Buku “Realitas yang tidak nyata. Bepergian di Loop Quantum »

Hai, habrozhiteli! Apa itu ruang dan waktu? Dari mana datangnya materi? Apa itu realitas?
“Paradoks utama ilmu pengetahuan adalah bahwa, sementara mengungkapkan kepada kita pengetahuan yang kuat dan dapat diandalkan tentang alam, pada saat yang sama dengan cepat mengubah ide-ide yang diciptakannya tentang realitas. Paradoksikalitas ini paling baik tercermin dalam buku Carlo Rovelli, yang dikhususkan untuk masalah paling akut fisika fundamental modern - pencarian teori gravitasi kuantum. Penyebutan nama ini didengar oleh banyak orang dalam seri "The Big Bang Theory," tetapi hampir tidak ada tempat untuk mengetahui apa arti dari loop gravity. Sementara itu, teori ini adalah salah satu pemain penting di garis depan fisika fundamental, ”kata Alexander Sergeyev, salah satu pendiri, penulis tugas dan zavlab dari proyek Laboratorium Terbuka.

Kutipan. Waktu bukanlah apa yang kita pikirkan tentang itu

Fakta bahwa sifat waktu berbeda dari pengertian yang diterima secara umum yang dimiliki oleh kita semua, menjadi jelas lebih dari seabad yang lalu. Teori relativitas khusus dan umum memperjelas hal ini. Saat ini, ketidakcukupan pengertian waktu kita sehari-hari dapat dengan mudah ditunjukkan di laboratorium.

Pertimbangkan, misalnya, konsekuensi pertama dari teori relativitas umum yang dijelaskan dalam bab 3. Ambil dua jam, pastikan bahwa mereka menunjukkan waktu yang persis sama, letakkan beberapa di atas lantai, dan yang lain di atas meja. Kami akan menunggu setengah jam dan meletakkannya di sebelahnya lagi. Akankah mereka tetap menunjukkan waktu yang sama?

Seperti yang dinyatakan dalam bab 3, jawabannya adalah tidak. Jam tangan biasa atau jam tangan yang dibuat dalam ponsel tidak memiliki keakuratan yang diperlukan untuk memverifikasi fakta ini. Namun, laboratorium fisik di seluruh dunia memiliki jam tangan yang memiliki akurasi yang dapat menunjukkan perbedaan: jam yang tersisa di lantai lebih lambat dari jam yang sama di atas.

Mengapa Karena waktu tidak mengalir secara merata di mana-mana di dunia. Di beberapa tempat, alirannya lebih cepat, di tempat lain - lebih lambat. Semakin dekat ke Bumi, di mana gravitasi [Potensi gravitasi - Red .] Lebih kuat, semakin lambat waktu mengalir. Ingat si kembar dari bab 3, yang usianya mulai berbeda karena fakta bahwa satu hidup di laut dan yang lain di pegunungan? Efek ini dapat diabaikan - perolehan waktu yang diperoleh oleh penduduk pesisir selama seumur hidup dibandingkan dengan pendaki gunung adalah sepersekian detik, tetapi jumlah yang kecil tidak mengubah fakta bahwa ini adalah perbedaan yang nyata. Waktu tidak berperilaku seperti yang biasa kita bayangkan.

Kita seharusnya tidak berpikir tentang waktu seolah-olah di suatu tempat ada jam kosmik besar yang mengukur kehidupan alam semesta. Selama lebih dari 100 tahun, kita tahu bahwa waktu harus dianggap sebagai fenomena lokal: setiap objek di Alam Semesta memiliki waktu sendiri, kecepatannya ditentukan oleh medan gravitasi lokal.

Tetapi bahkan gagasan tentang waktu lokal ini berhenti bekerja ketika kita memperhitungkan sifat kuantum medan gravitasi. Peristiwa kuantum pada skala Planck tidak lagi diperintahkan oleh berlalunya waktu. Waktu, dalam arti tertentu, tidak ada lagi.

Apa arti kata-kata bahwa waktu tidak ada?

Pertama-tama, tidak adanya variabel sementara dalam persamaan fundamental tidak berarti bahwa semuanya menjadi tidak bergerak dan bahwa setiap perubahan tidak lagi terjadi. Sebaliknya, ini berarti bahwa perubahan ada di mana-mana. Itu hanya proses elementer yang tidak bisa dipesan sepanjang urutan momen yang biasa. Pada skala yang sangat kecil, sesuai dengan kuanta ruang, tarian alam tidak mematuhi ritme yang ditetapkan oleh satu tongkat konduktor untuk seluruh orkestra: setiap proses menari secara independen dari tetangganya, mengikuti iramanya sendiri. Berlalunya waktu adalah properti internal dunia, ia dilahirkan oleh dunia itu sendiri dari hubungan antara peristiwa kuantum, yang merupakan dunia dan yang dengan sendirinya menghasilkan waktu mereka sendiri.

Sebenarnya, tidak adanya waktu tidak berarti sesuatu yang rumit. Mari kita coba memahami ini.

