diğerine hareketini gösteren dünya çizgileri ve düğümlerdir. Önce yayıcılarla ilgilenelim. Gluonların her biri farklı renkte iki kutbu olduğundan, fizikçiler genellikle dünya çizgilerini çift olarak tasvir ederler. Belirli bir gluon tipini belirlemek için, renklerini tek tek çizgilerin yanında imzalayacağız*.

Kuantum alan teorisinin son "bileşeni", düğümlerin listesidir. Bizim için en önemlisi, bir gluonun ikiye ayrışmasını tanımlayan düğümlerdir. Şema son derece basittir: iki uçlu bir gluon bozunduğunda, iki yeni uç ortaya çıkar. QCD'nin matematiksel kurallarına göre, aynı olmaları gerekir. renk.İki örnek ele alalım.Aşağıdan bakıldığında görülüyor ki,

Bazı meslektaşlarım için, sözde çift yayıcılar, bir teorinin matematiksel olasılıklarını takip etmek için basit bir cihazdır. Ben dahil başkaları için bu, bugün tespit edilemeyecek kadar küçük olan mikroskobik özelliklerin önemli bir göstergesidir.

Gluonların gluon çiftlerine bozunabileceğini nasıl bildiğimizi merak edebilirsiniz. Cevap, QCD'nin matematiğinin derinliklerinde yatmaktadır. Kuantum alan teorisinin matematiksel kurallarına göre, gluonlar yalnızca iki şey yapabilir: iki gluona bozunmak ve bir kuark yaymak. Aslında ikisini de yapıyorlar.

mavi-kırmızı gluonun mavi-mavi ve mavi-kırmızıya dönüştüğü; ikinci diyagramda, mavi-kırmızı gluon mavi-yeşil ve yeşil-kırmızıya ayrışır.

Bu düğümler, iki gluonun nasıl birleşip tek bir yapı oluşturabileceğini göstermek için ters çevrilebilir.

Bütün bunlar açık olmamasına ve tam olarak anlaşılması zaman almasına rağmen, gluonların birbirine yapışma ve uzun zincirler oluşturma eğilimi vardır: pozitiften negatife, kırmızıdan kırmızıya, maviden maviye, yeşilden yeşile. Bu zincirler kuarkları birbirine bağlayan ve hadronlara sicim özelliklerini veren sicimlerdir.

Temeldeki teller

Elastik sicimler fikri, kuantum yerçekimi çalışmasında yeniden su yüzüne çıktı, tek fark, yaklaşık yirmi kat daha küçük ve daha hızlı olmalarıydı. Bu küçük, esnek ve inanılmaz derecede güçlü enerji şeritlerine temel sicimler denir .

Asıl soru, temel sicimlerin temel parçacıkların nihai açıklaması mı yoksa daha küçük nesnelere doğru indirgemeci yürüyüşte başka bir adım mı olduğu sorusudur. Doğaları ne olursa olsun, "temel diziler" terimi şu anda kolaylık sağlamak için kullanılmaktadır.

Karışıklığı önlemek için, sicim kuramının modern fizikte çok farklı iki uygulaması olduğunu tekrar edeyim. Hadronlara uygulandığında, sıradan insan standartlarına göre küçük görünen, ancak temel fizik açısından devasa bir ölçekte kullanılır. Üç tür hadronun -nükleonlar, mezonlar ve yapışkan toplar- sicim teorisinin matematiği tarafından tanımlanan sicim benzeri nesneler olduğu kabul edilen bir gerçektir. Hadron sicimleri teorisinin temelini oluşturan laboratuvar deneyleri neredeyse yarım asırlıktır. Hadronları bağlayan ancak kendileri gluonlardan oluşan sicimlere QCD sicimleri denir. Yerçekimi ve Planck'a yakın fizikle ilgili temel diziler, bloglardaki tüm heyecana, tartışmaya, çatışmalara ve son zamanlarda polemik kitaplarının yayınlanmasına neden oldu.

Temel diziler bir proton kadar küçük olabilir, tıpkı bir protonun New Jersey'den küçük olması gibi. Ancak onlar için yerçekimi çok önemli bir rol oynar.

Yerçekimi kuvvetleri birçok yönden elektrik kuvvetlerine çok benzer. Elektrik yüklü parçacıklar arasındaki etkileşim kuvvetini tanımlayan formüle Coulomb yasası denir; yerçekimi kuvvetlerinin formülü Newton'un evrensel çekim yasasıdır. Bu kuvvetlerin ikisi de - hem elektriksel hem de yerçekimi - ters kare yasasına uyar. Bu, kuvvetin büyüklüğünün mesafenin karesi olarak azaldığı anlamına gelir. Parçacıklar arasındaki mesafenin iki katına çıkarılması, kuvvette dört kat azalma ile sonuçlanır; mesafeyi üçe katlamak, kuvveti dokuz kat azaltır; dört kat mesafede, kuvvet on altı kat daha az olur ve böyle devam eder İki parçacık arasındaki Coulomb kuvveti, elektrik yüklerinin çarpımı ile orantılıdır; Newton çekim kuvveti, kütlelerinin çarpımı ile orantılıdır. Bunlar benzerliklerdir, ancak farklılıklar da vardır: elektrik kuvveti itici (benzer yükler arasında) veya çekici (zıt yükler için) olabilir, ancak yerçekimi her zaman yalnızca çeker.

Önemli bir benzerlik, her iki kuvvet türünün de dalga üretebilmesidir. Biri aniden diğerinden uzaklaştığında, iki uzak yüklü parçacık arasında etki eden kuvvete ne olduğunu hayal edin. Birinci parçacık yer değiştirdiğinde, ikinci parçacığa etki eden kuvvetin anında değişeceği düşünülebilir. Ama bu resimde yanlış olan bir şeyler var. Uzaktaki bir parçacığa etki eden kuvvet gerçekten hemen ve gecikmeden değişirse, bu etki uzayın en uzak noktalarına anlık mesajlar göndermek için kullanılabilir. Ancak anlık mesajlaşma, fiziğin en derin ilkelerini ihlal ediyor. Özel göreliliğe göre hiçbir sinyal ışıktan daha hızlı yol alamaz. Aynı mesafeyi kat etmenin ışık hızından daha kısa sürede mesaj gönderemezsiniz.

Gerçekte, uzaktaki bir parçacığa etki eden kuvvet, yakındaki bir parçacık keskin bir şekilde hareket ettiğinde anında değişmez. Bunun yerine, hareket eden parçacıktan (ışık hızında) bir pertürbasyon yayılmaya başlar. Sadece uzak parçacığa ulaştığında ona etki eden kuvvet değişecektir. Bu pertürbasyonun yayılması dalga salınımlarına benzer. Dalga nihayet geldiğinde, ikinci parçacığı iterek, bir havuzdaki dalgaların üzerinde zıplayan bir mantar gibi davranmasına neden olur.

Durum sanki dev bir el Güneş'i hareket ettirmiş gibi. Değişimi, ışığın Güneş'ten uzaklaşması için geçen süre olan sekiz dakika boyunca Dünya'da hissedilmeyecektir. "Mesaj" yine ışık hızında, eğrilik dalgalanmaları veya yerçekimi dalgaları şeklinde yayılır . Elektromanyetik dalgalar elektrik yükü için ne ise, yerçekimi dalgaları da kütle için odur.

Şimdi biraz kuantum teorisi ekleyelim. Bildiğimiz gibi, salınan elektromanyetik dalgaların enerjisi, foton adı verilen bölünmez kuantumlarda gelir. Planck ve Einstein'ın titreşim enerjisinin yalnızca ayrık parçalar halinde gelebileceğine inanmak için çok iyi nedenleri vardı ve çok fazla yanılmıyorsak, aynı argümanlar yerçekimi dalgaları için de geçerli. Yerçekimi alanının kuantumlarına graviton denir.

Burada, fotonların aksine gravitonların varlığının deneysel olarak doğrulanmamış bir varsayım olduğunu söylemeliyim. Çoğu fizikçinin görüşüne göre, köklü ilkelere dayanmaktadır, ancak yine de bir hipotez olarak kalmaktadır. Ancak böyle olsa bile , gravitonların varlığı sonucuna götüren akıl yürütme, bu konuyu düşünen çoğu fizikçi için ikna edicidir.

Fotonlar ve gravitonlar arasındaki benzerlik ilginç soruları gündeme getiriyor. Elektromanyetik radyasyon (kuantum alan teorisinde), yüklü bir parçacığın - örneğin bir elektronun - bir foton yaydığı Feynman diyagramı ile açıklanır.

Parçacıklar graviton yaydığında yerçekimi dalgalarının ortaya çıkmasını beklemek doğaldır. Her şey yerçekimi etkileşimine katıldığı için, tüm parçacıkların graviton yayabilmesi gerekir.

Graviton emisyon düğümü

Gravitonlar bile graviton yayabilir.

yerçekimi yerçekimi

graviton

Ne yazık ki gravitonların Feynman diyagramlarına dahil edilmesi matematiksel bir felakete yol açar. Neredeyse yarım yüzyıldır, teorik fizikçiler kuantum alan teorisini gravitonlara uygulandığı şekliyle anlamlandırmaya çalıştılar ve defalarca başarısız oldular, pek çoğumuz bunun beyhude bir girişim olduğu sonucuna vardık.

Kuantum alan teorisi ile ilgili problemler

1994 yılında Cambridge'e yaptığım gezinin en önemli olaylarından biri, eski dostum Sir Roger Penrose ile öğle yemeğiydi. Sir Roger daha yeni Sir Roger olmuştu ve Ann'le ben onu tebrik etmek için Oakeford'a geldik.

Dördümüz, Roger, ben ve eşlerimiz, Cherwell Nehri kıyısında hoş bir açık hava restoranında oturmuş panterlerin geçişini izliyorduk. Punting, eğer bu spora aşina değilseniz, uzun bir sırığı dipten yavaşça itmek için kullanılan asil bir kayıkçılık yöntemidir. Bu pastoral aktivite bana her zaman Renoir'ın The Boatmen's Breakfast'ını hatırlatır, ancak tehlikeleri de vardır. İçinde şarkı söyleyen öğrencilerin bulunduğu bir tekne geçerken, onu kullanan güzel kızın direği çamura saplandı. Onu bırakmak istemedi ve yelkenli tekneye göz kulak olarak direğe tutunmaya devam edince bizi çok eğlendirdi.

Bu arada dördümüz herkes için ısmarladığımız çikolatalı mousse'u paylaştık. Hanımlar porsiyonlarını çoktan bitirmişlerdi ve Roger ve ben mahsur kalmış pantere gülerek (o da güldü) hâlâ kalan lezzetli bitter çikolatalı tatlıyı yiyorduk. Ve sonra Roger ve benim çikolatayı dolu bir çatalla almak yerine sırayla kalan parçanın yarısını kestiğimiz gerçeğine dikkatimi çekti. Roger da bunu fark etti ve kalan parçayı en son kimin paylaşabileceği konusunda bir yarışma başladı.

Roger, Yunanlıların maddenin sonsuza kadar bölünebilir olup olmadığıyla veya her maddenin kendi en küçük bölünmez parçalarına - atom dedikleri şeye - sahip olup olmadığıyla ilgilendiklerini hatırladı. "Sence çikolata atomları var mıdır?" Diye sordum. Roger, çikolatanın periyodik tablodaki elementlerden biri olup olmadığını hatırlayamadığını belirtti. Her neyse, sonunda köpüğü çikolatanın en küçük atomuna kadar bitirdik ve yanılmıyorsam Roger anladı. Panterle olan olay, bir sonraki tekne geçerken de mutlu bir şekilde sona erdi.

Kuantum alan kuramıyla ilgili sorun, uzayın (ve uzayzamanın) sonsuz bölünebilir bir çikolatalı mus gibi olmasıdır. Ne kadar ince keserseniz kesin, her zaman daha da ince kesebilirsiniz. Tüm büyük matematik bulmacaları sonsuzlukla ilgilenir. Sayıların sonu olmadan birbiri ardına gittiğini nasıl hayal edebilirsiniz? Ama durumun böyle olmadığını nasıl hayal edebilirsiniz? Uzay nasıl sonsuz bölünebilir? Ama nasıl olmaz? Matematikçiler arasında deliliğin ana sebebinin sonsuzluk olduğundan şüpheleniyorum.

Deli ya da değil, matematikçiler sonsuz bölünebilir uzaya süreklilik diyorlar. Bununla ilgili sorun, en küçük mesafelerde, içinde korkunç sayıda şeyin olabilmesidir. Aslında, süreklilikte en küçük bir mesafe yoktur - sonsuz iniş sürecinde giderek daha küçük hücrelere kaybolabilirsiniz ve her seviyede olaylar meydana gelir. Başka bir deyişle, bir süreklilik, ne kadar küçük olursa olsun, herhangi bir küçücük uzayda sonsuz sayıda büyük bilgi içerebilir.

Sonsuz küçükler sorunu, titreyebilen her şeyin titrediği ve "yasak olmayan her şeyin zorunlu olduğu" kuantum mekaniğinde özellikle zahmetlidir. Mutlak sıfırdaki boş uzayda bile, elektrik ve manyetik alanlar gibi alanlar dalgalanır.

Bu dalgalanmalar, milyarlarca ışıkyılı uzunluğundaki en büyük dalgalardan matematiksel bir noktadan daha büyük olmayan dalgalara kadar tüm ölçeklerde meydana gelir. Kuantum alanlarının bu titremesi, herhangi bir küçücük hacimde sınırsız miktarda bilgi depolamanıza izin verir. Ve bu matematiksel felaket için bir reçetedir.

Uzayın her küçücük hacmindeki potansiyel olarak sonsuz sayıda bit, Feynman diyagramlarında giderek daha küçük alt diyagramlara sonsuz bir geçiş olarak görünür. Bir uzay-zaman noktasından diğerine hareket eden bir elektronu temsil eden basit bir yayıcı fikriyle başlayalım. Bir elektronla başlar ve biter.

B

a noktasından b noktasına gitmesinin başka yolları da vardır , örneğin yol boyunca fotonları hokkabazlık yaparak.

Açıkçası, bu tür olasılıkların sayısı sonsuzdur ve Feynman'ın kurallarına göre, olasılığı belirlemek için hepsinin toplanması gerekir. Her diyagram ek yapılarla dekore edilebilir. Her bir yayıcı ve düğüm, ayırt edilemeyecek kadar küçük olana kadar diyagramlar içinde diyagramlar içinde diyagramlar içeren daha karmaşık bir hikaye ile değiştirilebilir. Ancak, güçlü bir büyüteç kullanarak daha da küçük yapılar ekleyebilirsiniz ve bu sonsuza kadar devam eder.

Feynman diyagramlarına süresiz olarak daha küçük yapılar ekleme yeteneği, kuantum alan teorisindeki uzay-zaman sürekliliğinin rahatsız edici sonuçlarından biridir: çikolatalı mus miktarı her zaman azaltılabilir.

Bütün bunlar göz önüne alındığında, kuantum alan teorisinin matematiksel olarak tehlikeli bir konu olması şaşırtıcı değil. Uzayın sonsuz sayıdaki sonsuz küçük hücrelerindeki tüm dalgalanmaların bütünsel bir evrende toplanmasını başarmak kolay değildir. Gerçekte, kuantum alan teorisi çoğunlukla düzmece ve anlamsızdır. Temel parçacıkların Standart Modeli bile son analizde matematiksel olarak doğru olmayabilir.

Ancak hiçbir şey, yerçekiminin kuantum teorisini kurmaya çalıştığınızda ortaya çıkan zorluklarla kıyaslanamaz. Unutmayın, yerçekimi geometridir. Genel göreliliği kuantum mekaniği ile birleştirmeye çalışırken, kuantum alan teorisinin kurallarına göre uzay-zamanın sürekli olarak şekil değiştirdiği ortaya çıkıyor. Büyütme altında uzayın küçük bir bölgesini inceleyebilseydik, çılgınca titrediğini, büküldüğünü ve küçük tümsekler ve eğrilik düğümleri oluşturduğunu görürdük. Dahası, büyütme ne kadar büyük olursa, bu dalgalanmalar o kadar şiddetli olur.

Gravitonları içeren farazi Feynman diyagramları bu sapkınlıkları yansıtır. Gittikçe küçülen sonsuz sayıda çizelge kontrolden çıkıyor. Yerçekimi için bir kuantum alan teorisini anlamlandırmaya yönelik her girişim aynı sonuca yol açtı: En küçük ölçeklerde çok fazla şey oluyor. Kuantum alan teorisinin olağan yöntemlerini yerçekimine uygulamak, matematiksel bir fiyaskoya yol açar.

Fizikçiler, uzayın sonsuz bölünebilirliğiyle ilişkilendirilen felaketi aşmanın bir yolunu buldular: uzayın, tıpkı çikolatalı mus gibi, gerçek bir süreklilik olmadığını iddia ediyorlar. Uzayın bölünmesinde belirli bir noktaya ulaştığınızda, içinde artık parçalanamayan bölünmez taneler bulacağınız varsayılmaktadır. Yani altyapıları küçülünce Feynman diyagramları çizmeyi bırakıyorlar. Miktarın küçüklüğündeki bu sınırlamaya yeniden normalleştirme denir. Aslında yeniden normalleştirme, uzayı birden fazla bit içermeyen bölünmez voksellere bölmekten başka bir şey değildir.

Yeniden normalleştirme sorundan bir çıkış yolu gibi görünse de bunun tek bir gerekçesi var. Fizikçiler uzun süredir Planck uzunluğunun uzaydaki en küçük atom olduğunu tartışıyorlar. Gravitonları da içeren Feynman diyagramları, onlara Planck boyutundan daha küçük yapılar eklemeyi bırakırsak yine de çok anlamlıdır. Bu nedenle, neredeyse herkes Planck ölçeğindeki uzayın bölünmez, tanecikli, vokselleşmiş bir yapıya sahip olmasını bekliyordu.

Ancak bu, holografik ilkenin keşfinden önceydi. Bölüm 18'de gördüğümüz gibi, sürekli bir uzayı sonlu Planck boyutuna sahip bir voksel dizisiyle değiştirmek yanlış bir fikirdir. Alanın vokselleştirilmesi, bölgelerini doldurmak için seçeneklerin sayısını önemli ölçüde abartır. Bu, Ptolemy'nin kütüphanesinde depolanabilecek bit sayısını yanlış anlamasına ve teorik fizikçilerin uzayın bir bölgesinde bulunabilecek bilgi miktarını yanlış anlamalarına yol açacaktır.

Sicim kuramının neredeyse en başından beri, sonsuz küçük Feynman diyagramlarının gizemini çözdüğü kabul edilmiştir. Kısmen bunu sonsuz küçük parçacıklar fikrinden kurtularak başarıyor. Ancak holografik ilkenin ortaya çıkışına kadar, sicim kuramının kuantum alan kuramının yeniden normalleştirilmiş veya vokselleştirilmiş versiyonundan ne kadar kökten farklı olduğu hafife alındı. Dikkate değer gerçek şu ki, sicim teorisi temelde pikselli bir dünyayı tanımlayan holografik bir teoridir.

Modern sicim teorisi, daha önceki enkarnasyonları gibi, açık ve kapalı sicimlerle ilgilenir. Teorinin tüm versiyonlarında olmasa da çoğunda, bir foton mezon gibi açık bir sicimdir, sadece çok daha küçüktür. Tüm versiyonlarda, graviton, çoğu minyatür bir yapışkan topu andıran kapalı bir iptir. Beklenmedik derin bir anlamda, bu iki tür dizi -temel ve QCD dizileri- aynı şey olabilir mi? Boyutlarındaki fark göz önüne alındığında, bu pek olası görünmüyor, ancak sicim teorisyenleri ölçeklerdeki bu büyük farkın yanıltıcı olabileceğinden şüphelenmeye başladılar. 23. Bölümde sicim teorisinde belli bir birlik olduğunu göreceğiz, ancak şimdilik farklı fenomenler için iki farklı sicim teorisinden bahsedeceğiz.

İp, uzunluğu kalınlığından çok daha fazla olan esnek bir nesnedir: ayakkabı bağı veya misina iplerdir. Fizikte, "sicim" kelimesi aynı zamanda esnekliği de ifade eder: sicimler, bir genişleticinin bandı veya bir lastik bant gibi gerilebilir ve sıkıştırılabilir. QCD dizileri çok güçlüdür; bir mezonun sonunda büyük bir kamyonu asabilirsiniz, ancak temel diziler daha da güçlüdür. Aslında, küçük kalınlıklarına rağmen, temel sicimler o kadar inanılmaz derecede güçlüdür ki, sıradan madde dünyasında onları karşılaştıracak hiçbir şey yoktur. Temel dizinin destekleyebileceği kamyon sayısı yaklaşık 10 inçtir. Bu muazzam gerilim nedeniyle, temel ipi kayda değer herhangi bir boyuta germek son derece zordur. Bu nedenle, temel sicimlerin tipik boyutları Planck uzunluğundan çok daha büyük olmamalıdır.

Günlük hayatta uğraştığımız sicimler için - genişletici sicimler, lastik bantlar ve esnetilmiş sakızlar - kuantum mekaniği özel bir rol oynamaz, ancak QCD sicimleri ve temel sicimler temelde kuantum mekanik nesnelerdir. Diğer şeylerin yanı sıra bu, enerjinin onlara yalnızca ayrık, bölünmez kısımlar halinde eklenebileceği anlamına gelir. Bir enerji değerinden diğerine geçiş, yalnızca enerji seviyeleri merdiveninde bir "kuantum sıçraması" ile gerçekleştirilebilir.

Enerji merdiveninin alt ucu sıfır durumu olarak adlandırılır. Bir birim enerji eklemek, ilk uyarılmış duruma dönüşür. Bir sonraki enerji adımı, ikinci uyarılmış durumu verir ve adım adım böyle devam eder. Elektronlar ve fotonlar gibi sıradan temel parçacıklar merdivenin en altındadır. Eğer hiç titreşmezlerse, bunlar yalnızca kuantum sıfır noktası titreşimleridir. Ama eğer sicim teorisi doğruysa, o zaman daha fazla enerji (dolayısıyla kütle) ile dönmeleri ve salınmaları sağlanabilir -

Bir gitar teli, bir pena ile çekilerek heyecanlandırılabilir, ancak tahmin edebileceğiniz gibi, bir gitar penası, bir elektronu harekete geçiremeyecek kadar büyüktür. En basit yol, elektronu başka bir parçacıkla çarpmaktır. Sonuç olarak, bazı parçacıkları diğerlerini "çimdiklemek" için "toplayıcı" olarak kullanırız. Çarpışma yeterince güçlüyse, her iki telin de uyarılmış hallerde titreşmesine neden olur. Şu soruyu sormak doğaldır: "Deneysel fizikçiler neden elektronları ve protonları hızlandırıcılarda uyarmıyorlar, böylece parçacıkların titreşen sicimler olup olmadığı sorusunu kesin olarak ortadan kaldırmıyorlar?" Sorun, basamağın yüksekliği - çok büyük. Enerji; Bir hadronun dönmesi veya titreşmesi için gereken enerji, modern parçacık fiziği standartlarına göre oldukça mütevazıdır, ancak temel sicimi harekete geçirmek için gereken enerji aşırı derecede yüksektir. Bir elektrona bir parça enerji eklemek, kütlesini neredeyse Planck değeri kadar artırır. Daha da kötüsü, bu enerji inanılmaz derecede küçük bir alanda yoğunlaşmalıdır. Kabaca söylemek gerekirse, bir milyar milyar protonun kütlesini, protonun kendisinden milyar milyar kez daha küçük bir bölgeye itmek gerekecekti. Yerleşik hızlandırıcıların hiçbiri böyle bir göreve yakın bile değil. Bu asla yapılmadı ve muhtemelen asla olmayacak.

Güçlü bir şekilde uyarılmış diziler ortalama olarak sıfır durumundakilerden daha büyüktür; ekstra enerji onları uzatarak uzunluklarını artırır. İpe yeterince enerji pompalayabilirseniz, gerilir ve büyük, çılgınca titreyen, birbirine dolanmış bir yün yumağı gibi olur. Ve sınır yoktur; yeterli enerji verildiğinde, bir ip herhangi bir uzunlukta gerilebilir.

Çok heyecanlı sicimlerin laboratuvarda elde edilemeyeceğine göre doğada üretilebilmesinin tek bir yolu vardır. 21. Bölümde göreceğimiz gibi, kara delikler dev bile olabilir.

Bu nedenle bazı fizikçiler, sicim kuramının sonsuza kadar deneysel olarak doğrulanmamış kalacağını iddia ediyor. Böyle bir ifade için gerekçeler var, ancak teorisyenler deneycilerden daha fazla suçlanacak değil. Bu tembel köpeklerin galaksi büyüklüğünde bir hızlandırıcı yapması gerekiyor. Ve tabii ki onu beslemek için her saniye ihtiyaç duyulacak trilyonlarca varil petrolü çıkarmak için.

galaksilerin merkezlerinde muazzam, girift "canavar dizileri" vardır.

En basit sicimler temel parçacıklardır.

Daha fazla enerji için sallayın veya ısıtın

Daha fazla enerji ekleyin

Kuantum mekaniğinin burada açıklanamayacak kadar incelikli ve teknik olarak karmaşık bir başka önemli ve şaşırtıcı sonucu daha var. Genellikle algıladığımız şekliyle uzay üç boyutludur. Boylam, enlem ve yükseklik veya uzunluk, genişlik ve yükseklik gibi bu üç boyutu tanımlayan birçok terim vardır. Matematikçiler ve fizikçiler genellikle boyutları x, y ve z olarak etiketlenmiş üç eksen kullanarak tanımlarlar .

Ancak temel sicimler sadece üç boyutlu hareket için yeterli değildir. Demek istediğim, sicim teorisinin ince matematiği, uzaya fazladan boyutlar eklenene kadar güvenilmez hale gelir. Sicim teorisyenleri , uzayın altı ekstra boyutu eklenmedikçe denklemlerinin matematiksel tutarlılığının bozulduğunu yıllar önce keşfettiler . Bana her zaman, bir şeyi yeterince iyi anlarsan, o zaman onu gayri resmi olarak açıklama fırsatı olmalı gibi geldi. Ancak sicim kuramının fazladan altı boyuta olan ihtiyacı, aradan otuz beş yıl geçmesine rağmen, basit bir açıklamaya meydan okuyor. Korkarım ki burada alçakların yöntemine başvurmak ve "Gösterilebilir ki ..." demek zorunda kalacağım.

Dokuz* boyutu bir yana, dört ya da beş boyutu hayal edebilen biriyle tanıştığıma çok şaşırırdım . Bunda senden daha iyi değilim ama alfabenin altı harfini - r, s, t, u, v, w - her zamanki x, y ve z'ye ekleyebilir ve sonra bu sembollere eziyet edebilirim. cebir ve analiz yöntemleri. Hareket için mevcut dokuz boyutla, sicim teorisinin matematiksel olarak tutarlı hale geldiği "gösterilebilir".

Şimdi sorabilirsiniz: eğer sicim teorisi dokuz boyut gerektiriyorsa ve gözlemlenebilir uzayda sadece üç tane varsa, bu sicim teorisinin yanlış olduğunun doğrudan kanıtı değil midir? Ama her şey o kadar basit değil. Einstein, Wolfgang Pauli, Felix Klein, Steven Weinberg, Murray Gell-Mann ve Stephen Hawking (hiçbiri sicim kuramcısı değildir) dahil olmak üzere birçok ünlü fizikçi, uzayın üçten fazla boyuta sahip olma olasılığını ciddi olarak düşündüler. Belli ki halüsinasyon görmüyorlardı, bu yüzden fazladan boyutların varlığını gizlemenin bir yolu olmalı. Ekstra boyutların saklanmasını belirtmek için kullanılan karakteristik moda sözcükler "evrişim" ve "kompaktlaştırma"dır. sicim kuramı

Sicim kuramının on boyutlu olduğu sık sık duyulur. Başka bir boyut zamandan başka bir şey değildir. Diğer bir deyişle, sicim kuramı (9+1) boyutludur.

Retikler, kompaktlaştırma adı verilen bir süreçle altı ekstra boyut toplar . Buradaki fikir, uzayın ekstra boyutlarının çok küçük düğümler halinde bükülebileceği ve böylece biz dev yaratıkların yön bulamayacak kadar büyük olabileceği ve hatta onları fark edemeyeceğidir.

Bir veya daha fazla boyutun bükülerek fark edilemeyecek kadar küçük bir geometrik şekle dönüşebileceği fikri, modern yüksek enerji fiziğinde yaygın bir görüştür. Bazı insanlar fazladan boyutların çok spekülatif olduğunu düşünür, bir esprili tabirle "denklemlerle bilim kurgu". Ancak bu cehalete dayalı bir yanlış anlamadır. Tüm modern parçacık teorileri, parçacıkları karmaşık hale getiren eksik mekanizmaları sağlamak için bir çeşit ekstra boyut kullanır.

