Das Buch „Unwirkliche Realität. Die Quantenschleife bereisen »

Hallo habrozhiteli! Was ist Zeit und Raum? Woher kommt die Materie? Was ist Realität?
„Das Hauptparadoxon der Wissenschaft ist, dass sie uns zwar solide und verlässliche Naturkenntnisse offenbart, aber gleichzeitig ihre geschaffenen Vorstellungen von der Realität schnell verändert. Diese Paradoxizität spiegelt sich am besten im Buch von Carlo Rovelli wider, das sich dem akutesten Problem der modernen Grundlagenphysik widmet - der Suche nach der Quantentheorie der Schwerkraft. Die Erwähnung dieses Namens wurde von vielen in der Serie „The Big Bang Theory“ gehört, aber es gab fast keinen Ort, an dem man herausfinden konnte, was die Bedeutung der Schleifengravitation bedeutet. Mittlerweile ist diese Theorie einer der wichtigsten Akteure an der Spitze der Grundlagenphysik “, sagte Alexander Sergeyev, Mitbegründer, Autor von Aufgaben und Zavlab des Open Laboratory-Projekts.

Auszug. Zeit ist nicht das, was wir davon halten

Die Tatsache, dass sich die Natur der Zeit von den allgemein akzeptierten Vorstellungen unterscheidet, die wir alle haben, wurde vor mehr als einem Jahrhundert deutlich. Spezielle und allgemeine Relativitätstheorien machten dies deutlich. Die Unzulänglichkeit unserer alltäglichen Zeitvorstellungen kann heute im Labor leicht nachgewiesen werden.

Betrachten Sie zum Beispiel die erste Konsequenz der in Kapitel 3 beschriebenen allgemeinen Relativitätstheorie. Nehmen Sie sich zwei Stunden Zeit, stellen Sie sicher, dass sie genau zur gleichen Zeit angezeigt werden, legen Sie einige davon auf den Boden und andere auf den Tisch. Wir werden eine halbe Stunde warten und sie wieder neben sie stellen. Werden sie immer noch zur gleichen Zeit zeigen?

Wie in Kapitel 3 angegeben, lautet die Antwort nein. Gewöhnliche Uhren oder solche, die in ein Mobiltelefon eingebaut sind, haben nicht die erforderliche Genauigkeit, um diese Tatsache zu überprüfen. In physischen Labors auf der ganzen Welt gibt es jedoch Uhren mit einer Genauigkeit, die die Diskrepanz demonstrieren kann: Die auf dem Boden verbleibende Uhr ist langsamer als dieselbe Uhr oben.

Warum? Weil die Zeit nicht überall auf der Welt gleich fließt. An einigen Stellen ist der Fluss schneller, an anderen langsamer. Je näher die Erde ist, wo die Schwerkraft [Schwerkraftpotential - Hrsg .] Stärker ist, desto langsamer fließt die Zeit. Erinnern Sie sich an die Zwillinge aus Kapitel 3, deren Alter sich aufgrund der Tatsache, dass einer am Meer und der andere in den Bergen lebte, zu unterscheiden begann? Dieser Effekt ist vernachlässigbar - der Zeitgewinn, den ein Küstenbewohner im Laufe seines Lebens im Vergleich zu einem Bergsteiger erzielt, beträgt einen Bruchteil einer Sekunde, aber ein so geringer Betrag ändert nichts an der Tatsache, dass dies ein echter Unterschied ist. Die Zeit verhält sich nicht so, wie wir es uns vorgestellt haben.

Wir sollten nicht an die Zeit denken, als ob es irgendwo große kosmische Uhren gibt, die das Leben des Universums messen. Seit über 100 Jahren wissen wir, dass Zeit als lokales Phänomen betrachtet werden sollte: Jedes Objekt im Universum hat seine eigene Zeit, deren Tempo durch das lokale Gravitationsfeld bestimmt wird.

