Savorinen vs. Einstein

Päätit sitten alkaa taas massapostittamaan uusia höpöavauksia poliittiselle alustalle! Tosi älykästä toimintaa heh heh, hei sinä huomionhakuinen laajeneva kalakukkomiäs.

Lyhyt vastaus missä ei käsitellä juuri lainkaan esim. avaruuden kvanttiominaisuuksia. Mikä on yhtä tärkeä, ellei tärkeämpi, kuin käsite avaruus ”tilana”.

FYSIIKKA
Mikä on avaruus tutkimusten mukaan?
Se ei ole sitä mitä luulet!

JORGE CHAM & DANIEL WHITESON
16. Kesäkuuta 2017

Pyydä ryhmä fyysikoita ja filosofeja määrittelemään ”avaruus” ja jäät todennäköisesti jumiin pitkään keskusteluun, joka sisältää syvältä kuulostavia mutta merkityksettömiä sanayhdistelmiä, kuten ”avaruus-ajan kudos itsessään on kvanttientropiakäsitteiden fyysinen ilmentymä sijainnin universaali luonne kutoo yhteen.” Tarkemmin ajateltuna, ehkä sinun pitäisi välttää syvällisten keskustelujen aloittamista filosofien ja fyysikkojen välillä.

Onko avaruus vain ääretön tyhjyys, joka on kaiken taustalla? Vai onko se tyhjyyttä asioiden välillä ? Entä jos avaruus ei ole kumpaakaan näistä, vaan se on fyysinen asia, joka voi hiihtää ympäriinsä, kuten kylpyamme täynnä vettä?

Osoittautuu, että itse avaruuden luonne on yksi maailmankaikkeuden suurimmista ja kummallisimmista mysteereistä. Joten valmistaudu, koska asiat ovat pian… avaruutta.

Avaruus, se on asia

Kuten monet syvät kysymykset, kysymys siitä, mitä avaruus on, kuulostaa aluksi yksinkertaiselta. Mutta jos haastat intuitiosi ja tutkit kysymystä uudelleen, huomaat, että selkeää vastausta on vaikea löytää.

Useimmat ihmiset kuvittelevat avaruuden olevan vain tyhjyyttä, jossa asiat tapahtuvat, kuten iso tyhjä varasto tai teatterilava, jolla maailmankaikkeuden tapahtumat leikkivät. Tässä näkemyksessä tila on kirjaimellisesti tavaroiden puute . Se on tyhjiö, joka odottaa täyttämistä, kuten ”Säästän tilaa jälkiruokaa varten” tai ”Löysin loistavan parkkipaikan”.

Jos noudatat tätä käsitettä, avaruus on jotain, joka voi olla olemassa itsestään ilman sitä täyttävää ainetta. Jos esimerkiksi kuvittelet, että universumissa on rajallinen määrä ainetta, voit kuvitella matkustavasi niin pitkälle, että saavutat pisteen, jonka jälkeen ei ole enää tavaraa ja kaikki maailmankaikkeuden aine on takanasi. 1 Sinulla on edessäsi puhdas tyhjä avaruus, ja sen jälkeen avaruus saattaa ulottua äärettömyyteen. Tässä näkemyksessä avaruus on tyhjyyttä, joka ulottuu ikuisesti.

Voisiko sellaista olla olemassa?

Tämä kuva avaruudesta on kohtuullinen ja näyttää sopivan kokemukseemme. Mutta yksi historian opetus on, että aina kun ajattelemme, että jokin on ilmeisen totta (esim. maapallo on litteä tai paljon Girl Scout -keksejä on hyvä syödä), meidän tulee olla skeptisiä ja ottaa askel taaksepäin tutkiaksemme sitä huolellisesti. Lisäksi meidän pitäisi harkita radikaalisti erilaisia ​​selityksiä, jotka myös kuvaavat samaa kokemusta. Ehkä on teorioita, joita emme ole ajatelleet. Tai ehkä on olemassa teorioita, joissa kokemuksemme maailmankaikkeudesta on vain yksi outo esimerkki. Joskus vaikea osa on tunnistaa olettamuksemme, varsinkin kun ne vaikuttavat luonnollisilta ja yksinkertaisilta.

Tässä tapauksessa on muitakin järkevältä kuulostavia ideoita siitä, mikä tila voisi olla. Entä jos avaruus ei voi olla olemassa ilman ainetta – entä jos se ei ole muuta kuin aineen välinen suhde ? Tässä näkemyksessä ei voi olla puhdasta ”tyhjää tilaa”, koska ajatus mistään avaruudesta ylipäänsä viimeisen aineenpalan ulkopuolella ei ole järkevää. Et esimerkiksi voi mitata kahden hiukkasen välistä etäisyyttä, jos sinulla ei ole hiukkasia. ”Avaruuden” käsite päättyisi, kun sen määrittelemiseksi ei ole enää ainehiukkasia. Mitä sen lisäksi olisi? Ei tyhjää tilaa.