Sicim teorisyenleri ekstra boyut kavramını icat etmediler ama onu çok yaratıcı bir şekilde kullandılar. Sicim teorisi altı ekstra boyut gerektirse de, uzaya yalnızca bir yeni boyut ekleyerek genel bir fikir edinilebilir. Ekstra boyutlar fikrini en basit haliyle keşfedelim. Tek bir uzamsal boyutu olan bir dünyadan başlayarak - hadi buna Çizgi Ülkesi diyelim - fazladan bir katlanmış boyut ekleyeceğiz. Lineland'de bir noktayı belirtmek için sadece bir koordinat yeterlidir; sakinler ona X diyor.

Lineland'ı daha ilginç hale getirmek için ona nesneler eklememiz gerekiyor, bu yüzden çizgi boyunca hareket eden parçacıklar yaratalım.

"A"

■■■■II " shmiv"

Onları tek boyutlu atomlar, moleküller ve hatta belki de canlı varlıklar oluşturmak için birbirine kenetlenen küçük boncuklar olarak düşünün. (Hayatın tek boyutlu bir dünyada var olabileceğinden kesinlikle şüpheliyim, ancak şimdilik bu şüpheleri kendimize saklayalım.) Hem çizgiyi hem de boncukları diğer boyutlara çıkıntı yapmamaları için sonsuz incelikte düşünün. Ve başka boyutları olmayan boncuklarla bir çizgi hayal etmeye çalışmak bile daha iyidir *.

Bilgili bir kişi, Lineland'ın birçok alternatif versiyonunu bulacaktır. Tüm boncuklar aynı olabilir veya daha ilginç bir dünyada birkaç farklı boncuk türü olabilir. Bu türleri ayırt etmek için, onları renklerle etiketleyelim - kırmızı, mavi, yeşil, vb. Sayısız olasılık hayal edebiliyorum: kırmızı boncuklar mavi olanları çeker, ancak yeşil olanları iter. Siyah boncuklar çok ağırdır, beyaz boncuklar ise kütlesizdir ve Lineland'de ışık hızında hareket eder. Boncukların kuantum mekaniği olmasına izin vermek bile mümkündür, her bir tanenin rengi belirsiz olabilir.

Tek boyutlu yaşam çok sıkışık. Yalnızca tek bir hat boyunca hareket etme özgürlüğü ile Linelander'lar kaçınılmaz olarak birbirleriyle çarpışırlar. İletişim kurabilecekler mi? Kolay: mesaj göndermek için uçlarında bulunan boncuklarla atılabilirler. Ancak sosyal hayatları çok sıkıcıdır: Her canlının sadece iki tanıdığı vardır - biri sağda, diğeri solda. Bir sosyal çevre oluşturmak için en az iki boyut gerekir.

Ama görünüş aldatıcıdır. Linelanders çok güçlü bir mikroskoptan baktıklarında, dünyalarının aslında iki boyutlu olduğunu keşfetmeye başlarlar. Sıfır kalınlıkta mükemmel bir matematiksel çizgi değil, bir silindirin yüzeyini görüyorlar. Normal şartlar altında, bu silindirin çevresi Linelanders'ın algılayamayacağı kadar küçüktür, ancak mikroskop altında Lineland atomlarından bile daha küçük olan çok daha küçük nesneler keşfedilmiştir. Bu nesneler o kadar küçüktür ki iki boyutta hareket edebilirler .

Bölüm 15'te anlattığım CGHS modeli Lineland'dir, ancak Lineland uzayının kenarında çok büyük (ve hiç şüphesiz tehlikeli) bir kara delik vardır.

Dev kardeşleri gibi, bu Lineland cüceleri bir silindir boyunca hareket edebilirler, ancak onun etrafından dolaşabilecek kadar küçüktürler. Hatta silindirin etrafına spiral bobinler sararak her iki yönde aynı anda hareket edebiliyorlar. Ve - oh, neşe! Hatta çarpışmadan birbirlerini baypas edebilirler. Oldukça makul bir şekilde, iki boyutlu uzayda yaşadıklarını iddia ediyorlar, ancak bir özelliği var: Ek bir boyutta düz bir çizgide hareket ederseniz, kısa süre sonra başlangıç noktasına geri dönersiniz.

Linelanders'ın yeni yön için bir isme ihtiyacı vardı ve onu Y olarak belirlediler. X'in aksine, başlangıç noktasına dönmeden Y boyunca uzağa gidilemez. Lineland matematikçileri, Y yönünün kompaktlaştırıldığını söylüyor.

Yukarıda gösterilen silindir, orijinal 1 boyutlu dünyaya fazladan bir yuvarlanmış boyut eklenerek elde edilir. Halihazırda üç normal boyuta sahip olan bir dünyaya altı ekstra boyut eklemek, insan beyninin görselleştirme yeteneklerinin çok ötesine geçer. Fizikçileri ve matematikçileri diğer insanlardan ayıran şey, herhangi bir sayıda boyutu hayal edebilen mutantlar olmaları değil, daha çok, ek boyutları "görmeyi" öğrenmek için ağır matematiksel yeniden eğitimden, yine bilinçleri yeniden canlandırmaktan geçmiş olmalarıdır.

Tek bir ekstra boyut, yeterli sayıda olasılık sağlamaz. Bükülmüş bir yönde hareket etmek, farkında olmadan bir daire içinde hareket etmek gibi olacaktır. Ancak daha şimdiden iki ek boyut, sonsuz sayıda yeni olasılığın kapılarını aralıyor. İki boyut bir küre oluşturabilir,

torus (çörek yüzeyi),

iki veya üç delikli simit,

hatta Klein şişesi adı verilen süslü bir alan.

Fazladan iki boyutu görselleştirmek büyük bir sorun değil (biz şimdi yaptık), ancak boyutların sayısı arttıkça, onları görselleştirmek giderek daha zor hale geliyor. Sicim kuramı için gereken altı ekstra boyuta ulaştığımızda, matematiğe başvurmadan görselleştirme umutsuz bir çaba haline gelir. Sicim teorisyenlerinin altı ekstra boyutu sıkıştırmak için kullandıkları özel geometrik uzaylara Calabi-Yau manifoldları denir . Milyonlarca var ve hiçbiri birbirine benzemiyor. Calabi-Yau manifoldları, yüzlerce altı boyutlu çörek deliği ve diğer hayal edilemez çubuk krakerlerle son derece karmaşıktır. Bununla birlikte, matematikçiler, iç içe geçmiş diyagramlara benzer şekilde, onları daha küçük boyutlu katmanlara dilimleyerek görüntülerini oluştururlar. İşte tipik bir Calabi-Yau uzayının iki boyutlu bir diliminin görüntüsü.

Her noktasına altı boyutlu bir Calabi-Yau manifoldu eklendiğinde sıradan uzayın nasıl göründüğüne dair size bir fikir vermeye çalışacağım. İlk önce, bu kadar büyük olan sıradan boyutlara bakın.

Bölüm Z'ye bakın. - Not. perge. nesneler insanlar gibidir. (Ben iki boyutlu çizdim ama üçüncü boyutu da hayal gücünüzde tamamlamış olmalısınız.)

3B uzayda her noktada, çok küçük nesnelerin hareket edebildiği altı katlanmış boyut daha vardır. Mecburen Calabi-Yau uzaylarını birbirinden ayrı çiziyorum ama siz bunları sıradan uzayın her noktasında hayal etmelisiniz.

Şimdi dizelere geri dönelim. Bir genişleticiden sıradan bir turnike, örneğin doğu-batı ekseni veya kuzey-güney veya üst-alt gibi farklı yönlerde gerilebilir. Ufka 10 derecelik bir eğimle kuzey-kuzeybatı gibi farklı açılarda gerilebilir. Ancak ek boyutlar varsa, olasılıkların sayısı kat kat artar. Özellikle, diziler katlanmış boyutlar boyunca uzayabilir. Kapalı sicim Calabi-Yau uzayını bir veya daha fazla kez çevreleyebilir, ancak olağan uzamsal yönlerde kesinlikle gerilebilir.

İşleri biraz daha karmaşıklaştıralım. Bir ip, kıvrılmış bir alanı çevreleyebilir ve aynı zamanda bir yılan gibi kıvrılabilir, böylece eğriler ipin üzerinde yuvarlanır.

Bir sicimi sarmal bir boyut etrafında germek ve onu titreştirmek enerji gerektirir, dolayısıyla bu tür sicimlerin tanımladığı parçacıklar normalden daha ağır olacaktır.

kuvvetler

Evrenimiz sadece uzay, zaman ve parçacıkların değil, aynı zamanda kuvvetlerin de dünyasıdır. Yüklü parçacıklar arasında hareket eden elektrik kuvvetleri, kağıt parçalarını ve toz parçacıklarını hareket ettirebilir (örneğin, statik elektrik yoluyla), ancak daha da önemlisi, bu kuvvetler elektronları atom çekirdeği etrafındaki yörüngelerinde tutar. Dünya ile Güneş arasında hareket eden yerçekimi kuvvetleri Dünya'yı yörüngede tutar.

Tüm kuvvetler nihayetinde bireysel parçacıklar arasında hareket eden mikroskobik kuvvetlerle ilişkilidir. Peki bu parçacıklar arası kuvvetler nereden geliyor? Newton'a göre, kütleler arasında etki eden evrensel çekim kuvveti sadece fiziksel bir gerçekti -aslında, bunu yalnızca tanımlayabilirdi, açıklayamazdı. Bununla birlikte, on dokuzuncu ve yirminci yüzyıllar boyunca, Michael Faraday, James Clerk Maxwell, Albert Einstein ve Richard Feynman gibi fizikçiler, güçleri arkalarındaki daha temel kavramlarla açıklayan parlak keşifler yaptılar.

Faraday ve Maxwell'e göre elektrik yükleri doğrudan çekmez ve itmez; yükler arasındaki boşlukta etkileşimi ileten bir aracı vardır. Bir Slinky hayal edin, o tembel oyuncak yay birbirinden biraz uzakta iki top arasında geriliyor.

<!VII^^

Topların her biri, yalnızca kendisine bağlı Slinky'nin ucundan kuvvete tabidir. Her Slinky parçası daha sonra komşularını etkiler. Kuvvet, gerilimi diğer uçtaki nesneye aktarana kadar Slinky boyunca iletilir. İki nesne birbirini çekiyor gibi görünebilir, ancak bu, aralarında aracılık yapan "Slinky" tarafından yaratılan bir yanılsamadır.

Elektrik yüklü parçacıklar söz konusu olduğunda, aracı maddeler, aralarındaki boşluğu dolduran elektrik ve manyetik alanlardır. Görünmez olmalarına rağmen, bu alanlar çok gerçektir: Yükler arasındaki etkileşimleri taşıyan, uzayın sürekli görünmez bozulmalarıdır.

Einstein, yerçekimi teorisinde daha da derinlere gitti. Kütleler, yakın çevrelerindeki uzay-zaman geometrisini büker ve bu nedenle diğer kütlelerin yörüngelerini bozar. Geometri bozulmaları da alanlar olarak kabul edilebilir.

Bunun sonu gelmiş gibi görünebilirdi. Ve böylece, Richard Feynman "ilk bakışta alan kuramından tamamen farklı olan" kuantum kuvvetler kuramıyla ortaya çıkana kadar böyleydi.

Çubuk mıknatıs manyetik alan

Pozitif yükün elektrik alanı

Faraday-Maxwell ve Einstein. Teorisi, elektrik yüklü parçacıkların fotonları yayabileceği (fırlatabileceği) ve emebileceği (tuzaklayabileceği) fikriyle başlar. Bu fikirde henüz garip bir şey yoktu; Elektronların bir X-ışını tüpündeki bir engelde aniden durduklarında X-ışınları yaydıkları uzun zamandır anlaşılmıştır. Ters soğurma süreci, Einstein tarafından ışık kuantumu fikrini ilk kez ortaya attığı makalesinde tanımlamıştır.

Feynman, yüklü parçacıkları sürekli olarak yayan ve emen ve yükü çevreleyen boşlukta çok sayıda foton yaratan foton hokkabazları olarak tasvir etti. Hareketsiz durumdaki tek bir elektron, fırlattığını asla kaybetmeyen ideal bir hokkabazdır. Ancak tıpkı demiryolu vagonundaki hokkabaz insan gibi, ani hızlanma her şeyi mahvedebilir. Yük, fotonu emmek için yanlış yere yerleştirerek konumundan çıkabilir. Bu kaçırılan foton uçar ve yayılan ışığın bir parçası olur. .

Ortağının hokkabazla trene bindiği ve ikisinin takım hokkabazlığı yapmaya karar verdiği tren vagonuna geri dönelim. Temel olarak, her hokkabaz kendi atışlarını yakalar, ancak zaman zaman yaklaşıldığında, her biri diğerinin attığı topları yakalayabilir. Aynı şey iki elektrik yükü birbirine yaklaştığında da olur. Etraflarındaki foton bulutları karışır ve bir yük diğerinden yayılan fotonları emebilir. Bu işleme foton değişimi denir .

Foton değişiminin bir sonucu olarak, yüklerin birbirine etki ettiği kuvvetler ortaya çıkar. Bir kuvvetin çekici mi yoksa itici mi olduğu şeklindeki zor soru ancak kuantum mekaniğinin tüm inceliklerini hesaba katarak cevaplanabilir. Feynman'ın hesaplamalarını yaptığında, Faraday ve Maxwell'in bulduğu şeyi bulduğunu söylemekle yetinelim: benzer yükler birbirini iter ve zıt yükler birbirini çeker.

Elektronların hokkabazlık becerilerini ve hokkabazlık yapan insanların hokkabazlık becerilerini karşılaştırmak ilginçtir. Görünüşe göre bir kişi nesneleri saniyede birkaç kez fırlatıp yakalayabilir, ancak bir elektron saniyede IO * 9 kez fotonları yayar ve emer.

Feynman'ın teorisine göre hokkabazlar sadece elektrik yükleri değil, tamamen maddi parçacıklardır. Herhangi bir madde şekli gravitonları yayar ve soğurur - yerçekimi alanının kuantumu. Dünya ve Güneş, değiş tokuşa karışan ve katılan graviton bulutlarıyla çevrilidir. Ve sonuç olarak, yerçekimi kuvveti Dünya'yı yörüngede tutar.

Tek bir elektron ne sıklıkla bir graviton yayar? Cevap oldukça beklenmedik: çok nadiren. Ortalama olarak, bir elektronun bir graviton yayması için geçen süre, evrenin tüm yaşını aşıyor. Bu nedenle, Feynman'ın teorisine göre, temel parçacıklar arasındaki yerçekimi etkileşimi elektrik olandan çok daha zayıftır.

Öyleyse hangi teori doğru: Faraday-Maxwell-Einstein alan teorisi mi yoksa Feynman parçacık hokkabazı teorisi mi? Aynı anda gerçek olamayacak kadar farklı görünüyorlar.

Ve yine de ikisi de doğru. Her şey dalgalar ve parçacıklar arasındaki kuantum tamamlayıcılığı ile ilgilidir; Dalgalar bir alan kavramıdır: ışık dalgaları elektromanyetik alanlardaki hızlı dalgalanmalardan başka bir şey değildir. Ama ışık parçacıklardır, fotonlardır. Dolayısıyla, Feynman parçacıkları ve Maxwellian alanları içeren resimler, kuantum tamamlayıcılığının başka bir örneğidir. Parçacıkların hokkabazlık yapan bulutu tarafından üretilen kuantum alanına yoğuşma adı verilir.

dize şakası

Size sicim teorisyenleri arasında popüler hale gelen yeni bir anekdot anlatayım.

Birkaç tel bir bara girer ve bir bira ısmarlar. Barmen içlerinden birine “Seni uzun zamandır görmüyorum. Nasılsın?" Sonra diğer tele döner ve sorar: “Buraya ilk gelişiniz değil mi? Arkadaşın kadar içine kapanık mısın? Ve şu yanıtı alır: "Hayır, ben lanet olası bir düğümüm."

Hmm... Peki bir sicim kuramcısından ne bekliyorlardı?

Şaka burada bitiyor ama hikaye devam ediyor. Barmen biraz sarhoş hissediyor. Belki; barda gizlice fazladan alınan bir içkinin sonucudur ya da belki de gelen çiftin kuantum dalgalanmalarının titremesi biraz kafasını karıştırmıştır. Ama hayır, standart bir titremeden daha fazlası; sicimler çok garip bir şekilde hareket ediyor gibi görünüyor, sanki gizli bir güç onları çekip birbirine bağlıyormuş gibi. Ne zaman bir tel beklenmedik bir hareket yapsa, bir an sonra diğeri yerinden fırlar ve tam tersi de geçerlidir. Ama dışarıdan, hiçbir şey onları birbirine bağlıyor gibi görünmüyor.

Bu gizemli davranışa şaşıran barmen, anlamaya çalışarak aralarındaki boşluğa dikkatlice bakar. İlk başta, yalnızca hafif bir ışıltı, geometride titrek bir bozulma görebiliyor, ancak yaklaşık bir dakika sonra, iki müşterinin vücudundan sürekli olarak küçük ip parçalarının koptuğunu fark ediyor; arasında yoğuşma oluşturur. Onları çeken ve keskin bir şekilde hareket etmelerini sağlayan bu yoğuşmadır.

Dizeler diğer dizeleri yayar ve emer. Kapalı dizelerin durumunu düşünün. Olağan sıfır noktası titremesine ek olarak, bir kuantum dizisi iki diziye ayrılabilir. Bu süreci Bölüm 21'de anlatacağım ama şimdilik basit bir resim fikri açıklamaya yetecektir. İşte kapalı bir dizenin görüntüsü.

İp, üzerinde küçük bir çıkıntılı göz görünene kadar bükülür ve titrer.

Artık ip, küçük parçasını ayırmaya ve yaymaya hazır.

Bunun tersi de mümkündür: küçük bir dizi, başka bir büyük diziyle karşılaşarak ters işlem sırasında emilebilir.

Küçük kapalı sicim halkaları, daha büyük sicimlerin etrafında kaynaşan ve tezahürleri açısından bir yerçekimi alanına çok benzeyen bir yoğunlaşma oluşturan gravitonlardır. Yerçekimi alanının kuantumları olan gravitonlar, yapı olarak nükleer fiziğin yapışkan toplarına benzer, ancak 10*' kat daha küçüktür. Tüm bunların (eğer bağlantılıysa) nükleer fizikle nasıl bağlantılı olduğunu merak ediyorum.

Fiziğin diğer alanlarındaki bazı insanlar, "Sicim kuramının güzel, zarif, tutarlı, istikrarlı matematiği, yerçekimi kuvvetleri hakkında şaşırtıcı, inanılmaz, fantastik gerçeklere yol açar; Gerçek olmak." Bununla birlikte, şüpheci bir yabancı için böyle bir doksoloji; haklı olsalar bile; argümanın inandırıcılığını geliştirmek için hiçbir şey yapmaz. Sicim kuramı gerçekliğin gerçek bir resmini veriyorsa, methiyelerle değil ikna edici deneysel tahminler ve ampirik testlerle doğrulanmalıdır. Şüpheciler haklı; ama sicim teorisyenleri de haklı. Asıl sorun, bir protondan milyarlarca kez daha küçük nesnelerle deney yapmanın aşırı zorluğudur. Ancak sicim kuramı nihayetinde deneysel verilerle desteklense de desteklenmese de, artık yerçekiminin kuantum mekaniğine nasıl uyduğuna dair çeşitli fikirleri test eden güvenilir bir matematik laboratuvarı.

Yerçekimi sicim teorisinde göründüğünden, yeterince büyük sicimler birbirine yaklaştığında bir kara deliğin oluşması beklenir. Bu nedenle, sicim teorisi, Hawking paradoksunun keşfedilebileceği bir kavramdır. Hawking, kara deliklerin kaçınılmaz olarak bilgi kaybına yol açtığı konusunda haklıysa, o zaman sicim teorisinin matematiği bunu doğrulamalıdır. Hawking yanılıyorsa, sicim teorisi bilginin bir kara delikten nasıl kaçabileceğini göstermelidir.

1990'ların başlarında, Gerard 't Hooft ve ben (eğer doğru hatırlıyorsam) iki kez Stanford'da ve bir kez de Utrecht'te buluştuk; sicim teorisi ve kuantum alan teorisi. Neyi sevmediğini hiçbir zaman tam olarak bilemedim, ama bana öyle geliyor ki bu kısmen sicim kuramcılarının 1985'ten beri Amerikan kuramsal fiziğinin kurulmasındaki tartışmasız egemenliğinden kaynaklanıyor. Her zaman genel eğilime karşı çıkan Hooft, (benim gibi) çeşitliliğin gücüne inanıyordu. Bir soruya ne kadar farklı yaklaşırsanız, o kadar farklı düşünme tarzları kullanılır; gerçekten karmaşık bilimsel problemleri çözme şansı o kadar yüksek olur.

Ancak Gerard'ın şüpheciliğinin, çok dar bir gruplamayla fiziğin kapsanmasını hazmedemediği gerçeği dışında başka nedenleri de vardı. Bildiğim kadarıyla, sicim teorisinin değerini kabul etti, ancak onun "nihai teori" olduğu iddialarına şiddetle karşı çıktı. Sicim teorisi tesadüfen keşfedildi ve gelişimi sarsıntılıydı. Hiçbir zaman kapsamlı bir ilkeler setimiz veya küçük bir temel denklem setimiz olmadı. Bugün bile, şaşırtıcı derecede iyi bir şekilde birbirine uyan, birbirine bağlı matematiksel gerçeklerden oluşan bir ağdan oluşuyor, ancak bu gerçekler, Newton'un yerçekimi teorisinde veya kuantum mekaniğinde olduğu gibi, bazı kompakt ilkeler kümesini oluşturmuyor. Bunun yerine, genel resmi yalnızca puslu bir perspektifte görülebilen çok karmaşık bir şekilde kesilmiş bir yapboz gibi birbirine iyi uyan bir öğeler ağı vardır. 't Hooft'un bölümün başındaki alıntısını hatırlayın: “Diyelim ki size bir sandalye verdim, onun henüz bacakları olmadığını ve koltuğun, sırtlığın ve kolların yakında teslim edilebileceğini açıkladım; Sana ne verirsem vereyim, ona sandalye diyebilir miyim?”

Sicim teorisi gerçekten de henüz tam olarak gelişmiş bir sistem değildir, ancak bugün kuantum yerçekiminin nihai ilkelerine giden yolda koşulsuz olarak en iyi matematiksel dönüm noktasıdır. Ve özellikle Gerard'ın kendi beklentilerini doğrulamak açısından Kara Delik Savaşı'ndaki en güçlü silah olduğunu kanıtladığını da eklemeliyim.

Sonraki üç bölümde, sicim kuramının kara deliklerin tamamlayıcılığını, entropilerinin kökenini ve holografik ilkeyi açıklamaya ve doğrulamaya nasıl yardımcı olduğunu göreceğiz.

20

Alice'in Uçağı veya Son Görünen Pervane

Çoğu fizikçiye, özellikle de genel görelilikte uzmanlaşanlara, karadeliklerin tamamlayıcılığı doğru olamayacak kadar çılgınca görünüyor. Kuantum belirsizliği konusunda kendilerini rahat hissetmediklerinden değil - Planck ölçeğinde evrensel olarak kabul ediliyor. Bununla birlikte, kara deliklerin tamamlayıcılığı çok daha radikal bir şeye işaret ediyor. Gözlemcinin hareket durumuna bağlı olarak, atom küçücük bir mikroskobik nesne olarak kalabilir veya devasa bir kara deliğin tüm ufkunun boyutuna kadar büyüyebilir. Bu derecede belirsizliği kabul etmek çok zordu. Bana bile tuhaf geliyor.

düşündüm ve yavaş yavaş bana daha önce gördüğüm bir şeyi hatırlatmaya başladı. Yirmi dört yıl önce, sicim kuramının ilk çocukluk yıllarında, küçük sicim benzeri nesnelerin -o zamanlar onlara "lastik bantlar" diyordum- temel parçacıklara karşılık gelen garip özelliği beni rahatsız etmişti.

Sicim teorisine göre, dünyadaki her şey esneyebilen, titreyebilen ve dönebilen tek boyutlu elastik enerji sicimlerinden oluşur. Parçacıkları Planck ölçeğinden biraz daha büyük olan minyatür lastik bantlar olarak düşünelim. Böyle bir bant sıkışırsa titremeye ve titremeye başlar ve parçaları arasında sürtünme yoksa bu titreme ve titreşim sonsuza kadar sürer.

Bir tele enerji eklemek, ipin daha da fazla titremesine neden olur, öyle ki devasa bir tele benzemeye başlar; çılgınca dalgalanan bir yün yumağı. Bu titreşimler, tele gerçek enerji katan termal dalgalanmalardır .

Ama kuantum titremesini unutmayalım. Sistemdeki tüm enerji çekilse ve temel durumda olsa bile; titreme asla tamamen durmaz. Bir temel parçacığın bu karmaşık hareketi oldukça önemsiz bir şeydir; ancak benzetme yoluyla size biraz fikir verebilirim. Ama önce köpek düdükleri ve uçak pervanelerinden bahsetmek istiyorum.

Nedense köpekler yüksek frekanslı sesler duyar; insanlar tarafından algılanmaz. Belki de köpeklerdeki kulak zarı daha hafiftir ve daha yüksek frekanslı titreşimlere sahiptir. Yani köpeğinizi aramanız gerekiyor ama komşularınızı da rahatsız etmek istemiyorsanız; o zaman bir köpek düdüğü kullanabilirsiniz. O kadar yüksek frekansta bir ses yayar ki, insan işitme sistemi bunu algılamaz.

Şimdi Alice'in bir kara deliğe daldığını ve DG'nin köpek düdüğü çaldığını hayal edin; Rex'e 0 ' sinyali vermek için

onu Bob'un gözetiminde bıraktı. Bob ilk başta hiçbir şey duymaz; frekans kulağı için çok yüksek. Ancak ufkun yakınında yayılan sinyale ne olduğunu unutmayın. Bob'a göre Alice ve tüm işlevleri yavaşlamış görünüyor. Bu, düdüğünün yüksek frekanslı sesi için de geçerlidir. İlk başta ses Bob'un duyamayacağı kadar iyi olsa da, Alice ufka yaklaştıkça ıslık Bob'a duyulur hale gelir. Diyelim ki Alysin'in köpek düdüğü, Rex'in hassasiyetinin bile ötesinde geniş bir frekans yelpazesi yayar. Bob ne duyacak? İlk başta hiçbir şey yok, ama yakında ıslığın yaydığı en düşük frekansları duyabilecek. O zaman daha da yüksek sesler duyulacaktır. Sonunda Bob, Alice'in ıslığının yaydığı seslerin tüm senfonisini duyacak. Uçak pervanelerinden bahsederken bu resmi aklınızda bulundurun.

Muhtemelen bir uçak pervanesinin yavaşladığını ve durduğunu görmüşsünüzdür. İlk başta kanatları ayırt edilemez ve yalnızca merkezi göbeği görürsünüz.

•

Ancak pervane yavaşladığında ve hızı saniyede yaklaşık otuz devire düştüğünde, kanatlar görünür hale gelir ve tüm yapı daha büyük görünmeye başlar.

Şimdi "kompozit" pervaneli yeni bir uçak tipi hayal edin. Hadi buna Alice'in uçağı diyelim. Kanatlarının uçlarında ek "otomatik" olan göbekler vardır.

Kesin olarak konuşursak, ses boşlukta yayılamaz. Ya kanalizasyon benzetmesine geri dönebilir ya da Alisyn'in düdüğünü ultraviyole el feneri ile değiştirebilirsiniz.

ry seviyesi". İkinci seviye pervaneler, ana kanatlardan çok daha hızlı dönüyor - diyelim ki on kat daha hızlı.

Birinci seviyenin bıçakları görünür hale geldiğinde, ikincil olanlar hala görünmez durumda. Ancak pervane yavaşladıkça görünür hale gelirler. Ve yine yapının görünen boyutları artıyor. Üçüncü seviyenin kanatları, ikincil kanatların uçlarına tutturulmuştur. On kat daha hızlı dönüyorlar. Daha fazla yavaşlama gerekecek, ancak uygun anda kompozit pervanenin daha da fazla alan kapladığı görülecektir.

Alisyn'in uçağı üç seviyede durmuyor. Pervanesi sonsuza kadar büyür ve yavaşladıkça, görünen boyutu kesinlikle inanılmaz bir boyuta gelene kadar büyür ve büyür. Ancak pervane tamamen durana kadar yalnızca sınırlı sayıda seviye görünür.

Henüz tahmin etmediyseniz bir sonraki adım, Alice'in uçağıyla doğruca kara deliğe uçması olacak. Bob ne görecek? Size anlattıklarımdan yola çıkarak, özellikle kara delikler ve zaman makineleri hakkında, muhtemelen bunu kendi başınıza çözebilirsiniz. Zaman geçtikçe, pervaneler yavaşlıyormuş gibi görünecektir. İlk olarak, ilk kanatlar görünecek ve ardından yapının giderek daha fazlası, artan sayıda seviyesi görünür hale gelecek ve son olarak, tüm ufkun boyutuna ulaşacak.

