El libro "Realidad irreal. Viajando por el bucle cuántico »

Hola habrozhiteli! ¿Qué es el tiempo y el espacio? ¿De dónde viene la materia? ¿Qué es la realidad?
“La principal paradoja de la ciencia es que, mientras nos revela un conocimiento sólido y confiable de la naturaleza, al mismo tiempo está cambiando rápidamente sus ideas creadas sobre la realidad. Esta paradoja se refleja mejor en el libro de Carlo Rovelli, dedicado al problema más agudo de la física fundamental moderna: la búsqueda de la teoría cuántica de la gravedad. La mención de este nombre fue escuchada por muchos en la serie "The Big Bang Theory", pero no había casi ningún lugar para descubrir cuál era el significado de la gravedad del bucle. Mientras tanto, esta teoría es uno de los jugadores importantes a la vanguardia de la física fundamental ", dijo Alexander Sergeyev, cofundador, autor de las tareas y zavlab del proyecto Open Laboratory.

Extracto El tiempo no es lo que pensamos

El hecho de que la naturaleza del tiempo es diferente de las nociones generalmente aceptadas que todos tenemos, quedó claro hace más de un siglo. Las teorías especiales y generales de la relatividad lo hicieron obvio. Hoy, la insuficiencia de nuestras nociones cotidianas de tiempo puede demostrarse fácilmente en el laboratorio.

Considere, por ejemplo, la primera consecuencia de la teoría general de la relatividad descrita en el capítulo 3. Tómese dos horas, asegúrese de que muestren exactamente la misma hora, coloque algunas en el piso y otras en la mesa. Esperaremos media hora y los pondremos a su lado nuevamente. ¿Seguirán mostrando al mismo tiempo?

Como se indicó en el capítulo 3, la respuesta será no. Los relojes ordinarios o los que están integrados en un teléfono móvil no tienen la precisión necesaria para verificar este hecho. Sin embargo, los laboratorios físicos de todo el mundo tienen relojes que tienen una precisión que puede demostrar la discrepancia: el reloj que queda en el piso es más lento que el mismo reloj de arriba.

Por qué Porque el tiempo no fluye por igual en todas partes del mundo. En algunos lugares, su flujo es más rápido, en otros, más lento. Cuanto más cerca de la Tierra, donde la gravedad [Potencial de gravedad - Ed .] Es más fuerte, más lento fluye el tiempo. ¿Recuerdas a los gemelos del capítulo 3, cuya edad comenzó a diferir como resultado del hecho de que uno vivía junto al mar y el otro en las montañas? Este efecto es insignificante: la ganancia de tiempo ganada por un residente costero a lo largo de la vida en comparación con un montañista es una fracción de segundo, pero una cantidad tan pequeña no cambia el hecho de que esta es una diferencia real. El tiempo no se comporta como estamos acostumbrados a imaginar.

No debemos pensar en el tiempo como si en algún lugar hay grandes relojes cósmicos que miden la vida del universo. Durante más de 100 años, sabemos que el tiempo debe considerarse como un fenómeno local: cada objeto en el Universo tiene su propio tiempo, cuyo ritmo está determinado por el campo gravitacional local.

Pero incluso esta idea del tiempo local deja de funcionar cuando tenemos en cuenta la naturaleza cuántica del campo gravitacional. Los eventos cuánticos en la escala de Planck ya no se ordenan por el paso del tiempo. El tiempo, en cierto sentido, deja de existir.

¿Qué significan las palabras que el tiempo no existe?

En primer lugar, la ausencia de una variable temporal en las ecuaciones fundamentales no significa que todo quede inmóvil y que los cambios dejen de ocurrir. Por el contrario, esto significa que el cambio es omnipresente. Es solo que los procesos elementales no se pueden ordenar a lo largo de la secuencia habitual de momentos. En una escala extremadamente pequeña, correspondiente a los cuantos del espacio, la danza de la naturaleza no obedece al ritmo establecido por un palo conductor para toda la orquesta: cada proceso baila independientemente de sus vecinos, siguiendo su propio ritmo. El paso del tiempo es una propiedad interna del mundo, nace del mundo mismo a partir de las relaciones entre los eventos cuánticos, que son el mundo y que ellos mismos generan su propio tiempo.

