Perburuan teori mendasar gravitasi kuantum

Versi aslinya dari cerita ini muncul di Berapa banyak majalah.

Dua fisika penyiksaan bintik buta: kelahiran alam semesta dan pusat lubang hitam. Yang pertama mungkin terasa seperti momen dalam waktu dan yang terakhir adalah titik di luar angkasa, tetapi dalam kedua kasus, utas ruang dan waktu yang biasanya terjalin tampaknya berhenti. Poin -poin misterius ini dikenal sebagai singularitas.

Singularitas adalah prediksi teori relativitas umum Albert Einstein. Menurut teori ini, rumpun materi atau energi melengkung kain ruang-waktu ke arah diri mereka sendiri, dan kelengkungan ini menginduksi gaya gravitasi. Kemas cukup banyak barang ke tempat yang cukup kecil, dan persamaan Einstein tampaknya memprediksi bahwa ruang-waktu akan melengkung tanpa curam di sana, sehingga gravitasi tumbuh sangat kuat.

Namun, sebagian besar fisikawan tidak percaya bahwa teori Einstein mengatakan banyak tentang apa yang sebenarnya terjadi pada poin -poin ini. Sebaliknya, singularitas secara luas dipandang sebagai “artefak matematika,” sebagai Hong Liuseorang fisikawan di Massachusetts Institute of Technology, katakan, bukan objek yang “terjadi di alam semesta fisik apa pun.” Mereka adalah tempat kerusakan relativitas umum. Singularitas diharapkan menghilang dalam teori gravitasi yang lebih mendasar bahwa gambaran ruang-waktu Einstein hanya mendekati-teori gravitasi kuantum.

Tetapi ketika fisikawan mengambil langkah -langkah menuju teori yang lebih benar dan lebih lengkap dengan menggabungkan relativitas umum dan fisika kuantum, singularitas terbukti sulit dihapus. Fisikawan Matematika Inggris Roger Penrose memenangkan Hadiah Nobel dalam Fisika untuk membuktikan Pada 1960-an singularitas itu pasti akan terjadi di alam semesta kosong yang seluruhnya terdiri dari ruang-waktu. Penelitian yang lebih baru telah memperluas wawasan ini ke dalam keadaan yang lebih realistis. Satu kertas didirikan Bahwa alam semesta dengan partikel kuantum juga akan menampilkan singularitas, meskipun hanya mempertimbangkan kasus di mana partikel tidak menekuk kain ruang sama sekali. Kemudian, awal tahun ini, seorang ahli fisika terbukti Bahwa cacat ini ada bahkan di alam semesta teoretis di mana partikel-partikel kuantum melakukan sedikit ruang-waktu sendiri-yaitu, alam semesta sedikit seperti kita.

Trilogi bukti ini menantang fisikawan untuk menghadapi kemungkinan bahwa singularitas mungkin lebih dari sekadar fatamorgana matematika. Mereka mengisyaratkan bahwa alam semesta kita mungkin benar-benar mengandung titik-titik di mana ruang-waktu sangat banyak sehingga menjadi tidak dapat dikenali. Tidak ada objek yang bisa lewat, dan jam centang berhenti. Teorema singularitas mengundang para peneliti untuk bergulat dengan sifat poin -poin ini dan mengejar teori yang lebih mendasar yang dapat mengklarifikasi apa yang mungkin berlanjut jika waktu benar -benar berhenti.

Kelemahan fatal ruang-waktu

Karl Schwarzschild pertama kali ditemukan pengaturan ruang-waktu dengan singularitas pada tahun 1916, hanya beberapa bulan setelah Einstein menerbitkan relativitas umum. Fitur aneh dari “solusi Schwarzschild” membutuhkan waktu bertahun -tahun untuk dipahami oleh fisikawan. Ruang-waktu mengasumsikan bentuk analog dengan pusaran air dengan dinding yang berputar lebih tajam saat Anda melangkah lebih jauh; Di bagian bawah, kelengkungan ruang-waktu tidak terbatas. Vortex tidak bisa dihindari; Ini memiliki batas bola yang menjebak apa pun yang jatuh di dalam, bahkan sinar cahaya.