Bob'un gördüğü şey bu. Ama Alice pervaneyle birlikte hareket ederken ne görecek? Alışılmadık bir şey yok. Köpeğinin düdüğünü çaldığında hala duyamıyor. Pervaneye baktığında, pervane hala onun veya kameranın fark edemeyeceği kadar hızlı dönüyor. Hızla dönen bir pervaneye bakarken sizinle aynı şeyi görüyor - bir göbek ve başka bir şey değil.

Bu resimde bir hata var gibi görünebilir. Alice, hızla dönen pervaneleri göremeyebilir, ancak onun için tamamen algılanamaz olduklarını söylemek aşırıya kaçmak olur. Sonunda kolayca parçalara ayırabilirler. Bu, gerçek pervaneler için geçerlidir, ancak tarif ettiğim hareketler daha karmaşıktır. 4. ve 9. bölümlerde doğada iki tür titreme olduğunu nasıl açıkladığımı hatırlayın: kuantum ve termal. Isı titremesi tehlikelidir; sinir uçlarınıza enerji aktardığı için oldukça acı verici olabilir ve biftek pişirmek için kullanılabilir. Sıcaklık yeterince yüksekse, molekülleri ve atomları parçalayabilir. Ancak bir bifteği, elektromanyetik alandaki kuantum dalgalanmalarının etkisi altında soğuk ve boş bir vakumda ne kadar tutarsanız tutun, yine de tamamen çiğ kalacaktır.

1970'lerde Bekenstein, Hawking ve özellikle William Unruh gibi kara delik teorisyenleri, bir kara deliğin ufkunun yakınında termal ve kuantum titreşimlerin tuhaf şekillerde karıştığını gösterdiler. Ufuktan düşen birine masum kuantum dalgalanmaları gibi görünen titremeler, kara deliğin dışında tutulmaya devam eden her şey için giderek daha tehlikeli termal dalgalanmalara dönüşüyor. Bütün bunlar sanki Alice'in pervanelerinin (Alice'in göremediği) görünmez hareketleri kuantum titremeleriymiş ama Bob'un referans çerçevesinde yavaşladıkça termal titremelere dönüşeceklermiş gibi. Alice'in hissedemeyeceği zararsız kuantum hareketleri, Bob ufkun üzerinde uçmaya karar verirse Bob için son derece tehlikeli olacaktır.

Muhtemelen tüm bunları kara deliklerin tamamlayıcılığına bağlamışsınızdır. Aslında, 15. Bölüm'de anlattığım atomların bir karadeliğe düşmesiyle ilgili olarak çarpıcı bir benzerlik var. Bu beş bölüm önce olduğu için, konunun özünü kısaca özetleyeceğim.

Ufka doğru düşen Alice'in arkasından düşen atoma baktığını hayal edin. Atom ufku geçtiğinde bile tamamen normal görünüyor. Elektronları normal hızlarında çekirdeğin etrafında dönmeye devam ediyor ve diğer atomlardan daha büyük görünmüyor - bu sayfanın yaklaşık milyarda biri büyüklüğünde.

Bob ise atomun ufka yaklaştıkça nasıl yavaşladığını ve aynı zamanda termal hareketlerin atomu parçalayıp sürekli genişleyen bir alana yaydığını görüyor. Atom minyatür bir Alysin uçağına benziyor.

Atomların pervaneleri vardır, pervaneleri vardır, pervaneleri vardır ve bu sonsuza kadar böyle gider mi demek istiyorum? Şaşırtıcı bir şekilde, neredeyse tam olarak demek istediğim bu. Temel parçacıklar genellikle çok küçük nesneler olarak temsil edilir. Alice'in bileşik pervanesinin merkez göbeği de küçük görünüyor, ancak tüm yapısal seviyeler dahil tüm yapı çok büyük, hatta sonsuz. Küçük olduklarını söylerken yanılıyor olabilir miyiz? Deneyler bu konuda ne diyor?

Parçacıkların deneysel gözlemlerini düşünürken, her bir deneyi hareket eden bir nesnenin fotoğrafını çekmeye benzer bir süreç olarak düşünmek faydalıdır. Hızlı hareketleri yakalama yeteneği, kameranın görüntüyü ne kadar hızlı yakaladığına bağlıdır. Deklanşör hızı, zamansal çözünürlüğü belirleyen bir parametredir. Açıkçası, Alice'in bileşik pervanesini fotoğraflarken deklanşör hızı merkezi bir rol oynuyor. Yavaş bir kamera yalnızca merkez göbeği düzeltir. Daha hızlı olanı, daha yüksek frekanslı öğeleri yakalayabilecektir. Ancak en hızlı kamera bile, uçak bir kara deliğe düşerken fotoğraflanmadığı sürece, kompozit yapının yalnızca belirli bir bölümünü yakalayabilir.

Temel parçacıklarla yapılan deneylerde, deklanşör hızının rolü, partikül çarpışma enerjisi tarafından oynanır: ne kadar yüksekse, deklanşör o kadar hızlıdır. Ne yazık ki, deklanşör hızı, parçacıkları çok yüksek enerjilere hızlandırma yeteneği nedeniyle ciddi şekilde sınırlıdır. İdeal olarak, Planck zamanından daha kısa aralıklarla meydana gelen hareketler arasında ayrım yapmak istenir. Bunu yapmak için, parçacıkları Planck kütlesini aşan enerjilere hızlandırmak gerekli olacaktır, yani prensip basittir, ancak pratik uygulaması imkansızdır.

Durup modern fiziğin karşı karşıya olduğu inanılmaz zorlukları düşünmenin zamanı geldi. Yirminci yüzyıl boyunca fizikçiler, en küçük nesneleri ve en hızlı hareketleri gözlemlemek için gittikçe daha büyük hızlandırıcılar kullandılar. Bunlardan ilki, atomların yapısını inceleyebilen basit tezgah üstü cihazlardı. Çekirdekler, büyük binalar boyutunda daha büyük makineler gerektiriyordu. Kuarklar, yalnızca hızlandırıcılar birkaç kilometrelik bir boyuta ulaştığında keşfedildi. Günümüzün en büyük hızlandırıcısı, İsviçre'nin Cenevre kentindeki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı yaklaşık otuz kilometrelik bir çevreye sahiptir, ancak parçacıkları Planck kütlesine hızlandırmak için hala çok küçüktür. Planck frekansının hareketlerini inceleyebilmek için bir hızlandırıcının ne kadar büyük olması gerekir? Cevabın cesaret kırıcı olduğunu söylemek, hiçbir şey söylememektir; bir parçacığı Planck kütlesine hızlandırmak için hızlandırıcının en az Galaksimiz kadar büyük olması gerekir.

Basitçe söylemek gerekirse, Planck'ın hareketlerini modern teknolojiyle gözlemlemek, yaklaşık on milyon yıldır deklanşörü açık bırakılmış bir kamerayla dönen bir uçak pervanesini fotoğraflamaya benzer. Temel parçacıkların çok küçük görünmesine şaşmamalı çünkü görebildiğimiz tek şey göbek.

Deneyler, parçacıkların yayılan yüksek frekanslı titreşen yapılar olduğunu doğrulamamıza izin vermediğinden, yalnızca mevcut en iyi teorilere dönebiliriz. Yirminci yüzyılın ikinci yarısında, temel parçacıkların incelenmesi için en güçlü matematiksel temel, kuantum alan teorisiydi. Bu muhteşem teori her şeyden önce şunu öne sürer: Parçacıklar o kadar küçüktür ki uzayda noktalar olarak kabul edilebilirler. Ama yakında bu resim yok edildi. Parçacıklar, kendilerini akıllara durgunluk veren bir hızla ortaya çıkan ve kaybolan diğer parçacıklarla hızla çevreler. Bu yeni uzaylı uzaylıların kendileri, daha da hızlı bir şekilde ortaya çıkan ve kaybolan parçacıklarla çevrilidir. Her zamankinden daha kısa deklanşör hızlarında fotoğraf çekmek, bize parçacıkların içindeki giderek daha fazla yapıyı, daha hızlı görünen ve daha hızlı kaybolan parçacıkları ortaya çıkarırdı. Yavaş kamera, molekülü puslu, yapısız bir benek olarak görür. Yalnızca enstantane hızı atomların hareketlerini yakalayacak kadar hızlıysa, bir atomlar topluluğu olarak görünür. Tarih atomik seviyede tekerrür ediyor. Çekirdeğin etrafına dağılmış elektrik yükü, onu elektronlara ayırmak için daha da hızlı bir deney gerektirir. Çekirdekler, kuarklardan oluşan protonlara ve nötronlara ayrışır ve bu böyle devam eder.

Ancak bu giderek daha hızlı hale gelen fotoğraflar, aradığımız ana özelliği göstermiyor: gittikçe daha fazla yer kaplayan bir yapının genişlemesi. Bunun yerine, bir Rus iç içe geçmiş oyuncak bebek gibi bir şey oluşturan daha küçük ve daha küçük parçacıklar gösteriyorlar. Parçacıkların ufukların yakınında nasıl davrandığını açıklamak için bu bize uymuyor.

Sicim teorisi çok daha umut verici. Söylediği şey o kadar mantıksız ki fizikçiler yıllardır bununla ne yapacaklarını bilemiyorlar. Sicim teorisi tarafından tanımlanan temel parçacıklar -muhtemelen küçük sicim halkaları- tıpkı bileşik pervaneler gibidir. Yavaş bir deklanşörle başlayalım. Temel parçacık neredeyse bir nokta gibi görünür; Bir merkez olduğunu varsayalım. Şimdi deklanşörü Planck süresinden biraz daha uzun süre açık kalacak şekilde hızlandıralım. Resim, parçacığın bir sicim olduğunu gösteriyor.

Deklanşörü daha da hızlandıralım. Artık ipin her bölümünün dalgalandığını ve titrediğini görebilirsiniz, bu nedenle yeni resim daha karmaşık ve gergin görünür.

Ama burada durmayalım, işlemi tekrar edelim. İpteki her küçük döngü, her bükülme daha da hızlı dalgalanan döngülere ve sarmallara dönüşür.

Bob ip benzeri bir parçacığın ufka doğru düşüşünü izlediğinde ne görüyor? İlk başta, salınım hareketleri fark edilemeyecek kadar hızlıdır ve tek gördüğü göbek benzeri küçük bir merkezdir. Ama yakında göster? ufka yakın zamanın garip doğası ve ipin hareketleri gittikçe daha yavaş görünmeye başlar. Bob, tıpkı Alice'in bileşik pervanesini gözlemlerken olduğu gibi, giderek daha fazla salınımlı yapı görüyor. Zaman geçtikçe daha hızlı ve daha hızlı salınımlar görünür hale gelir ve sicim kara deliğin ufkunda büyüyor ve yayılıyor gibi görünüyor.

Ama parçacıkla birlikte düşersek ne olur? Sonra zaman normal davranır. Yüksek frekanslı dalgalanmalar, bizim yavaş kameramızın kapasitesinin çok ötesinde, yüksek frekanslarını korurlar. Ufka yakın olmak bize bir avantaj sağlamıyor. Alice'in uçağında olduğu gibi, sadece küçük bir merkez görebiliriz.

Sicim teorisi ve kuantum alan teorisi, enstantane hızı değiştiğinde içlerindeki nesnelerin görünümünün değişmesi gibi ortak bir özelliğe sahiptir. Ancak kuantum alan teorisinde nesneler büyümez. Bunun yerine, gitgide küçülen nesnelere, giderek küçülen Rus matruşka bebeklerine ayrılırlar. Ancak bileşenler Planck uzunluğundan daha küçük hale geldiğinde, tamamen farklı bir şema çalışmaya başlar - Alice'in uçağının şeması.

Russell Hoban'ın alegorik kitabı The Little Mouse and His Father'da* kuantum alan teorisinin nasıl çalıştığına dair eğlenceli (kasıtsız) bir mecaz vardır. Bir gün, kabus gibi maceraları sırasında, oyuncak fareler - baba ve oğul - sonsuz derecede şaşırtıcı bir kutu Bonzo'nun Köpek Maması keşfederler. Kutunun üzerindeki etiket, etikette bir kutu tutan bir köpek olan bir kutu Bonzo Köpek Maması tutan bir köpeği gösteriyordu.

Russell Hoban (1925-2011) Anglo-Amerikan yazar. Romanının orijinal adı Fare ve Çocuğu'dur. 1967'de piyasaya sürüldü ve türün bir klasiği olarak kabul edildi. Bu, saat mekanizmalı iki oyuncak farenin gezintileri ve aynı zamanda felsefi bir benzetme hakkında bir çocuk kitabı. Rusça çevirisi: Hoban Russell. Fare ve babası. - M .: Açık Dünya, 2006. - Not. perse.

Etiketinde "Bonzo'nun köpek maması" yazan... Farelerin hepsi bu zincirin içine baktılar, "görünen son köpeği" bulmaya çalıştılar ama onu görebildiklerinden emin değillerdi.

Nesneler içindeki nesneler, kuantum alan teorisinin özüdür. Ancak Bonzo etiketinden farklı olarak burada nesneler hareket eder ve ne kadar küçük olursa o kadar hızlı olur. Dolayısıyla onları görebilmek için hem daha güçlü bir mikroskoba hem de daha hızlı bir kameraya ihtiyacınız var. Ancak Bonzo Köpek Mamasının ne parçalanmış molekülünün ne de konserve kutusunun, içlerinde daha fazla yapı keşfedildikçe büyümediğini unutmayın.

Sicim teorisi bu konuda farklıdır ve Alice'in uçağı gibi çalışır. Nesneler yavaşladıkça, giderek daha fazla ip "pervanesi" görünür hale gelir. Giderek daha fazla yer kaplarlar, böylece tüm karmaşık yapı boyut olarak büyür. Elbette, Alisyn'in uçağı bir benzetmedir, ancak sicim kuramının birçok matematiksel özelliğini yakalar. Sicimler, herhangi bir nesne gibi kuantum titreşimine tabidir, ancak özel bir şekilde. Alice'in uçağı ya da köpeğin düdüğünün senfonik versiyonu gibi, teller de birçok farklı frekansta titreşir. Bu titreşimlerin çoğu, güçlü parçacık hızlandırıcılarda çok hızlı panjurlar kullanılsa bile tespit edilemeyecek kadar hızlıdır.

1993'te tüm bunlarla boğuşurken, Hawking'in kör noktasını da anlamaya başladım. Kuantum alan teorisinde eğitim almış çoğu fizikçi için, sınırsız titreyen bir yapıya sahip büyüyen parçacıklar fikri tamamen yabancıydı. İronik bir şekilde, böyle bir olasılıktan şüphelenmeye başlayan tek kişi, kuantum alan teorisi alanındaki en büyük uzman, silah arkadaşım Gerard 't Hooft'du. Bunu sicim kuramı diliyle değil de kendi tarzında ifade etse de, çalışmaları aynı zamanda nesnelerin incelendikleri zaman çözünürlüğündeki artışla birlikte boyutlarının da arttığı fikrini yansıtıyor. Aksine, Hawking'in hileleri, Alisyn'in uçağından değil, Bonzo'nun Köpek Mamasından bir etiket içeriyordu. Stephen için nokta parçacıklarıyla birlikte kuantum alan kuramı, mikroskobik fiziğin başlangıcı ve sonuydu.

21

>?

Kara deliklerin hesaplanması

Bir sabah kahvaltıya indiğimde eşim Ann tişörtümü ters giydiğimi söyledi; Sırtımda V yaka vardı. O günün ilerleyen saatlerinde koşudan eve geldiğimde güldü ve "Şimdi alt üst oldu" dedi. Bu beni düşündürdü: Bir tişörtü giymenin kaç yolu var? Ann alaycı bir şekilde, "Bu, siz fizikçilerin sürekli olarak düşündüğünüz o aptalca şeylerden biri," dedi. Sırf zihinsel üstünlüğümü kanıtlamak için hızlıca tişört giymenin 24 yolu olduğunu açıkladım. Başınızı dört delikten herhangi birine sokabilirsiniz. Bu, gövde için üç açıklık bırakır. Baş ve gövdeyi seçilen iki deliğe soktuktan sonra sol el için iki olasılık vardır. Bu seçim yapıldıktan sonra geriye sağ el için tek seçenek kalıyor. Yani 4x3x2 = 12 seçenek var. Ama şimdi tişörtü ters çevirebilirsin, bu sana 12 olasılık daha verir, bu yüzden gururla sorunu çözdüğümü beyan ettim: bir tişört giymenin 24 yolu var. Ann etkilenmemişti. Cevap verdi: "Hayır, 25 tane var. Yalnız sen unuttun." Şaşkınlıkla "Neyi kaçırıyorum?" diye sordum. Bana kibir dolu bir bakış atarak cevap verdi: "Bunu buruşturup atabilirsin ..." Pekala, fikri anladınız12.

Fizikçiler (ve hatta daha fazla matematikçi) şeyleri, özellikle olasılıkları saymada çok iyidirler. Onları saymak, entropiyi anlamanın anahtarıdır, ancak kara delikler söz konusu olduğunda, tam olarak neyi sayıyoruz? Kesinlikle bir kara deliğin tişört giyebileceği kadar çok değil.

Kara deliklerin olasılıklarını saymak neden bu kadar önemli? Ne de olsa Hawking, bu entropiyi hesapladığında cevabı zaten almıştı.

Planck birimlerinde ufuk alanına eşittir. Bununla birlikte, kara deliklerin entropisi sorunu, muazzam miktarda yanlış anlama ile çevrilidir. Nedenini hatırlatayım.

Stephen, kara delikleri dahil ettiğinizde gizli bilgi -tüm detayları bilseniz elde edebileceğiniz bilgi- olarak entropi fikrinin kırılması gerektiğini savundu. Ve bu görüşte yalnız değildi. Hemen hemen tüm kara delik uzmanları aynı sonuca varmışlardır: kara deliklerin entropisi, kuantum durumlarını saymakla hiçbir ilgisi olmayan başka bir şeydir.

Hawking ve diğer rölativistler neden bu kadar radikal bir görüşe geldiler? Sorun, Stephen'ın herhangi bir bilgi dışarı sızmadan bir kara deliğe - sonsuz sayıda palyaçoyu bir karavana doldurmak gibi - atıp atmanın mümkün olduğuna dair ikna edici argümanıydı. Eğer entropi genel bir anlama sahipse (bir kara delikte gizlenebilecek toplam bit sayısı), o zaman gizlenebilecek bilgi miktarı sınırlandırılmalıdır. Ancak bir kara delikte sonsuz sayıda bit kaybolabiliyorsa, o zaman bir kara deliğin entropisinin hesaplanmasının gizli olasılıkları sayarak yapılamayacağı sonucu çıkar ve bu, temellerin devrim niteliğinde bir revizyonuna ihtiyaç olduğu anlamına gelir . fiziğin en eski ve en güvenilir dallarından biri olan termodinamik. Bu nedenle, bir kara deliğin entropisinin gerçekten kara deliğin olası konfigürasyonlarının sayısı olarak sayılıp sayılmadığını bilmek acil bir ihtiyaçtır.

Bu bölümde, sicim teorisyenlerinin bu hesaplamaya nasıl yaklaştıklarından ve bu sırada Bekenstein-Hawking entropisi için sağlam bir kuantum mekaniksel mantığa -bilgi kaybına yer bırakmayan bir mantığa- nasıl ulaştıklarından bahsedeceğim. Bu, Steven'ın bir kara deliğin yutabileceği sonsuz miktarda bilgi olduğu iddiasını çürütmemize yol açan büyük bir başarıydı.

Ama önce Gerard 't Hooft'un orijinal bakış açısını açıklayayım.

Hooft'un önsezisi

Pek çok farklı temel parçacık var ve bence fizikçilerin bazılarının diğerlerinden nasıl farklı olduğunu tam olarak anlamadıklarını söylemek doğru olur. Ancak derin sorular sormadan bile, varlığı deneysel olarak zaten doğrulanmış veya teorik değerlendirmelerle tahmin edilmiş olan tüm parçacıkların ampirik bir incelemesini yapabiliriz. Hepsini göstermenin bir yolu, onları eksen üzerinde çizmek ve bir tür temel parçacıklar spektrumu yaratmaktır. Kütleyi yatay eksen boyunca çizeceğiz (ölçeklendirmeden), en hafif nesneleri sola yerleştireceğiz ve kütle sağa doğru artacaktır. Dikey çubuklar tek tek parçacıkları işaretler.

Grand Planck Birleşme Kütlesi

ve graviton mon PPTGі ІPTІПІПІSHPSh

süper ortaklar azgın

Teller

Alt (sol) kenarda, varlığından şüphe duymadığımız, bize tanıdık gelen tüm parçacıklar var. İkisinin kütlesi yok ve ışık hızında hareket ediyorlar - bir foton ve bir graviton. Sonra çeşitli nötrino türleri, elektron, bazı kuarklar, mu lepton, daha fazla kuark, W bozonu, Z bozonu, Higgs bozonu ve tau lepton gelir. İsimler ve detaylar gerçekten önemli değil.

Biraz daha yüksek kütlelerde, yalnızca var olduğu varsayılan, ancak çoğu fizikçi (ben dahil) onların var olduğunu düşünen bütün bir parçacık koleksiyonu vardır. Burada bizi ilgilendirmeyen nedenlerle, bu varsayımsal parçacıklara süpereşler denir. Süper eşlerin ötesinde, soru işaretleriyle işaretlediğim geniş bir aralık var. Orada hiçbir şey olmadığını bildiğimizi söyleyemeyiz; Bu bölgede parçacıkların varlığını varsaymak için fazla bir nedenimiz yok. Ayrıca, yerleşiklerin hiçbiri

Bunu önümüzdeki yıllarda Avrupa LHC (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı) hızlandırıcı tam olarak faaliyete geçtiğinde öğreneceğiz. Bunlar ve hatta dikkate alınan hızlandırıcılar, bu kadar büyük bir kütleye sahip parçacıklar oluşturmak için yeterli güce sahip değildir. Yani bu aralık gizlidir.

Sonra, süpereşlerinkinden çok daha büyük kütlelerle, Büyük Birleşimin zerreleri gelir. Ayrıca varsayımsaldırlar, ancak varlıklarına inanmak için çok iyi nedenler vardır - bence, süper eşlerin durumundan bile daha ciddi - ancak keşifleri en iyi ihtimalle dolaylı olacaktır.

Diyagramımdaki en belirsiz parçacıklar uyarılmış sicimlerdir. Sicim teorisine göre bunlar, sıradan parçacıkların çok ağır dönen ve titreşen uyarılmış halleridir . Sonra en tepeye Planck kütlesini koyuyoruz . 1990'ların başına kadar çoğu fizikçi, Planck kütlesinin parçacık kütle spektrumunu tamamlamasını bekliyordu. Ancak Gerard 't Hooft'un farklı bir bakış açısı vardı. Kesinlikle daha büyük kütleye sahip nesneler olması gerektiğini savundu. Planck kütlesi, bir elektron ve kuarkların kütleleri ölçeğinde çok büyük görünür, ancak bir toz tanesinin kütlesi ile karşılaştırılabilir. Açıkçası, bowling topu, buharlı lokomotif veya Noel pastası gibi daha ağır şeyler var. Ancak bu kadar ağır nesneler arasında, belirli bir kütle için en küçük boyutlara sahip olanlar öne çıkıyor.

Sıradan bir tuğla alalım. Yaklaşık bir kilogram ağırlığındadır. "tuğla sert" diyoruz. Ancak bize sağlam görünen tuğlalar neredeyse tamamen boş alan. Onlara yeterince baskı uygulayın ve çok daha küçük bir boyuta sıkıştırılabilirler. Basınç gerçekten yüksekse, tuğla bir toplu iğne başı veya hatta bir virüs boyutuna küçülebilir. Ve o zaman bile çoğunlukla boş alan olacak.

Ama bir sınır var. Mevcut teknolojinin sınırlamaları nedeniyle pratik bir sınırdan bahsetmiyorum. Doğa kanunlarından ve temel fizik prensiplerinden bahsediyorum Kütlesi bir kilogram olan bir cismin kaplayabileceği en küçük alanın çapı nedir? Planck boyutu hemen akla gelir, ancak bu yanlış cevaptır. Bir nesne, bir kilogram * kütleye sahip bir delik haline gelene kadar sıkıştırılabilir, ancak daha fazla olamaz - bu, belirli bir kütlenin en kompakt nesnesidir.

Bir kilogramlık bir kara deliğin boyutu nedir? Cevap muhtemelen beklediğinizden daha az olacaktır. Böyle bir kara deliğin Schwarzschild yarıçapı (ufuk yarıçapı) yaklaşık bir milyon Planck uzunluğudur. Çok gibi görünebilir, ancak gerçekte tek bir protondan trilyon kat daha küçüktür. Böyle bir kara delik, temel bir parçacık kadar küçük olabilir, öyleyse neden onu böyle tanımayalım?

Hooft tam da bunu yapmadı. Ya da en azından, böyle bir nesnenin temel bir parçacıktan temelde farklı olacağı hiçbir önemli tezahür olmadığını söyledi.

Temel parçacıkların spektrumu Planck kütlesinde sona ermez. Kara delikler şeklinde sonsuz büyük kütlelere devam ediyor.

't Hooft ayrıca kara deliklerin keyfi bir kütleye sahip olamayacağını savundu: sıradan parçacıklar gibi, onlar için yalnızca belirli bir ayrık kütle seti mevcuttur. Ancak Planck kütlesinden daha büyük kütleler için o kadar yoğun dağılırlar ki tamamen birleşirler**.

Büyük Kalas Siyah

sendika kütle deliği

siyah ??????

Teller

Burada teknik bir incelik var. Bir tuğlayı veya başka bir nesneyi sıkıştırmak enerjisini artırır ve E \u003d mc2 , kütlesi de artar. Ancak bu artış farklı şekillerde telafi edilebilir. Görevimiz, mümkün olan en küçük bir kilogramlık nesneyi elde etmektir.

"Neden bu kadar dar? Bu entropidir. Artan kütle ile ufkun alanı artar; dolayısıyla kara deliğin entropisi de artar. Ama unutma: entropi gizli bilgi demektir. Bir kara deliğin kütlesinin bir kilogram olduğunu söylediğimizde, aslında yaklaşık bir kilogramı kastediyoruz. Kütlenin bir kilogram olduğunu bir miktar hata ile söylemek daha doğru olur. Bu hata içinde kütleleri olan birçok olası kara delik varsa, o zaman pek çok bilgi açıklamamızın kapsamı dışında kalır. Bu

Sıradan parçacıklardan (veya uyarılmış sicimlerden) kara deliklere geçiş, resimde gösterdiğim kadar ani değil. Büyük olasılıkla, uyarılmış sicimlerin spektrumu, Planck kütlesinin yakınında belirgin bir sınır olmadan karadeliklerin spektrumuna geçer. Bu Hooft'un önerisi değildi ve göreceğimiz gibi buna inanmak için iyi nedenler var.

İpleri ve kara delikleri saymak

Alisyn'in uçağı, görünüşün izleyiciye ne kadar bağlı olduğunun bir metaforu. Kokpitte oturan Alice, ufukta şaşırtıcı bir şey görmemektedir. Ancak kara deliğin dışından bakıldığında, uçağın giderek tüm ufku kaplayan pervaneleri giderek artıyor gibi görünüyor. Alisyn'in uçağı ayrıca sicim teorisinin nasıl çalıştığına dair bir metafor görevi görüyor. İp ufka doğru alçalırken, dışarıdan bir gözlemci giderek daha fazla sicim parçasının somutlaştığını ve yavaş yavaş ufku doldurduğunu görecektir.

Kara deliklerde entropinin varlığı, ılık su banyosundaki moleküller gibi gizli bir mikroskobik yapıya sahip olduklarını düşündürür. Ancak entropinin varlığı, "ufuk atomlarının" doğası hakkında herhangi bir ipucu vermez, ancak sayıları kabaca tahmin edilebilir.

Alice'in dünyasında ufuk atomları pervanedir. Belki gerçekten de pervanelere dayanan bir kuantum yerçekimi teorisi vardır, ancak bu rolün en azından bugün sicim teorisi için daha uygun olduğunu düşünüyorum.

Sicimlerin entropiye sahip olduğu fikri bizi sicim teorisinin ilk günlerine götürür. Ayrıntılar oldukça matematikseldir, ancak genel fikri kavramak kolaydır. Belirli bir enerjinin temel parçacığını temsil eden en basit dize ile başlayalım. Kesinlik için, bir foton olsun. Bir fotonun varlığı (veya yokluğu) bir bitlik bilgidir.

eksik bilgi, kara deliğin entropisidir. Bir kara deliğin entropisinin kütle ile arttığını bilen Hooft, kara deliklerin kütle spektrumunun çok yoğun ve yayılmış olması gerektiği sonucuna vardı.

Şimdi fotonla bir şeyler yapalım, onun gerçekten çok küçük bir sicim olduğunu farz edelim: sallayın veya başka bir sicim ile vurun ya da sadece kızgın bir tavaya koyun*. Küçük bir lastik halka gibi titreyecek, dönecek ve esneyecektir. Yeterli enerji eklenirse, kedinin oynadığı bir yün yumağı olan büyük bir karışık karmaşa elde edersiniz. Kuantum değil, termal titreme.