Aber selbst diese Idee der lokalen Zeit funktioniert nicht mehr, wenn wir die Quantennatur des Gravitationsfeldes berücksichtigen. Quantenereignisse auf der Planck-Skala sind im Laufe der Zeit nicht mehr geordnet. Die Zeit hört gewissermaßen auf zu existieren.

Was bedeuten die Worte, dass es keine Zeit gibt?

Erstens bedeutet das Fehlen einer temporären Variablen in den Grundgleichungen nicht, dass alles bewegungslos wird und dass keine Änderungen mehr auftreten. Im Gegenteil, dies bedeutet, dass Veränderungen allgegenwärtig sind. Das sind nur elementare Prozesse, die nicht in der üblichen Abfolge von Momenten angeordnet werden können. In einem extrem kleinen Maßstab, der den Quanten des Raumes entspricht, folgt der Tanz der Natur nicht dem Rhythmus, den ein Dirigentenstab für das gesamte Orchester festlegt: Jeder Prozess tanzt unabhängig von seinen Nachbarn und folgt seinem eigenen Rhythmus. Der Lauf der Zeit ist eine innere Eigenschaft der Welt, er wird von der Welt selbst aus den Beziehungen zwischen Quantenereignissen geboren, die die Welt sind und die selbst ihre eigene Zeit erzeugen.

Tatsächlich bedeutet die Nichtexistenz von Zeit nichts besonders Kompliziertes. Versuchen wir das zu verstehen.

Puls und Kronleuchter mit Kerzen

Zeit ist in den meisten Gleichungen der klassischen Physik enthalten. Dies ist eine Variable, die mit dem Buchstaben t bezeichnet ist . Gleichungen sagen uns, wie sich die Dinge im Laufe der Zeit ändern. Wenn wir wissen, was in der Vergangenheit passiert ist, können wir die Zukunft vorhersagen. Genauer gesagt messen wir bestimmte Größen, zum Beispiel die Position A des Objekts, den Winkel B der Abweichung des Pendels, die Temperatur C des Objekts und die physikalischen Gleichungen, wie sich diese Größen mit der Zeit ändern. Sie sagen die Funktionen A (t) , B (t) , C (t) usw. voraus, die die Änderungen dieser Größen über die Zeit t beschreiben.

Galileo war der erste, der verstand, dass die Bewegung von Objekten auf der Erde durch Gleichungen als Funktionen der Zeit A (t) , B (t) , C (t) beschrieben werden kann , und der erste, der die Formeln für diese Gleichungen in expliziter Form schrieb. Zum Beispiel beschrieb das erste von Galileo gefundene Gesetz der Erdphysik den Fall eines Objekts, mit anderen Worten, es zeigte, wie sich seine Höhe x im Laufe der Zeit t ändert [ - Ed .]

Um dieses Gesetz zu entdecken und zu verifizieren, benötigte Galileo zwei Arten von Messungen. Er maß die Höhe x des Subjekts und die Zeit t . Deshalb brauchte er ein Werkzeug zur Zeitmessung - eine Uhr.

Zu Galileos Zeiten gab es keine genaue Uhr. Galileo selbst hat in seiner Jugend einen Weg gefunden, genaue Chronometer herzustellen. Er fand heraus, dass Pendelschwingungen immer die gleiche Dauer haben (unabhängig von der Amplitude). Daher können Sie die Zeit einfach messen, indem Sie den Pendelschwung zählen. Diese Idee scheint so offensichtlich, aber nur Galileo machte darauf aufmerksam, bevor sie niemandem in den Sinn kam. Dies passiert oft in der Wissenschaft.

In Wirklichkeit ist jedoch nicht alles so einfach.