Butuh beberapa dekade bagi fisikawan untuk menerima bahwa objek yang tak terbayangkan ini, pada akhirnya Dijuluki Lubang hitam, mungkin benar -benar ada.

J. Robert Oppenheimer dan Hartland Snyder dihitung pada tahun 1939 Bahwa jika bintang bulat yang sempurna secara gravitasi runtuh ke suatu titik, materi akan menjadi begitu padat sehingga akan meregangkan ruang-waktu menjadi singularitas. Tapi bintang -bintang yang nyata menggelembung dan mengoceh, terutama saat meledak, jadi fisikawan bertanya -tanya apakah bentuk nonspherical mereka akan menghentikan mereka dari membentuk singularitas.

Penrose menghilangkan kebutuhan akan kesempurnaan geometris pada tahun 1965. Bukti pentingnya mengandalkan dua asumsi. Pertama, Anda membutuhkan “permukaan yang terperangkap” di dalam cahaya mana yang tidak akan pernah bisa keluar. Jika Anda menutupi permukaan ini di bola lampu dan menyalakannya, sinar cahaya mereka akan jatuh ke dalam lebih cepat daripada yang dapat mereka jalani ke luar. Yang terpenting, cangkang cahaya ini akan menyusut terlepas dari apakah itu dimulai sebagai bola yang sempurna, bola golf berlesung pipit, atau sesuatu yang lebih misshapen.

Kedua, ruang-waktu harus selalu melengkung sedemikian rupa sehingga sinar cahaya membungkuk satu sama lain tetapi tidak pernah berbeda. Singkatnya, gravitasi harus menarik, yang merupakan kasus selama energi tidak pernah negatif.

Dengan dua ketentuan ini, Penrose membuktikan kematian setidaknya satu dari sinar cahaya yang terperangkap. Perjalanannya yang abadi melalui ruang dan waktu harus berakhir di singularitas, titik di mana kain ruang-waktu tidak ada, di mana tidak ada masa depan untuk sinar cahaya untuk bepergian. Ini adalah definisi baru dari singularitas, berbeda dari kelengkungan tak terbatas dari solusi Schwarzschild. Generalitasnya memungkinkan Penrose untuk membuktikan tiga halaman sedikit matematika yang, di bawah dua asumsinya, singularitas pasti akan terbentuk.

“Makalah Penrose mungkin adalah makalah yang paling penting dalam relativitas umum yang pernah ditulis, selain kertas asli Einstein,” kata Geoff Peningtonseorang fisikawan di University of California, Berkeley.

Stephen Hawking segera memperpanjang argumen Penrose ke alam semesta awal, membuktikan Bahwa kosmos yang dijelaskan oleh relativitas umum harus bermunculan dari titik tunggal selama Big Bang. Singularitas kosmologis ini menyerupai lubang hitam di dalamnya, jika Anda membayangkan kembali sejarah alam semesta, sinar cahaya akan mengalir ke dinding pada awal waktu.

Selama bertahun -tahun, fisikawan telah menumpuk banyak bukti Lubang hitam itu ada, dan bahwa alam semesta dimulai dengan peristiwa yang sangat mirip dengan ledakan besar. Tetapi apakah fenomena ini benar-benar mewakili singularitas ruang-waktu?

Banyak fisikawan menemukan keberadaan aktual dari poin tersebut tidak terpikirkan. Ketika Anda mencoba menghitung nasib partikel yang mendekati singularitas, gangguan relativitas umum dan memberikan jawaban yang tidak mungkin dan tak terbatas. “Singularitas berarti kurangnya prediktabilitas,” kata Liu. “Teori Anda hancur.”

Tetapi partikel di dunia nyata harus memiliki nasib semacam itu. Jadi teori yang lebih universal yang dapat memprediksi nasib itu – kemungkinan besar teori kuantum – harus mengambil alih.