De hecho, la inexistencia del tiempo no significa nada particularmente complicado. Tratemos de entender esto.

Pulso y araña con velas

El tiempo está incluido en la mayoría de las ecuaciones de la física clásica. Esta es una variable denotada por la letra t . Las ecuaciones nos dicen cómo cambian las cosas con el tiempo . Si sabemos lo que sucedió en el pasado, nos permiten predecir el futuro. Más precisamente, medimos ciertas cantidades, por ejemplo, la posición A del objeto, el ángulo B de la desviación del péndulo, la temperatura C del objeto y las ecuaciones físicas dicen cómo cambiarán estas cantidades en el tiempo. Predicen las funciones A (t) , B (t) , C (t) , etc., que describen los cambios en estas cantidades a lo largo del tiempo t.

Galileo fue el primero en comprender que el movimiento de los objetos en la Tierra puede describirse mediante ecuaciones como funciones del tiempo A (t) , B (t) , C (t) , y el primero en escribir las fórmulas para estas ecuaciones en forma explícita. Por ejemplo, la primera ley de física terrestre, encontrada por Galileo, describió la caída de un objeto, en otras palabras, mostró cómo su altura x cambia con el paso del tiempo t [ - Ed .]

Para descubrir y verificar esta ley, Galileo necesitaba dos tipos de mediciones. Midió la altura x del sujeto y el tiempo t . Por lo tanto, necesitaba una herramienta para medir el tiempo: un reloj.

No había vigilancia exacta en la época de Galileo. El propio Galileo, en su juventud, encontró la manera de hacer cronómetros precisos. Descubrió que las vibraciones pendulares siempre tienen la misma duración (independientemente de la amplitud). Por lo tanto, puede medir el tiempo simplemente contando la oscilación del péndulo. Esta idea parece tan obvia, pero solo Galileo llamó la atención sobre ella, antes de que no se le ocurriera a nadie. Esto sucede a menudo en la ciencia.

Pero en realidad, no todo es tan simple.

Según la leyenda, esta idea iluminó a Galileo en la majestuosa Catedral de Pisa, donde observó los lentos columpios de un candelabro gigante con velas. (La leyenda no es cierta, ya que el candelabro se sacudió allí muchos años después de la muerte de Galileo, pero la historia sigue siendo buena. Y es posible que algo más colgara en la catedral en esos días). El científico observó estas fluctuaciones durante el servicio religioso. en lo que obviamente no estaba particularmente absorto, y midió la duración de cada oscilación de la lámpara, contando los golpes de su propio pulso. Con creciente entusiasmo, descubrió que el número de golpes es el mismo para cada golpe; no cambió cuando la lámpara se desaceleró y se balanceó con una amplitud insignificante. Todas las vibraciones tuvieron la misma duración.

Esta historia suena maravillosa, pero si lo piensas, causa desconcierto, y esta perplejidad nos lleva a la esencia misma del problema del tiempo. ¿Cómo sabía Galileo que los latidos de su propio pulso ocurren en intervalos iguales de tiempo [Especialmente cuando comenzó a preocuparse ... - Ed .]?

Poco después de Galileo, los médicos comenzaron a medir el pulso de sus pacientes usando un reloj, que, en última instancia, no era más que un péndulo. Resulta que usamos el pulso para asegurarnos de que el péndulo oscila regularmente, y luego verificamos la constancia del pulso con la ayuda del péndulo. ¿No crees que hay algún tipo de círculo vicioso aquí? ¿Qué significaría eso?

De hecho, nunca medimos el tiempo por sí mismo, siempre medimos las cantidades físicas A , B , C ... (vibraciones, pulso y muchas otras cosas) y comparamos una cantidad con otra, es decir, medimos las funciones A (B ) , B (C) , C (A) , etc. Podemos calcular cuántos latidos del pulso en cada oscilación, cuántas oscilaciones ocurren en cada tic del cronómetro, cuántos tic del cronómetro entre los latidos del reloj de la torre ...