Bu yün yumağı kısa sürede ayrıntılı olarak tanımlanamayacak kadar karmaşık hale gelir, ancak yine de onun hakkında genel bilgiler elde edilebilir. İpin toplam uzunluğu yüzlerce metre olabilir. Karışık bir karmaşa, birkaç metre çapında bir top oluşturabilir. Bu tür bir açıklama, başka ayrıntı olmasa bile yardımcı olacaktır. Eksik ayrıntılar - ve bir ip yumağına entropi veren gizli bilgiler var.

Enerji ve entropi ısıyı andırır. Aslında, temel parçacıkları çok güçlü bir şekilde uyaran birbirine dolanmış sicim toplarının bir sıcaklığı vardır. Bu aynı zamanda sicim teorisinin ilk günlerinden beri bilinmektedir. Bu birbirine dolanmış uyarılmış sicimler pek çok yönden kara deliklere benzer. 1993'te ciddi ciddi düşündüm: Ya kara delikler rastgele birbirine dolanmış büyük ip toplarından başka bir şey değilse? Fikir heyecan verici görünüyordu, ancak ayrıntıların tamamen yanlış olduğu ortaya çıktı.

Örneğin, bir sicimin kütlesi (veya enerjisi) uzunluğuyla orantılıdır. 1 metre iplik 1 gram ise 100 metre 100 gram, 1000 metre de 1000 gramdır.

Kara delik

ip topu

Ve sıcaklığı 10 m Kelvin'e yükseltin.

Ancak bir sicimin entropisi de uzunluğuyla orantılıdır. Tüm kıvrımları ve dönüşleriyle bir ip boyunca hareket ettiğinizi hayal edin. Her biri birkaç bilgi parçası. Bir dizinin basitleştirilmiş gösterimi, onu bir dizi sert kafes bağlantısı olarak temsil eder. Her bağlantı yatay veya dikeydir.

Bir linkle başlayalım; yukarı, aşağı, sola veya sağa yönlendirilebilir. Sadece dört olasılık var. Bu, iki bitlik bilgiye eşdeğerdir. Şimdi bir link daha ekleyelim. Aynı yönde devam edebilir, dik açıyla (sola veya sağa) dönebilir veya U dönüşü yapabilir. Bu iki vuruş daha. Sonraki her bağlantı birkaç bit ekler. Bu, gizli bilginin dizinin toplam uzunluğu ile orantılı olduğu anlamına gelir.

Karışık bir sicimin hem kütlesi hem de entropisi uzunluğuyla orantılıysa, entropisinin kütlesiyle orantılı olduğunu anlamak için fazla matematik gerekmez:

Entropi-Kütle.

(Matematikte orantılılık yaklaşık işareti "-" ile gösterilir.)

Sıradan bir kara deliğin entropisinin de kütle ile arttığını biliyoruz. Ancak entropi-kütle ilişkisinin kara delikler için geçerli olmadığı ortaya çıktı . Nedenini anlamak için orantı zincirini takip etmeniz yeterli: entropi ufkun alanıyla orantılıdır; alan, Schwarzschild yarıçapının karesiyle orantılıdır; Schwarzschild yarıçapı kütle ile orantılıdır. Hepsini bir araya getirin ve entropinin kütle ile değil, kara deliğin kütlesinin karesiyle orantılı olduğunu göreceksiniz :

Entropi-Kütle 2 .

Sicim teorisi doğruysa, o zaman her şey sicimlerden yapılmıştır. Her şey, her şey demektir ve kara delikleri de içermelidir. 1993 yazında bu beni derinden hayal kırıklığına uğrattı ve üzdü.

Aslında sadece aptaldım. Bariz bir şeyi kaçırıyordum , ancak Eylül ayında New Jersey'e bir aylığına gittiğimde bunu fark etmemiştim. Teorik fiziğin en önemli iki merkezi olan Rutgers Üniversitesi ve Princeton Üniversitesi, New Jersey'de yaklaşık yirmi kilometre uzaklıkta bulunuyor. Her birinde bir ders verecektim ve her ikisinin de başlığı "Sicim Teorisi Kara Deliklerin Entropisini Nasıl Açıklayabilir?" Başlangıçta bu konuda hemfikir olduğumda, derslerden çok önce burada neyin yanlış olduğunu çözebileceğimi umarak bir risk aldım.

Fizikçiler arasında böyle tekrarlayan bir kabus gören tek ben miyim bilmiyorum. Kırk beş yılı aşkın bir süre önce profesyonel kariyerimin başlangıcından beri çeşitli biçimlerde yaşadım. Rüyamda bazı yeni araştırmalar üzerine önemli bir ders vermem gerekiyor, ama ders yaklaştıkça söyleyecek hiçbir şeyim olmadığını görüyorum. Hiç notum yok ve bazen konuyu bile hatırlayamıyorum. Gerginlik ve panik oluşur. Hatta bazen kendimi seyircilerin karşısında iç çamaşırlarımla ya da daha kötüsü onsuz görüyorum.

Ama şimdi bu bir rüya değildi. İki dersten ilki Rutgers'ta yapılacaktı. Son teslim tarihi yaklaştıkça, durumu kurtarmak için giderek daha fazla gerildim ama başarılı olamadım. Sonra, sadece üç gün kaldığında, aniden kendi aptallığımı fark ettim. Ne de olsa, yerçekimini değerlendirme kapsamı dışında bıraktım.

Yerçekimi, nesneleri birbirine çeken ve onları daha da yakınlaştıran bir çekim olarak kendini gösterir. Büyük bir taş alın - örneğin Dünya. Yerçekimi olmadan, herhangi bir taş gibi moleküler uyum ile bozulmadan kalabilir. Ancak yerçekimi, Dünya'nın bazı kısımlarını çekerek, çekirdeği sıkıştırarak ve onu daha küçük bir boyuta küçülterek güçlü ve yeni bir etki sunar. Çekim kuvvetinin başka bir etkisi daha vardır: Dünyanın kütlesini değiştirir. Yerçekimi ile ilişkili negatif potansiyel enerji, gezegenin kütlesini biraz azaltır. Gerçek kütlesi, parçaların toplamından biraz daha azdır.

Burada durup sezgilere aykırı bir gerçeği açıklamalıyım. Bir an için zavallı Sisifos'u düşünelim, taşını nasıl her zaman tepenin zirvesine doğru iter, sonra nasıl aşağı yuvarlandığını görürüz. Sisifos enerjinin korunumu döngüsü:

kimyasal -> potansiyel -> kinetik -> termal.

Şimdilik kimyasal enerjiyi (Sisifos'un yediği balı) unutalım ve tepenin tepesindeki taşın potansiyel enerjisiyle döngüyü başlatalım. Niagara Şelalesi'nin önündeki su da potansiyel enerjiye sahiptir. Ve her iki durumda da kütle daha alçak bir yüksekliğe düştüğünde potansiyel enerji azalır. Sonuç olarak, ısıya dönüşür, ancak bu ısının uzaya yayıldığını hayal edin. Sonuç, kaya ve suyun yükseklikle birlikte potansiyel enerjisini kaybetmesidir.

Aynı şey, Dünya'yı oluşturan maddeye (kütleçekimi ile) Dünya'nın merkezine daha yakın bir yere bastırıldığında da olur: potansiyel enerjisini kaybeder. Kayıp potansiyel enerji, sonunda uzaya yayılan ısı şeklinde salınır Sonuç: Dünya bir enerji kaybı ve dolayısıyla bir kütle kaybı yaşadı.

Bu yüzden, uzun ve birbirine dolanmış bir sicimin kütlesinin de yerçekimi etkisi altında azalabileceğinden ve yerçekimi etkileri doğru bir şekilde hesaba katılırsa uzunlukla orantılı olmayacağından şüphelenmeye başladım. İşte hayal ettiğim bir düşünce deneyi. Yerçekimi kuvvetini sorunsuz bir şekilde artırabileceğiniz ve azaltabileceğiniz bir tutamaç olduğunu varsayalım. Düğmeyi aşağı çevirin ve Dünya hafifçe genişleyerek onu biraz daha ağır hale getirecektir. Kolu diğer yöne çevirin ve Dünya küçülecek ve bu süreçte biraz daha hafif hale gelecektir. Daha da fazla dönün ve yerçekimi daha da güçlenir. Sonunda o kadar güçlü hale gelecek ki Dünya çökecek ve bir kara delik haline gelecek. Ama en önemlisi, kara deliğin kütlesi, Dünya'nın ilk kütlesinden çok daha az olacak.

Hayal ettiğim dev ip yumağına da aynı şey olacaktı. İp topları ile kara delikler arasındaki bağlantıyı düşünürken güç düğmesini çevirmeyi unuttum.

372

yer çekimi. Yani bir gece yapacak hiçbir şeyim olmadığı halde -hatırlayın, burası New Jersey'in merkezindeydi- kendimi yerçekimi düğmesini çevirirken hayal ettim. Hayalimde, sıkıştırılmış bir küre şeklinde büzülen bir ip yumağı gördüm. Ama daha da önemlisi, yeni küçük ip topunun da orijinalinden çok daha az kütleye sahip olacağını fark ettim.

Bir şey daha var. Bir ip topunun boyutu ve kütlesi değişirse entropi değişir mi? Neyse ki entropi, krankı yavaşça çevirdiğinizde değişmeyen şeydir . Bu belki de entropi hakkındaki en temel gerçektir: Bir sistemi yavaşça değiştirirseniz, enerjisi değişebilir (ve genellikle değişir), ancak entropi aynı kalır. Hem klasik hem de kuantum mekaniğinin bu temeline adyabatik teorem denir .

Dünyayı büyük, karışık bir iple değiştirerek düşünce deneyimizi tekrarlayalım. Kolu sıfıra ayarlayarak başlayalım.

Yer çekimi

Yerçekimi olmadan bir sicim kara deliğe benzemez, ancak entropisi ve kütlesi vardır. Şimdi yerçekimi düğmesini yavaşça çevirin. İpin parçaları birbirini çekmeye başlar ve ipin yumağı sıkışır.

İp bir kara delik oluşturacak kadar sıkı hale gelene kadar krankı döndürmeye devam edin.

yer çekimi

Kütle ve boyut küçüldü, ancak - ve bu önemli bir nokta - entropi değişmeden kaldı. Düğmeyi tekrar sıfıra çevirirseniz ne olur? Kara delik şişmeye başlayacak ve sonunda büyük bir ip yumağına dönüşecek. Kolu yavaşça ileri geri çevirirseniz, nesne dönüşümlü olarak büyük, gevşek bir karışık ip yumağına, ardından sıkıca sıkıştırılmış bir kara deliğe dönüşecektir. Ancak krankı yavaşça çevirdiğimiz sürece entropi aynı kalır.

Bir anlık kavrayışla, bir kara deliği bir ip yumağı olarak temsil etmenin sorununun entropinin yanlış davranması olmadığını fark ettim. Bu kütlenin yer çekiminin etkilerine göre ayarlanması gerekiyordu. Sadece bir kağıt parçasıyla yaptığım hesaplamaları yaptığımda; her şey yerine oturdu. İp yumağı küçülüp bir kara deliğe dönüşürken, kütlesi de doğru şekilde değişir. Ve sonuç olarak, entropi ve kütle doğru orandadır: Entropi ~ Kütle 2 .

Ama hesaplarım cesaret kırıcı bir şekilde eksikti. Bir hatırlatma olarak, küçük dalgalı tilde işareti (~) "eşittir" değil, "orantılı" anlamına gelir. Entropi tam olarak kütlenin karesine eşit midir? Yoksa iki katı mı büyük?

Kara deliğin ufkunun beliren resmi, yerçekimi tarafından ufukta yassılaştırılmış karışık bir ipti. Ama Feynman ve benim 1972'de West End Cafe'de hayal ettiğimiz aynı kuantum dalgalanmaları, ipin bazı kısımlarının biraz dışarı çıkmasına neden oluyor ve bu parçalar ufkun gizemli atomları olabilir. Kabaca söylemek gerekirse, kara deliğin dışındaki biri, her birinin iki ucu ufka sıkıca tutturulmuş ip parçalarını fark edebilir. Sicim teorisi dilinde, ufuk atomları bir tür zara bağlı açık sicimlerdir (uçları olan sicimler). Aslında bu parçalar ufuktan da çıkabilirdi; ve bu, karadeliklerin nasıl yayıldığını ve buharlaştığını açıklar.

Anlaşılan; John Wheeler'ın yanıldığını: kara delikler saçla kaplıdır . Kabus bitti; ve ders vermeye hazırdım.

Dizeler kesiştiğinde

Temel diziler birbirinden geçebilir. Aşağıdaki şekil böyle bir örneği göstermektedir. Kapalı bir ip düşünün; senden uzaklaşmak; ve başka; daha uzak, sana doğru ilerliyor. Belli bir noktada kesişecekler ve bir genişleticiden gelen sıradan örgüler olsalardı, birbirlerini yakalayacaklardı.

arkadaş.

Ama sicim kuramının matematiksel kuralları bunların birbirlerinin içinden geçmesine izin verir ve sonuç bu resimdir.

Bunu genişleticiden gelen gerçek bantlarla yapmak için, bunlardan birini kesmeniz ve ardından toplantıdan sonra yeniden bağlanmanız gerekir.

Ancak ipler birbirine değdiğinde başka bir şey olabilir. Birbirlerinden geçmek yerine kendilerini yeniden düzenleyebilirler ve sonra bunun gibi bir şey elde edersiniz.

Bunu genişletici paketlerle yapmak için ikisini de kesmeniz ve ardından yeni bir şekilde bağlamanız gerekir.

Dizeler kesiştiğinde iki sonuçtan hangisi elde edilir? Cevap bazen biri, bazen diğeri olacaktır. Temel sicimler kuantum nesneleridir ve kuantum mekaniğinde kesin olan hiçbir şey yoktur - tüm seçenekler mümkündür, ancak belirli olasılıklarla. Örneğin, diziler zamanın %90'ında birbirlerinden geçebilirler. Ve vakaların geri kalan %10'unda yeniden inşa edilirler. Yeniden düzenleme olasılığı, dizi etkileşim sabiti olarak adlandırılır.

Bunu bilerek, bir kara deliğin ufkunun üzerinde yükselen kısa bir ip parçasına daha yakından bakalım. Bu kısa parça bükülmüş ve kendi kendine kesişmek üzere.

Vakaların %90'ında kendi içinden geçer ve başına başka bir şey gelmez.

Ancak zamanın %10'unda yeniden organize oluyor ve ardından yeni bir şey oluyor: küçük bir halka ipten ayrılıyor.

Kapalı bir ipin bu küçük parçası bir parçacıktır. Bir foton, bir graviton veya başka herhangi bir parçacık olabilir. Kara deliğin dışında olduğu için kaçma şansı vardır ve kaçtığı zaman da kara delik bir miktar enerji kaybeder. Sicim teorisi, Hawking radyasyonunu böyle açıklıyor.

New Jersey'e geri dön

New Jersey fizikçileri çok uygulamalı bir gruptu. Princeton'daki Institute for Advanced Study'nin entelektüel lideri Edward Witten, yalnızca büyük bir fizikçi değil, aynı zamanda dünyanın önde gelen matematikçilerinden biridir. Birisi, elbette, kısa diyecek

377

dersler ve boş kurgular onun güçlü noktası değil (her ne kadar onun kuru bilgeliğini ve en geniş merakını çok hoş bulsam da), ama onun entelektüel titizliğinin takdire şayan olduğu konusunda herkes hemfikir olacaktır. Matematiksel titizliği kastetmiyorum , daha çok argümanların netliği, dikkati ve mükemmel düşünceliliğini kastediyorum. Witten ile fizik hakkında konuşmak bazen çok zor ama her zaman ödüllendirici.

Rutgers'ta da entelektüel söylem alışılmadık derecede yüksek kalitedeydi. Orada altı çok başarılı teorik fizikçi vardı ve hepsine özellikle sicim teorisyenleri tarafından ama aynı zamanda daha geniş bir fizikçi çevresi tarafından hayranlık duyuluyordu. Hepsi arkadaşımdı ama üçü özellikle yakındı. Tom Banks, Steve Schenker ve Nathan "Naty" Seiberg'i çok genç fizikçi olduklarından beri tanıyorum ve arkadaşlıklarından keyif aldım. Altı Rutgert fizikçisinin tümü müthiş bir zekaya sahipti. Her iki üniversite de yarım yamalak fikirlerle paçayı kurtaramayacağınız yerler olmakla ünlüydü.

Artık kendi argümanlarımın tamamlanmaktan çok uzak olduğunu biliyorum. Kara deliklerin tamamlayıcılığı, Alisyn'in uçağı, kara deliklere dönüşen ipler ve geri dönüş, bazı kaba tahminlerle birlikte, resmim az çok tutarlı görünüyordu. Ancak 1993'te bu fikirleri titiz bir matematiğe dönüştürecek hiçbir araç yoktu. Yine de, savunduğum fikirler New Jersey'deki fizikçiler arasında yankı uyandırdı. Özellikle Witten, yanıtında, bir kara deliğin ufkunun bir ipin parçalarından oluştuğu varsayımını aşağı yukarı doğrudan kabul etti. Hatta sicimlerin buharlaşması sorununu karadeliklerin buharlaşmasına benzeterek çözdü. Schenker, Seiberg, Banks ve meslektaşları Michael Douglas, bu fikirleri daha doğru hale getirmek için çok yararlı önerilerde bulundular.

Bir de New Jersey'de çok iyi tanımadığım bir sicim teorisyeni vardı. Harvard'da genç bir profesör olan Qumrun Vafa, Princeton'da fizik okumak için İran'dan ABD'ye geldi. 1993'te, dünyadaki en yaratıcı ve matematiksel olarak zeki fizikçilerden biri olarak kabul edildi. Esas olarak bir sicim teorisyeni olarak, aynı zamanda yoğun bir şekilde siyahla çalıştı.

Ben bir kara deliğin entropisinin ufkun tel gibi yapısından nasıl akabileceğini açıklarken o da tesadüfen Rutgers oditoryumundaydı. Bundan sonra aramızda geçen konuşma belirleyici bir öneme sahipti. *

Aşırı kara delikler

Dersim sırasında, bir kara deliğe bir elektron bırakırsanız, bunun elektrikle yükleneceği zaten biliniyordu. Yük hızla ufka yayılır ve ufku biraz sıkıştıran bir itmeye neden olur.

Bununla birlikte, bir elektronda durmak için hiçbir sebep yoktur. Ufuk, keyfi olarak güçlü bir şekilde ücretlendirilebilir. Ve ne kadar çok yüklenirse, tekilliğe o kadar yaklaşır.

Qumrun Wafa, yerçekimi çekimi ile elektriksel itme arasında sıkı bir denge sağlayan özel bir yüklü kara delik türü olduğuna dikkat çekti. Bu tür kara deliklere aşırı denir . Wafa'ya göre aşırı kara delikler fikirlerimi test etmek için ideal laboratuvarlar olmalı. Belirsiz orantı işaretinin (~) kesin bir eşittir işaretiyle (=) değiştirilmesine izin verecek daha kesin hesaplamaların anahtarı olabileceklerini savundu.

Şimdi yüklü kara deliklere daha yakından bakalım. Elektrik yükü demetleri genellikle kararsızdır çünkü elektronlar birbirini iter (yasayı unutmayın: benzer yükler birbirini iter, zıt yükler çeker). Bir elektrik yükü bulutu oluşsa bile, genellikle elektrik itme kuvveti tarafından hemen parçalanır. Ancak, yük demeti yeterince büyükse, yerçekimi elektriksel itmeyi telafi edebilir. Evrendeki tüm nesneler yerçekimsel olarak birbirini çektiğinden, yerçekimi ile elektriksel itme arasında bir rekabet olacaktır - yerçekimi yükleri çeker ve elektriksel etkileşim iter. Yüklü bir kara delik, halat çekme oyununa benzer.

Yük demeti çok büyükse ancak yalnızca küçük bir elektrik yükü varsa, bu rekabeti yerçekimi kazanır ve demet küçülür. Kütlesi küçükse ancak çok büyük bir elektrik yükü varsa, elektriksel itme devreye girecek ve demet genişleyecektir. Yük ve kütlenin kesin olarak tanımlanmış bir ilişkiye sahip olduğu bir denge noktası vardır. Bu noktada elektriksel itme ve yerçekimi birbirini yok eder ve çekişme berabere biter. Aşırı kara delik budur.

Şimdi, biri yerçekimi ve diğeri elektriksel kuvvetler için olmak üzere iki tutamacınız olduğunu hayal edin. İlk olarak, her ikisi de etkindir. Yerçekimi ve elektrik kuvvetleri tam olarak dengelendiğinde, aşırı bir kara deliğe sahipsiniz. Elektrik kuvvetlerini azaltmadan yerçekimini zayıflatırsak, ikincisi çekişmede galip gelmeye başlayacaktır. Ancak her iki gücü de kesin olarak tanımlanmış bir oranda zayıflatmaya başlarsak, denge korunacaktır. Her iki taraf da zayıflayacak, ancak hiçbiri üstünlük elde edemeyecek.

Son olarak, her iki düğme de sıfıra döndürülürse, yerçekimi ve elektrik kuvvetleri ortadan kalkacaktır. Ne kalacak? Parçaları arasında etki eden herhangi bir kuvvet olmayan bir sicim. Bu süreç boyunca entropi değişmez. Ancak kilit nokta, kütlenin de değişmemesidir. Karşılıklı olarak birbirini dengeleyen elektrik ve yerçekimi kuvvetleri "iş yapmaz" ki bu, fizikçilerin dilinde enerjinin başlangıçtakiyle tam olarak aynı kalması anlamına gelir.

bilirsek , yerçekimi ve elektrik kuvvetleri için kontrol düğmelerinin nasıl açılıp kapandığını büyük bir hassasiyetle inceleyebileceğimizi düşündü . O zamanlar nasıl belirleyeceğimi bilmediğim katsayıların kesin değerlerini teori kullanarak hesaplamanın mümkün olması gerektiğini söyledi. Metaforları karıştırmak, bu katsayıları doğru bir şekilde hesaplamak, sicim teorisyenleri için Kutsal Kâse ve fikrimi tamamlamanın bir yolu haline geldi. Ancak hiç kimse, sicim kuramının öne sürdüğü bileşenlerden doğru tipte yüklü kara deliğin nasıl bir araya getirileceğini bilmiyordu.

Sicim teorisi, tüm yapıları oluşturmak için birbirine uyabilen birçok farklı parçaya sahip çok karmaşık bir Tinkertoy* seti gibidir. Biraz sonra bu matematiksel "tekerlekler ve dişliler" hakkında biraz daha konuşacağım, ancak 1993'te aşırı bir kara delik oluşturmak için gereken bazı önemli ayrıntılar henüz keşfedilmemişti.

Hintli fizikçi Ashok Sen, aşırı bir kara delik oluşturmaya ve kara delik entropisinin sicim teorisini test etmeye çalışan ilk kişiydi. 1994'te buna çok yaklaştı ama yine de hikayeyi tamamlamaya yetmedi. Teorik fizikçiler arasında Sen'e çok değer verilir. Derin düşünür ve teknik sihirbaz olarak bir üne sahiptir. Bazen anlaşılmasını zorlaştıran son derece güçlü melodik Bengalce aksanıyla utangaç, kırılgan bir adam. Bununla birlikte, dersleri netliği ile ünlüdür. Kesin pedagojik bir tavırla, her yeni konsepti tahtaya yazıyor. Fikirler, söylenen her şeyi kristal berraklığında hale getiren değişmeyen bir sırayla ortaya çıkar. Bilimsel makaleleri de bu mükemmel netliğe sahiptir.

Sen'in kara deliklerle ilgilendiğini bile bilmiyordum. Ama Cambridge gezisinden Amerika Birleşik Devletleri'ne döndükten kısa bir süre sonra biri -sanırım Amanda Peet'ti- okumam için makalesini bana verdi. Uzun ve teknikti, ancak son birkaç paragrafta Ashok, yeni bir aşırı kara delik sınıfının entropisini hesaplamak için sicim teorisinin fikirlerini -Rutgers'ta anlattığım fikirleri- uyguladı.

Sen'in kara deliği, 1993'te bildiğimiz parçalardan yapıldı - temel sicimler ve altı katlanmış uzay boyutu. Sen'in yaptığı, kendi ilk fikirlerimin basit ama çok net bir gelişimiydi. Ana yeniliği, yalnızca çok güçlü bir şekilde uyarılmış değil, aynı zamanda tekrar tekrar bir dizi ile başlamaktı.

Tinkertoy, 1914 yılında icat edilen, ana unsurları çevre ve eksen boyunca her 45°'lik deliklere sahip ahşap çubuklar ve bağlantı diskleri olan bir çocuk yapı setidir . — Not. çeviri

daraltılmış boyutlardan birini çevreleyen. Basitleştirilmiş silindirik bir dünyada - Lineland'ın genişletilmiş bir versiyonu - ipin sargıları, bir plastik boru parçasının etrafına sarılmış bir lastik bant gibi görünür.

Bu tür sicimler sıradan parçacıklardan daha ağırdır, çünkü onları silindir etrafında germek için enerji gerekir. Tipik sicim teorisinde, bir sicim bobininin kütlesi, Planck kütlesinin yüzde birkaçı kadar olabilir.

Sen daha sonra basit bir ip aldı ve silindirin etrafına iki kez sardı.

sarmal sayısının 2 olduğunu ve tek dönüşlü bir sicimden bile daha ağır olduğunu söyleyecektir . Peki ya ip kıvrılmış boyutun etrafına bir veya iki kez değil, milyarlarca kez sarılırsa?

Topolojik sayı terimi de kullanılır. — Not. perse.

Uzayın sarmal boyutunun etrafındaki bir ipin dönüş sayısında bir sınır yoktur. Sonuç olarak, kütle olarak bir yıldızla ve hatta bir galaksiyle karşılaştırılabilir. Ama sıradan uzayda, yani sıradan üç boyutlu uzayın katlanmamış boyutlarında kapladığı yer çok küçüktür. Tüm bu kütle o kadar küçük bir boşlukta bulunur ki, kara delik olması garanti edilir.

Sen, 1993'ün sicim teorisindeki başka bir bileşen olan başka bir hile uyguladı: sicim boyunca hareket eden bobinler. Bilgi, tıpkı bir yıl önce anlattığım gibi, bu kıvrımların özelliklerinde gizlenmeliydi.

Elastik ipteki kıvrımlar hareketsiz kalmaz. Bazıları saat yönünde ve diğerleri saat yönünün tersine dalgalar gibi ip boyunca yayılırlar. Aynı yönde hareket eden iki sargı tel boyunca birbirini kovalar ve asla çarpışmaz. Ancak, iki dalga zıt yönlerde hareket ederse, çarpışırlar ve karmaşık bir karmaşa yaratırlar. Bu nedenle Sen, tüm gizli bilgileri herhangi bir çarpışma olmadan saat yönünde "adım adım" hareket eden dalgalarda depolamaya karar verdi.

Tüm malzemeler toplanmış ve çeşitli manivelalar çalıştırılmışken, Sen'in ipinin bir kara deliğe dönüşmekten başka seçeneği yoktu. Ancak sıradan bir kara delik yerine, kıvrılmış bir boyutun etrafına bir ipin sarılması nedeniyle çok özel bir tür aşırı kara delik ortaya çıkıyor.

Aşırı bir kara delik elektrik yüklüdür. Ama elektrik yükü nerede? Cevap yıllardır biliniyor: Bir ipi kompakt bir boyuta sarmak ona elektrik yükü veriyor. İpin her dönüşü bir birim yük ekler. İp bir yönde sarılırsa pozitif yük, ters yönde sarılırsa negatif yük elde edilir. Sen'in dev, tekrar tekrar sarılmış sicimleri, yerçekimi tarafından bir arada tutulan elektrik yükü kümeleri olarak da düşünülebilir - başka bir deyişle, yüklü bir kara delik gibi.

Alan geometrik bir kavramdır ve uzay ve zamanın geometrisi Einstein'ın genel görelilik teorisi tarafından yönetilir. Bir kara deliğin ufkunun alanını bilmenin tek yolu, onu Einstein'ın yerçekimi denklemlerinden türetmek. Sen bu denklemlerde ustalaştı ve kendi inşa ettiği özel bir tür karadelik için bunları kolayca (kendisi için kolay) çözdü ve ardından ufkun alanını hesapladı.

Ve sonra felaket geldi! Denklemler çözüldüğünde ve ufuk alanı hesaplandığında sonuç sıfırdı ! Başka bir deyişle, ufuk harika bir uçsuz bucaksız kabuk yerine uzayda bir nokta boyutuna küçüldü. Kıvranan, kıvrılan sicimlerde depolanan tüm entropi küçücük bir noktada toplanmış gibiydi. Bu sadece kara delikler için bir sorun değildi, aynı zamanda uzayın bir bölgesinin maksimum entropisinin Planck birimlerindeki alanına eşit olduğunu belirten holografik ilkeyle de doğrudan çelişiyordu. Bir yerde bir hata yapılmış.

