Величайшая загадка Вселенной: из чего состоит пространство-время?

10 Ноября 2018, Илья Хель 56

«Из чего сделано пространство-время?», задается вопросом физик Арон Уолл из Стэнфордского института теоретической физики. В течение последних нет физики по-разному пытаются осмыслить загадку пространства-времени, рассматривая его не просто как пустой фон, на котором разворачивается история Вселенной, а скорее как поток квантовой информации, перетекающей из одной точки в другую. Уолл и его коллеги все больше убеждаются, что такое представление пространства-времени может быть ключом к разработке теории, которая сможет объяснить гравитацию с использованием принципов квантовой механики. Об этом физики мечтают еще со времен Альберта Эйнштейна.

Петр Зенчиковский из Института ядерной физики Польской академии наук задается таким же вопросом, что и Уолл. Является ли пространство-время абсолютной, неизменной, вечно и всегда присутствующей ареной, на которой разворачиваются события? Или, возможно, это динамическое создание, возникающее как бы на определенном масштабе расстояний, времени или энергии? Упоминание абсолюта не приветствуется в современной физике. Считается, что пространство-время эмерджентно, то есть возникает откуда-то. Непонятно только, откуда.

Что такое пространство-время?

Большинство физиков считает, что структура пространства-времени формируется непонятным образом в пределах масштабов Планка, то есть на масштабах, близких к одной триллионной от триллионной доли метра. Однако есть некоторые убеждения, которые ставят под вопрос однозначность такого толкования. Существует немало аргументов в пользу того факта, что возникновение пространства-времени может происходить в результате процессов, которые намного ближе к нашей реальности: на уровне кварков и их конгломератов.

«Математика — это одно, отношение с реальным миром — другое», говорит Зенчиковский. «Например, величина массы Планка кажется подозрительной. Можно было бы ожидать, что у нее будет значение, более характерное для мира квантов. Между тем, оно соответствует примерно 1/10 массы блохи, которая определенно является классическим объектом».


Большинство физиков склонны предполагать, что пространство-время создается на планковских масштабах, на расстояниях, близких к одной триллионной триллионной доли метра (~10-35 м). В своей статье в Foundations of Science Зенчиковский систематизирует наблюдения разных авторов касательно формирования пространства-времени и утверждает, что гипотеза о его формировании в масштабах кварков и адронов (или кварковых агрегатов) вполне разумна по ряду причин.

Вопросы о природе пространства и времени озадачивали человечества с древних времен. Может ли время быть отдельным от материи, создающим «контейнер» для движений и событий, которые происходят при участии частиц, как это предполагал Демокрит в 5 веке до н.э.? Или, может быть, все это атрибуты материи и не могут без нее существовать, как предположил Аристотель столетием позже?

Несмотря на то, что прошла уже тысяча лет с тех пор, эти вопросы до сих пор не решены. Более того, оба подхода — несмотря на их очевидное различие — глубоко укоренились в столпах современной физики. В квантовой механике события происходят на жесткой арене с равномерно текущим временем.

Между тем, в общей теории относительности вещество деформирует упругое пространство-время (растягивает и скручивает его), а пространство-время сообщает частицам, как двигаться. Другими словами, в одной из теорий актеры выходят на уже подготовленную сцену, чтобы играть свои роли, а в другой они создают сцену во время представления, что, в свою очередь, влияет и на их поведение.

В 1899 году немецкий физик Макс Планк заметил, что при определенных комбинациях некоторых констант в природе можно получить самые фундаментальные единицы измерения. Всего три постоянных — скорость света c, гравитационная постоянная G и постоянная Планка h — и мы получаем единицы расстояния, времени и массы, равные (соответственно) 1,62 х 10-35 м, 5,39 х 10-44 с и 2,18 х 10-5 г. Исходя из современных убеждений, пространство-время должно рождаться на планковской длине. Но нет никаких существенных аргументов в пользу рациональности этой гипотезы.