La conclusión es que es conveniente para nosotros imaginar que hay una cantidad t - "tiempo real" - que subyace a todo movimiento, incluso si no se puede medir directamente. Anotamos ecuaciones para variables físicas con respecto a esta cantidad no observable t : ecuaciones que nos dicen cómo cambian las cosas con t : por ejemplo, cuánto dura cada oscilación y cuánto dura el latido del corazón. A partir de aquí, podemos deducir cómo cambian las cantidades entre sí, cuántos latidos del pulso por cada oscilación, y comparar estas predicciones con lo que observamos en el mundo. Si estas predicciones resultan ser correctas, creemos que nuestro complejo esquema es correcto, y en particular la utilidad de la variable de tiempo t , incluso si no puede medirse directamente.

En otras palabras, la existencia de una variable de tiempo es una suposición conveniente, no el resultado de observaciones.

El primero en entender todo esto fue Newton: supuso que era un enfoque efectivo, aclaró y desarrolló este esquema. Newton escribe abiertamente en su libro que es imposible medir el tiempo verdadero t , pero suponiendo que existe, se obtiene una construcción efectiva para describir la naturaleza.

Una vez aclarado este punto, podemos volver a la gravedad cuántica y al significado de la afirmación de que "el tiempo no existe". Esto simplemente significa que el esquema newtoniano deja de funcionar cuando se trata de cosas muy pequeñas. Ella era buena, pero solo para grandes cosas.

Si queremos obtener una comprensión profunda del mundo, si queremos entender cómo funciona en situaciones menos familiares para nosotros, en las que la gravedad cuántica se vuelve significativa, tendremos que abandonar este esquema. La idea del tiempo t , que fluye por sí misma y en relación con la cual evolucionan las cosas, deja de ser útil. El mundo no se describe por ecuaciones de evolución en el tiempo t . Solo necesitamos enumerar las variables A , B , C , ... que realmente observamos, y escribir las ecuaciones que expresan las relaciones entre estas variables y nada más: es decir, las ecuaciones para las relaciones A (B) , B (C) , C ( A) , ... que observamos, y no para las funciones A (t) , B (t) , C (t) , ... que no observamos.

En el ejemplo con un pulso y un candelabro, en lugar de que el pulso y las oscilaciones del candelabro ocurran con el tiempo, solo tendremos ecuaciones que describan cómo cambian las dos cantidades correspondientes entre sí, es decir, una ecuación que nos dice directamente cuántos latidos por pulso columpio de una lámpara de araña sin mencionar t .

"Física sin tiempo" es física en la que hablamos solo sobre el pulso y el candelabro, sin mencionar el tiempo.

Este es un cambio simple, pero desde un punto de vista conceptual es un gran salto. Debemos aprender a pensar en el mundo no como algo que cambia con el tiempo, sino de alguna otra manera. Las cosas cambian solo en relación entre sí. En un nivel fundamental, el tiempo no existe. Nuestro sentido cotidiano del paso del tiempo es solo una aproximación que es cierta para nuestras escalas macroscópicas. Surge debido al hecho de que percibimos el mundo en una forma muy gruesa y de grano grueso.

Por lo tanto, el mundo descrito por esta teoría está muy lejos de lo que estamos acostumbrados. Ya no existe el espacio que contiene el mundo, y no hay tiempo durante el cual los eventos tienen lugar. Existen procesos elementales en los que los cuantos de espacio y materia interactúan continuamente entre sí. Esta imagen del mundo se puede comparar con un lago alpino limpio y tranquilo, que consiste en una miríada de pequeñas moléculas de agua que bailan rápidamente. La ilusión de que estamos rodeados de espacio y tiempo continuos es el resultado de ver desde lejos un enjambre denso de procesos elementales.