Sen açıkça bir sorun olduğunu gördü. Einstein'ın denklemleri klasiktir, yani kuantum dalgalanmalarının etkilerini görmezden gelirler. Kuantum dalgalanmaları olmadan, bir hidrojen atomundaki bir elektron çekirdeğe düşecek ve tüm atomun boyutu bir protondan daha büyük olmayacaktı. Ancak temel durumdaki belirsizlik ilkesinin neden olduğu kuantum hareketleri, atomu çekirdekten 100.000 kat daha büyük yapar. Sen, aynı şeyin ufukta da olabileceğini fark etti. Klasik fizik onun bir noktaya kadar küçülmesi gerektiğini öngörse de, kuantum dalgalanmaları onu benim uzatılmış bir ufuk dediğim şeye doğru genişletebilir .

Sen gerekli düzeltmeleri yaptı: "zarfın arkasında" hızlı bir tahmin, entropinin ve gerilmiş ufuk alanının gerçekten birbiriyle orantılı olduğunu gösterdi. Bu, ufuk entropisinin sicim kuramı için bir başka zaferdi, ama daha önce olduğu gibi, zafer tamamlanmış değildi. Doğruluk yine düştü* ve geriye kuantum dalgalanmalarının ufku ne kadar genişletebileceğine dair bir belirsizlik kaldı. Sen'in parlak çalışması yine de belirsiz bir tilde ile sona erdi. Söyleyebileceği en fazla şey, bir kara deliğin entropisinin ufkun alanıyla orantılı olduğuydu . Neredeyse bir hit oldu, ancak "neredeyse" sayılmaz. "Tabuttaki son çivi" henüz hesaplanmamıştı.

Bu neredeyse tamamlanmış hesaplamanın Stephen Hawking'i ikna etme şansı benim argümanlarımdan daha fazla değildi. Yine de yüzük kapandı. Vafa'nın önerisini uygulamak ve geniş bir klasik ufka sahip aşırı bir kara delik yaratmak için Tinkerta yapıcısının yeni parçaları gerekliydi. Neyse ki, Santa Barbara'da açılmaya çoktan hazırdılar.

Polchinski D-zarları

D-branes, Polchinski'nin baş harflerinden sonra P-branes olarak adlandırılmalıdır. Ancak Joe, zarlarını keşfettiğinde, P-zarları terimi zaten çok farklı bir nesne için kullanılıyordu. Bu yüzden Joe , D-zarlarına on dokuzuncu yüzyıl Alman matematikçisi Johann Dirichlet'in adını verdi. Thoth, elbette, doğrudan D-brane'lerle hiçbir şey yapmadı, ancak dalgalarla ilgili matematiksel çalışmalarının onlarla bir ilgisi vardı.

Vrana kelimesi, sicim kuramı bağlamı dışında sözlüklerde geçmez. Bükülme ve esneme yeteneğine sahip iki boyutlu bir yüzey anlamına gelen yaygın bir terim olan membrandan gelir . Polchinski'nin 1995 yılında D-zarlarının özelliklerini keşfetmesi, modern fizik tarihindeki en önemli gelişmelerden biriydi. Çok geçmeden kara deliklerden nükleer fiziğe kadar her alanda dikkate değer sonuçlar getirdi.

En basit zar, 0-zar adı verilen sıfır boyutlu bir nesnedir. Uzayda bir parçacık veya nokta sıfır boyutludur, bir nokta boyunca hareket etmek imkansızdır, dolayısıyla parçacık ve 0-zar eşanlamlıdır. Bir seviye kaydırarak, tek boyutlu 1 zar elde ederiz. Temel diziler, 1-zarların özel bir halidir. Zar - iki boyutlu madde tabakaları - 2 zardır. Peki ya 3 zar? Onlar var mı? Uzayın bir alanını dolduran sağlam bir kauçuk küp hayal edin. Boşluk dolduran 3 zar olarak adlandırılabilir.

Ölçülerimiz tükendi gibi görünebilir. Açıkçası, bir 4-zarı 3B uzaya sığdırmanın bir yolu yoktur. Peki ya uzay katlanmış boyutlara sahipse, örneğin altı tanesi? Bu durumda 4-zarın boyutlarından biri katlanmış boyutta sürüklenebilir. Aslında tüm mahkeme

Uzayın dokuz boyutu olduğundan, 9 zara kadar her tür zar içerebilir.

Bir D-brane, herhangi bir tür zar değildir. Çok özel özelliklere sahiptir, yani kendisine temel diziler eklenebilir. DO-brane durumunu düşünün. Burada D, bunun bir D-zarı olduğu anlamına gelir ve 0, sıfır boyutlu olduğu anlamına gelir. Yani DO-zarlar funda ile bitebilen parçacıklardır.

zihinsel diziler

Dl-brane'ler genellikle D-string olarak adlandırılır çünkü bunlar tek boyutludur ve temel dizilerle karıştırılmamaları gerekmesine rağmen kendileri de bir tür dizidir*. Genellikle D-dizgileri temel dizilerden çok daha ağırdır. O2-zarlar, kauçuk levhalar gibi zarlardır, ancak yine, temel sicimlerin üzerlerinde bitebilme özelliğine sahiptir.

Sicim teorisinde iki tür sicim olması garip ve biraz da keyfi görünebilir. Temel dizileri ve D-dizgilerini birbirine bağlayan ikilikler adı verilen güçlü matematiksel simetriler vardır. Bu ikilikler , 1931'de Paul Dirac tarafından öne sürülen elektrik yükleri ve manyetik monopoller ikiliğine çok benzer . Saf matematiğin bazı alanlarında güçlü bir etkiye sahiplerdi.

D-branes, Polchinski'nin sicim teorisine eklediği tuhaf, keyfi bir icat mıydı? İlk araştırma makalesinde, durumun böyle olabileceğini düşünüyorum. Teorik fizikçiler genellikle sadece onlarla oynamak ve nereye gittiklerini görmek için yeni kavramlar icat ederler. Aslında, 1994 yılında, Joe bana D-zarları fikrini ilk kez gösterdiğinde, bu konuşmanın ruhuna uygundu: “Bakın, sicim teorisine yeni bir nesne ekleyebiliriz. Komik değil mi? Özelliklerini inceleyelim."

Ancak 1995 civarında Joe, D-zarlarının sicim teorisinde büyük bir matematiksel boşluğu doldurduğunu fark etti. Onların varlığı, büyüyen mantık ve matematik teorisi ağını tamamlamak için gerçekten gerekliydi. Ve D-branes, olağanüstü bir kara delik oluşturmak için gerekli olan eksik gizli bileşen olarak ortaya çıktı.

Sicim Teorisi Matematik Çabayı Ödüllendiriyor 1996'da Vafa ve Andy Strominger işe koyuldu. Sicimleri ve zarları birleştirerek, geniş ve şüphesiz klasik bir ufku olan aşırı bir kara delik oluşturmayı başardılar . Aşırı kara delik büyük bir klasik nesne olarak ele alındığından, kuantum titreşiminin ufukta yalnızca ihmal edilebilir bir etkisi olabilir. Artık şüpheye yer yoktu. Sicim teorisi, Hawking'in formülü tarafından önerilen doğru miktarda gizli bilgiyi, iki veya pi gibi herhangi bir belirsiz faktör ve orantılı bir işaret olmadan verdi.

Okulda bahsettikleri gibi sıradan bir kara delik değildi. Strominger ve Vafa'nın sicimlerden ve D-zarlardan inşa ettikleri nesne, bir mühendisin kabusu gibiydi, ancak ihtiyaç duydukları geniş klasik ufka sahip en basit yapıydı. Sicim teorisinin, sicimler, D-brane'ler, tam bir ekstra boyutlar seti ve benzeri dahil olmak üzere tüm matematiksel hilelerini aldı . İlk olarak, uzayın altı katlanmış boyutundan beşini dolduran birkaç DS-brane aldılar. Bu gömülü DS zarlarına ek olarak, çok sayıda Dl zarını katlanmış boyutların etrafına sardılar.

NIY. Ve sonra her iki ucu da D-zarlarına bağlı ipler eklediler. Ve yeni keşfedilen sicim parçalarının entropi içeren ufuk atomlarının rolünü oynaması gerekiyordu. (Biraz kafanız karıştıysa merak etmeyin. İnsan beyninin kolayca anlamak için tasarlanmadığı şeylere değindik.)

Strominger ve Vafa, daha önce attıkları adımların aynısını izlediler. İlk olarak, yerçekimi ve diğer kuvvetlerin ortadan kalkması için kolları sıfıra ayarlarlar. Bu karmaşık güçler olmadan, açık sicimlerin dalgalanmalarında ne kadar entropi depolandığı doğru bir şekilde hesaplanabilir. Teknik olarak, hesaplamalar şimdiye kadar denenen her şeyden daha karmaşık ve incelikliydi, ancak ustalık gösterdikleri için bu konuda başarılı oldular.

Bir sonraki adım, ekstremal bir karadelik durumu için Einstein'ın alan denklemlerini çözmekti. Bu kez, alanı hesaplamak için belirsizliğe dayalı germe prosedürü gerekli değildi. Strominger ve Vafa, kendilerini (ve beni) büyük tatmin edecek şekilde, ufuk alanı ve entropinin sadece orantılı olmadığını keşfettiler; zarlara bağlı sargı tellerinde gizlenen bilgiler, Hawking'in formülüyle tam olarak örtüşüyordu. Bu çiviyi sürdüler.

Çoğu zaman olduğu gibi, başka bir araştırma ekibi bu yeni fikirleri neredeyse aynı anda ortaya attı. Strominger ve Vafa çalışmalarını yaparken bile yeni neslin en parlak fizikçilerinden biri Princeton'da öğrenciydi. Juan Maldacena'nın süpervizörü Curt Callan'dı (CGHS'den C). Maldacena ve Callan ayrıca DS-brane'leri Dl-brane'ler ve açık teller ile birlikte kullandı. Callan ve. Maldacena, makalelerini Strominger ve Vafa'dan birkaç hafta sonra yayınladı. Yöntemleri biraz farklıydı, ancak sonuç, Strominger ve Vafa'nın sonuçlarını tam olarak doğruladı.

Aslında, Callan ve Maldacena önceki çalışmalarından biraz daha ileri gidebildiler ve biraz aşırı olmayan kara deliklerle çalışmayı öğrendiler. Aşırı bir kara delik, fizikte oldukça garip bir olgudur. Entropili, ancak ısı ve sıcaklığı olmayan bir nesnedir. Kuantum mekanik sistemlerinin çoğunda, tüm enerji kaldırıldığında, her şey katı bir şekilde yerine sabitlenir.

Örneğin, bir buz küpündeki tüm ısı uzaklaştırılırsa, sonuç kesinlikle hiçbir kusuru olmayan mükemmel bir kristal olacaktır. Su moleküllerinin herhangi bir şekilde yeniden düzenlenmesi enerji ve dolayısıyla bir miktar ısı gerektirir. Tüm ısısının uzaklaştırıldığı buzun fazla enerjisi, sıcaklığı ve entropisi yoktur.

Ama istisnalar var. Bazı özel sistemler, aynı minimum enerjiye ulaşılan birçok duruma sahiptir. Diğer bir deyişle, tüm enerji çekildikten sonra bile, sistemin içindeki bilgileri gizlemek ve bunu enerji eklemeden yapmak için böyle bir yeniden düzenleme olasılıkları vardır. Fizikçiler, bu tür sistemlerin dejenere bir temel duruma sahip olduğunu söylüyor . Dejenere temel duruma sahip sistemler mutlak sıfır sıcaklıklarda bile entropiye sahiptir - bilgileri gizleyebilirler. Aşırı kara delikler, bu tür garip sistemlere mükemmel bir örnektir. Sıradan Schwarzschild kara deliklerinin aksine, mutlak sıfır sıcaklığındadırlar, yani buharlaşmazlar.

Sen'in örneğine geri dönelim. Onun versiyonunda, telin tüm sargıları aynı yönde hareket eder ve bu nedenle birbiriyle çarpışmaz. Ancak ters yönde hareket eden sargıları ekleyelim. Tahmin edebileceğiniz gibi, öncekiyle karşı karşıya kaldıklarında biraz kafa karışıklığı yaratacaklar. Gerçekte, ipi ısıtacak ve sıcaklığını yükselteceklerdir. Sıradan karadeliklerin aksine, aşırıya yakın bu karadelikler tamamen buharlaşmazlar, fazla enerji yayarlar ve aşırı bir duruma dönerler.

Callan ve Maldacena, aşırıya yakın bir kara deliğin buharlaşma hızını hesaplamak için sicim teorisini uygulayabildiler. Sicim teorisinin buharlaşmayı açıklama şekli inanılmaz. Zıt yönlerde hareket eden iki bobin çarpıştığında, buna benzeyen daha büyük bir bobin oluştururlar.

Bu bükülme bir kez oluştuğunda, 1972'de Feynman'la tartıştığımız modelden hiçbir farkı olmayan bir modelde başarılı olmasını engelleyecek hiçbir şey yoktur.

Ancak Callan ve Maldacena söylediklerinden fazlasını yaptı. Çok detaylı buharlaşma hesapları yaptılar. Dikkate değer gerçek şu ki, sonuçları Hawking'in yirmi yıl önce önerdiği yöntemle tamamen aynı, önemli bir fark dışında: Maldacena ve Callan yalnızca kuantum mekaniğinin kabul edilen yöntemlerini kullandılar. Önceki bölümde ele aldığımız gibi, kuantum mekaniği istatistiksel bir unsur içermesine rağmen bilgi kaybına izin vermez. Bu nedenle, buharlaşma işlemi sırasında bilgi kaybı olasılığı hariç tutulur.

Yine benzer fikirler diğer fizikçiler tarafından geliştirildi. Oldukça bağımsız olarak, Bombay'daki (Ashok Sen'in de geldiği) Tata Enstitüsü'nden iki çift Hintli fizikçi Samit Das ve Samir Mathur ile Gautam Mandal ve Stenta Wadia, hesaplamalar yaptıktan sonra benzer sonuçlara ulaştılar.

Tüm bu çalışmalar bir araya getirildiğinde büyük bir başarıydı ve haklı olarak ün kazandılar. Karadeliklerin entropisinin sicimlerin bobinlerinde depolanan bilgiler olarak hesaplanabilmesi, Hawking dahil birçok rölativistin görüşleri ile doğrudan çelişiyordu. Stephen, karadelikleri bilgi yiyiciler olarak gördü, talep üzerine bilginin depolandığı kaplar olarak değil. Strominger-Vafa hesaplamalarının başarısı, tek bir matematiksel sonucun dengeyi bozabileceğini gösterdi. Bu, bilgi kaybı fikri için sonun başlangıcıydı.

Bu anın dramı dikkatlerden kaçmadı. Santa Barbara'daki arkadaşlarım da dahil olmak üzere birçok kişi beklenmedik bir şekilde gemilerini terk etti ve düşmana sığındı. Kara Delik Savaşı'nın yakında sona ereceğine dair herhangi bir şüphem varsa, eskiden savaşta tarafsız olan Joe Polchinski ve Gary Horowitz müttefiklerim olduklarında ortadan kalktılar. Anladığım kadarıyla bu bir dönüm noktasıydı.

Sicim teorisi, fiziksel dünyanın doğru teorisi olabilir veya olmayabilir, ancak Stephen'ın argümanlarının kusurlu olduğunu göstermiştir. Oyun sona ermişti ama Stephen ve diğer birçok rölativist şaşırtıcı bir şekilde bunu kabul etmek istemedi. Hala eski Hawking argümanları tarafından kör edilmişlerdi.

22

Güney Amerika savaşı kazanır

Çoğu insan seçkin fizikçileri düşündüklerinde Güney Amerika'yı düşünmezler. Güney Amerikalılar bile Arjantin, Brezilya ve Şili'den kaç tane büyük fizikçinin geldiğini öğrenince şaşırıyorlar. Daniel Amati, Alberto Sirlin, Miguel Virasoro, Hector Rubinstein, Eduardo Fradkin ve Claudio Teitelboim, bilimimiz üzerinde derin bir etkisi olanlardan sadece birkaçı.

Yakın zamanda adını Claudio Bunster olarak değiştiren Teitelboim (bkz. s. 148'deki dipnot), tanıdığım diğer fizikçilerin aksine özel bir insan. Ailesi, Şili sosyalist Devlet Başkanı Salvador Allende'ye ve aktivist şair ve Nobel Ödülü sahibi Pablo Neruda'ya çok yakındı. 7 Eylül 1986'da Claudio'nun kardeşi Caesar Bunster, eski faşist diktatör General Augusto Pinochet'ye suikast düzenlemeye çalışan bir grubun başındaydı.

Claudio, güçlü, atletik bir vücuda ve şiddetli, delici bakışlara sahip, uzun boylu, koyu saçlı bir adamdır. Hafif bir kekemeliğe rağmen, onu büyük bir siyasi lider yapacak çekiciliğe ve karizmaya sahip. Gerçekten de, karanlık yıllarda Şili biliminin canlı kalmasına yardımcı olan küçük bir bilim insanı grubunun anti-faşist lideriydi. O sırada hayatının tehlikede olduğundan hiç şüphem yok.

Claudio inanılmaz yeteneklere sahip bir adam ve biraz da çılgın. Şili'deki askeri rejimin düşmanı olarak, her türlü askeri teçhizatı seviyor. Teksas'ta yaşarken, Şili'ye dönmeden önce sık sık bıçak ve ateşli silah sergilerine gitti ve bugün bile sık sık askeri üniforma giyiyor.

Onu Şili'de ilk ziyaret ettiğimde asker gibi davranarak beni çok korkuttu.

Bu 1989'daydı ve tüm güç hâlâ Pinochet'ye aitti. Eşim, ben ve arkadaşımız Willy Fischladum Santiago'da uçaktan indiğimizde, ağır silahlı üniformalı adamlar pasaport kontrolünde herkesi kabaca uzun bir sıraya soktular. Kontrol memurları, hepsi silahlı, bazıları hafif makineli tüfek taşıyan askerlerdi. Pasaport kontrolünden geçmek kolay değildi: uzun kuyruk zar zor ilerliyordu ve çok yorgunduk.

Aniden, oldukça beklenmedik bir şekilde, uzun boylu, kara gözlüklü ve askeri üniformalı (ya da üniformaya benzer bir şey) bir kişinin kordondan geçip doğruca bize doğru geldiğini gördüm. Claudio'ydu ve askerlere sanki bir generalmiş gibi emirler veriyordu.

Bize yaklaşarak elimi tuttu ve kibirli bir tavırla bizi muhafızların yanından geçirdi ve buyurgan bir tavırla elini onlara doğru salladı. Valizlerimizi aldı ve yanlış park edilmiş haki cipine kadar bize hemen havaalanından dışarı kadar eşlik etti. Havaalanından Santiago'ya o kadar hızlı koştuk ki bazen araba iki tekerlek üzerinde kalktı. Claudio her seferinde bir grup askerin yanından geçerken onları selamlıyordu. "Claudio," diye fısıldadım, "bu delilik de ne? bizi öldüreceksin." Ama kimse bizi durdurmadı.

Şili'ye son gidişim, Pinochet rejiminin yerine demokratik bir hükümetin geçmesinden çok sonraydı. Claudio'nun orduyla, özellikle havacılıkta mükemmel bağlantıları vardı. Ziyaretin nedeni, Claudio ve küçük enstitüsünün kara delikler üzerine düzenlediği bir konferanstı. Hava kuvvetlerindeki tüm nüfuzunu, Hawking dahil şirketimizi uçakla Şili Antarktika üssüne götürmek için kullandı. Çok eğlendik ama en dikkat çekici şey, genelkurmay başkanı da dahil olmak üzere Şilili hava generallerinin bize hizmet etme şekliydi. Bir general çay koydu, diğeri atıştırmalık getirdi. Açıkçası, Claudio'nun Şili'de gerçekten çok fazla etkisi vardı.

Ama Claudio bana ilk kez 1989'da, Şili And Dağları'na yaptığı bir otobüs yolculuğu sırasında bazı anti-De Sitter kara deliklerden bahsetti. Bugün banados, Teitelboim ve Zanelli'nin baş harflerinden sonra BTZ kara delikleri olarak adlandırılıyorlar . Max Banados ve Jörg Zanelli, Claudio'nun yakın çevresinin bir parçasıydı ve ardından Kara Delik Savaşı üzerinde uzun vadeli etkisi olan bir keşifte bulundular.

melekler ve seytanlar

Kara delik fizikçileri her zaman bir kara deliği mühürlü bir kutuya koymayı ve onu değerli bir mücevher parçası gibi güvende tutmayı hayal etmişlerdir. Kaydedildi neden? Buharlaşmadan. Bir kutuyu mühürlemek, bir su kazanına kapak takmak gibidir. Parçacıklar uzaya kaçmak yerine kutunun kenarlarına (veya kazanın kapağına) çarpacak ve kara deliğe (veya kazana) geri düşecektir.

Elbette pratikte hiç kimse bir kutuya kara delik koyamaz, ancak böyle bir düşünce deneyi ilginçtir. Kararlı, değişmeyen bir kara delik, buharlaşan bir karadelikten çok daha basit olacaktır. Ancak bir sorun var: hiçbir gerçek kutu bir kara deliği sonsuza kadar tutamaz. Dünyadaki her şey gibi, gerçek kutular da kuantum sarsıntılarına maruz kalır ve er ya da geç bir kaza olur. Kutu kara delikle temas edecek ve - eyvah! - içine çekilecek.

Anti-desitter alanı (ADS) burada devreye giriyor. Öncelikle belirtmek gerekir ki, anti-DeSitter uzayı, ismine rağmen aslında boyutlarından biri zaman olan bir uzay-zaman sürekliliğidir. Willem de Sitter, Einstein'ın kendi adını taşıyan denklemlerinin dört boyutlu çözümünü keşfeden Hollandalı bir fizikçi, matematikçi ve astronomdu. Matematiksel olarak, de Sitter uzayı, onun gibi büyüyen, katlanarak genişleyen bir evrendir.

* İngilizce adı: anti de Sitterspace (ADS), çeviride, kısaltma için, "boşluk" kelimesi eklenmeden kısaltmanın (ADS) harf çevirisi kullanılmıştır. — Not. peri.

gerçek evrenimizle birlikte yürür. De Sitter uzayı, uzun süredir matematiksel bir meraktan başka bir şey olarak görülmüyordu; ancak son yıllarda kozmologlar için büyük önem kazandı. Bu, pozitif eğriliğe sahip kavisli bir uzay-zaman sürekliliğidir, yani içindeki üçgenin açılarının toplamı 180 dereceden büyüktür. Ama bütün bunlar konunun dışında. Bu sefer de Sitter uzayıyla değil, anti-de Sitter uzayıyla ilgileniyoruz.

Antidesitter alanı, de Sitter'in antimadde ikizi tarafından keşfedilmedi. "Anti" öneki, bu uzayın eğriliğinin negatif olduğunu, yani üçgenin açılarının toplamının 180 dereceden küçük olduğunu belirtir. ADS'nin en ilginç özelliği, küresel bir kutunun iç boşluğunun özelliklerinin birçoğuna sahip olması, ancak bir kara delik tarafından yutulmaması. Gerçek şu ki, ADS'nin küresel duvarlarına güçlü bir kuvvet bahşedilmiştir - bir kara deliğin ufku da dahil olmak üzere onlara yaklaşan her şeyi etkileyen karşı konulamaz bir itme. Bu itme o kadar güçlü ki, duvar ile kara delik arasındaki temas tamamen imkansız.

Sıradan uzay-zamanın dört boyutu vardır - üç uzamsal ve bir zaman. Fizikçiler bazen buna dört boyutlu diyorlar ama bu uzay ve zaman arasındaki ayrımı belirsizleştiriyor. Uzay-zamanı (3 + 1) boyutlu olarak tanımlamak daha doğrudur.

Düzülke ve Çizgiülke de uzay-zaman süreklilikleridir. Flatland, yalnızca iki boyutlu uzaya sahip bir dünyadır, ancak sakinlerinin bir zaman duygusu vardır. Dünyalarını (2 + 1) boyutlu olarak doğru bir şekilde tanımlamalıdırlar. Sadece tek eksende hareket edebilen ama aynı zamanda zamanı da hissedebilen Linelander'lar (1 + 1) boyutlu uzay-zamanda yaşarlar. (2+1) ve (1+1) ölçülerinin dikkat çekici bir özelliği ise

Son yıllarda, astronomlar ve kozmologlar, evrenimizin daha büyük bir hızla genişlediğini ve yaklaşık on milyar yılda boyutunu ikiye katladığını keşfettiler. Bu üstel genişleme, kozmolojik sabit veya popüler basında "karanlık enerji" olarak adlandırılmasıyla ilişkilendirilir.

içinde; sezgilerimize yardımcı olan bu tür boşlukları resimlerde kolayca tasvir edebiliriz.

zaman zaman

* Etkinlik

* Etkinlik

(1+1"-boyutlu (2+1"-boyutlu)

uzay-zaman uzay-zaman

Elbette, matematiksel fizikçilerin, beynin onları görselleştirememesine rağmen, herhangi bir sayıda uzamsal boyuta sahip dünyalar icat etmesini hiçbir şey engelleyemez. Ancak acaba zaman boyutunun sayısını değiştirmek mümkün müdür? Tamamen soyut bir matematiksel anlamda, cevap evet, ancak fiziksel açıdan pek mantıklı görünmüyor. Tek boyut iyi bir uyum gibi görünüyor.

Antidesitter boşlukları farklı boyutlarda olabilir. Herhangi bir sayıda uzamsal yöne sahip olabilirler, ancak yalnızca bir zaman yönüne sahip olabilirler. Banados, Teitelboim ve Zanelli'nin çalıştığı ADS (2 + 1) boyutluydu, bu da her şeyi resimlerle açıklamayı kolaylaştırıyor.

Farklı boyutlarda fizik

Üç boyutlu uzay (uzay-zaman değil), bilişsel sistemimize sıkı sıkıya bağlı gibi görünen şeylerden biridir. Hiç kimse soyut matematiğe güvenmeden dört boyutlu uzayı görselleştiremez. Bir ve iki boyutlu uzayları tasvir etmek daha kolay gibi görünebilir ve bir anlamda öyledir. Ama bir an düşünürseniz, çizgileri ve düzlemleri gözünüzde canlandırdığınızda her zaman

onları üç boyutlu uzayda iç içe hayal edin. Bu neredeyse kesin olarak beynimizin nasıl evrimleştiği ile ilgilidir ve üç boyutun özel matematiksel özellikleriyle hiçbir ilgisi yoktur.' .

Kuantum alan teorisi - temel parçacıklar teorisi - az sayıda boyuta sahip bir dünyada, üç boyutlu bir uzayda olduğu kadar anlamlıdır. Görünüşe göre, temel parçacıklar iki boyutlu uzayda (Flatland) ve hatta tek boyutlu (Lineland) uzayda oldukça olasıdır. Aslında, kuantum alan teorisinin denklemleri, boyutların sayısı azaldığında daha basit hale gelir ve bu bilim hakkında bildiklerimizin çoğu, orijinal olarak, benzer model dünyalarda kuantum alan teorisini inceleyerek keşfedildi. Bu yüzden Banados, Teitelboim ve Zanelli'nin sadece iki boyutlu bir evreni incelemesi alışılmadık bir durum değildi.

Antidesitter alanı

ADF'yi açıklamanın en iyi yolu, Claudio'nun Şili otobüs turu sırasında önerdiği: resimlerle. Şimdilik zamanı düşünmeyelim ve boş bir yuvarlak kutunun içindeki olağan boşlukla başlayalım. Üç boyutta, içi küresel olacak; iki boyutta daha da basittir ve daire şeklindedir.

Fiziksel dünya bir veya iki boyutlu olabilir mi (uzaydan bahsediyorum, uzay-zamandan değil)? Kesin olarak bilmiyorum - bunun bağlı olabileceği tüm ilkeleri bilmiyoruz - ama matematiksel bir bakış açısından, kuantum mekaniği ve özel görelilik, bir ve iki boyutta, üç boyutta olduğu kadar tutarlı kalır. Bu alternatif dünyalarda zeki yaşamın var olabileceğini söylemiyorum, sadece onlarda bir tür fiziğin mümkün olduğunu söylüyorum.

397

Şimdi zamanı ekleyelim. Dikey eksen boyunca yerleştirildiğinde, uzay-zaman sürekliliği bir silindirin içini andırır. Şekilde ADS, silindirin boyasız iç kısmıdır.

Zaman - 'A

Bir gömme diyagramı oluştururken bir kara deliği nasıl dilimlediğimize benzeterek ADS'nin dilimlerini (size hatırlatırım, iki boyutu var) hayal edelim. Dilimleme, tam olarak uzamsal olduğu söylenebilecek bölümleri seçer.

2D dilimini biraz daha yakından inceleyelim. Tahmin edilebileceği gibi, karasal gibi bir şeyde kavislidir.

yüzeyler. Bu, onu bir düzlemde (bir kağıda) çizerek, yüzeyi uzatacağınız ve deforme edeceğiniz anlamına gelir. Ciddi bir bozulma olmadan düz bir kağıda Dünya'nın bir haritasını çizmek imkansızdır. Mercator projeksiyonunda haritanın kuzey ve güney kenarlarına yakın alanlar, ekvatora yakın alanlara kıyasla büyük ölçüde büyütülür. Afrika aslında yaklaşık on beş kat daha büyük olmasına rağmen, Grönland Afrika kadar büyük görünüyor.