Se on melko outo ja ristiriitainen tapa ajatella tilaa, varsinkin kun emme ole koskaan kokeneet ei-avaruuden käsitettä. Mutta outo ei koskaan estänyt fysiikkaa, joten ole avoin.

Mikä tila on paikka?

Mikä näistä ideoista avaruudesta on oikea? Onko avaruus kuin ääretön tyhjyys, joka odottaa täyttymistä? Vai onko se olemassa vain aineen kontekstissa?

Osoittautuu, että olemme melko varmoja siitä, että avaruus ei ole kumpaakaan näistä asioista. Avaruus ei todellakaan ole tyhjä tyhjyys, eikä se todellakaan ole vain aineen välinen suhde. Tiedämme tämän, koska olemme nähneet avaruuden tekevän asioita, jotka eivät sovi kumpaankaan näistä ideoista. Olemme havainneet avaruuden taipumista ja aaltoilua ja laajenemista .

Tämä on se osa, jossa aivosi menevät: ”Whaaaaat…?”

Jos olet tarkkaavainen, sinun pitäisi olla hieman hämmentynyt, kun luet lauseita ”tilan taipuminen” ja ”tilan laajentaminen”. Mitä se mahtaa tarkoittaa? Mitä järkeä siinä on? Jos tila on idea, sitä ei voi taivuttaa tai laajentaa sen enempää kuin pilkkoa kuutioiksi ja paistaa korianterilla. 2 Jos avaruus on viivaimemme tavaroiden sijainnin mittaamiseen, miten mittaat tilan taipumista tai laajenemista?

Hyviä kysymyksiä! Syy, miksi tämä ajatus tilan taipumisesta on niin hämmentävä, on se, että useimmat meistä kasvavat mielikuvan kanssa avaruudesta näkymättömänä taustana, jossa asiat tapahtuvat. Ehkä kuvittelet tilan olevan kuin aiemmin mainitsemamme teatterilava, jossa on lattiana kovat puiset lankut ja jäykät seinät joka puolella. Ja ehkä kuvittelet, että mikään maailmankaikkeudessa ei voisi taivuttaa sitä tasoa, koska tämä abstrakti kehys ei ole osa maailmankaikkeutta, vaan jotain, joka sisältää universumin.

Valitettavasti siinä mielikuvasi menee pieleen. Yleisen suhteellisuusteorian ymmärtämiseksi ja nykyaikaisten avaruusideoiden pohtimiseksi sinun on luovuttava ajatuksesta avaruudesta abstraktina näyttämönä ja hyväksyttävä, että se on fyysinen asia . Sinun täytyy kuvitella, että avaruudella on ominaisuuksia ja käyttäytymistä ja että se reagoi universumin aineeseen. Voit nipistää tilaa, puristaa sitä ja kyllä, jopa täyttää sen korianterilla.

Tässä vaiheessa aivosi saattavat kuulostaa ” mitä #@#$?!?! ”järjettömiä hälytyksiä. Se on täysin ymmärrettävää. Valmistaudu kestämään meitä, sillä todellinen hulluus on vielä edessä. Tyhmät hälytyksesi ovat lopussa, kun olemme valmiit. Mutta meidän on purettava nämä käsitteet huolellisesti, jotta ymmärrämme täällä olevat ideat ja arvostamme todella outoja ja perusmysteereitä avaruudesta, jotka jäävät vastaamatta.

Space Goo, sinä uit siinä

Kuinka avaruus voi olla fyysinen asia, joka väreilee ja taipuu, ja mitä se tarkoittaa?

Se tarkoittaa, että sen sijaan, että tila olisi kuin tyhjä huone (todella iso huone), se on enemmän kuin valtava möykky paksua tahraa. Tavallisesti asiat voivat liikkua pölyssä ilman ongelmia, aivan kuten voimme liikkua ilmaa täynnä olevassa huoneessa huomaamatta kaikkia ilmahiukkasia. Mutta tietyissä olosuhteissa se voi taipua ja muuttaa tapaa, jolla asiat etenevät sen läpi. Se voi myös puristaa ja tehdä aaltoja, mikä muuttaa sisällään olevien esineiden muotoa.