Del autor

A lo largo de mi carrera científica, amigos y personas curiosas me han pedido que explique qué está sucediendo en el campo de la investigación de la gravedad cuántica. ¿Cómo logras encontrar nuevas formas de comprender el espacio y el tiempo? Me pidieron repetidamente que hablara sobre estos estudios de forma accesible. Si bien hay muchos libros sobre cosmología y teoría de cuerdas, los libros que describen estudios sobre la naturaleza cuántica del espacio y el tiempo, así como sobre la gravedad cuántica de bucles, son casi imposibles de encontrar. Dudé durante mucho tiempo porque quería centrarme en la investigación. Hace varios años, al completar una monografía sobre este tema, sentí que el trabajo colectivo de muchos científicos llevó este campo de investigación a la etapa de madurez cuando se hizo posible escribir un libro de ciencia popular. El paisaje que estamos explorando es sorprendente: ¿vale la pena seguir ocultándolo de otras personas?

Pero seguí posponiendo el proyecto, porque no podía "ver" el libro en mi cabeza. ¿Cómo describir un mundo sin espacio y tiempo? En 2012, sentado solo al volante en un camino nocturno desde Italia a Francia, de repente me di cuenta de que la única forma de explicar de manera inteligible la constante modificación de los conceptos de espacio y tiempo es contar toda la historia desde el principio: desde las ideas de Demócrito hasta la presentación. sobre cuantos de espacio. Al final, así es como yo mismo entiendo esta historia. Comencé a bosquejar mentalmente la estructura del libro justo detrás del volante, cada vez más emocionado, hasta que escuché la sirena de la policía y la demanda de detenerse: superé con creces la velocidad permitida. El policía italiano me preguntó cortésmente si había perdido la cabeza para conducir a esa velocidad. Le respondí que acababa de encontrar la idea que había estado buscando durante tanto tiempo; no me escribió una multa y me deseó suerte con el nuevo libro. Este libro está frente a ti.

El libro fue escrito originalmente en italiano y publicado por primera vez en 2014. Poco después, preparé varios artículos sobre física fundamental para un periódico italiano. El famoso editor italiano Adelphi me ordenó una versión ampliada de estos artículos, que salió en forma de folleto. Entonces apareció un pequeño libro "Seven Short Lectures on Physics", que, para mi gran sorpresa, se convirtió en un éxito de ventas internacional y se convirtió en una ocasión para comunicarse con muchos lectores maravillosos de todo el mundo. Por lo tanto, las "Siete conferencias" se escribieron después de este libro y, en cierta medida, se convirtieron en una síntesis de algunos de los problemas que se abordan aquí. Si ya ha leído "Siete conferencias cortas sobre física" y desea obtener más información para sumergirse aún más en el extraño mundo descrito en ese libro, aquí encontrará los detalles necesarios.

A pesar de que la física tradicional se presenta en este libro desde un punto de vista bastante inusual, en general esto no causa controversia. Sin embargo, esa parte del libro, que trata de la investigación moderna sobre la gravedad cuántica, refleja mi comprensión personal del estado de conocimiento de este tema. Esta área de conocimiento está en la frontera entre lo que entendemos y lo que aún no entendemos, por lo que todavía estamos muy lejos de llegar a un consenso sobre los principales problemas relacionados con él. Algunos de mis colegas físicos estarán de acuerdo con lo que escribí en este libro, mientras que otros no. Esta es una situación común para la investigación actual llevada a cabo en los límites de nuestro conocimiento, pero prefiero hablar sobre ello de manera clara y abierta. Este libro no trata de lo que estamos seguros; Este libro trata sobre aventuras en el camino hacia lo desconocido.

En general, se trata de un viaje dedicado a una de las aventuras más impresionantes que le ha sucedido a la humanidad: un viaje más allá de los límites de las visiones parroquiales de la realidad a una comprensión cada vez más profunda de la estructura de las cosas. Y este increíble viaje más allá de la imagen ordinaria del mundo está lejos de terminar.

»Se puede encontrar más información sobre el libro en el sitio web del editor
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