ADS'deki uzay (ve uzay-zaman) kavislidir, ancak dünya yüzeyinin aksine, eğriliği negatiftir. Bir düzlem üzerinde germek, "Mercator karşıtı" bir etki yaratır: kenarlardaki alanlar çok küçük görünür. Escher'in ünlü "Circle 4 Limit" çizimi, ADS'nin iki boyutlu bir diliminin tam olarak neye benzediğini gösteren, negatif eğriliğe sahip bir uzay "haritası"dır.

Escher'in çiziminin tam adı: "Sınır - daire 4 (Cennet ve Cehennem)"; İngilizce: Circle Limit IV (Cennet ve Cehennem). — Not. çeviri

Limit - Circle 4'ü en hafif tabirle hipnotik buluyorum. (Bana Küçük Fare ve Babası'ndaki karakterlerin görünen son köpeği sonsuz arayışını hatırlatıyor, bkz. bölüm 20.) Melekler ve iblisler sonsuz bir fraktal alemde durmadan tekrar ederler. Escher, sonsuz sayıda melek çizmesi için şeytanla bir anlaşma mı yaptı? Veya yakından bakarsam, görünen son meleği görebilir miyim?

Fikirlerimizi yeniden düzenlemek için bir an duralım: tüm meleklerin ve iblislerin aynı boyutta olduğunu görebilmeniz gerekir. Bu sadece küçük bir zihinsel egzersiz değil, Mercator projeksiyonunda sekiz kat daha büyük görünmesine rağmen Grönland'ın neredeyse tam olarak Arap Yarımadası büyüklüğünde olduğunu hatırlamaya yardımcı oluyor. Görünüşe göre, bu zihinsel egzersizler Escher'in kafasında çok iyi programlanmış, ancak pratik yaparak böyle bir beceri de edinebilirsiniz.

Şimdi zamanı ekleyelim ve anti-de Sitter uzayının tüm resmini bir araya getirelim. Her zaman olduğu gibi zamanı dikey eksende çizelim. Her yatay dilim, belirli bir andaki sıradan alanı temsil eder. ADS'yi, istiflendiğinde bir uzay-zaman sürekliliği oluşturan sonsuz sayıda uzay katmanı (ince sonsuz salam dilimleri) olarak düşünün.

ADS'deki alan tuhaf bir şekilde kavislidir, ancak zamandan fazla değildir. Bölüm 3'te öğrendiğimiz gibi, genel göreliliğe göre farklı yerlerdeki saatlerin genellikle farklı hızlarda çalıştığını hatırlayın. Örneğin, bir kara deliğin ufkunun yakınında saatin yavaşlaması onun bir zaman makinesi olarak kullanılmasını sağlar. ADS'deki saat de garip davranıyor. Her Escherian iblisinin bir kol saati olduğunu hayal edin. Merkeze en yakın iblisler biraz daha uzaktaki komşularına dönüp baktıklarında garip bir şey fark edecekler: saatleri yaklaşık iki kat daha hızlı çalışıyor. İblislerin bir metabolizması olduğunu varsayarsak, o zaman dış komşular da daha hızlı bir metabolizmaya sahip olacaklardır. Her bir sonraki sıra bir öncekinden daha hızlı olacak, ta ki sınırın yakınında saat o kadar hızlı çalışana kadar, her şey merkezi iblisler için dönen bir siste birleşiyor.

, orada hiçbir şey olmasa bile nesneleri merkeze doğru çeken bir yerçekimi alanı oluşturur . Bu hayaletimsi yerçekimi alanının bir tezahürü, eğer kütle sınıra doğru kaydırılırsa, neredeyse bir yay üzerindeymiş gibi geri çekilecek olmasıdır. Kendi haline bırakıldığında, kütle sonsuza kadar ileri geri salınacaktır. Aslında diğer etki, madalyonun diğer yüzüdür: merkeze yönelik çekim, sınır tarafından itilmeden farklı değildir. Bu itme, kara delikler dahil her şeyi sınıra değmekten alıkoyan karşı konulamaz bir güçtür.

Kutular içine bir şeyler koymak için yapılmıştır, o yüzden içine birkaç parçacık koyalım. İçeri girdikten sonra, merkeze çekilecekler. Tek bir parçacık, etrafında sonsuza kadar salınacaktır, ancak iki veya daha fazla parçacık varsa, bunlar çarpışabilir. Yerçekimi - ADF'nin hayaletimsi yerçekimi değil, parçacıklar arasındaki olağan yerçekimi etkileşimi - bunların bir araya gelmesine neden olabilir. Parçacıkların eklenmesi merkezdeki basıncı ve sıcaklığı artıracak ve demet tutuşarak bir yıldız oluşturabilecektir. Daha da fazla kütle eklemek, sonunda feci bir çöküşe yol açacaktır: bir kara delik oluşur - bir kutu içine alınmış bir kara delik.

Banados; ADS'de kara delikleri inceleyen ilk kişiler Teitelboim ve Zanelli değildi; bu onur Don Page ve Stephen Hawking'e aittir. Ancak BTZ, uzayın yalnızca iki boyutu olduğu için görselleştirmesi kolay olan en basit örneğini keşfetti. İşte bir BTZ kara deliğinin hayali bir görüntüsü. Siyah alanın kenarı ufuktur.

Bir istisna dışında, anti-desitter kara delikler sıradan olanların tüm özelliklerine sahiptir. Her zaman olduğu gibi, ufukta iğrenç bir tekillik pusuda bekliyor. Kütle eklemek, kara deliğin boyutunu büyüterek ufkunu dış sınıra yaklaştırır.

Kütle Ekleyin ve ADS Kara Deliği Büyür

Ancak, sıradan kara deliklerin aksine, ADS versiyonu buharlaşmaz. Ufuk, sürekli olarak fotonlar yayan sonsuz derecede sıcak bir yüzeydir. Ancak fotonların gidecek hiçbir yeri yok. Boş uzayda buharlaşmak yerine kara deliğe geri düşerler.

ADS hakkında daha fazla bilgi

"Sınır - daire 4" çiziminin sınır noktasına baktığınızı ve ardından çizimi kenarını şişirecek şekilde şişirdiğinizi hayal edin.

tamamen düz görünüyor.

Bunu defalarca tekrarlayabiliriz, melekler ve iblisler asla bitmez, ta ki sınırda kenar tamamen düz ve sonsuz görünene kadar. Ben Escher değilim ve onun zarif eserlerini çizmeye çalışmayacağım. Onları o kadar basitleştireceğim ki iblisler karelere dönüşecek ve sınıra yaklaştıkça resim giderek küçülen karelerden oluşan bir ızgaraya benzemeye başlayacak. ADF'yi sonsuz bir tuğla duvar olarak düşünün. Duvardan aşağı indikçe, tuğlalar her yeni sırada iki katına çıkar.

Elbette, Dünya yüzeyinde boylam ve enlem çizgileri olmadığı gibi, De Sitter karşıtı uzayda da gerçek çizgiler olmayacak. Burada sadece boyutların uzayın eğriliği nedeniyle nasıl bozulduğunu açıkça göstermek için yapılmıştır.

Escher'in çizimi ve benim kaba versiyonum iki boyutlu uzayı temsil ediyor ama gerçek uzay üç boyutlu. Bir boyut daha (zamansal değil) eklenirse, uzayın nasıl görüneceğini hayal etmek zor değil. Tek yapmanız gereken kareleri katı 3B küplerle değiştirmek. Bir sonraki resimde, böyle bir üç boyutlu "tuğla duvarın" küçük bir bölümünü tasvir ettim. Ancak NII'nin hem yatay hem de dikey yönlerinde sonsuz bir şekilde uzandığını unutmayın .

Bu resme zamanın eklenmesi öncekiyle aynı şekilde gerçekleştirilir: her kare veya küpün kendi saati vardır. Saatin hızı, bulunduğu katmana bağlıdır. Sınıra bir katmanı her yaklaştırdığımızda, saat iki kat hızlanır. Tersine, duvardan aşağı indiğimizde saat yavaşlar.

Matematiksel bir bakış açısından, üç boyutlu uzayda durmak için hiçbir sebep yoktur. Farklı boyutlardaki dört boyutlu küpleri üst üste istifleyerek, herhangi bir sayıda boyut için (4+1) boyutlu bir anti-desitter alanı ve benzeri inşa edilebilir. Ancak bir tane bile dört boyutlu küp çizmek çok zordur. İşte böyle bir girişim.

Bunları üst üste istiflerseniz ve ADF'nin dört boyutlu bir versiyonunu çizmeye çalışırsanız, korkunç bir karmaşa elde edersiniz.

Bir kutuda dünya

Kara delik buharlaşmasının durması, kutunun içindeki fiziği incelemek için değerli bir nedendir. Ancak bir kutuda dünya fikri çok daha ilginç. Asıl amaç, holografik prensibi anlamak ve onu matematiksel kesinliğe getirmektir. 18. Bölüm'de holografik ilkeyi şu şekilde açıklamıştım: "Sıradan deneyimimizin üç boyutlu dünyası -galaksiler, yıldızlar, gezegenler, evler, kayalar ve insanlarla dolu evren- bir hologramdır, üzerine kodlanmış bir gerçeklik görüntüsüdür. uzak bir iki boyutlu yüzey. Holografik ilke adı verilen bu yeni fizik yasası, uzayın belirli bir bölgesindeki her şeyin sınırında bulunan bilgi parçacıkları aracılığıyla tanımlanabileceğini belirtir.

Holografik ilkenin formülasyonundaki yanlışlığın bir kısmı, nesnelerin sınırdan geçebilmesi gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Ne de olsa gerçek maddesi olmayan hayali bir matematiksel yüzey. Nesnelerin incelenmekte olan bölgeye girip çıkma olasılığı, "uzayın belirli bir bölgesindeki her şey, sınırında bulunan bilgi parçacıkları aracılığıyla tanımlanabilir" kelimelerinin anlamını belirsizleştirir. Ama tamamen aşılmaz duvarları olan bir kutudaki dünya bu sorundan kurtulur. Yeni ifade şöyle olacaktır:

Aşılmaz duvarları olan bir kutunun içindeki her şey, duvarlarında piksellerde saklanan bilgi parçalarıyla tanımlanabilir.

1989'da Şili'de bir otobüs turu sırasında, Claudio Teitelboim'in anti-desitter uzayına neden bu kadar aşık olduğunu anlamadım. Kutudaki kara delikler - ne olmuş yani? Bu noktayı anlamam sekiz yılımı aldı - sekiz yıl ve bu kez Arjantin'den başka bir Güney Amerikalı fizikçi.

Maldacena'nın şaşırtıcı keşifleri

Juan Maldacena, Claudio Teitel-boym'un tam tersidir. O kısa ve çok daha havalı. Sahte bir askeri üniformayla Santiago'da dolaştığını hayal edemiyorum . Ama bir fizikçi olarak cesaret eksikliği yok. 1977'de, neredeyse Claudio ile yaptığım vahşi yolculuk kadar çılgınca görünen inanılmaz derecede cesur bir açıklama yaparak kendini tehlikeye attı. Aslında Maldacena, tamamen farklı görünen iki matematiksel dünyanın aslında tamamen aynı olduğunu savunuyordu. Bir dünyanın dört uzamsal boyutu ve bir zamansal (4 + 1) boyutu vardı, diğeri (3 + 1) boyutluydu ve daha çok günlük deneyimlerimizin dünyasına benziyordu. Görselleştirmeyi kolaylaştırmak için bu öyküyü basitleştirme cüretinde bulunacağım ve her durumda boyutların sayısını birer birer azaltacağım . Bu nedenle, Flatland'in hayali bir versiyonunun - (2 + ^-boyutlu bir dünya) - (3 + 1) boyutlu bir anti-desitter dünyaya eşdeğer olduğunu söyleyeceğim.

Bu nasıl mümkün olabilir? Uzayın en belirgin özelliği boyutlarının sayısıdır. Uzayın boyutlarını tanıyamamak, son derece tehlikeli derecede algısal bozulma anlamına gelir. Aklı başında olmak derken üzenginin iki boyutunu birbirine karıştırmak elbette mümkün değil. En azından öyle görünüyor. Maldacena'yı keşfine götüren yol, aşırı kara deliklerden, D-brane'lerden ve matris teorisi denilen bir şeyden geçen ve sonunda holografik ilkeye götüren karmaşık ve dolambaçlı bir yoldu.

Başlangıç noktası Polchinski'nin D-brane'leriydi. Size bir D-zarının, boyutuna bağlı olarak nokta, çizgi, yüzey veya hacim olabilen maddi bir nesne olduğunu hatırlatmama izin verin.

* Bu bağlamda matris teorisinin S-matris ile hiçbir ilgisi yoktur.

Bu teori, Maldacena'nın keşfinden önce geldi ve onunla yakından ilişkiliydi ve aynı zamanda boyutlarda gizemli bir artış içeriyordu. Bu, holografik prensibi doğrulayan matematiksel bir bağlantının ilk örneğiydi. Matris teorisi 1996'da Tom Banks, Willy Fischler, Steve Shaker ve ben tarafından keşfedildi.

doldurma alanı D-zarlarını diğer her şeyden^ ayıran ana özellik, temel dizileri sonlandırabilmeleridir. Spesifik olmak gerekirse, O2 zarlarına odaklanalım. Sihirli bir parke zemin gibi 3B uzayda yüzen düz bir 2B yüzey hayal edin. Açık sicimler bu D-zarına her iki uçtan bağlanabilir. D-zarı boyunca kayabilirler, ancak üçüncü boyuta serbestçe sıçrayamazlar. İp parçaları, sanki sürtünmesiz patenlerdeymiş gibi, mecazi buz üzerinde yuvarlanır ve ayaklarını ondan koparamaz. Uzaktan bakıldığında, her bir ip parçası iki boyutlu bir dünyada hareket eden bir parçacık gibi görünür. Birden fazla dizi varsa, bunlar çarpışabilir, birbiri üzerine dağılabilir ve hatta daha karmaşık nesneler halinde birleşebilir.

D-zarları kendi başlarına var olabilir, ancak yapışkandırlar. Bunları nazikçe birbirine yaklaştırırsanız, aşağıdaki şekilde olduğu gibi birbirine kenetlenir ve birkaç katmandan oluşan bileşik bir zar oluştururlar.

Orijinal çalışmasında Maldacena, dört boyutlu uzay durumuna odaklandı. (4+1) boyutlu ADS olarak adlandırılabilir . Alışılagelmiş üç boyut yerine dört boyutun seçilmesinin nedeni tamamen tekniktir ve bu bölüm için önemli değildir. Ancak sonsözün bir kısmıyla ilgisi var.

D-brane'leri birbirinden biraz uzağa çizdim . Ancak birleştiklerinde boşluk kaybolur. Birbirine yapışmış bir grup D-brane, D-brane yığını olarak adlandırılır.

Bir D-brane yığını boyunca hareket eden açık sicimlerin özellikleri, tek bir D-brane boyunca hareket eden sicimlerden daha zengin ve daha çeşitlidir. İpin iki ucu, sanki iki paten biraz farklı seviyelerde hareket ediyormuş gibi yığının farklı öğelerini birleştirebilir. Zarları ayırt etmek için adlar verilebilir. Örneğin, yukarıdaki yığında zarlar kırmızı, yeşil ve mavidir.

D-brane istifi üzerinde dönen iplerin uçları her zaman D-brane'ye bağlanmalıdır. Örneğin, bir ipin her iki ucu da kırmızı bir zara bağlanabilir. Sonra kırmızı-kırmızı bir dize olacak. Benzer şekilde mavi-mavi ve yeşil-yeşil diziler olabilir. Ancak ipin iki ucunun farklı zarlara bağlı olması da mümkündür. Bu, kırmızı-yeşil sicimler, kırmızı-mavi sicimler vb. üretir.İplerin bu D-zar yığını boyunca hareket etmesi için toplam dokuz farklı olasılık vardır.

Zarlara birden çok dizi bağlandığında ilginç şeyler başlar.

Bir O2-zar yığını üzerindeki sicimler, sıradan parçacıklara çok benzer, ancak yalnızca iki uzamsal boyutu olan bir dünyada. Birbirleriyle etkileşime girerler, çarpışmalar sırasında dağılırlar ve yakındaki iplere kuvvet uygularlar. Bir dizi ikiye bölünebilir. Bir sonraki çizim serisi, tek bir zar üzerindeki bir ipin nasıl ayrılarak iki ip haline geldiğini gösteriyor.

Orijinal ip üzerindeki bir nokta zara dokunarak ipin bölünmesine izin verir, ancak her zaman tüm uçları zarlara bağlı olacak şekilde. Önceki çizim aşağıdan yukarıya da görülebilir ve ardından bir çift ipin birleşip bir tane oluşturduğu ortaya çıkar.

Ve burada, üç D-zardan oluşan bir yığın üzerinde ipleri olan bir dizi çerçeve var. Bu, kırmızı-yeşil ipin yeşil-mavi olanla nasıl çarpıştığını gösterir. İki dizi birleşir ve tek bir kırmızı-mavi dizi oluşturur.

Kırmızı-kırmızı bir ip, uçları asla birbirine değmeyeceği için yeşil-yeşil olanla birleşemez.

Daha önce benzer bir şey gördüğümüz doğru değil mi? Bir D-zar yığınına bağlı sicimlerin davranışını yöneten kurallar, kuantum kromodinamiğindeki (QCD) gluonları yöneten kurallarla tamamen aynıdır. gluon, her biri kendi rengiyle işaretlenmiş iki ucu olan küçük bir doğrusal mıknatıs gibidir. Benzerlik burada bitmiyor. Birleşen iki ipi gösteren yukarıdaki çizim, QCD'deki gluon düğüm diyagramına çok benzer.

"D-brane fiziği" ile temel parçacıkların sıradan dünyası arasındaki bu paralellik, bir sonraki bölümde göreceğimiz gibi, son derece faydalı olduğu kanıtlanmış dikkate değer bir gerçektir. Fizikçiler aynı sistemi tanımlamanın iki farklı yolunu bulduklarında, bu iki tanımı "ikili" olarak adlandırırlar. Bunun bir örneği, ışığın dalgalar veya parçacıklar olarak ikili tanımıdır. Fizik ikiliklerle doludur ve Maldacena'nın D-brane üzerindeki jetin iki ikili tanımını keşfetmesi gerçeğinde özellikle beklenmedik veya yeni bir şey yoktu. Yeni, neredeyse hiç duyulmamış olan şey, iki resmin farklı sayıda uzamsal boyuta sahip dünyaları tasvir etmesiydi .

Böyle bir tanımdan daha önce söz etmiştim: QCD'nin (2 + 1) boyutlu Flatland versiyonu. Düz protonları, mezonları ve yapışkan topları tanımlar, ancak gerçek QCD gibi, yerçekimi izi içermez. Bu ikiliğin diğer tarafı - aynı şeyleri temsil etmenin alternatif bir yolu - üç boyutlu uzayın dünyasını tanımlar, herhangi birini değil, yani anti-dessitter. Maldacena, Flatland QCD'nin (3 + 1) boyutlu anti-desitter evrenine ikili olduğunu kanıtladı. Üstelik bu üç boyutlu dünyada madde ve enerji, tıpkı gerçek dünyada olduğu gibi yerçekimi kuvvetlerinin kaynağı olarak hizmet etmektedir. Diğer bir deyişle, (2+1) boyutlu, QCD dahil ancak yerçekiminin olmadığı bir dünya, (3+1) boyutlu ve yerçekimli bir evrene eşdeğerdir.

Bu nasıl mümkün olabilir? Sadece iki boyutlu bir dünya nasıl üç boyutlu bir dünya ile tamamen aynı olabilir? Ekstra uzay boyutları nereden geliyor? Cevap, alanın içindeki benzer nesnelerle karşılaştırıldığında sınıra yakın nesneleri küçük gösteren anti-desitter alan bozulmalarında yatmaktadır. Bu çarpıtmalar, hayali iblisleri ve aynı zamanda uzayda hareket ederken gerçek nesneleri de etkiler. Örneğin, metre büyüklüğünde bir "A" harfini alıp kenarlığa gölge düşürmesini sağlarsanız, nesne sınıra yaklaşıp uzaklaştıkça ortaya çıkan görüntü küçülecek veya büyüyecektir.

' Neredeyse hiç duyulmamış, ama tam olarak değil. Matris teorisi daha önceki benzer bir örnek sağlar.

Üç boyutlu iç mekanın bakış açısından, bu bir yanılsama, bir Mercator haritasındaki Grönland'ın büyüklüğünden daha gerçek değil. Ancak ikili tanımlamada - Flatland teorisi - dikey, üçüncü boyutta mesafe kavramı yoktur, boyut kavramı onun yerine geçer. Bu çok beklenmedik bir matematiksel ilişkidir: dualitenin düz yarısında büyümek ve küçülmek, bu dualitenin diğer yarısında üçüncü boyut boyunca ileri geri hareket etmekle tamamen aynıdır.

Ve yine tanıdık bir şey görüyoruz, bu sefer dünyamızın bir tür hologram olduğunu keşfettiğimiz 18. bölümden. Maldacena'nın iki ikili tanımı, eylem halindeki holografik prensibi temsil ediyordu. Anti-desitter uzayın iç bölgesinde meydana gelen her şey "bir hologram, iki boyutlu uzak bir yüzey üzerine kodlanmış bir gerçeklik görüntüsüdür". Yerçekimi olan üç boyutlu bir dünya, uzayın kenarındaki iki boyutlu bir kuantum hologramın eşdeğeridir.

Maldacena'nın keşfi ile holografik ilke arasında bir paralellik kurup kurmadığını bilmiyorum ama Ed Witten bunu kısa süre sonra fark etti . Maldacena'nın makalesinden sadece iki ay sonra, Witten internette "Antidesitter uzayı ve holografi" başlığı altında kendi makalesini yayınladı.

Witten'in makalesinin tüm içeriği arasında, kara deliklerin bölünmesine özel dikkatim çekildi. Anti-desitter alanı, orijinal versiyonu, düzleştirilmiş bir tuğla duvar değil, bir kutu çorba gibidir. Kavanozun yatay dilimleri mekanı temsil ediyor; kavanozun dikey ekseni zamandır. Dış yüzeyindeki etiket sınır, iç bölge ise uzay-zaman sürekliliğinin kendisidir.

Saf ADS-uzayı boş bir teneke kutu gibidir, ancak onu "çorba", yani madde ve enerji ile doldurarak daha ilginç hale getirilebilir. Witten, bir kavanoza yeterince kütle ve enerji pompalayarak bir kara delik yaratılabileceğini açıkladı. Dolayısıyla soru ortaya çıkıyor. Maldacena'ya göre, kavanozun içinde ne olduğundan bahsetmeyen ikinci bir - ikili - açıklama da olmalıdır. Bu alternatif açıklama, etiket boyunca hareket eden gluonlar gibi parçacıklar için iki boyutlu kuantum alan teorisi açısından formüle edilmiştir. Çorbada bir kara deliğin olması, sınır hologramının belirli bir özelliğine eşdeğer olabilir, ancak bu özellik nedir? Sınır teorisinde Witten, çorbadaki bir kara deliğin temel parçacıklardan oluşan sıradan bir sıcak sıvıya eşdeğer olduğunu kanıtladı - esasen sadece gluonlar.

Witten'in makalesini gördüğüm an, Kara Delik Savaşı'nın bittiğini biliyordum. Kuantum alan teorisi, kuantum mekaniğinin özel bir durumudur ve kuantum mekaniğindeki bilgi asla yok olmaz. Maldacena ve Witten'in de yaptığı şey, bilginin bir kara deliğin ufkunun ötesinde asla kaybolmaması gerektiğini şüpheye yer bırakmayacak şekilde kanıtlamaktı. Sicim teorisyenleri bunu hemen anlayabilirdi; rölativistlerin biraz daha zamana ihtiyacı vardı. Ama savaş bitti.

Kara Delik Muharebesi'nin 1998'in başlarında bitmesi gerekmesine rağmen Stephen Hawking, savaşın durduğunu bilmeden yıllarca ormanda saklanan talihsiz askerler gibiydi. Ama bu sefer trajik bir figür oldu. Elli altı yaşındaki, entelektüel formunun zirvesini çoktan geçmiş ve neredeyse iletişim kuramayan Stephen, meselenin özünü kavrayamamıştı. Bunun zekasının sınırlılığından kaynaklanmadığına eminim. 1998'den sonra onunla kurduğum temaslardan, zihninin son derece keskin kaldığı açıkça ortaya çıktı. Ancak fiziksel yetenekleri o kadar zayıflamıştı ki, neredeyse tamamen kendi kafasına kapanmıştı. Denklemleri yazamayan ve meslektaşlarıyla iletişimde muazzam zorluklar yaşayan o, fizikçilerin yeni, alışılmadık işleri anlamak için genellikle yaptığı şeyleri yapamayacağı gerçeğiyle yüzleşmek zorunda kaldı. Bu nedenle Stephen bir süre savaşmaya devam etti.

Witten'in makalesinin yayınlanmasından kısa bir süre sonra, bu kez holografik ilkeyi ve Maldacena'nın keşfini kutlamak için Santa Barbara'da başka bir konferans düzenlendi. Öğleden sonraki konuşmacı Jeff Harvey'di (CGHS'den H), ancak bir konuşma yerine herkesi "Macarena"14 tarzında söylenen ve dans edilen zafer şarkısı "Maldacena"yı söylemeye çağırdı.

BPS alt türlerinin garip zarlarından başlayarak”,

İlerledi, ADS alanına girdi ve bu tür mucizeleri yalnızca nerede kazdı?

Hey, Maldacena!

Super Young - Mills buna değer, uNezo harika,

Ve küredeki yerçekimi canlı, Ama holografi artık her şeyi eşitleyecek. Hey, Maldacena!

Kara delik, kötülüğün bilmecesi... Entropi nerede? Nerede?

Şimdi D-zarlarını ve D entropisini sayıyoruz.

Ve zar sıcaksa D-free-E de sıcaktır.

Hey, Maldacena!

Vivat, Juan, M-teorisi hazır.

Tellerden bir delik açtık - QCD çığlıkları,

Glueball spektrumu sadece kötü - bize bir rüyada eziyet ediyor.

Hey, Maldacena!

23

Nükleer Fizik? Şaka mı yapıyorsun!

Şüpheciler, kara deliklerin özellikleri hakkında -entropi, sıcaklık ve Hawking radyasyonundan kara deliklerin tamamlayıcılığına ve holografik ilkeye kadar- söylediğim her şeyin, onu destekleyecek en ufak bir deneysel veri parçası olmaksızın saf teori olduğuna işaret edecek. Ne yazık ki, şüpheciler çok uzun süre haklı kalabilirler.

Ancak burada söylenmelidir ki, bir yanda kara delikler, kuantum yerçekimi, holografik ilke ve diğer yanda deneysel nükleer fizik arasındaki tamamen beklenmedik ilişki, bu teorilerin ötesinde yattığı iddiasını kesin olarak çürütebilir. olası bilimsel doğrulama kapsamı. İlk bakışta, nükleer fizik, holografik ilke ve kara deliklerin tamamlayıcılığı gibi fikirleri test etmek için tamamen ümitsiz bir yer gibi görünüyor. Nükleer fizik uzun süredir araştırmaların ön saflarında yer almıyor. Ben de dahil olmak üzere çoğu fizikçi, bu eski bilim alanının potansiyelini tükettiğine ve artık bize doğanın temel yasaları hakkında yeni hiçbir şey öğretemeyeceğine inanıyordu. Modern fizik açısından çekirdekler şekerleme gibi bir şeydir: büyük, gevşek toplar, çoğunlukla içi boş. Planck ölçeğindeki fizik hakkında bize ne söyleyebilirler? Oldukça beklenmedik bir şekilde, oldukça fazla olduğu ortaya çıktı.

Sicim teorisyenleri her zaman çekirdeklerle ilgilenmişlerdir. Sicim teorisinin tüm tarihöncesi hadronlar hakkındaydı: protonlar, nötronlar, mezonlar ve yapışkan toplar. Çekirdekler gibi, bu parçacıklar büyüktür,

gevşek ve kuarklardan ve gluonlardan oluşur. Görünüşe göre Planck'ınkinden yüz milyar kat daha büyük bir ölçekte doğa kendini tekrar ediyor. Hadron fiziğinin matematiği, sicim teorisinin matematiğiyle hemen hemen aynı çıktı. Ölçekteki büyük farkı hesaba kattığınızda bu tamamen şaşırtıcı görünüyor: nükleonlar temel sicimlerden 10 m kat daha büyük olabilir ve 10 m kat daha yavaş salınabilir. Bu teoriler nasıl aynı, hatta uzaktan benzer olabilir? Ancak, bir anlamda, durum tam olarak böyledir. Ve eğer sıradan atom altı parçacıklar gerçekten de temel sicimler gibiyse, neden sicim teorisinin fikirlerini nükleer laboratuvarlarda test etmiyoruz? Aslında bu neredeyse kırk yıldır yapılıyor.