Der Legende nach beleuchtete diese Idee Galileo in der majestätischen Kathedrale von Pisa, wo er die langsamen Schwünge eines riesigen Kronleuchters mit Kerzen beobachtete. (Die Legende ist nicht wahr, da der Kronleuchter viele Jahre nach dem Tod von Galileo dort zum ersten Mal rockte, aber die Geschichte ist immer noch gut. Und es ist möglich, dass in jenen Tagen etwas anderes in der Kathedrale hing.) Der Wissenschaftler beobachtete diese Schwankungen während des Gottesdienstes in die er offensichtlich nicht besonders vertieft war, und maß die Dauer jedes Schwingens des Kronleuchters, wobei er die Striche seines eigenen Pulses zählte. Mit wachsender Aufregung stellte er fest, dass die Anzahl der Schläge für jeden Schwung gleich ist - sie änderte sich nicht, als der Kronleuchter langsamer wurde und mit einer unbedeutenden Amplitude schwankte. Alle Vibrationen hatten die gleiche Dauer.

Diese Geschichte klingt wunderbar, aber wenn Sie darüber nachdenken, verursacht sie Verwirrung, und diese Verwirrung führt uns zum Kern des Zeitproblems. Woher wusste Galileo, dass die Schläge seines eigenen Pulses in gleichen Zeitintervallen auftreten [besonders als er anfing sich Sorgen zu machen ... - Ed .]?

Bald nach Galileo begannen die Ärzte, den Puls ihrer Patienten mit einer Uhr zu messen, die letztendlich nichts weiter als ein Pendel war. Es stellte sich heraus, dass wir den Puls verwendet haben, um sicherzustellen, dass das Pendel regelmäßig schwingt, und dann haben wir die Konstanz des Pulses mit Hilfe des Pendels überprüft. Glaubst du nicht, dass es hier einen Teufelskreis gibt? Was würde das bedeuten?

Tatsächlich messen wir niemals die Zeit selbst, wir messen immer die physikalischen Größen A , B , C ... (Schwingungen, Impulse und viele andere Dinge) und vergleichen eine Größe mit einer anderen, dh wir messen die Funktionen A (B. ) , B (C) , C (A) usw. Wir können berechnen, wie viele Pulsschläge in jeder Schwingung, wie viele Schwingungen bei jedem Tick der Stoppuhr auftreten, wie viele Ticks der Stoppuhr zwischen den Takten der Turmuhr ...

Unter dem Strich ist es für uns bequem, uns vorzustellen, dass es eine Größe t - "wahre Zeit" - gibt, die jeder Bewegung zugrunde liegt, auch wenn sie nicht direkt gemessen werden kann. Wir schreiben Gleichungen für physikalische Variablen in Bezug auf diese nicht beobachtbare Größe t - Gleichungen auf, die uns sagen, wie sich die Dinge mit t ändern: zum Beispiel, wie lange jede Schwingung dauert und wie lange der Herzschlag dauert. Von hier aus können wir ableiten, wie sich die Größen im Verhältnis zueinander ändern - wie viele Pulsschläge pro Schwingung - und diese Vorhersagen mit dem vergleichen, was wir in der Welt beobachten. Wenn sich diese Vorhersagen als richtig herausstellen, glauben wir, dass unser komplexes Schema korrekt ist und insbesondere die Nützlichkeit der Zeitvariablen t , auch wenn sie nicht direkt gemessen werden kann.

Mit anderen Worten, die Existenz einer Zeitvariablen ist eine bequeme Annahme, nicht das Ergebnis von Beobachtungen.

Der erste, der dies alles verstand, war Newton: Er vermutete, dass dies ein wirksamer Ansatz war, klärte und entwickelte dieses Schema. Newton schreibt offen in seinem Buch, dass es unmöglich ist, die wahre Zeit t zu messen, aber unter der Annahme, dass sie existiert, wird eine effektive Konstruktion zur Beschreibung der Natur erhalten.

Nachdem wir diesen Punkt geklärt haben, können wir zur Quantengravitation und zur Bedeutung der Aussage zurückkehren, dass "Zeit nicht existiert". Dies bedeutet einfach, dass das Newtonsche Schema nicht mehr funktioniert, wenn wir uns mit sehr kleinen Dingen befassen. Sie war gut, aber nur für große Dinge.