Tämä goo (kutsumme sitä ”space goo”) ei ole täydellinen analogia avaruuden luonteelle, mutta se on analogia, joka auttaa sinua kuvittelemaan, että tila, jossa istut tällä hetkellä, ei välttämättä ole kiinteä ja abstrakti . 4 Sen sijaan istut jossain konkreettisessa asiassa , ja se voi venyä tai heilua tai vääristyä tavoilla, joita et ehkä huomaa.

Ehkä avaruuden aaltoilu vain kulki läpi. Tai ehkä meitä venytetään outoon suuntaan tällä hetkellä, emmekä edes tiedä sitä. Itse asiassa emme edes huomanneet vasta äskettäin, että äijä teki muuta kuin istui siellä, ei höpöttänyt minnekään, minkä vuoksi sekoitimme sen tyhjyyteen.

Joten mitä tämä avaruus voi tehdä? Osoittautuu, että se voi tehdä paljon outoja asioita.

Ensinnäkin tila voi laajentua. Mietitään hetki tarkkaan, mitä tilan laajentuminen tarkoittaa. Tämä tarkoittaa, että asiat menevät kauemmaksi toisistaan ilman, että ne todellisuudessa etenevät . Analogiamme mukaan kuvittele, että istut siimeksessä, ja yhtäkkiä se alkoi kasvaa ja laajentua. Jos istuisit toista henkilöä vastapäätä, tämä henkilö olisi nyt kauempana sinusta ilman, että kumpikaan teistä olisi siirtynyt siivoojaan nähden.

Mistä voisimme tietää, että se on laajentunut? Eikö viivaimen mittaamiseen käytämme myös laajenemista? On totta, että viivaimen kaikkien atomien välinen tila laajenee ja vetäisi ne erilleen. Ja jos viivaimemme olisi valmistettu erityisen pehmeästä taffista, se myös laajenee. Mutta jos käytät jäykkää viivainta, kaikki sen atomit pitäisivät tiukasti kiinni toisistaan ​​(sähkömagneettisilla voimilla), ja viivain pysyisi samanpituisena, jolloin voit huomata, että tilaa syntyi.

Ja tiedämme, että avaruus voi laajentua, koska olemme nähneet sen laajenevan – näin pimeä energia löydettiin. Tiedämme, että varhaisessa universumissa avaruus laajeni ja venyi järkyttävää vauhtia ja että samanlaista laajenemista tapahtuu edelleen.

Tiedämme myös, että tila voi taipua . Goomme voidaan puristaa ja vääntyä aivan kuten taffy-purkki. Tiedämme tämän, koska Einsteinin yleisessä suhteellisuusteoriassa painovoima on sitä: avaruuden taipumista. Kun jollain on massaa, se saa sen ympärillä olevan tilan vääristämään ja muuttamaan muotoaan.

Kun avaruus muuttaa muotoaan, asiat eivät enää kulje sen läpi niin kuin voisit ensin kuvitella. Sen sijaan, että liikkuisi suorassa linjassa, pesäpallo, joka kulkee taipuneen tahran läpi, kaartuu sen mukana. Jos jokin raskas, kuten keilapallo, vääristää liimaa pahasti, pesäpallo saattaa jopa liikkua silmukassa sen ympärillä – samalla tavalla kuin kuu kiertää Maata tai Maa kiertää aurinkoa.

Ja tämä on jotain, jonka voimme todella nähdä paljain silmin! Valo esimerkiksi taittaa polkuaan, kun se kulkee massiivisten esineiden, kuten aurinkomme tai jättiläismäisten pimeän aineen tilkkujen läheltä. Jos painovoima olisi vain massaa omaavien kappaleiden välinen voima – eikä avaruuden taipuminen – niin sen ei pitäisi pystyä vetäämään fotoneja, joilla ei ole massaa. Ainoa tapa selittää, kuinka valon polkua voidaan taivuttaa, on se, että itse tila taipuu.

Lopuksi tiedämme, että avaruus voi väreillä. Tämä ei ole liian kaukaa haettua, koska tiedämme, että tila voi venyä ja taipua. Mutta mielenkiintoista on se, että venytys ja taivutus voivat levitä avaruudessamme; tätä kutsutaan gravitaatioaaltoksi. Jos aiheutat äkillisen tilan vääristymän, se särö säteilee ulospäin kuten ääniaalto tai aaltoilu nesteen sisällä. Tällainen käyttäytyminen voi tapahtua vain, jos avaruudella on tietty fyysinen luonne, eikä se ole vain abstrakti käsite tai puhdas tyhjyys.