Как наши самые сложные эксперименты, так и теоретические описания достигают масштаба кварков на уровне 10-18 м. Откуда же нам знать, что на пути к планковской длине — на протяжении дюжины последовательных и еще меньших порядков величины — пространство-время обретает свою структуру? Мы даже не знаем, рационально ли понятие пространства-времени на уровне адронов! Разделение не может производиться бесконечно, потому что на определенном этапе вопрос следующей меньшей части просто перестает иметь смысл. Прекрасным примером будет температура. Эта концепция прекрасно служит на макромасштабах, но при последовательных делениях материи мы достигаем масштаба отдельных частиц и понятие температуры теряет смысл.

«В настоящее время мы сперва стремимся построить квантованное дискретное пространство-время и затем «населить» его дискретной материей. Но если пространство-время будет продуктом кварков и адронов, зависимость будет обратной: дискретное свойство материи должно усиливать дискретность пространства-времени», говорит Зенчиковский и добавляет: «Планк опирался на математику. Он хотел создать единицы из мельчайших возможных постоянных. Но математика это одно, а отношение с реальным миром другое. Значение планковской массы кажется подозрительным. Можно было бы ожидать, что у нее будет более подходящая характеристика для мира квантов. Но она соответствует примерно 1/10 массы блохи, которая определенно является классическим объектом».

Поскольку мы хотим описать физический мир, мы должны опираться на физические, а не на математические аргументы. И поэтому, когда мы используем уравнения Эйнштейна, мы описывает Вселенную в больших масштабах и возникает необходимость вводить дополнительную гравитационную постоянную, известную как космологическая постоянная «лямбда». Если, при построении фундаментальных единиц, расширить наш изначальный набор трех постоянных лямбдой, в случае с массой мы получим не одно, а три фундаментальных значений: 1,39 х 10-65 г, 2,14 x 1056 г и 0,35 х 10-24 г. Первую можно интерпретировать как квант массы, вторую — уровень массы наблюдаемой Вселенной, а третья напоминает массу адронов (например, масса нейтрона равна 1,67 х 10-24. Точно так же, принимая во внимание лямбду, появится единица измерения 6,37 х 10-15 м, очень близкая к размеру адронов.

«Игры с постоянными могут быть рискованными, потому что многое зависит от того, какие константы мы выбираем. К примеру, если бы пространство-время действительно являлось продуктом кварков и адронов, то его свойства, включая скорость света, также должны быть эмерджентными. А это означало бы, что скорость света не может быть среди основных констант», отмечает Зенчиковский.

Другим фактором в пользу образования пространства-времени в масштабе кварков и адронов являются свойства самих элементарных частиц. Стандартная модель, например, не объясняет, почему существует три поколения частиц, откуда берутся их массы или почему существуют так называемые внутренние квантовые числа, которые включают изоспин, гиперзаряд и цвет. В картине, представленной профессором Зенчиковским, эти значения могут быть связаны с определенным шестимерным пространством, созданным положением частиц и их импульсами. Построенное таким образом пространство одинаково уважает положение частиц (материя) и их движения (процессы). Выясняется, что свойства масс или внутренние квантовые числа могут быть следствием алгебраических свойств шестимерного пространства. Более того, эти свойства также объясняют невозможность наблюдать свободные кварки.

«Возникновение пространства-времени может быть связано с изменениями в организации материи, происходящей в масштабе кварков и адронов, в более первичном шестимерном фазовом пространстве. Однако не совсем понятно, что дальше делать с этой картиной. Каждый последующий шаг потребует выхода за пределы того, что мы знаем. И мы даже не знаем правил игры, по которым Природа играет с нами, нам все равно приходится их угадывать. Однако представляется разумным, что все конструкции начинаются с материи, потому что она является физически и экспериментально доступной. В этом подходе пространство-время будет лишь нашей идеализацией отношений между элементами материи», суммирует профессор Зенчиковский.