Wenn wir ein tiefes Verständnis der Welt erlangen wollen, wenn wir verstehen wollen, wie sie in uns weniger vertrauten Situationen funktioniert, in denen die Quantengravitation von Bedeutung ist, müssen wir dieses Schema aufgeben. Die Idee der Zeit t , die von selbst fließt und in Bezug auf die sich die Dinge entwickeln, hört auf, nützlich zu sein. Die Welt wird nicht durch Evolutionsgleichungen in der Zeit t beschrieben . Wir müssen nur die Variablen A , B , C , ... auflisten , die wir wirklich beobachten, und die Gleichungen aufschreiben, die die Beziehungen zwischen diesen Variablen und nichts anderem ausdrücken: das heißt, die Gleichungen für die Beziehungen A (B) , B (C) , C ( A) , ... die wir beobachten und nicht für die Funktionen A (t) , B (t) , C (t) , ... die wir nicht beobachten.

In dem Beispiel mit einem Puls und einem Kronleuchter haben wir anstelle des Pulses und der Schwingungen des Kronleuchters, die im Laufe der Zeit auftreten, nur Gleichungen, die beschreiben, wie sich die beiden entsprechenden Größen relativ zueinander ändern, dh eine Gleichung, die uns direkt sagt, wie viele Herzschläge pro Puls Schaukel eines Kronleuchters ohne Erwähnung t .

"Physik ohne Zeit" ist Physik, in der wir nur über den Puls und den Kronleuchter sprechen, ohne die Zeit zu erwähnen.

Dies ist eine einfache Änderung, aber aus konzeptioneller Sicht ein großer Sprung. Wir müssen lernen, die Welt nicht als etwas zu betrachten, das sich im Laufe der Zeit ändert, sondern auf andere Weise. Dinge ändern sich nur im Verhältnis zueinander. Grundsätzlich existiert keine Zeit. Unser alltägliches Gefühl für den Lauf der Zeit ist nur eine Annäherung, die für unsere makroskopischen Skalen gilt. Es entsteht dadurch, dass wir die Welt in einer sehr groben, grobkörnigen Form wahrnehmen.

Somit ist die von dieser Theorie beschriebene Welt sehr weit von dem entfernt, was wir gewohnt sind. Es gibt nicht mehr den Raum, den die Welt enthält , und es gibt keine Zeit, in der Ereignisse stattfinden. Es gibt elementare Prozesse, bei denen die Quanten von Raum und Materie kontinuierlich miteinander interagieren. Dieses Bild der Welt kann mit einem sauberen und ruhigen Alpensee verglichen werden, der aus einer Vielzahl von schnell tanzenden winzigen Wassermolekülen besteht. Die Illusion, dass wir von kontinuierlichem Raum und Zeit umgeben sind, ist das Ergebnis der Betrachtung eines dichten Schwarms elementarer Prozesse aus der Ferne.

Vom Autor

Während meiner wissenschaftlichen Karriere haben mich Freunde und nur neugierige Menschen gebeten zu erklären, was auf dem Gebiet der Quantengravitationsforschung geschieht. Wie schaffen Sie es, neue Wege zu finden, um Raum und Zeit zu erfassen? Ich wurde wiederholt gebeten, in zugänglicher Form über diese Studien zu berichten. Während es viele Bücher über Kosmologie und Stringtheorie gibt, sind Bücher, die Studien zur Quantennatur von Raum und Zeit sowie zur Schleifenquantengravitation beschreiben, kaum zu finden. Ich habe lange gezögert, weil ich mich auf die Forschung konzentrieren wollte. Als ich vor einigen Jahren eine Monographie zu diesem Thema fertigstellte, hatte ich das Gefühl, dass die kollektive Arbeit vieler Wissenschaftler dieses Forschungsfeld zum Reifegrad brachte, als es möglich wurde, ein populärwissenschaftliches Buch zu schreiben. Die Landschaft, die wir erkunden, ist erstaunlich - lohnt es sich, sie vor anderen Menschen zu verstecken?