Tiedämme, että tämä aaltoilu on todellista, koska (a) yleinen suhteellisuusteoria ennustaa nämä aaltoilut ja (b) olemme todella aistineet nämä aaltoilut. Jossain universumissa kaksi massiivista mustaa aukkoa lukittui kiihkeästi toistensa ympärille, ja pyöriessään ne aiheuttivat valtavia vääristymiä avaruudessa, jotka säteilivät ulospäin avaruuteen. Havaitsimme avaruusvärähtelyt täällä maan päällä käyttämällä erittäin herkkiä laitteita.

Voit ajatella näitä väreitä tilan venymisen ja tiivistymisen aaltoina. Itse asiassa, kun avaruusaalto kulkee läpi, tila kutistuu yhteen suuntaan ja laajenee toiseen suuntaan.

Tämä kuulostaa naurettavalta. Oletko varma?

Niin hullulta kuin se kuulostaakin, että avaruus on asia eikä pelkkä tyhjyys, tämän kokemuksemme maailmankaikkeudesta kertoo meille. Kokeelliset havainnot osoittavat melko selväksi, että avaruudessa olevien esineiden välistä etäisyyttä ei mitata näkymättömällä abstraktilla taustalla, vaan se riippuu sen avaruuden ominaisuuksista, jossa me kaikki elämme, syömme keksejä ja pilkkomme korianteria.

Mutta vaikka avaruuden ajatteleminen dynaamisena asiana, jolla on fyysisiä ominaisuuksia ja käyttäytymistä, saattaa selittää outoja ilmiöitä, kuten tilan taipumista ja venymistä, se johtaa vain lisää kysymyksiin.

Saatat esimerkiksi tuntea houkutusta sanoa, että sitä, mitä kutsuimme avaruudeksi, pitäisi nyt kutsua fysiikan gooksi (”phgoo”), mutta että tämän goon on oltava jossakin , jota voisimme nyt kutsua taas avaruudeksi. Se olisi fiksua, mutta tietääksemme (mikä tähän mennessä ei ole kovin kaukana), sen ei tarvitse olla missään muussa. Kun se taipuu ja kaareutuu, tämä on luontaista taipumista , joka muuttaa tilan osien välisiä suhteita, ei taivutusta suhteessa johonkin suurempaan huoneeseen, jonka se täyttää.

Mutta se, että meidän avaruuteen ei tarvitse istua jonkin muun sisällä, ei tarkoita, etteikö se istuisi jossain muussa. Ehkä se, mitä kutsumme avaruudelle, istuu itse asiassa jossain suuremmassa ”superavaruudessa”. Ja ehkä tuo superavaruus on kuin ääretön tyhjyys, mutta meillä ei ole aavistustakaan.

Onko mahdollista saada osia maailmankaikkeudesta ilman avaruutta? Toisin sanoen, jos avaruus on goo, onko mahdollista, että siellä on ei-goo tai sen puuttuminen? Näiden käsitteiden merkitys ei ole kovin selvä, koska kaikki fyysiset lakimme olettavat avaruuden olemassaolon, joten mitkä lait voisivat toimia avaruuden ulkopuolella? Meillä ei ole aavistustakaan.

Tosiasia on, että tämä uusi käsitys avaruudesta asiana on tullut äskettäin, ja olemme aivan alussa ymmärtämään, mitä avaruus on. Monella tapaa olemme edelleen intuitiivisten käsitystemme vauhdissa. Nämä käsitykset palvelivat meitä hyvin, kun varhaiset miehet ja naiset metsästivät riistaa ja etsivät ravintoa esihistoriallista korianteria, mutta meidän on murrettava näiden käsitteiden kahleet ja ymmärrettävä, että avaruus on hyvin erilainen kuin kuvittelimme.

Suoraa ajattelua Bent Spacesta

Jos aivosi eivät vielä satu kaikista näistä tahmeasta tilaa taivuttavasta käsitteestä, tässä on toinen mysteeri avaruudesta: Onko avaruus litteä vai kaareva (ja jos se on kaareva, mihin suuntaan se kaareutuu)?

Nämä ovat hulluja kysymyksiä, mutta niitä ei ole niin vaikea kysyä, kun hyväksyt käsityksen, että tila on muokattava. Jos tila voi taipua massoivien esineiden ympärille, voisiko sillä olla yleinen kaarevuus? Se on kuin kysyisi, onko mekkomme litteä: Tiedätkö, että se voi heilua ja vääntyä, jos painat sitä mitä tahansa kohtaa, mutta roikkuuko se kaiken kaikkiaan? Vai istuuko se täysin suorassa? Voit kysyä näitä kysymyksiä myös avaruudesta.