Relativitas umum adalah teori klasik, yang berarti bahwa ruang-waktu mengambil satu, dan hanya satu, bentuk pada setiap saat. Sebaliknya, materi adalah mekanik kuantum, yang berarti dapat memiliki beberapa keadaan yang mungkin sekaligus – fitur yang dikenal sebagai superposisi. Karena ruang-waktu bereaksi terhadap masalah di dalamnya, para ahli teori berharap bahwa partikel materi apa pun dalam superposisi menduduki dua lokasi yang berbeda harus memaksa ruang-waktu ke superposisi dua distorsi. Artinya, ruang-waktu dan gravitasi juga harus mengikuti aturan kuantum. Tapi fisikawan belum mengetahui apa aturan itu.

Ke bawang

Para ahli teori mendekati pencarian mereka untuk teori gravitasi kuantum dengan cara mereka dapat mengupas bawang: lapisan demi lapisan. Setiap lapisan mewakili teori alam semesta yang secara tidak sempurna mendekati yang asli. Semakin dalam Anda pergi, semakin banyak interaksi antara materi kuantum dan ruang-waktu yang dapat Anda tangkap.

Penrose bekerja di lapisan luar bawang. Dia menggunakan teori umum relativitas dan mengabaikan kuantumness sepenuhnya. Akibatnya, ia membuktikan bahwa kain ruang-waktu memiliki singularitas ketika benar-benar tanpa materi kuantum.

Fisikawan bercita -cita untuk suatu hari nanti mencapai inti bawang. Di dalamnya, mereka akan menemukan teori yang menggambarkan ruang-waktu dan materi dalam semua kemuliaan kuantum mereka. Teori ini tidak akan memiliki bintik -bintik buta – semua perhitungan harus menghasilkan hasil yang bermakna.

Tapi bagaimana dengan lapisan tengahnya? Bisakah fisikawan menyelesaikan singularitas Penrose dengan pindah ke sesuatu yang sedikit lebih kuantum, dan karena itu sedikit lebih realistis?

“Itu adalah spekulasi yang jelas, bahwa entah bagaimana efek kuantum harus memperbaiki singularitas,” kata Penington.

Mereka pertama kali mencoba melakukannya di akhir 2000 -an. Asumsi yang telah membatasi bukti Penrose untuk lapisan terluar adalah bahwa energi tidak pernah negatif. Itu benar dalam situasi klasik sehari -hari, tetapi tidak dalam mekanika kuantum. Energi menjadi negatif, setidaknya sejenak, dalam fenomena kuantum seperti efek casimir, di mana (percobaan menunjukkan) dua pelat logam saling menarik dalam ruang hampa. Dan energi negatif berperan dalam cara lubang hitam dianggap memancarkan partikel, akhirnya “menguap” sepenuhnya. Semua lapisan bawang kuantum yang lebih dalam akan menampilkan perilaku energik yang eksotis ini.

Fisikawan yang mengupas lapisan atas Ke dindingkemudian berbasis di University of Maryland dan sekarang di University of Cambridge. Untuk memotong ke dalam ranah kuantum dan meninggalkan asumsi energi Penrose, dinding menempel pada penemuan teoretis yang dibuat pada tahun 1970 -an oleh Jacob Bekenstein.

Bekenstein tahu bahwa untuk setiap wilayah ruang tertentu, isi wilayah tumbuh lebih campur aduk seiring berjalannya waktu. Dengan kata lain, entropi, ukuran pencampuran ini, cenderung meningkat, aturan yang dikenal sebagai Hukum Termodinamika Kedua. Saat mempertimbangkan suatu daerah yang berisi lubang hitam, fisikawan menyadari bahwa entropi berasal dari dua sumber. Ada sumber standar – jumlah cara partikel kuantum di ruang di sekitar lubang hitam dapat diatur. Tapi lubang hitam juga memiliki entropi, dan jumlahnya Tergantung pada area permukaan lubang hitam. Jadi total entropi daerah adalah jumlah: luas permukaan lubang hitam ditambah entropi barang kuantum di dekatnya. Pengamatan ini dikenal sebagai Hukum Kedua yang “digeneralisasi”.