Hadronlar ve sicimler arasındaki bağlantı, modern parçacık fiziğinin temellerinden biridir, ancak çok yakın zamana kadar kara delik fiziğinin nükleer benzeriyle deney yapmak imkansızdı. Şimdi durum değişiyor.

Long Island'ın dışında, Manhattan'dan yaklaşık yüz mil uzakta, Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndaki nükleer fizikçiler ağır atom çekirdeklerini bir araya getiriyor ve ne olduğunu görüyorlar. Göreceli ağır iyon çarpıştırıcısı RHIC16, altın çekirdeklerini neredeyse ışık hızına çıkarır, böylece çarpıştıklarında, Güneş'in yüzeyindekinden yüz milyonlarca kat daha yüksek sıcaklıkta muazzam bir enerji patlaması yayarlar. Brookhaven fizikçileri nükleer silahlarla veya başka herhangi bir nükleer teknolojiyle ilgilenmiyor. Güdüleri, saf merak, yeni bir madde biçiminin özelliklerinin incelenmesidir. Bu sıcak nükleer madde nasıl davranıyor? Gaz mı? Sıvı? Bağlı bir durumda mı kalıyor yoksa hemen buharlaşarak ayrı parçacıklara mı ayrılıyor? Oradan son derece enerjik parçacıklardan oluşan jetler mi uçuyor?

Dediğim gibi, nükleer fizik ve kuantum yerçekimi tamamen kıyaslanamaz bir ölçekte işler, ancak o zaman aralarında nasıl bir ilişki olabilir? Bildiğim en iyi benzetme, şimdiye kadarki en kötü filmlerden biriyle, arabalı araba döneminden kalma eski bir korku filmiyle ilgili. Arsa merkezinde canavar sinekler vardı. Bu filmin nasıl yapıldığını bilmiyorum, ama daha sonra tüm ekranı doldurmak için havaya uçurulan normal bir ev sineği olduğunu varsayıyorum. Görüntü, sineği iğrenç, kocaman bir kuş gibi gösteren ağır çekimde oynatıldı. Sonuç berbattı, ama konumuza dönersek, bu, gravitonlar ve yapışkan toplar arasındaki bağlantının neredeyse mükemmel bir örneği. Her ikisi de kapalı sicimlerdir, ancak graviton yapışkan toptan çok daha küçük ve daha hızlıdır - yaklaşık IO 20 kat daha küçük ve daha hızlıdır. Görünüşe göre hadronlar temel sicimlerin görüntülerine çok benziyor, sadece şişmiş ve yavaşlamış - sinekler gibi yüzlerce kez değil, fantastik 10 m kez.

Dolayısıyla, Planck boyutundaki parçacıkları muazzam enerjiyle parçalayıp karadelikler oluşturamıyorsak, o zaman belki onların şişkin versiyonlarını - yapışkan topları, mezonları veya nükleonları - parçalayarak bir kara deliğin büyütülmüş bir versiyonunu yaratabiliriz. Ama bekleyin, bu muazzam miktarda enerji gerektirmez mi? Hayır, yapmayacaksın ve nedenini anlamak için, Bölüm 16'da açıklanan boyut ve kütle arasındaki mantık dışı ilişkiyi hatırlamanız gerekiyor: küçük ağırdır, büyük hafiftir. Nükleer fizik fenomenlerinin temel sicim teorisinin özelliklerinden kıyaslanamayacak kadar büyük bir ölçekte meydana gelmesi, bu fenomenlerin çok daha büyük bir hacim kaplayan çok daha az konsantre enerji gerektirmesi anlamına gelir. Sayıları yerine koyduğumuzda ve matematiği yaptığımızda, RHID üzerindeki normal bir nükleer çarpışma tarafından üretilmiş, şişmiş ve durgun bir kara deliğe çok benzer bir şey görünmelidir.

RHID'de kara deliklerin yaratılmasından ne anlamda bahsedebileceğimizi anlamak için holografik ilkeye ve Juan Maldacena'nın keşfine dönmemiz gerekiyor. Maldacena, herkes için tamamen beklenmedik bir şekilde, iki farklı matematik kuramının aslında aynı olduğunu, yani sicim kuramı jargonunu kullanacak olursak, "birbirlerinin ikilisi" olduklarını keşfetti. Teorilerden biri, gravitonlara ve kara deliklere uygun sicim teorisiydi, ancak yalnızca (4+1) boyutlu anti-de Sitter uzayında (ADS). (Bu bölümde, açıklama kolaylığı için, cüretkar davrandım ve uzamsal boyutların sayısını azalttım. Bu bölümde, eksik boyutları geri yükledim.)

Dört uzamsal boyut, nükleer fizik için çok fazladır, ancak holografik prensibi unutmayın: ADS'de olan her şey, bir uzamsal boyut eksik olan bir matematiksel teori tarafından tamamen tanımlanmalıdır. Maldacena dört uzamsal boyutla başladığından beri, ikili holografik teori, bizim sıradan uzayımızla aynı olan yalnızca üç boyuta sahiptir. Bu holografik betimleme, sıradan fizikte kullandığımız teorilere benziyor olabilir mi?

Cevap evet olarak çıkıyor: holografik ikili tanım, matematiksel olarak kuantum kromodinamiğine (QCD) - kuarklar, gluonlar, hadronlar ve çekirdekler teorisi - çok benziyor.

ADS QCD'de kuantum yerçekimi

Benim için Maldacena'nın çalışmasıyla ilgili en ilginç şey, kuantum yerçekiminin işleyişine ışık tutarak holografik prensibi doğrulama şekliydi. Ancak Maldacena ve Witten başka bir olasılık gördü. Oldukça parlak olan tahminleri, söylemeliyim ki, holografik ilkenin iki yönlü bir yol olduğu yönündeydi. Neden tersine uygulamıyorsunuz? Yani, olağan kuantum alan teorisi hakkında yeni bir şey öğrenmek için yerçekimi bilgimizi - bu durumda (4 + 1)-boyutlu ADS uzayındaki yerçekimi - kullanmak için. Benim için bu tamamen beklenmedik bir değişiklikti, holografik ilkeye daha önce hiç düşünmediğim bir ikramiyeydi.

Bu programı tamamlamak için fazla çaba gerekmedi. QCD, Maldacena teorisi ile tam olarak aynı değildir, ancak temel fark, ADS'nin basit bir modifikasyonu ile kolayca ortadan kaldırılabilir. ADS'ye sınıra çok yakın bir noktadan (görünen son iblis sıfır boyutuna küçülür) bir göz atalım. Ben bu sınıra UV zarı diyorum.' Buradaki "UV", çok kısa dalga boylu ışık için kullanılan aynı terim olan ultraviyole anlamına gelir. (Yıllar geçtikçe, "ultraviyole" terimi, küçük ölçekte meydana gelen her şey için kullanılmaya başlandı. Bu bağlamda, kelime, meleklerin ve iblislerin Escher çiziminin kenarına yakın bir yerde sonsuz küçük boyutlara küçüldüğü gerçeğini ifade eder.) "UV brane" terimindeki "brane" kelimesi aslında terminolojik bir hatadır, ancak bu kullanım iyi bir şekilde yerleştiğinden, buna bağlı kalacağım. Bir UV zarı, sınıra yakın bir yüzeydir.

Kare iblislerin genişlediği ve saatlerin süresiz olarak yavaşladığı UV zarından içeriye doğru hareket ettiğinizi hayal edin. UV zarına yakın küçük ve hızlı nesneler, ADS'nin derinlerine indikçe büyür ve yavaşlar. Ancak ADS, QCD'yi tanımlamak için pek uygun değildir. Değiştirilmiş alan kendi adını hak ediyor

Bu birkaç paragrafta bahsettiğim şeylerin çoğu, Lisa Randell'in mükemmel kitabı Twisted Passages'da çok daha net bir şekilde anlatılıyor.

farkı küçüktür; buna (^-boşluk) diyelim . ADS gibi, (^-boşlukta tüm nesnelerin sıkıştırıldığı ve hızlandırıldığı bir UV zarı vardır, ancak ADS'den farklı olarak, W-zarı adı verilen ikinci bir sınır vardır. ("IR" "kızılötesi" çok uzun dalga boylu ışık için kullanılan terimdir.) Kızılötesi zarı ikinci sınırdır, meleklerin ve iblislerin maksimum boyutlarına ulaştığı bir tür aşılmaz bariyerdir. UV zarı dipsiz bir vadinin tavanıysa, o zaman (^.- mekan, tavanı ve zemini olan sıradan bir odadır. Zaman boyutunu ihmal edip sadece iki mekansal boyut çizersek, ADS ve (^ uzay aşağıdaki gibi gösterilebilir:

UV kepeği

IR zarı

Q-uzayı

UV zarının yakınındaki bir boşluğa yerleştirilmiş ip benzeri bir parçacık düşünün. Etrafındaki melekler ve iblisler gibi çok küçük görünecek, belki Planck boyutunda ve çok hızlı salınacak. Ancak aynı parçacık IR zarına taşınırsa , sanki uzaklaşan bir ekrana yansıtılıyormuş gibi büyüyormuş gibi görünecektir. ve uzayın IR kenarına yakın bir sicim yalnızca kendisinin devasa, karışık bir ultraviyole versiyonu gibi görünmekle kalmayacak, aynı zamanda son derece yavaş salınacaktır.

Sicim kuramının son derece küçük, Planck boyutunda parçacıkları UV zarının yakınında "yaşıyorsa" ve bunların şişkin versiyonları - hadronlar - IR zarının yakınında "yaşıyorsa", bunlar ne kadar uzaktadır? Belli bir anlamda, şimdiye kadar değil; Planck boyutundaki nesnelerin bulunduğu bölgeden hadronlara geçmek için yaklaşık 66 sıra kare iblis aşağı inmek yeterlidir . Ancak sonraki her adımın bir öncekinin iki katı olduğunu unutmayın. 66 kez ikiye katlamak, IO'yu 20 kez genişletmekle aynıdır .

Temel sicim kuramı ile nükleer fizik arasındaki benzerlikler konusunda iki görüş vardır. Daha muhafazakar bir görüşe göre bu, tıpkı atomlar ile güneş sistemi arasındaki benzerlik gibi bir tesadüftür. Bu benzerlik, atom fiziğinin ilk günlerinde faydalıydı. Niels Bohr, Newton'un güneş sistemine uyguladığı teorisinde atomlar için aynı matematiği kullandı. Ama ne Bohr ne de bir başkası güneş sisteminin gerçekten de atomun şişirilmiş bir versiyonu olduğuna inanmıyordu. Bu muhafazakar bakış açısından, kuantum yerçekimi ile nükleer fizik arasındaki bağlantı da yalnızca matematiksel bir analojidir, ancak nükleer fizikteki belirli fenomenleri açıklamak için yerçekimi teorisinin matematiğini kullanmamızı sağladığı için yararlıdır.

Daha cesaret verici bir görüş, nükleer sicimlerin aslında temel sicimlerle aynı nesneler olduğu, yalnızca görüntülerini uzatan ve yavaşlatan çarpıtıcı bir mercekle görüldüğüdür. Bu görüşe göre, bir parçacık (veya sicim) UV zarının yakınında olduğunda, küçük, enerjik ve hızla salınıyormuş gibi görünür. Yani, temel bir dizi gibi görünüyor, temel bir dizi gibi davranıyor, bu da bunun temel bir dizi olduğu anlamına geliyor. Örneğin, UV zarı üzerinde bulunan kapalı bir sicim bir gravitondur. Ancak aynı ip, IR zarına taşındığında bir yapışkan top gibi görünür ve davranır. Bu bakış açısından, gravitonlar ve yapışkan toplar, kepekli sandviç üzerindeki konumları dışında tamamen aynı nesnelerdir.

Birbiriyle çarpışmak üzere olan bir çift graviton (UV zarının yakınındaki sicimler) düşünün.

Çarpışmadan önce UV zarına yakın iki parçacık

UV zarı yakınında karşılaştıklarında yeterli enerjileri varsa, sıradan bir kara delik ortaya çıkacaktır: UV zarına yapışmış bir enerji yığını. Tavandan sarkan bir sıvı damlası gibi düşünün. Ufkunu oluşturan bilgi parçacıklarının bir Planck boyutu vardır.

UV

IR

Bu kesinlikle gerçekleştiremeyeceğimiz bir deney.

Ama şimdi gravitonları iki çekirdekle (IR zarının yanında) değiştirelim ve onları çarpıştıralım. .

Çarpışmadan önce IR zarının yakınında iki çekirdek

Dualitenin tüm gücünün devreye girdiği yer burasıdır. Bu fenomeni, iki nesnenin çarpıştığı ve bir kara delik oluşturduğu dört boyutlu bir versiyonda düşünebilirsiniz. Bu sefer kara delik, yerdeki büyük bir su birikintisi gibi IR zarının yakınında olacak. Ne kadar enerji alacak? UV zarının yakınında bir kara delik oluşumundan çok daha az. Aslında, bu enerji RHIC'de kolayca elde edilebilir.

UV

Ancak sürece üç boyutlu bir bakış açısıyla da bakabilirsiniz. Bu durumda, hadronlar veya çekirdekler çarpışır ve kuark ve gluon sıçramaları oluşturur.

İlk başta, hiç kimse QCD ile kara delik fiziği arasındaki potansiyel bağlantıyı anlamasa da, QCD uzmanları çarpışma enerjisinin herhangi bir direnç olmaksızın hızla parçalanacak bir parçacık gazı yaratmasını bekliyordu. Ancak tamamen farklı bir şey gördüler: enerji, bir damla sıvıya benzeyen bir biçimde tutuldu - sözde sıcak kuark çorbası. Bu çorba diğer sıvılar gibi değil; akışları, bir kara deliğin ufkunu anımsatan kesinlikle şaşırtıcı özelliklere sahiptir.

Tüm sıvıların bir viskozitesi vardır. Bu, birbiri üzerinde kayarken sıvı katmanları arasındaki bir sürtünme türüdür. Viskozite, bal gibi çok yoğun sıvılar ile su gibi çok daha akışkan sıvılar arasındaki farktır. Viskozite sadece nitel bir kavram değildir. Herhangi bir sıvı için, sözde kesme viskozitesinin kesin sayısal değerini belirlemek mümkündür .

Teorisyenler başlangıçta standart yaklaşım yöntemine döndüler ve sıcak kuark çorbasının çok yüksek bir viskoziteye sahip olması gerektiği sonucuna vardılar. Viskozitesinin şaşırtıcı derecede küçük olduğu ortaya çıktığında, birkaç sicim teorisyeni dışında herkes aşırı derecede şaşırdı.

Kantitatif tahminler kullanırsak, sıcak kuark çorbasının viskozitesinin bilinen tüm sıvılar arasında en düşük olduğu ve sudan çok daha düşük olduğu ortaya çıkar. Süper akışkan sıvı helyum bile (bu parametrede eski şampiyon) çok daha viskozdur.

Doğada sıcak kuark çorbası kadar düşük viskozite var mı? Evet, ama sıradan sıvılarla değil. Bir kara deliğin ufku bozulduğunda sıvı gibi davranır. Örneğin, küçük bir kara delik daha büyük bir kara deliğin içine düşerse, bal damlasının bal dolu düz bir yüzeye düşmesi gibi geçici olarak ufukta bir çıkıntı oluşturur.

* "Kesme" kelimesi, bir katmanın diğeri üzerinde kaymasını ifade eder. ** Kesin konuşmak gerekirse, viskozitesinin sıvının entropisine bölümü çok küçüktü. bulaşıklar. Ufukta ortaya çıkan bir çıkıntı, tıpkı viskoziteye sahip bir sıvıda olduğu gibi yayılır. Fizikçiler ufkun viskozitesini uzun zamandır hesapladılar ve sıradan sıvılarla karşılaştırıldığında, süperakışkan helyumunkinden çok daha düşük olduğu ortaya çıktı. Sicim teorisyenleri kara delikler ve nükleer çarpışmalar* arasındaki bağlantı hakkında tahminlerde bulunmaya başladıklarında, diğer şeylerin yanı sıra sıcak kuark çorbasının bir kara deliğin ufkuna en çok benzediğini fark ettiler.

Sonunda bir damla sıvıya ne olur? Bir kara delik gibi buharlaşır; nükleonlar, mezonlar, fotonlar, elektronlar ve nötrinolar dahil olmak üzere çeşitli parçacıklara dönüşür. Viskozite ve buharlaşma, ufukları ve sıcak kuark çorbasını birleştiren bir dizi özellikten sadece ikisidir.

Nükleer sıvı şimdi, diğer özelliklerinin kara deliklerin fiziği ile benzer şekilde ilişkili olup olmadığını görmek için aktif olarak araştırılıyor. Bu eğilim devam ederse, kuantum yerçekimi dünyasına harika bir penceremiz olacak, boyut olarak büyüyecek ve frekans olarak yavaşlayacak, böylece Planck uzunluğu bir protondan çok daha az olmayacak, bu da doğrulamak için harika bir fırsat sağlayacaktır. Hawking ve Beckenstein teorilerinin yanı sıra kara tamamlayıcılık, delikler ve holografik prensip.

Barışın savaşlar arasındaki kısa bir ara olduğu söylenir. Ancak bilimde, Thomas Kuhn'un haklı olarak işaret ettiği gibi, bunun tersi doğrudur: "normal bilim"in çoğu, ayaklanmalar arasındaki uzun, barışçıl, tekdüze dönemlerde yapılır. Kara delik savaşı, fizik yasalarını tamamen yeniden yapılandırmakla tehdit etti, ancak şimdi fizik alanında normal günlük araştırma çalışmalarının yolunu açtığını görüyoruz. Daha önceki birçok devrimci fikir gibi, holografik ilke de radikal bir paradigma değişiminden günlük çalışan bir araca ve şaşırtıcı bir şekilde nükleer fizikçilere dönüştü.

Pavel Kovtun, Dam T. Sun ve Andrey O. Starinen, Seattle'daki Washington Üniversitesi'nde holografik ilkeden sıcak kuantum çorbasının hangi özelliklerinin çıktığını ilk keşfeden üç teorik fizikçidir.

24

tevazu

Bizler, en sıradan yıldızın yakınındaki önemsiz bir gezegende gelişmiş bir maymun türüyüz. Ama evreni anlıyoruz. Ve bu bizi özel bir şey yapıyor.

- Stephen Hawking

Beyninizi göreli fikirlerle yeniden donatmak çok zordur ve kuantum mekaniği kavramlarıyla daha da zordur. Öngörülebilirlik ve determinizm ortadan kalktı ve beklentileri karşılamayan klasik mantık yasalarının yerini kuantum mantığı aldı. Belirsizlik ve tamamlayıcılık, sonsuz boyutlu Hilbert uzaylarının dilinde, matematiksel değişme ilişkilerinde ve zihnin diğer garip yaratımlarında ifade edildi.

Ancak 20. yüzyılın tüm yeniden yapılanmasına rağmen, en azından 1990'ların ortalarına kadar, uzay-zamanın gerçekliği ve olayların nesnelliği sorgulanmıyordu. Uzay-zamanın büyük ölçekli özellikleri söz konusu olduğunda, herkes kuantum yerçekiminin hiçbir rol oynamadığını varsayıyordu. Stephen Hawking, bilgi paradoksu ile istemeden ve hatta iradesi dışında bizi bu önyargıyı kırmaya zorladı.

Fiziksel dünya hakkında on yılı aşkın bir süre içinde oluşan yeni fikirler, yeni bir tür görelilik ve yeni bir tür kuantum tamamlayıcılığı içeriyordu. Eşzamanlılık kavramının (iki olay) nesnel anlamı 1905'te kayboldu, ancak bir olay kavramının kendisi kaya gibi sağlam kaldı. Güneş'in içinde devam eden bir nükleer reaksiyon varsa, tüm gözlemciler bunun olduğu konusunda hemfikir olacaktır.

güneşin içinde gerçekleşir. Kimse onun Dünya'da aktığını kaydetmeyecek. Ancak bir kara deliğin güçlü yerçekimi alanında, olayın nesnelliğini baltalayan yeni bir şey oluyor. Düşen bir gözlemcinin büyük bir kara deliğin derinliklerinde meydana geldiğini düşündüğü olayları, başka bir gözlemci ufkun dışında kaydedecek ve Hawking radyasyon fotonlarının gürültüsünde çözülecektir. Bir olay aynı anda hem ufkun ötesinde hem de önünde olamaz . Aynı olay, gözlemcinin ne tür bir deney kurduğuna bağlı olarak ufkun arkasında veya önünde yer alır. Ancak tamamlayıcılığın aşırı tuhaflığı bile, şaşırtıcı holografik ilkenin yanında kayboluyor. Görünüşe göre güçlü bir üç boyutlu dünya bir tür yanılsamadır ve gerçek olaylar uzayın sınırlarında gerçekleşir.

Çoğumuz için eşzamanlılık (özel görelilikte) ve determinizm (kuantum mekaniğinde) gibi kavramların çöküşü, yalnızca birkaç fizikçinin ilgilendiği bazı karanlık paradokslardır. Ancak gerçekte bunun tersi doğrudur: insan hareketlerinin bu acı verici yavaşlığı ve ІО 28 atom kütlesine sahip bir insan vücudunun uyuşukluğu garip doğal anomalilerdir. Evrende, her insan için yaklaşık ІО 80 temel parçacık vardır. Çoğu, ışık hızına yakın bir hızda hareket eder ve son derece belirsizdir - konumlarında değilse bile, hareket hızlarında.

Dünya'da deneyimlediğimiz yerçekiminin zayıflığı da bir istisnadır. Evren hızlı bir genişleme halinde doğdu; uzaydaki her nokta, bir protonun boyutundan daha küçük bir mesafede, her taraftan ufuklarla çevriliydi. Evrendeki en görünür nesneler - galaksiler - sürekli olarak yıldızları ve gezegenleri yutan dev kara deliklerin etrafında inşa edilmiştir. Evrendeki her 10.000.000.000 bilgi bitinden 9.999.999.999'u kara delik ufuklarıyla ilişkilidir. Uzay, zaman ve bilgi hakkındaki saf fikirlerimizin, doğanın çoğunu anlamak için tamamen uygun olmadığı açık olmalıdır.

Kuantum yerçekimi için yanıp sönme tamamlanmaktan çok uzak. Eski nesnel uzay-zaman paradigmasının yerini alacak uygun bir konseptimiz olduğunu sanmıyorum. Sicim teorisinin güçlü matematiği çok faydalıdır. Aksi takdirde yalnızca felsefi olarak gerekçelendirilebilecek fikirleri test etmek için bize net bir çerçeve sağlar. Ancak sicim teorisi hala devam eden bir çalışmadır. Temel ilkelerini, gerçekliğin en derin düzeyi mi yoksa yolumuzdaki başka bir zamansal teori mi olduğunu bilmiyoruz. Kara deliğin savaşı bize bazı çok önemli ve beklenmedik dersler verdi, ancak bunlar, görecelik ve kuantum mekaniği tarafından yeniden yapılandırıldıktan sonra bile, gerçekliğin zihinsel modellerimizden ne kadar farklı olduğuna dair yalnızca ipucu veriyor.

Uzay ufukları

Kara deliğin savaşı sona erdi (bu ifade, hala savaşan küçük bir grup insanı kızdırabilir), ancak tamamlandıktan hemen sonra, beklenmedik şeylerin büyük ustası olan doğa, yeni bir numara yaptı. Maldacena'nın keşfini yaptığı sıralarda, fizikçiler (kozmologların önerisiyle) yok olmayacak kadar küçük bir kozmolojik sabite sahip bir dünyada yaşadığımız sonucuna varmaya başladılar. Bu şaşırtıcı derecede küçük temel sabit17, diğer tüm fiziksel sabitlerden çok daha küçüktür, ancak evrenin gelecekteki tarihini büyük ölçüde belirleyen odur.

Karanlık enerji olarak da bilinen kozmolojik sabit, yaklaşık bir asırdır fizikçiler için bir endişe kaynağı olmuştur. 1917'de Einstein, dünyadaki her şeyin birbirini itmesine neden olacak ve olağan çekici yerçekimine karşı koyacak özel bir yerçekimi karşıtı türün olasılığı hakkında spekülasyon yaptı. Bu kesinlikle boş bir spekülasyon değildi; kesin olarak genel göreliliğin matematiğine dayanıyorlardı. Denklemlerinde, Einstein'ın kozmolojik terim dediği ek bir terim için yer vardı. Yeni kuvvetin büyüklüğü, Yunan harfi lambda (L) ile gösterilen, kozmolojik sabit olarak adlandırılan yeni bir temel sabitle orantılıydı. A pozitifse, kozmolojik terim mesafeyle artan bir itme kuvveti üretir, negatif ise, yeni kuvvet çekici olacaktır; A sıfır olduğunda kuvvet yoktur ve kozmolojik terim göz ardı edilebilir.

İlk başta Einstein, L'nin pozitif olması gerektiğini öne sürdü, ancak kısa süre sonra bu fikrin gözünden düştü, bunu en büyük hatası olarak nitelendirdi ve bu ifade geniş çapta bilinir hale geldi. Hayatının geri kalanında tüm denklemlerinde A'yı sıfıra eşitledi. Fizikçilerin çoğu, L'nin neden denklemlerde yer almaması gerektiğini anlamasalar da Einstein ile aynı fikirdeydiler, ancak son on yılda, kozmolojik sabitin küçük bir pozitif değeri lehine ikna edici astronomik argümanlar ortaya çıktı.

Kozmolojik sabit ve onunla bağlantılı tüm gizemler ve paradokslar, Kozmik Manzara kitabımın konusu oldu. Burada sadece en önemli sonuçtan bahsedeceğim: kozmolojik mesafelerde etki eden itme kuvveti, uzayın katlanarak genişlemesine neden olur . Evrenin genişlemesiyle ilgili yeni bir şey yok, ancak kozmolojik sabit olmadan hızı kademeli olarak düşmelidir. Aslında, sonunda dev bir kozmik çöküşe yol açan daralmaya yol açarak tersine bile dönebilir. Aksine, kozmolojik sabit sayesinde, evren yaklaşık olarak her on beş milyar yılda bir iki katına çıkıyor gibi görünmektedir ve tüm göstergeler bunun sonsuza kadar devam edeceği yönündedir.

Genişleyen bir evrende, hatta genişleyen bir balonda, iki nokta arasındaki mesafe ne kadar büyükse, birbirlerinden o kadar hızlı uzaklaşırlar. Mesafe ve hız arasındaki ilişki, herhangi iki noktanın uzaklaşma hızının onları ayıran mesafeyle orantılı olduğunu söyleyen Hubble yasası olarak adlandırılır. Herhangi bir gözlemci, nerede olursa olsun, uzak galaksilerin uzaklaştığını ve hızlarının mesafeleriyle orantılı olduğunu görür.

Böylesine genişleyen bir evrene yeterince uzağa bakarsanız, galaksilerin sizden ışık hızıyla uzaklaştığı bir nokta bulabilirsiniz. Katlanarak genişleyen bir evrenin en şaşırtıcı özelliklerinden biri, o noktaya olan uzaklığın asla değişmemesidir. Görünüşe göre, yaklaşık on beş milyar ışıkyılı uzaklıkta bulunan evrenimizde, nesneler ışık hızıyla bizden uzaklaşıyor, ama daha da önemlisi, bu sonsuza kadar sürecek.

Yeni bir bakış açısıyla da olsa bunda tanıdık bir şeyler var. Bana 2. Bölümdeki iribaş gölünü hatırlatıyor. Belli bir noktada, eğer Alice akıntıyla gidiyorsa, dönüşü olmayan noktayı geçer ve Bob'dan ses hızıyla uzaklaşır. Küresel olarak benzer bir şey oluyor. Baktığımız her yönde, galaksiler geri dönüşü olmayan bir noktadan geçerler ve bunun ötesinde bizden ışıktan daha hızlı uzaklaşırlar. Her birimiz kozmolojik ufukla çevriliyiz - üzerindeki tüm nesnelerin ışık hızıyla bizden uzaklaştığı bir küre - ve ufkun altından bize hiçbir sinyal gelemez. Yıldızlar geri dönülmez noktayı geçtiğinde sonsuza dek yok olurlar. Çok uzakta, yaklaşık on beş milyar ışıkyılı uzaklıkta, kozmolojik ufkumuz galaksileri, yıldızları ve hatta belki de hayatı yutuyor. Sanki her birimiz kendi kişisel, içten dışa kara deliğimizin içinde yaşıyormuşuz gibi.

Uzun zaman önce ufku aşan ve gözlemleyebileceğimiz şeylerle tüm bağlantısını yitiren bizimki gibi dünyalar gerçekten var mı? Daha da kötüsü, evrenin büyük bir kısmı bizim bilgimiz için sonsuza dek erişilemez mi kalacak? Bu, bazı fizikçiler için çok rahatsız edici. Bir şey gözlemlenemezse - ilke olarak gözlemlenemezse - bilimin konusu olamaz diyen felsefi bir konum vardır. Bir hipotezi çürütmenin veya doğrulamanın bir yolu yoksa, o zaman astroloji ve maneviyatla birlikte metafiziksel spekülasyon alanına aittir. Bu standartlara göre, evrenin büyük bir kısmının bilimsel bir gerçekliği olmadığını, sadece bizim hayal gücümüzün bir ürünü olduğunu kabul etmeliyiz.