Näihin avaruutta koskeviin kysymyksiin vastaamisella olisi valtava vaikutus käsitykseemme maailmankaikkeudesta. Esimerkiksi, jos avaruus on tasaista, se tarkoittaa, että jos matkustat yhteen suuntaan ikuisesti, voit vain jatkaa matkaa, mahdollisesti äärettömään.

Mutta jos tila on kaareva, voi tapahtua muitakin mielenkiintoisia asioita. Jos avaruudessa on yleinen positiivinen kaarevuus, yhteen suuntaan meneminen saattaa saada sinut kiertämään ja palaamaan samaan kohtaan vastakkaisesta suunnasta! Tämä on hyödyllistä tietoa, jos et esimerkiksi pidä ajatuksesta, että ihmiset hiipivät takaasi.

Kaarevan tilan idean selittäminen on erittäin vaikeaa, koska aivomme eivät yksinkertaisesti ole hyvin varustettuja visualisoimaan tällaisia ​​käsitteitä. Miksi he olisivat? Suurin osa jokapäiväisistä kokemuksistamme (kuten petoeläinten väistäminen tai avaimemme löytäminen) liittyy kolmiulotteiseen maailmaan, joka näyttää melko kiinteältä (vaikka jos meidän kimppuun hyökkäävät kehittyneet muukalaiset, jotka voivat manipuloida avaruuden kaarevuutta, toivomme myös, että voimme selvitä se nopeasti).

Mitä avaruuden kaarevuus merkitsisi? Yksi tapa visualisoida se on teeskennellä hetken, että elämme kaksiulotteisessa maailmassa, aivan kuin olisimme paperiarkin loukussa. Tämä tarkoittaa, että voimme liikkua vain kahteen suuntaan. Jos nyt se arkki, jossa asumme, on täysin suorassa, sanomme, että tilamme on tasainen.

Mutta jos jostain syystä se paperiarkki on taipunut, sanomme, että tila on kaareva.

Ja paperia voidaan taivuttaa kahdella tavalla. Se voi kaikki olla kaareva yhteen suuntaan (kutsutaan ”positiiviseksi kaarevuudeksi”) tai se voidaan taivuttaa eri suuntiin, kuten hevossatula tai Pringles-perunalastu (tätä kutsutaan ”negatiiviseksi kaarevuudeksi” tai ”ruokavalion rikkomiseksi”).

Tässä on siisti osa: jos saamme selville, että avaruus on tasaista kaikkialla, se tarkoittaa, että paperiarkki (avaruus) voisi mahdollisesti jatkua ikuisesti. Mutta jos saamme selville, että avaruudessa on positiivinen kaarevuus kaikkialla, on vain yksi muoto, jolla on positiivinen kaarevuus kaikkialla: pallo. Tai ollakseni teknisemmin sferoidi (eli peruna). Tämä on yksi tapa, jolla universumimme voisi kiertää itsensä ympäri. Saatamme kaikki elää perunan kolmiulotteisessa vastineessa, mikä tarkoittaa, että riippumatta siitä, mihin suuntaan menet, tulet takaisin samaan paikkaan.

Tässä tapauksessa käy ilmi, että meillä on vastaus, joka on, että avaruus näyttää olevan ”melko tasainen”, koska avaruus on 0,4 prosentin sisällä litteästä. Tiedemiehet ovat kahdella hyvin erilaisella menetelmällä laskeneet, että avaruuden kaarevuus (ainakin sen avaruuden, jonka voimme nähdä) on hyvin lähellä nollaa.

Mitä nämä kaksi tapaa ovat? Yksi tapa on mitata kolmioita. Mielenkiintoinen asia kaarevuuden suhteen on, että kaarevan tilan kolmiot eivät noudata samoja sääntöjä kuin tasaisessa tilassa olevat kolmiot. Ajattele paperiarkin analogiaamme. Tasaiselle paperille piirretty kolmio näyttää erilaiselta kuin kaarevalle pinnalle piirretty kolmio.

Tiedemiehet ovat tehneet kolmiulotteiseen universumissamme piirrettyjen kolmioiden mittaamisen vastineen katsomalla kuvaa varhaisesta maailmankaikkeudesta ja tutkimalla kuvan eri pisteiden välistä tilasuhdetta. Ja he havaitsivat, että heidän mitatut kolmiot vastaavat tasaisen tilan kolmioita.

Toinen tapa, jolla tiedämme, että avaruus on pohjimmiltaan litteä, on tarkastella asiaa, joka saa avaruuden kaartumaan ensiksikin: universumin energiaa. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan maailmankaikkeudessa on tietty määrä energiaa (energiatiheys itse asiassa), joka saa tilan taipumaan suuntaan tai toiseen. Osoittautuu, että energiatiheyden määrä, jonka voimme mitata universumissamme, on täsmälleen oikea määrä, joka tarvitaan, jotta näkemämme tila ei taipu ollenkaan (0,4 prosentin virhemarginaalin sisällä).