Согласитесь с ним? Расскажите в нашем чате в Телеграме.

Метки: , .

56 комментариев Оставить свой

  1. Вадим Минников

    По моему мнению, вся наша жизнь, а также пространство и время, всё это глобальный масштабный набор цифр. Наш мозг и всех других существ живых обладает способностью анализировать и преобразовать эти цифры. Наш мозг это аналого-цифровой преобразователь своего рода.

    • loijeje

      Вадим, Цифры придумали люди что бы систематезировать… пространствовремя -которое по сути является "пространством оптималиных геометрических соотношений"

      • Pyth0n

        loijeje, Вообще-то цифры существовали и до людей, и даже всегда.

        • loijeje

          Pyth0n, Цифры появились когда наш предок в пещере соотнёс численность членов своей стаи к пальцам своей руки. Так сформировалась и адаптировалась в чел. мозге десятичная система счисления, и нам кажется что она наиболее удобная потому что на десять пальцев настроились пирамидальные образования коры больших полушарий… Природа же использует другие циклы… вычислительная техника свои.

          • loijeje

            loijeje, Пространство не считает, оно соотносит меры в натуре.

          • Ieronim Kosh

            loijeje, У нас два полушария мозга, я уверен, поэтому и логика - двоичная, и диалектика возникла. Да и ЭВМ тоже оперируют ноликами - единичками...

    • afganez

      Вадим, матрицу насмотрелся

  2. DokertMoretd

    Три факта моей жизни как бы подтверждают, что пространство-время едино в своей основе. В 1984 году, глядя на строящийся непрестижный микрорайон в нашем городе, меня пронзила внезапная мысль - через 10 лет ты там будешь жить. Я это запомнил, после института уехал жить в другой конец страны, но потом сложилось так, что в 1994 году я поселился именно в этом районе. В 1990 году мне приснился сон, в котором появился образ девушки и опять как тогда наяву, но теперь уже во сне - утверждение - это твоя жена. Проснувшись я удивился, рядом спала моя жена. Но в 1993 году я женился на другой женщине и она удивительным образом была похожа на тот образ девушки, который мне приснился в 1990 году. И, наконец, в ноябре прошлого 2017 года мне приснился сон, в котором я набрал пятизначный номер, чтобы открыть замок, я записал номер, пытался даже в лотерею играть. Через две недели спустя, просматривая в соцсети страницу моей дочери, которая живет в другой стране и с которой мы не общаемся, я увидел, что она выложила примерно две недели до этого своё фото в спортивном забеге и у неё был нагрудный знак именно с тем пятизначным номером. Мистика или это пространство-время и как там себя чувствуют, а вернее ведут себя, наши мысли...и что такое тогда мысли...

    • Malk

      DokertMoretd, Вы хотите скачать что все заранее предопределено и случиться независимо от действий человека?

    • Dopamine

      DokertMoretd, Так работает мозг. Ему везде кажутся "знаки", одолевают дежавю, плюс к этому визуализация желаний (иногда подсознательных), аффирмации, и т.п. Это пугает или удивляет только малообразованных людей.

    • Ieronim Kosh

      DokertMoretd, Думаю, тут все-таки другие факторы работают. У меня тоже много почти мистических случаев предвидений и предчувствий бывало, но все их можно объяснить свойствами человеческого мозга. Континуум здесь ни при чем.

  3. dascratch

    Когда я слышу о движе вокруг понятия пространства-время, вспоминаю, что люди - идиоты, а я красавчик.
    А те кто думает не так, либо владеют малым количеством свободного времени, либо тратят его в пустую, либо внушили себе тупую дичь, что и ко второму пункту, о пустом выжигании кислорода, отнести можно.

    • afganez

      dascratch, возьми с полки конфету

    • Malk

      dascratch, Поделитесь своим взглядом на этот вопрос.