Aber ich habe das Projekt weiter verschoben, weil ich das Buch in meinem Kopf nicht „sehen“ konnte. Wie kann man eine Welt ohne Raum und Zeit beschreiben? Als ich 2012 alleine am Steuer auf einer Nachtstraße von Italien nach Frankreich saß, wurde mir plötzlich klar, dass die einzige Möglichkeit, die ständige Veränderung der Konzepte von Raum und Zeit verständlich zu erklären, darin besteht, die ganze Geschichte von Anfang an zu erzählen: von den Ideen des Demokrit bis zur Präsentation über Quanten des Raumes. Am Ende verstehe ich diese Geschichte so. Ich begann mental die Struktur des Buches direkt hinter dem Lenkrad zu skizzieren und wurde immer aufgeregter, bis ich die Polizeisirene und die Aufforderung zum Anhalten hörte - ich überschritt die zulässige Geschwindigkeit bei weitem. Der italienische Polizist fragte mich höflich, ob ich den Verstand verloren hätte, mit einer solchen Geschwindigkeit zu fahren. Ich antwortete, dass ich gerade die Idee gefunden hatte, nach der ich so lange gesucht hatte; Er schrieb mir keine Geldstrafe und wünschte mir viel Glück mit dem neuen Buch. Dieses Buch liegt vor Ihnen.

Das Buch wurde ursprünglich in italienischer Sprache verfasst und erstmals 2014 veröffentlicht. Bald darauf bereitete ich mehrere Artikel über Grundlagenphysik für eine italienische Zeitung vor. Der berühmte italienische Verlag Adelphi bestellte mir eine erweiterte Version dieser Artikel, die in Form einer Broschüre herauskam. So erschien ein kleines Buch „Sieben kurze Vorlesungen über Physik“, das zu meiner großen Überraschung zu einem internationalen Bestseller wurde und Anlass zur Kommunikation mit vielen wunderbaren Lesern auf der ganzen Welt wurde. So wurden die „Sieben Vorlesungen“ nach diesem Buch geschrieben und wurden zu einer gewissen Synthese einiger der hier angesprochenen Themen. Wenn Sie bereits „Sieben kurze Vorlesungen über Physik“ gelesen haben und mehr erfahren möchten, um noch tiefer in die in diesem Buch beschriebene fremde Welt einzutauchen, finden Sie hier die notwendigen Details.

Trotz der Tatsache, dass die traditionelle Physik in diesem Buch unter einem eher ungewöhnlichen Gesichtspunkt dargestellt wird, führt dies im Allgemeinen nicht zu Kontroversen. Dieser Teil des Buches, der sich mit der modernen Forschung zur Quantengravitation befasst, spiegelt jedoch mein persönliches Verständnis des Wissensstandes zu diesem Thema wider. Dieser Wissensbereich befindet sich an der Grenze zwischen dem, was wir verstehen und dem, was wir immer noch nicht verstehen. Daher sind wir noch weit davon entfernt, einen Konsens über die damit verbundenen Hauptprobleme zu erzielen. Einige meiner Mitphysiker werden dem zustimmen, was ich in diesem Buch geschrieben habe, andere nicht. Dies ist eine häufige Situation für aktuelle Forschungen, die an den Grenzen unseres Wissens durchgeführt werden, aber ich möchte lieber klar und offen darüber sprechen. In diesem Buch geht es nicht darum, dessen wir uns sicher sind. Dieses Buch handelt von Abenteuern auf dem Weg ins Unbekannte.

Im Allgemeinen handelt es sich um eine Reise, die einem der beeindruckendsten Abenteuer der Menschheit gewidmet ist: einer Reise über die Grenzen der parochialen Sicht der Realität hinaus zu einem immer tieferen Verständnis der Struktur der Dinge. Und diese unglaubliche Reise über das gewöhnliche Bild der Welt hinaus ist noch lange nicht vorbei.

»Weitere Informationen zum Buch finden Sie auf der Website des Herausgebers
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» Auszug

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