Jotkut teistä saattavat olla pettyneitä kuullessaan, ettemme elä viileässä kolmiulotteisessa kosmisessa perunassa, joka kiertää ympäriinsä, jos menet yhteen suuntaan ikuisesti. Varmasti, kukapa ei olisi haaveillut Evel Knievel -tyylisten kierrosten tekemisestä koko universumin ympäri rakettimoottoripyörällä? Mutta sen sijaan, että olisit pettynyt siihen tosiasiaan, että elämme tylsässä litteässä universumissa, saatat haluta olla hieman kiinnostunut. Miksi? Koska tietääksemme se tosiasia, että elämme litteässä universumissa, on jättimäinen kosmisen tason sattuma.

Ajattele sitä. Kaikki maailmankaikkeuden massa ja energia antavat avaruudelle sen kaarevuuden (muistakaa, että massa ja energia vääristävät tilaa), ja jos meillä olisi vain vähän enemmän massaa ja energiaa kuin mitä meillä on tällä hetkellä, avaruus olisi kaartunut yhteen suuntaan. Ja jos meillä olisi ollut vain vähän vähemmän kuin nyt, avaruus olisi kaartunut toiseen suuntaan. Mutta meillä näyttää olevan juuri oikea määrä tehdäksemme tilasta täydellisen tasaisen niin pitkälle kuin voimme havaita. Itse asiassa tarkka määrä on noin viisi vetyatomia kuutiometriä kohden. Jos meillä olisi ollut kuusi vetyatomia per kuutiometri tilaa, tai neljä , koko maailmankaikkeus olisi ollut paljon erilainen (kurvempi ja seksikkäämpi, mutta erilainen).

Ja muuttuu vieraammaksi. Koska avaruuden kaarevuus vaikuttaa aineen liikkeeseen ja aine avaruuden kaarevyyteen, on olemassa palautevaikutuksia. Tämä tarkoittaa, että jos universumin alkuaikoina ainetta olisi ollut vain vähän liikaa tai ei aivan tarpeeksi, joten emme olleet oikeassa tässä kriittisessä tiheydessä tehdäksemme avaruudesta litteä, se olisi työntänyt asioita vielä pidemmälle. tasaisesta. Se, että avaruus on nyt melko tasaista, tarkoittaa, että sen täytyi olla äärimmäisen litteä varhaisessa universumissa, tai sen on täytynyt pitää jotain muuta tasaisena.

Tämä on yksi avaruuden suurimmista mysteereistä. Emme vain tiedä, mitä avaruus tarkalleen ottaen on, emme myöskään tiedä, miksi se sattuu olemaan niin kuin se on. Tietomme tässä asiassa näyttää romahtavan…

Avaruuden muoto

Avaruuden kaarevuus ei ole ainoa asia, josta meillä on syvällisiä kysymyksiä avaruuden luonteesta. Kun hyväksyt sen, että avaruus ei ole ääretön tyhjyys, vaan ehkä ääretön fyysinen asia, jolla on ominaisuuksia, voit kysyä siitä kaikenlaisia ​​outoja kysymyksiä. Mikä on esimerkiksi tilan koko ja muoto?

Avaruuden koko ja muoto kertovat kuinka paljon tilaa on ja miten se liittyy itseensä. Saatat ajatella, että koska avaruus on tasainen eikä peruna- tai hevossatulan muotoinen (tai peruna hevossatulassa), ajatus tilan koosta ja muodosta on turha. Loppujen lopuksi, jos tila on tasaista, se tarkoittaa, että sen on jatkuttava ikuisesti, eikö? Ei välttämättä!

Avaruus voi olla tasaista ja ääretöntä. Tai se voi olla tasainen ja siinä voi olla reuna. Tai vielä outoa, se voi olla tasainen ja silti kiertää itsensä ympäri.

Miten avaruudella voi olla reuna? Itse asiassa ei ole mitään syytä, miksi avaruudella ei voisi olla rajaa, vaikka se olisi tasaista. Esimerkiksi levy on tasainen kaksiulotteinen pinta tasaisella yhtenäisellä reunalla. Ehkä myös kolmiulotteisella avaruudella on jossain vaiheessa rajansa sen reunoilla olevan oudon geometrisen ominaisuuden ansiosta.