      • afganez

        Malk, он уже им поделился, он говорит что он красавчик, а все кто размышляет над научными вопросами лохи

        • Malk

          afganez, Хотелось бы более развернутое мнение)

          • afganez

            Malk, еще более развернуто, он говорит я не понимаю о чем вы тут говорите, потому что говорит не ботан а настоящий мачо, а все кого заботят вопросы пространства и время просто теряющие время и кислород лошки

  4. Niko Ar

    Пространство-время можно мыслить как производное материи. В этом случае взаимодействие материальных тел образует то, что мы воспринимаем как пространство-время.
    Но также материю можно мыслить как производное пространства-времени. Тогда материальный объект будет представляться как совокупность свойств некоего ограниченного объема пространства-времени.
    Возможно, на фундаментальном уровне пространство-время и материя неразличимы.

    • macss

      Niko, Дотронуться до нашей Галактики!
      ... Пространство/Время не имеет массы, то есть состоит из невероятно прочной
      материи/пленки из которой образуется поверхность нашей Галактики.
      И если Галактика имеет диаметр в 6 световых лет, то вес материи/пленки
      практически равен нулю. Смещение Времени на десяток минут вперед создает
      непреодолимый барьер между настоящим и Будущим в котором находится
      наша Галактика. Именно поэтому мы не видим свою Галактику...

    • Ieronim Kosh

      Niko, Совершенно согласен. Кстати, в этом, похоже и суть диалектического материализма. Остается добавить, что материя - не просто вещество. Под эту категорию подпадает ВСЯ объективная реальность, данная нам Богом в ощущениях - и поля и волны и кванты энергии.

  5. mfyand

    " В течение последних нет"
    Глубокомысленно. Трансцендентально.

  6. Baksov

    По-моему, учёные сейчас пришли к определённому теоретическому и экспериментальному тупику, но делать им что-то надо. Поэтому и фантазируют, в силу своего воображения. Жаль, конечно, теоретиков. Но всему когда-то наступает предел.

    • Ieronim Kosh

      Baksov, В науке часто наступают теоретические и экспериментальные тупики, однако жалеть никого из ученых за это не следует. Потому что именно в такие моменты и происходит выход науки на новый уровень, если хотите - грандиозный прорыв...

      • malyutin

        Ieronim, Совершенно верно!

      • Aladdin

        Ieronim, Ждём-с,главное чтобы не затопило))

  7. amadeusex

    Фигасе тут все такие по синтаксис пунктуации угарают прям ваще без отклонения от курса а второго комментатора я вообще не понял хотя особо не выдумывался можт потомушт собираюсь играть в пубг

  8. Kvazar666

    Не вижу никаких проблем с этим, с одной стороны есть математическая концепция виртуальных частиц, которую никто не может подтвердить экспериментально, но без нее никак, а с другой стороны есть темная материя которая лезет со всех щелей во всех наблюдениях, и никто математически не знает как это описать и без нее тоже никак, а по моему это есть одно и тоже, в вакууме постоянно рождаются и уничтожаются пары частица-античастица положительной-отрицательной энергий, если энергию вакуума можно описать как суп из этих частиц античастиц сумарная энергия, которых Е=-1+1=0, то массы вакума можно описать так m=|-1|+1=2 и вот это последнее выражение это самое упрощенное описание темной материи в вакууме.

    • KADZE

      Kvazar666, Интересное мнение. Правда здесь нет ничего о времени

      • Kvazar666

        KADZE, Время это просто движение замкнутого 3-мерного пространства, в 4-временном измерении - истинном вакууме.
        Радиус - сt
        Диаметр - 2*сt
        И размер вселенной - 2*πct

        • Ieronim Kosh

          Kvazar666, Совершенно согласен. Время - просто движение материи, которое субъективно воспринимается нами как "время". Отсюда естественно вытекает и факт НЕОБРАТИМОСТИ времени, потому что для этого пришлось бы ОСТАНОВИТЬ всю Вселенную и обратить вспять движение всех частиц и всех волн...