Wall “menjadikannya misinya untuk memahami hukum kedua yang digeneralisasi,” kata Raphael Boussoseorang fisikawan di Berkeley. “Dia memikirkannya dengan cara yang jauh lebih jelas dan jauh lebih baik daripada orang lain di planet ini.”

Mencapai lapisan kuantum bawang akan berarti mengakomodasi energi negatif dan adanya partikel kuantum. Untuk melakukannya, Wall beralasan bahwa ia dapat mengambil area permukaan dalam relativitas umum dan menambahkannya entropi partikel -partikel itu, seperti yang disarankan oleh hukum kedua yang digeneralisasi. Bukti Penrose tentang teorema singularitasnya telah melibatkan permukaan yang terperangkap. Jadi dinding meningkatkannya ke “permukaan yang terperangkap kuantum.” Dan ketika dia mengerjakan ulang teorema singularitas Penrose dengan cara ini, itu diadakan. Singularitas terbentuk bahkan di hadapan partikel kuantum. Dinding menerbitkan temuannya pada 2010.

“Kertas Aron adalah terobosan mani dalam menggabungkan mekanika kuantum dan gravitasi dengan cara yang lebih tepat,” kata Penington.

Setelah mengupas lapisan luar klasik bawang, di mana energi selalu positif, dinding mencapai lapisan kuantum yang ringan – seorang fisikawan konteks menyebut semiklasik. Dalam dunia semiklasik, ruang-waktu memandu perjalanan partikel kuantum, tetapi tidak dapat bereaksi terhadap kehadiran mereka. Lubang hitam semiklasik akan memancarkan partikel, misalnya, karena itu adalah konsekuensi dari bagaimana partikel mengalami ruang-waktu melengkung ke dalam lubang hitam SH kera. Tetapi ruang-waktu-lubang hitam itu sendiri-tidak pernah benar-benar menyusut dalam ukuran bahkan ketika radiasi membocorkan energi ke dalam kekosongan untuk selamanya.

Itu hampir, tetapi tidak persis, apa yang terjadi di alam semesta yang sebenarnya. Anda bisa menonton lubang hitam memancarkan partikel selama seabad tanpa melihatnya menyusut nanometer tunggal. Tetapi jika Anda bisa mengawasi lebih lama – banyak triliunan demi triliunan tahun – Anda akan melihat lubang hitam tidak ada artinya.

Lapisan bawang berikutnya memberi isyarat.

Memanggil kuantumness

Bousso baru -baru ini meninjau kembali bukti Wall dan menemukan bahwa dia bisa memotong sedikit lebih dalam. Bagaimana dengan dunia di mana lubang hitam menyusut saat mereka memancar? Dalam skenario ini, kain ruang-waktu dapat bereaksi terhadap partikel kuantum.

Menggunakan mesin matematika yang lebih halus yang dikembangkan oleh Wall dan lainnya sejak 2010, Bousso menemukan bahwa, meskipun quantumness yang diintensifkan dari skenarionya, singularitas terus ada. Dia memposting makalahnyayang belum ditinjau sejawat, pada bulan Januari.

Dunia teorema baru Bousso masih berangkat dari alam semesta kita dengan cara yang penting. Untuk kenyamanan matematika, ia berasumsi bahwa ada berbagai partikel yang tidak terbatas – asumsi yang tidak realistis yang membuat beberapa fisikawan bertanya -tanya apakah lapisan ketiga ini cocok dengan realitas (dengan 17 partikel atau begitu dikenal) lebih baik daripada lapisan kedua. “Kami tidak memiliki jumlah bidang kuantum yang tak terbatas,” kata Edgar Shaghoulianseorang fisikawan di University of California, Santa Cruz.

Namun, untuk beberapa ahli, karya Bousso memberikan kesederhanaan yang memuaskan untuk kisah singularitas Penrose dan Wall, meskipun banyak partikel yang tidak realistis. Ini menetapkan bahwa singularitas tidak dapat dihindari, bahkan dalam waktu ruang dengan reaksi ringan terhadap materi kuantum. “Hanya dengan menambahkan koreksi kuantum kecil, Anda tidak dapat mencegah singularitas,” kata Penington. Karya Wall and Bousso “menjawab yang sangat definitif.”