Vielä kiehtovampi on mahdollisuus, että tila voi olla tasaista ja silti kiertää itsensä ympäri. Se olisi kuin pelaisi jotain niistä videopeleistä (kuten Asteroids tai Pac-Man ), jossa jos siirryt näytön reunan yli, ilmestyt vain toiselle puolelle. Avaruus saattaa kyetä muodostamaan yhteyden itsensä kanssa jollain tavalla, josta emme ole vielä täysin tietoisia. Esimerkiksi madonreiät ovat yleisen suhteellisuusteorian teoreettisia ennusteita. Madonreiässä kaksi eri pistettä, jotka ovat kaukana toisistaan, voidaan yhdistää toisiinsa. Entä jos avaruuden reunat ovat kaikki yhteydessä toisiinsa samalla tavalla? Meillä ei ole aavistustakaan.

Kvanttiavaruus

Lopuksi voit kysyä, koostuuko avaruus todella pienistä erillisistä tilanosista, kuten TV-ruudun pikseleistä, vai äärettömän tasaista siten, että kahden avaruuden pisteen välissä on äärettömän paljon paikkoja, joissa voit olla?

Muinaisten aikojen tiedemiehet eivät ehkä olisi uskoneet, että ilma koostuu pienistä erillisistä molekyyleistä. Loppujen lopuksi ilma näyttää jatkuvalta. Se täyttää minkä tahansa tilavuuden ja sillä on mielenkiintoisia dynaamisia ominaisuuksia (kuten tuuli ja sää). Silti tiedämme, että kaikki nämä asiat, joita rakastamme ilmassa (miten se hieroo hellästi poskeasi vasten viileässä kesätuulessa tai kuinka se estää meitä tukehtumasta) ovat itse asiassa miljardien yksittäisten ilmamolekyylien yhteisvaikutuksia, eivät sen perusominaisuuksia. yksittäisiä molekyylejä itseään.

Sileän tilan skenaario näyttäisi olevan meille järkevämpi. Kokemuksemme avaruuden halki liikkumisesta on kuitenkin se, että liukumme sen läpi helposti, jatkuvalla tavalla. Emme hyppää pikselistä toiseen nykivällä tavalla, kuten videopelihahmo liikkuu näytöllä.

Vai me?

Ottaen huomioon nykyisen käsityksemme universumista, olisi itse asiassa yllättävämpää, jos avaruus osoittautuisi äärettömän tasaiseksi . Tämä johtuu siitä, että tiedämme, että kaikki muu on kvantisoitua. Aine kvantisoidaan, energia kvantisoidaan, voimat kvantisoidaan, Girl Scout -keksejä kvantisoidaan. Lisäksi kvanttifysiikan mukaan saattaa olla pienin edes järkevä etäisyys, joka on noin 10 −35 metriä. 7 Joten kvanttimekaanisesta näkökulmasta katsottuna olisi järkevää, jos avaruus kvantisoidaan. Mutta jälleen kerran, meillä ei todellakaan ole aavistustakaan.

Mutta tietämättömyys ei ole estänyt fyysikoita kuvittelemasta hulluja mahdollisuuksia! Jos avaruus kvantisoidaan, se tarkoittaa, että kun liikumme avaruuden poikki, me itse asiassa hyppäämme pienistä paikoista muihin pieniin pieniin paikkoihin. Tässä näkymässä avaruus on yhdistettyjen solmujen verkosto, kuten metrojärjestelmän asemat. Jokainen solmu edustaa sijaintia, ja solmujen väliset yhteydet edustavat näiden sijaintien välisiä suhteita (eli kumpi on minkä toisen vieressä). Tämä eroaa ajatuksesta, että avaruus on vain aineen välinen suhde, koska nämä avaruuden solmut voivat olla tyhjiä ja edelleen olemassa.

Mielenkiintoista kyllä, näiden solmujen ei tarvitse olla suuremmassa tilassa tai kehyksessä . He voisivat vain… olla. Tässä skenaariossa se, mitä kutsumme avaruudelle, olisi vain solmujen välisiä suhteita, ja kaikki universumin hiukkaset olisivat vain tämän avaruuden ominaisuuksia sen sijaan, että niissä olisi elementtejä. Ne voivat esimerkiksi olla näiden solmujen värähtelytiloja.

Tämä ei ole niin kaukaa haettua kuin miltä se kuulostaa. Nykyinen hiukkasten teoria perustuu kvanttikenttiin, jotka täyttävät koko avaruuden. Kenttä tarkoittaa vain, että jokaiseen tämän tilan pisteeseen liittyy numero tai arvo. Tässä näkemyksessä hiukkaset ovat vain näiden kenttien virittyneitä tiloja. Emme siis ole liian kaukana tällaisesta teoriasta.