Ancak evrenin çoğunu saçma diye bir kenara atmak oldukça zordur. Ufkun yakınında galaksilerin inceldiğine veya kaybolduğuna dair hiçbir işaret yok. Astronomik gözlemlere göre her yerdeler; teleskopla görebileceğiniz yer. Böyle bir durumda ne yapmalıyız?

Geçmişte "gözlemlenemeyen" şeylerin bilimsel olmadığı gerekçesiyle reddedildiği durumlar olmuştur. İyi bir örnek, diğer insanların duygularıdır. Bütün bir psikoloji okulu -davranışçılık- bu ilke üzerine inşa edilmiştir; duyguların ve içsel bilinç durumlarının gözlemlenemez olduğu ve bu nedenle bilimsel tartışmalarda asla bahsedilmemesi gerektiği. Davranış psikolojisi, yalnızca deneysel deneklerin gözlemlenen davranışlarını - vücutlarının hareketleri, yüz ifadeleri, sıcaklık, kan basıncı - tam teşekküllü gerçekler olarak tanır. Davranışçılığın yirminci yüzyılın ortalarında büyük bir etkisi oldu, ancak bugün çoğu insan bunu aşırı bir görüş olarak görüyor. Belki de ufkun ötesindeki dünyalara, diğer insanların bizim için erişilemez bir içsel yaşama sahip oldukları gerçeğine davrandığımız gibi davranmalıyız.

Ancak daha iyi bir cevap da mümkündür. Kozmolojik ufukların özellikleri, kara delik ufuklarınınkine çok benziyor. Hızlanan (katlanarak genişleyen) evrenin matematiği, bir nesne kozmolojik ufka yaklaştıkça nasıl yavaşladığını göreceğimizi söylüyor. Uzun bir kablonun ucuna bağlı bir termometreyi kozmolojik ufkun yakınına gönderebilseydik, sıcaklığın ufkun kendisinde yükseldiğini ve sonunda sonsuza ulaştığını görürdük. Bu, uzak gezegenlerdeki tüm insanların kızartılacağı anlamına mı geliyor? Cevap: bir kara deliğin yanından daha fazla ve daha az değil. Akışla birlikte hareket eden gözlemciler için kozmolojik ufku geçmek bir olay değil, yalnızca geri dönüşü olmayan matematiksel bir noktadır. Ancak matematiksel analizle desteklenen kendi gözlemlerimiz, bu gözlemcilerin inanılmaz derecede yüksek sıcaklığa sahip bir bölgeye yaklaştığını söyleyecektir.

Bilgilerinin bitlerine ne olacak? Hawking'in kara deliklerin ışıdığını kanıtlamak için kullandığı aynı argümanlar bize kozmolojik ufkun da ışıdığını söylüyor. Ancak bu durumda, radyasyon dışarıya değil, sanki sıcak yayılan duvarları olan bir odada yaşıyormuşuz gibi içe doğru yönlendirilir. Bizim açımızdan her şey sanki ufka yaklaşan nesneler ısınmış ve fotonlar yaymaya başlamış gibi görünüyor. Kozmolojik tamamlayıcılık ilkesi olabilir mi?

Kozmolojik ufkun içindeki bir gözlemciye ufuk, tüm bilgi parçalarını emen, karıştıran ve sonra geri sektiren "ufuk atomlarından" oluşuyor gibi görünüyor. Kozmolojik ufku geçen serbestçe hareket eden bir gözlemci için bu an bir olay değildir.

Ancak şu anda kozmolojik ufuklar hakkında çok az anlayışımız var. Ufkun ötesindeki nesnelerin anlamı - gerçek olup olmadıkları ve evreni tanımlamamızda oynadıkları rol - kozmoloji için en derin soru olabilir.

Hawking'in mirasına gelince, bu çok büyük. Selefleri, yerçekimi ve kuantum teorisi arasındaki uçurumun er ya da geç aşılacağını biliyorlardı, ancak uzak diyarlara ilk ulaşan ve altınla dönen Bekenstein ve Hawking oldu. Bunu başlatanlar onlardı ve umarım geleceğin bilim tarihçileri bunu fark eder.

Düşen kayalar ve yörüngedeki gezegenler, yerçekiminin neyle ilgili olduğuna dair sadece zayıf ipuçları. Kara delikler sadece aşırı derecede sıkıştırılmış yıldızlar değil, daha ziyade, tüm bitlerin sıralar halinde istiflenmiş gülleler gibi yoğun bir şekilde paketlendiği, ancak yalnızca otuz dört büyüklük sırası daha küçük olduğu nihai bilgi depolarıdır. Tüm kuantum yerçekimi, bunun -yoğun bir şekilde paketlenmiş bilgi ve entropi- etrafında döner.

Ve Hawking kendi sorusuna hatalı bir cevap vermiş olsa da, sorusunun kendisi son zamanların fiziğinin en derin sorularından biriydi. Belki de beyni, bilginin kuantum korunumunu yerçekimi ile uzlaştırmanın derin sonuçlarını kavramak için, üzerine fiziğin yazıldığı esnek de olsa önceden belirlenmiş bir tuval olarak uzay ve zaman fikrine fazla klasik bir şekilde bağlıydı . Ancak sorunun kendisi, fizikte bir sonraki büyük kavramsal devrimin yolunu açabilir. Çok az fizikçi böyle bir iddiada bulunmuştur.

Hiçbir şeyde asla başarısız olmayan kişi, büyük olamaz.

— Herman Melville

fiziğin özü

Karışıklık ve yönelim bozukluğu hüküm sürüyor; nedenler ve sonuçlar arasındaki bağlantı kopar; güven iz bırakmadan kaybolur; tüm eski yasalar yerine getirilmez. Egemen paradigma çöktüğünde olan budur.

Ama sonra yeni planlar ortaya çıkıyor. İlk başta anlam ifade etmiyorlar, ama onlar diyagramlar. Ne yapalım? Bu şemaları alın ve yeni matematik ve hatta gerekirse yeni mantıkla sınıflandırın, ölçün, kodlayın. Eski üretici yazılımını yenisiyle değiştirin ve onu iyi tanıyın. Bu tanıdık, tiksinti değilse de, en azından kaçınılmaz olana bir boyun eğme duygusuna neden olur.

Büyük ihtimalle; Yeni başlayanlar için tamamen hatalı spekülatif resimlerle hala şaşkın kalacağız, gerçek gerçeklik ise anlayışımızdan çok uzak olacak. Eski kartografik terim terra incognita akla geliyor . Ne kadar çok keşfedersek, o kadar az biliyormuşuz gibi görünürüz. Fiziğin özü budur.

sonsöz

2002 yılında Stephen Hawking 60. yaş gününü kutladı. Çok azı böyle bir şeyi umuyordu ve en azından doktorları. Etkinlik büyük bir kutlama olarak kutlandı, gerçekten büyük bir parti vardı, bu yüzden kendimi yine Cambridge'de yüzlerce insanla çevrili buldum - fizikçiler, gazeteciler, rock yıldızları, müzisyenler, Marilyn Monroe'nun ikizi, kolordu bale dansçıları - yanı sıra çok miktarda yiyecek, şarap ve likör. Büyük bir fizik konferansıyla aynı zamana denk gelen devasa bir medya olayıydı. Stephen'ın bilimsel yaşamında herhangi bir fark yaratan herkes, Stephen'ın kendisi de dahil olmak üzere konuşmalar yaptı. İşte konuşmamdan kısa bir alıntı.

Hepimizin bildiği gibi Steven, evrendeki en inatçı ve dolayısıyla çileden çıkaran kişidir. Onunla olan bilimsel ilişkimin bir yüzleşme olarak adlandırılabileceğine inanıyorum. Kara delikler, bilgi ve bunun gibi şeyler hakkındaki derin meselelerde derinden anlaşamıyoruz. Bazen hüsrandan saçımı yolmamı sağladı - ve şimdi sonucu açıkça görüyorsunuz. Sizi temin ederim - yirmi yılı aşkın bir süre önce tartışmaya başladığımızda, kafam tamamen kıllıydı.

O anda, Stephen'ı o muzip gülümsemesiyle koridorun arkasında gördüm ve devam ettim.

Ayrıca tanıdığım tüm fizikçiler arasında benim ve düşünce tarzım üzerinde en büyük etkiye sahip olduğunu söyleyebilirim. 1983'ten beri düşündüğüm hemen hemen her şey, bir kara deliğe düşen bilginin kaderi hakkındaki en derin sorusuna şu ya da bu şekilde cevap verdi. Cevabının yanlış olduğuna kesinlikle inanmama rağmen, Stephen'ın sorusunun kendisi, ikna edici bir cevap talebiyle birleştiğinde, bizi fiziğin temellerini yeniden düşünmeye zorladı. Sonuç, bugün şekillenmekte olan tamamen yeni bir paradigmaydı. Burada Stephen'ın muazzam katkısını ve özellikle de parlak inatçılığını takdir edebildiğim için derinden onur duyuyorum.

Burada her kelimeyi düşündüm.

Sadece üç performansı daha hatırlıyorum. Bunlardan ikisi Roger Penrose'a ait. Roger'ın neden iki kez performans gösterdiğini hatırlamıyorum ama öyle oldu. İlk kez, bir kara delik buharlaştığında bilginin kaybolması gerektiğini savundu. Argümanlar, Stephen'ın yirmi altı yıl önce verdiği argümanlarla aynıydı ve Roger, kendisinin ve Stephen'ın bunlara hâlâ inandıklarını doğruladı. Şaşırdım: bildiğim kadarıyla (ve en son bilimsel sonuçları takip eden herkes), Maldacena'nın matris teorisi ve Strominger ile Vafa'nın entropi hesaplamaları bu konuya son verdi.

Ancak ikinci konuşmasında Roger, holografik ilkenin ve Maldacena'nın çalışmasının bir takım yanlış anlaşılmalara dayandığını belirtti. Basitçe ifade edersek, "Daha fazla boyutun fiziğinin daha az boyuttaki bir teori ile açıklanması nasıl mümkün olabilir?" Bunun hakkında yeterince düşünmediğini düşündüm. Roger ve ben kırk yıldır arkadaştık ve onu bir asi olarak tanıyordum, her zaman geleneksel sağduyuya karşı isyan ediyordu. Bu yüzden muhalefete girmesi beni şaşırtmamalı.

Ayrıca Steven'ın konuşmasını da hatırlıyorum, söyledikleri yüzünden değil, söylemedikleri yüzünden. Kariyerinin ana başarılarını kısaca hatırladı - kozmoloji, Hawking radyasyonu, harika çizgi romanlar, ancak bilgi kaybından tek kelimeyle bahsetmedi. Belki de tereddüt etmeye başladı? Sanirim oyle.

Daha sonra 2004 yılında bir basın toplantısında Hawking fikrini değiştirdiğini açıkladı. Stephen, en son araştırmasının sonunda kendi paradoksunun çözümüne yol açtığını söyledi: Görünüşe göre, bilgi kara deliklerden sızıyor ve buharlaşma yoluyla götürülüyor. Stephen'a göre, bu mekanizma bir şekilde sürekli olarak gözden kaçıyor, ancak sonunda bunu fark etti ve yeni bulgularını Dublin'de yapılacak bir konferansta bildirecek. Medya tam anlamıyla hazır hale geldi ve nefesini tutarak konferansı bekledi.

Gazeteler ayrıca Stephen'ın John Preskill'le (Santa Barbara'da beni korkutan) bahse gireceğini bildirdi.

Kuantum yerçekimi tahmin edilebilir mi?

Don Page, Stephen Hawking'e kuantum kozmik sansürün gözlemlendiğine, yani eksiksiz, asimptotik olarak düz bir hiper yüzey üzerinde tamamen sıradan alan konfigürasyonlarından inşa edilen saf bir başlangıç durumunun benzersiz bir S-matrisiyle tanımlanacağına bahse girer. fizik yasalarına göre, eksiksiz, asimptotik olarak düz bir hiper yüzey üzerinde tamamen sıradan alan konfigürasyonlarından inşa edilen saf bir son duruma doğru gelişir.

Stephen Hawking, kuantum yerçekiminde böylesine saf bir başlangıç durumunun evriminin genellikle yalnızca karışık bir son durum için bir $-matrisiyle ve saf bir son durum için her zaman bir S-matrisiyle tanımlanamayacağı konusunda Don Page'e karşı 1,00 $ bahse girer.

Don N.Sayfa

"Doların zayıflaması nedeniyle vazgeçiyorum"

Stephen Hawking 23 Nisan 2007

dahiyane düşünce deneyi ile). 1997'de John ve Stephen, bilginin karadeliklerden çıktığına bahse girdiler. Bahis bir beyzbol ansiklopedisiydi.

Daha yakın bir zamanda, Don Page'in 1980'de Stephen'la benzer bir iddiaya girdiğini öğrendim. Don'un Santa Barbara'daki raporundan şüphelendiğim gibi, Steven'ın iddiasına uzun süredir şüpheyle yaklaşıyordu. 23 Nisan 2007'de, bu paragrafın yazılmasından iki gün önce, Stephen resmen teslim oldu. Don bana orijinal sözleşmenin bir kopyasını gönderecek kadar nazikti - bir ABD dolarına karşı bir İngiliz sterlini bahsi - yenilgiyi onaylayan Stephen'ın imzasıyla. Sondaki karanlık nokta Steven'ın parmak izi.

Hottr ІА/ ÜJ№İİİ№

Stephen dersinde ne dedi? Bilmiyorum, orada değildim. Ancak birkaç ay sonra yazılan bir yazı bazı ayrıntılar veriyordu. Birkaç tane vardı: paradoksun kısa bir tarihi, Maldacena'nın bazı argümanlarının sözlü bir sunumu ve herkesin başından beri nasıl haklı olduğuna dair acı verici bir son açıklama.

Ama herkes yanılmıştı.

mv

J?efej ЗЭтѵ fі.00

See-hwv

f^ı, LM"

Pl. "T

La.cl/ ~lh

V"

<1 '<ben

a #-lshyl "s- 'Zd- a lpshâwss^ oW lyўі yvlto^l.. an S-^ruitai#- İh- a 7 li.oa.|yѵAlYL.

-Rep N d G{

'\ccxvcede. onların lu>pr

c\- v v £öxoe.^s Ke '

Son yıllarda, bilimsel tartışmalar kisvesi altında çok tartışmalı bir dizi konu sunuldu, ancak gerçekte bunlar siyasi savaşlardı. Bu, akıllı tasarım hakkındaki tartışmadır; ve küresel ısınmanın gerçekten olup olmadığı ve eğer öyleyse antropojenik olup olmadığı; ve pahalı bir füze savunma sisteminin faydaları; ve hatta sicim teorisi. Neyse ki, tüm bilimsel tartışmalar polemiğe dönüşmez. Zaman zaman önemli konularda gerçek bir muhakeme farklılığı oluyor ve bu yeni keşiflere ve hatta paradigma kaymalarına yol açıyor. Kara Delik Savaşı, hiçbir zaman tartışmaya dönüşmemiş bir tartışma örneğidir; çelişen bilimsel ilkeler hakkındaki gerçek fikir ayrılıklarıyla ilgiliydi. Bilginin kara deliklerde kaybolup kaybolmadığı sorusu ilk başta elbette tartışmalı olsa da, bu konudaki bilimsel anlayış artık büyük ölçüde yeni bir paradigma etrafında toplanmıştır. Ancak savaş bitmiş olsa da, bu önemli dersleri tam olarak öğrendiğimizden şüpheliyim. Sicim teorisiyle ilgili en büyük sorun, onu gerçek dünyaya nasıl uygulayacağımızdır. Holografik ilke, Maldacen'in anti-desitter uzay teorisi tarafından canlı bir şekilde doğrulanmıştır. Kozmolojik ufukları ve köpüren cep evrenleriyle daha çok de Sitter uzayına benzeyen genişleyen bir evrende yaşıyoruz. Bugün kimse sicim teorisini, holografik prensibi ve kara delik ufukları hakkındaki diğer bilgilerimizi kozmolojik ufuklara nasıl uygulayacağını bilmiyor, ancak muhtemelen aralarında çok derin ilişkiler var. Şahsen, bu bağlantıların birçok kozmolojik gizemin merkezinde olduğunu düşünüyorum. Umarım bir gün her şeyin nihayetinde nasıl çalıştığını açıklayan başka bir kitap yazarım, ama bunun çok yakında olacağını sanmıyorum.

Claudio Teitelboim, Gerard 't Hoof, yazar, John Uhler ve François Engler, Valparaiso, 1994

Steven ve kitap yazarı, Valdivia, Şili, 2008

Sözlük

Bir D-zarı, temel dizilerin üzerinde sonlanabileceği uzay-zamandaki bir yüzeydir.

RHIC - Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısı; ağır çekirdekleri neredeyse ışık hızına çıkaran ve çok sıcak nükleer madde kümeleri oluşturmak için onları bir araya getiren bir hızlandırıcı.

S-matris, parçacıkların çarpışmasının matematiksel bir açıklamasıdır; S-matrisi, tüm olası başlangıç durumlarının ve tüm olası sonuçlar için olasılık genliklerinin bir listesidir.

hadronlar - atom çekirdeği ile yakından ilişkili parçacıklar: nükleonlar, mezonlar ve yapışkan toplar; hadronlar kuark ve gluonlardan oluşur.

antidesntter alanı - küresel bir kutuya benzeyen, sabit negatif eğriliğe sahip uzay-zaman.

beyaz cüce, düşük kütleli bir yıldızın evrimindeki son aşamadır: güneşe veya biraz daha fazlasına kadar.

bit bilginin temel birimidir.

Brown hareketi - suya yerleştirilen polen parçacıklarının kaotik hareketi; termal harekette su moleküllerinin sürekli bombardımanından kaynaklanır.

Termodinamiğin ikinci yasası artan entropi yasasıdır.

Viskozite, birbirlerine göre hareket ederken sıvı katmanları arasındaki sürtünmedir.

Gama ışınları en kısa ve en enerjik elektromanyetik dalgalardır.

jeodezik - kavisli bir alanda düz bir çizgiye en iyi yaklaşım; noktalar arasındaki en kısa yol.

Hertz, saniyedeki titreşim sayısını ölçmek için kullanılan bir frekans birimidir.

kör delik - akış hızının, deliğin yakınında (sudaki) ses hızını aştığı bir lağım deliği.

yapışkan top - kuarklar olmadan yalnızca gluonlardan oluşan bir hadron; Tutkal topları kapalı iplerdir.

gluonlar, kuarkları bağlayan diziler halinde birleşen parçacıklardır.

hologram - üç boyutlu bilginin iki boyutlu gösterimi; üç boyutlu bir görüntünün yeniden oluşturulabileceği bir fotoğraf türü.

holografik ilke - tüm bilgilerin bir uzay bölgesinin sınırında yer aldığı ilkesi.

Ufuk, içinde hiçbir şeyin bir kara deliğin tekilliğinden kaçamayacağı bir yüzeydir.

sınır teorisi - bölgenin içindeki her şeyi tanımlayan, bir uzay bölgesinin sınırı hakkında matematiksel bir teori.

grock - derinden sezgisel bir düzeyde bir şeyi anlamak, bir şeyi "içten hissetme" yeteneği.

determinizm - geleceğin tamamen bugün tarafından belirlendiğini belirten klasik fizik ilkesi; kuantum mekaniği tarafından zayıflatıldı.

gömme diyagramı - uzay-zaman sürekliliğini ince katmanlara "keserek" oluşturulmuş, belirli bir anda uzay-zamanın bir temsili.

Dalga boyu , tepeden tepeye bir dalganın bir tam periyodu başına olan mesafedir.

dolar matrisi - Hawking'in S matrisini değiştirme girişimi.

kara deliklerin tamamlayıcılığı - Bohr'un kara deliklere uygulanan tamamlayıcılık ilkesi.

kapalı bir ip, kauçuk bir halka gibi sonu olmayan bir iptir.

IR - kızılötesi; genellikle büyük boyutları belirtmek için kullanılır.

Girişim, iki ayrı kaynaktan gelen dalgaların belirli konumlarda birbirini yok ettiği veya güçlendirdiği bir dalga olgusudur.

bilgi - bir durumu diğerinden ayıran veriler; bit cinsinden ölçülür.

kızılötesi radyasyon - görünür ışığınkinden biraz daha uzun bir dalga boyuna sahip elektromanyetik dalgalar. *

kuantum yerçekimi - kuantum mekaniğini Einstein'ın görelilik teorisi, yerçekiminin kuantum teorisi ile birleştiren bir teori; şu anda teori henüz tamamlanmadı.

kuantum alan teorisi - maddenin parçacık ve dalga özelliklerini birleştiren matematiksel bir teori; temel parçacık fiziğinin temeli.

kuantum renk dinamiği, kuarkları ve gluonları ve bunların hadronları nasıl oluşturduklarını açıklayan bir kuantum alan teorisidir.

klasik fizik - kuantum mekaniğini hesaba katmayan fizik; terim genellikle deterministik fizik anlamına gelir.

corspuscules, farazi ışık parçacıkları için Newtoncu bir terimdir.

eğrilik - uzay-zamanın deformasyonu.

QCD - Kuantum Kromodinamiği.

QCD dizileri, kuarkları hadronlara bağlayan gluonlardan oluşan dizilerdir.

manyetik alan - mıknatısları ve elektrik akımlarını çevreleyen kuvvet alanı.

Mikrodalgalar, radyo dalgalarından biraz daha kısa olan elektromanyetik dalgalardır.

dünya çizgisi, bir parçacığın uzay-zamandaki yörüngesidir.

nötron yıldızı - bir beyaz cüce oluşturamayacak kadar büyük, ancak bir kara deliğe çökecek kadar büyük olmayan bir yıldızın son hali.

nükleon - proton veya nötron.

sıfır salınım - bir kuantum sisteminin belirsizlik ilkesi nedeniyle ortadan kaldırılamayan sürekli hareketleri; kuantum seğirmesi olarak da adlandırılır .

genel görelilik - Einstein'ın uzay-zamanın eğriliği fikrine dayanan yerçekimi teorisi.

eşzamanlılık - olayların aynı anda meydana gelmesi. Özel göreliliğin ortaya çıkmasından bu yana, eşzamanlılık artık nesnel bir fenomen olarak kabul edilmiyor, temel durum, mümkün olan en düşük enerjiye sahip bir kuantum sisteminin durumudur; genellikle mutlak sıfır sıcaklığı ile tanımlanır.

Bir osilatör, periyodik dalgalanmalara maruz kalan herhangi bir sistemdir.

açık dize - iki uçlu bir dize; lastik halka kapalı bir iptir, ancak makasla keserseniz açık bir ip elde edersiniz.

Termodinamiğin birinci yasası enerjinin korunumu yasasıdır.

nlankovskaya uzunluğu - üç temel sabit c, h ve G'nin bire eşit olduğu birimler sisteminde bir uzunluk birimi ; genellikle en küçük anlamlı uzunluk olarak kabul edilir, ІО" 33 santimetre.

Planck kütlesi, Planck birim sisteminde bir kütle birimidir; IO' 8 kilogram.

Planck zamanı, Planck birimler sisteminde bir zaman birimidir; IO - 42 saniye.

Newton sabiti, Newton'un evrensel çekim yasasındaki sayısal sabit G'dir; C sisteminin birimlerinde G \u003d 6,7 X IO' 11 .

Planck sabiti, kuantum fenomenini yöneten sayısal bir sabit hf'dir .

gelgit kuvvetleri - uzayın farklı yerlerinde yerçekimi kuvvetindeki bir değişiklikle ilişkili deforme edici kuvvetler.

kuantum kopyalanamazlık ilkesi - kuantum bilgisini ideal olarak kopyalayan bir makine yaratma olasılığını dışlayan bir kuantum mekaniği teoremi; başka bir isim: klonlanamazlık ilkesi.

Heisenberg Belirsizlik İlkesi, konum ve hızı aynı anda belirleme yeteneğini sınırlayan bir kuantum mekaniği ilkesidir.

denklik ilkesi - Einstein'ın yerçekiminin ivmeden ayırt edilemeyeceğini belirten ilkesi, örneğin bir asansörde.

Radyo dalgaları en uzun elektromanyetik dalgalardır.

X-ışınları, dalga boyu ultraviyole radyasyondan daha az, ancak gama radyasyonundan daha uzun olan elektromanyetik dalgalardır.

tekillik, bir kara deliğin merkezinde, gelgit kuvvetlerinin sonsuz hale geldiği, sonsuz derecede yoğun bir noktadır.

ışık hızı, ışığın boşlukta hareket ettiği hızdır; c harfi ile gösterilir ve saniyede yaklaşık 300 bin kilometredir.

kaçış hızı - bir merminin büyük bir nesnenin yerçekiminden kaçabileceği minimum hız.

uygun zaman - hareket eden saatlerle ölçülen zaman; bir dünya çizgisi için uzunluk ölçüsü.

bir olay uzay-zamandaki bir noktadır.

özel görelilik - Einstein'ın ışık hızı paradokslarıyla ilgili 1905 teorisi; teori, zamanın dördüncü boyut olduğunu söylüyor.

karanlık yıldız, ışığın ondan kaçamayacağı kadar ağır ve yoğun bir yıldızdır; bugün kara delik denir .

sıcaklık, bir bitlik entropi eklendiğinde sistemin enerjisindeki artışın bir ölçüsüdür.

sicim teorisi, temel parçacıkların mikroskobik tek boyutlu enerji dizileri olduğu matematiksel bir teoridir; kuantum yerçekimi rolü için aday.

dönüşü olmayan nokta, bir kara deliğin ufku için bir benzetmedir.

tünelleme, klasik olarak bunu yapmak için yeterli enerjiye sahip olmamasına rağmen parçacıkların bir engeli aşmasına izin veren kuantum mekaniksel bir olgudur.

ultraviyole radyasyon - uzunluğu görünür ışığınkinden biraz daha kısa olan elektromanyetik dalgalar.

UV, ultraviyole; genellikle küçük boyutları belirtmek için kullanılır.

Fotonlar, ışığın bölünmez kuantumlarıdır (parçacıkları).

temel sicimler - gravitonlar gibi temel parçacıkları oluşturan küçük esnek enerji iplikleri; temel sicimlerin Planck uzunluğundan yalnızca biraz daha büyük olduğu varsayılır.

Hawking sıcaklığı bir kara deliğin sıcaklığıdır.

Hawking radyasyonu, bir kara deliğin yaydığı kara cisim radyasyonudur.

Kara delik o kadar büyük ve yoğun bir nesnedir ki, çekiciliğinden kaçmak imkansızdır.

Kara cisim radyasyonu, yansıtmayan bir cismin kendi ısısından dolayı yaydığı elektromanyetik radyasyondur.

Schwarzschild yarıçapı, kara deliğin ufkunun yarıçapıdır.

Aşırı bir kara delik, belirli bir yük için mümkün olan en küçük kütleye sahip elektrik yüklü bir kara deliktir.

elektrik alanı - elektrik yüklerini çevreleyen kuvvet alanı.

elektromanyetik dalgalar - salınan elektrik ve manyetik alanlardan oluşan uzayın dalga benzeri bozulmaları; ışık ve elektromanyetik dalgalar.

entropi gizli bilginin bir ölçüsüdür; genellikle bilgi, izlenemeyecek kadar küçük ve çok sayıda nesnede depolanır.

Leonard Susskind

Kara Delik Savaşı. Kuantum mekaniği için güvenli bir dünya için Stephen Hawking ile savaşım

A. Sergeev tarafından İngilizce'den çevrilmiştir.

KARA DELİKTE SAVAŞ

Bu kitap, fiziğin en ileri noktasında henüz sona eren savaşların canlı, duygusal açıdan zengin ve popüler bir tarihidir.

Bir nesne kara deliğe düştüğünde ne olur? İz bırakmadan kayboluyor mu? Yaklaşık otuz yıl önce, kara delik fenomeninin önde gelen araştırmacılarından biri olan, şimdilerde ünlü olan İngiliz fizikçi Stephen Hawking, olanın tam olarak bu olduğunu belirtmişti. Ancak böyle bir cevabın fizik ve evrenin temel yasaları hakkında bildiğimiz her şeyi tehdit ettiği ortaya çıktı.

Bu kitabın yazarı, seçkin Amerikalı fizikçi Leonard Susskind, Stephen Hawking ile kara deliklerin doğası hakkında uzun yıllar tartıştı, ta ki sonunda 2004'te hatasını kabul edene kadar.

Zekice ve okuması son derece kolay olan bu kitap, fizikçilerin gerçekliğin doğasına bakışını kökten değiştiren bu onlarca yıllık bilimsel tartışmanın ilgi çekici öyküsünü anlatıyor. Yeni paradigma, dünyamızdaki her şeyin - bu kitap, eviniz, kendiniz - evrenin kenarlarından yansıtılan bir tür hologram olduğu şeklindeki çarpıcı sonuca götürdü.

* Bir nanometre, metrenin milyarda biri veya ІО* 9 m'dir.

Not: Bazen Büyük Dosyaları tarayıcı açmayabilir...İndirerek okumaya Çalışınız.

Benzer Yazılar