Singularitas yang sebenarnya

Tetapi teorema Bousso masih tidak menjamin bahwa singularitas harus terbentuk di alam semesta kita.

Beberapa fisikawan bertahan berharap bahwa jalan buntu entah bagaimana hilang. Apa yang tampak seperti singularitas sebenarnya bisa terhubung ke tempat lain. Dalam kasus lubang hitam, mungkin sinar cahaya itu berakhir di alam semesta lain.

Dan kurangnya singularitas besar mungkin menyiratkan bahwa alam semesta kita dimulai dengan “bouncing besar.” Idenya adalah bahwa alam semesta sebelumnya, karena runtuh di bawah tarikan gravitasi, entah bagaimana menghindari pembentukan singularitas dan sebaliknya memantul ke periode ekspansi. Fisikawan yang mengembangkan teori bouncing sering bekerja di lapisan kedua bawang, menggunakan fisika semiklasik yang dieksploitasi Efek kuantum energi negatif Untuk berkeliling singularitas yang dibutuhkan oleh Teorema Penrose dan Hawking. Mengingat teorema yang lebih baru, mereka sekarang perlu menelan kebenaran yang tidak nyaman bahwa teori mereka melanggar hukum kedua yang digeneralisasi juga.

Seorang fisikawan mengejar bouncing, Surjeet Rajendran dari Universitas Johns Hopkins, mengatakan dia tidak gentar. Dia menunjukkan bahwa bahkan hukum kedua yang digeneralisasi adalah kebenaran Injil. Menolak itu akan membuat singularitas dapat dihindari dan kelanjutan ruang-waktu.

Skeptis singularitas juga dapat menarik teori pada inti bawang, di mana ruang-waktu berperilaku dengan cara yang benar-benar kuantum, seperti mengambil superposisi. Di sana, tidak ada yang bisa diterima begitu saja. Menjadi sulit untuk mendefinisikan konsep area, misalnya, jadi tidak jelas bentuk apa yang harus diambil hukum kedua, dan oleh karena itu teorema baru tidak akan berlaku.

Bousso dan fisikawan yang berpikiran sama, bagaimanapun, curiga bahwa arena yang sangat kuantum tanpa gagasan area sama dengan jalan buntu untuk sinar yang ringan, dan oleh karena itu sesuatu Penrose akan mengakui sebagai singularitas harus bertahan dalam teori inti dan di alam semesta kita. Awal dari kosmos dan hati lubang hitam akan benar -benar menandai tepi peta di mana jam tidak bisa berdetak dan ruang berhenti.

“Di dalam lubang hitam, saya yakin ada beberapa gagasan tentang singularitas,” kata Netta Engelhardtseorang fisikawan di MIT yang telah bekerja dengan Wall.

Dalam hal ini, teori fundamental yang masih diketahui tentang gravitasi kuantum tidak akan membunuh singularitas tetapi menghilangkan mitosnya. Teori yang lebih benar ini akan memungkinkan fisikawan untuk mengajukan pertanyaan dan menghitung jawaban yang bermakna, tetapi bahasa dari pertanyaan dan jawaban itu akan berubah secara dramatis. Jumlah ruang-waktu seperti posisi, kelengkungan dan durasi mungkin tidak berguna untuk menggambarkan singularitas. Di sana, di mana waktu berakhir, jumlah atau konsep lain mungkin harus menggantikannya. “Jika Anda harus membuat saya menebak,” kata Penington, “negara kuantum apa pun yang menggambarkan singularitas itu sendiri tidak memiliki gagasan waktu.”

Cerita asli dicetak ulang dengan izin dari Berapa banyak majalah, publikasi editorial independen dari Yayasan Simons yang misinya adalah untuk meningkatkan pemahaman publik tentang sains dengan meliput perkembangan penelitian dan tren matematika dan ilmu fisik dan kehidupan.