Muuten, fyysikot rakastavat tämän tyyppisiä ajatuksia, joissa jotain, joka näyttää meille perustavanlaatuiselta (kuten avaruus), tulee vahingossa esiin jostain syvemmästä. Se antaa heille tunteen, että olemme kurkistaneet verhon taakse löytääksemme syvemmän kerroksen todellisuutta. Jotkut jopa epäilevät, että avaruuden solmujen väliset suhteet muodostuvat hiukkasten kvanttikietoutumisesta, mutta tämä on joukon ylikofeiinia sisältävien teoreetikkojen matemaattista spekulaatiota.

Avaruuden mysteerit

Jos olet lukenut tähän asti ja joko ymmärtänyt sen syvästi tai vain vaiennut hölynpölyhälytyksesi, meidän ei pitäisi epäröidä tutkia hulluinta avaruuden käsitettä (kyllä, se tulee hullummaksi).

Jos avaruus on fyysinen asia – ei tausta tai kehys – jolla on dynaamisia ominaisuuksia, kuten käänteitä ja aaltoilua, ja se on ehkä jopa rakennettu kvantisoiduista tilanpaloista, meidän täytyy ihmetellä: mitä muuta avaruus voi tehdä?

Kuten ilmalla, sillä voi olla erilaisia ​​tiloja ja vaiheita. Äärimmäisissä olosuhteissa se saattaa järjestyä hyvin odottamattomilla tavoilla tai sillä voi olla outoja odottamattomia ominaisuuksia samalla tavalla kuin ilma käyttäytyy eri tavalla, oli se sitten nestemäisessä, kaasussa tai kiinteässä muodossa. Ehkä tilaa, jonka tunnemme, rakastamme ja käytämme (joskus enemmän kuin haluaisimme), on vain yksi harvinainen tila, ja maailmankaikkeudessa on muitakin avaruustyyppejä, jotka vain odottavat meidän keksivän, kuinka niitä luodaan ja manipuloidaan. .

Mielenkiintoisin työkalu, joka meillä on vastata tähän kysymykseen, on se, että massa ja energia vääristävät avaruutta. Ymmärtääksemme mitä avaruus on ja mitä se voi tehdä, meidän on parasta ajaa se äärimmäisyyksiin tarkastelemalla tarkasti paikkoja, joissa kosmisesti valtavat massat puristavat ja rasittavat sitä: mustia aukkoja. Jos voisimme tutkia mustien aukkojen läheisyyttä, saattaisimme nähdä avaruuden murskaavan ja pilkottuna tavalla, joka saa järjettömät hälytykset räjähtämään.

Ja jännittävä asia on, että olemme lähempänä kuin koskaan kyetä tutkimaan näitä äärimmäisiä avaruuden muodonmuutoksia. Kun ennen olimme kuuroja universumin halki liikkuvien gravitaatioaaltojen värähtelystä, meillä on nyt kyky kuunnella kosmisia tapahtumia, jotka ravistelevat ja häiritsevät avaruuden särmää. Ehkä lähitulevaisuudessa ymmärrämme enemmän avaruuden tarkasta luonteesta ja ymmärrämme näitä syviä kysymyksiä, jotka ovat kirjaimellisesti kaikkialla ympärillämme.

Älä siis jätä tilaa. Ja säästä aivoissasi tilaa vastauksille.

Jorge Cham on suositun verkkosarjakuvan Piled Higher and Deeper, joka tunnetaan myös nimellä PHD Comics, luoja. Hän ansaitsi tohtorin tutkinnon. robotiikassa Stanfordissa.

Daniel Whiteson on kokeellisen fysiikan professori Kalifornian yliopistossa Irvinessä ja American Physical Societyn jäsen. Hän tekee tutkimusta CERNin Large Hadron Colliderin avulla.

Cham_CORNERART
From We Have No Idea: A Guide to the Unknown Universe , kirjoittaneet Jorge Cham ja Daniel Whiteson, julkaissut 9. toukokuuta 2017 Riverhead Books, Penguin Publishing Groupin, Penguin Random House, LLC:n osaston, julkaisu. Tekijänoikeus © 2017 Jorge Cham ja Daniel Whiteson.

Googlekäännös > https://nautil.us/what-is-space-6286/

— — —

Jatko opintoihin vielä > Mikä on avaruus-aika?
Fyysikot ajattelevat, että pienimmässä mittakaavassa avaruus syntyy kvanteista. Miltä nämä rakennuspalikat voisivat näyttää? > https://www.nature.com/articles/d41586-018-05095-z