          • Dipsy

            Ieronim, Движение это dS/dt, т.е. выражается как раз через время, и вместо того чтобы объяснить что такое время, вы говорите что время это просто отношение первых производных пути и времени, с чем вас и поздравляю.

  9. freawertyhn

    не из чего , т.к времени не существует -его значение придумали люди ,чтоб не запутаться в годах и датах

    • over9000

      freawertyhn, в общем-то да, времени не существует.
      Прошлое - это то, чего уже нет, будущее - это то, чего ещё нет, а настоящее неуловимо, потому, что оно беспрерывно меняется.
      О прошлом у нас есть только память (в том или ином виде), о будущем есть догадки и предположения основанные на памяти и мысли. Но тем не менее, ни того, ни другого не существует.
      Я думаю, что отсюда и основная загвоздка перемещений во времени. Как можно попасть куда-то, если этого нет? только придумав это и смоделировав. Но результат - это уже отдельное, независимое от нас прошлое или будущее.
      Кстати, почему ученые не рассматривают вариант того, что мы можем быть моделированием вместе со всей вселенной. К-но попахивает параноидальностью, но вдуматься, если мы за последние десятки лет научились моделировать невероятные объемы, то представьте на что способна такая же цивилизация, как люди, у которой развитие на 1 миллион лет больше. С такой разницей в развитии можно смоделировать и объемы сопоставимые нашей вселенной, для них это могут быть на столько же большие данные, на сколько для нас, например, данные всего интернета.

      • Dopamine

        over9000, Учёные рассматривали вариант того, что Вселенная может быть симуляцией, когда вы ещё на свет не родились.

      • malyutin

        over9000, Прошлое и будущее - суть производные нашего мозга. В физике нет таких понятий. Стало быть и в объективном мире нет ни прошлого, ни будущего. В вопросе о перемещениях во времени существует распространенная ошибка. Полагают, что машина времени перенеся человека в будущее или прошлое, меняет окружающий мир, но не меняет человека. Логичнее полагать, что человек, как часть мира, тоже меняется. Значит меняется и его возраст, и его память. Человек, переместившись на 10 лет в прошлое получит и память на 10 лет моложе, и, таким образом, никогда не сможет узнать, что он - в "прошлом" (или в будущем). Получается, что мы "размазаны" вдоль оси времени в пределах срока своего существования; мы одновременно существуем во всех моментах времени этого срока..

      • freawertyhn

        over9000, я всегда сам себе говорю: если хочешь переместиться в 70-е -то есть два способа это сделать: пересмотреть все фильмы тех лет либо провести масштабную реконстркцию, ввести в моду снова цветные платья в горошек, понаставить на каждой улице неоновых вывесок ,а по улицам запустить снова старинные длинные седаны, внутри котрых будет играть радио-диско

        • Dopamine

          freawertyhn, Или закупиться ЛСД.

          • ashum

            Dopamine, Настоящее в психике это 2 секунды примерно, тоесть имеем некое плато. Прошлое действительно субъективно и воспринимаются всеми участниками одного события по разному. Следовательно в статье и обсуждении недостаточно уделено внимания роли психики человека. Все элементы рассматриваются отдельно и не дают общей картины, а значит и ответа. Выход видится в возможностях ИИ обобщать и анализировать информацию бигдата.

    • Malk

      freawertyhn, Интервалы (часы, секунды и т.д.) придумали люди для своего удобства, но тем неменее течение времени реально существующая вещь, пусть пока еще до конца не изученная. Ведь доказано что под воздействием гравитации и скорости время как бы замедляется по отношению к наблюдателю. Вспомните хотя бы знаменитый парадокс близнецов, или, что более реально спутники GPRS, нуждающиеся в корректировке из-за разницы во времени.

      • Ieronim Kosh

        Malk, Во - во. "По отношению к наблюдателю". Вот тут-то какая-то чертовщина и начинается в физике !

    • Shurin

      freawertyhn, Пожалуй согласен с Вами, в этом есть резон. Действительно, термин "время" (как впрочем и многое другое) люди придумали для удобства бытия. Наверное время можно рассматривать как меру движения. Если нет движения, то можно ли говорить о времени?

  10. Darter88

    Как я понимаю , всё идёт к восстановлению понятия униженного "Эфира"?!

    • loijeje

      Darter88, Эфир Планка, в котором по мере заполнения энергией трех поверхностных измерений энергия перераспределяется в четвертое в экспоненте помноженной на плотность 6626.Короче если бы энергия не "ныряла" в четвертое и не зацикливалась в нем на качельках Планка.то импульс по поверхностным трем измерениям распростронялся бы мгновенно.а поскольку импульс на какоето мгновение находится в четвертом измерении происходит его задержка проявляющаяся в 299800000м/с

  11. amd212

    Величайшая загадка вселенной: из чего состоит человек?

    • prinzip

      amd212, Из остатков звёзд. Впрочем не только человек, но и всё на Земле.

  12. afanasy

    10-35 это разве одна триллионная (10-12) от одной триллионной (10-12) = 10-24....?

    • malyutin

      afanasy, Да, автор допустил небольшую неточность, ошибшись в триллион раз :)

  13. afanasy

    Время появляется тогда, когда скорость взаимодействия, с помощью которого оно определяется, становится меньше бесконечности, если так можно сказать.
    Или по другому. Время - характеристика, обратная скорости взаимодействия.

  14. pic

    Все мы дилетанты и несём полный бред. Сами умные головы не представляют того окружающего мира о котором записывают новые формулы и знают об этом. Как считают эти умные люди их задача не объяснить мир, а предсказать те или иные события или явления и на этой основе заработать на жизнь, сделать оружие или новый гаджет.

  15. morxod

    Чаша Грааля - вот что могло обьяснить откуда взялся кварк.
    Чем таинство чаши, в ее неиссякаемое наполнения из параллельного мира.
    Кварк не имеет нуля и его деления так как и появления связано с временном обращением.
    Так что нечего не исчезает из нашей вселенных.

  16. gennadijsarykin0-12

    Может быть, просто не хватает грамотности, или знаний? Потому, что не известно, имеет ли, то окончательное, что люди ищут, какой-то диапазон колебаний, может быть постоянства

  17. coolwolf0

    Традиционно, этот "журнализд" нагромоздил кучу глупостей при переводе. Самая эпичная (что весьма символично) связана со временем: Демокрит в 5 веке до н.э. изложил некую гипотезу, а в следующем абзаце утверждается, что с тех пор минула ... всего тысяча лет! Вот он, уровень науки и журналистики в одном флаконе. Наноклоунада и "МГИМО финишд".

  18. [email protected]

    А как это согласуется с теорией струн?

  19. 345

    Может стоит взглянуть на все проще? Протуберанцы на Солнце - материя или энергия ? (ведь, на эти понятия делит наш мозг увиденное) Какая сила создает их такими, какими мы их видим? ...физика гравитации, суть - "все, из всего",,, формулировка - "единая теория поля"... Творить на волновом уровне не имеем возможности, поэтому ищем дискретность...

  20. Aenigma

    "Поскольку мы хотим описать физический мир, мы должны опираться на физические, а не на математические аргументы."

    В действительности, математические и физические аргументы - это одно и то же, если мы говорим о математике как науке, которая свои выводы строго логически обосновывает. Авторы статьи, по-видимому, имели в виду, что нельзя в качестве аргументов принимать принимать числа, которые получены в результате некоторых действий, смысл которых невозможно объяснить. Ну то есть совершенно банальное утверждение: не имеет смысла то, что не имеет смысла.

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.