Pulsa dan lampu dengan lilin

Waktu termasuk dalam sebagian besar persamaan fisika klasik. Ini adalah variabel yang dilambangkan dengan huruf t . Persamaan memberi tahu kita bagaimana berbagai hal berubah seiring waktu . Jika kita tahu apa yang terjadi di masa lalu, mereka memungkinkan kita untuk memprediksi masa depan. Lebih tepatnya, kita mengukur jumlah tertentu, misalnya, posisi A dari objek, sudut B dari penyimpangan pendulum, suhu C dari objek, dan persamaan fisik mengatakan bagaimana jumlah ini akan berubah dalam waktu. Mereka memprediksi fungsi A (t) , B (t) , C (t) , dll., Yang menggambarkan perubahan jumlah ini dari waktu ke waktu t.

Galileo adalah yang pertama memahami bahwa gerak benda di bumi dapat digambarkan dengan persamaan sebagai fungsi waktu A (t) , B (t) , C (t) , dan yang pertama menulis rumus untuk persamaan ini dalam bentuk eksplisit. Sebagai contoh, hukum pertama fisika terestrial, yang ditemukan oleh Galileo, menggambarkan jatuhnya suatu benda, dengan kata lain, menunjukkan bagaimana tingginya x berubah dengan berlalunya waktu t [ - Ed .]

Untuk menemukan dan memverifikasi hukum ini, Galileo membutuhkan dua jenis pengukuran. Dia mengukur tinggi x subjek dan waktu t . Karena itu, ia membutuhkan alat untuk mengukur waktu - sebuah jam.

Tidak ada jam yang tepat pada zaman Galileo. Galileo sendiri, di masa mudanya, menemukan cara untuk membuat kronometer yang akurat. Dia menemukan bahwa getaran pendulum selalu memiliki durasi yang sama (terlepas dari amplitudo). Karena itu, Anda dapat mengukur waktu hanya dengan menghitung ayunan bandul. Gagasan ini tampak sangat jelas, tetapi hanya Galileo yang memperhatikannya, sebelum itu tidak terjadi pada siapa pun. Ini sering terjadi dalam sains.

Namun dalam kenyataannya, semuanya tidak begitu sederhana.

Menurut legenda, gagasan ini menyinari Galileo di Katedral Pisa yang megah, tempat ia menyaksikan ayunan lambat sebuah lampu gantung raksasa dengan lilin. (Legenda itu tidak benar, karena kandil pertama kali bergoyang di sana bertahun-tahun setelah kematian Galileo, tetapi ceritanya masih bagus. Dan mungkin saja ada sesuatu yang tergantung di katedral pada masa itu.) Ilmuwan mengamati fluktuasi ini selama pelayanan keagamaan. yang jelas-jelas tidak diserapnya, dan diukur durasi setiap ayunan kandil, menghitung denyut nadinya sendiri. Dengan meningkatnya kegembiraan, ia menemukan bahwa jumlah pukulan adalah sama untuk setiap ayunan - itu tidak berubah ketika lampu gantung melambat dan bergoyang dengan amplitudo yang tidak signifikan. Semua getaran memiliki durasi yang sama.

Kisah ini kedengarannya indah, tetapi jika Anda memikirkannya, itu menyebabkan kebingungan, dan kebingungan ini membawa kita pada inti masalah waktu. Bagaimana Galileo tahu bahwa detak nadinya sendiri terjadi dalam interval waktu yang sama [Terutama ketika ia mulai khawatir ... - Ed .]?

Segera setelah Galileo, dokter mulai mengukur denyut nadi pasien mereka menggunakan arloji, yang, pada akhirnya, tidak lebih dari pendulum. Ternyata kami menggunakan denyut nadi untuk memastikan pendulum berayun secara teratur, dan kemudian kami memeriksa keteguhan nadi dengan bantuan pendulum. Tidakkah Anda pikir ada semacam lingkaran setan di sini? Apa artinya itu?

Faktanya, kita tidak pernah mengukur waktu dengan sendirinya, kita selalu mengukur kuantitas fisik A , B , C ... (getaran, denyut nadi, dan banyak hal lainnya) dan membandingkan satu kuantitas dengan yang lain, yaitu, dengan kata lain, kita mengukur fungsi A (B ) , B (C) , C (A) , dll. Kita dapat menghitung berapa banyak denyut nadi di setiap osilasi, berapa banyak osilasi yang terjadi pada setiap centang pada stopwatch, berapa banyak centang pada stopwatch antara ketukan dari jam menara ...

Intinya adalah mudah bagi kita untuk membayangkan bahwa ada kuantitas t - "waktu sebenarnya" - yang mendasari semua gerakan, bahkan jika itu tidak dapat diukur secara langsung. Kami menuliskan persamaan untuk variabel fisik berkenaan dengan persamaan t - persamaan kuantitas yang tidak dapat diobservasi ini yang memberi tahu kami bagaimana berbagai hal berubah dengan t : misalnya, berapa lama setiap osilasi berlangsung dan berapa lama detak jantung berlangsung. Dari sini kita dapat menyimpulkan bagaimana kuantitas berubah dalam hubungannya satu sama lain - berapa banyak denyut nadi per satu osilasi - dan membandingkan prediksi ini dengan apa yang kita amati di dunia. Jika prediksi ini ternyata benar, kami percaya bahwa skema kompleks kami benar, dan khususnya kegunaan variabel waktu t , bahkan jika itu tidak dapat diukur secara langsung.

Dengan kata lain, keberadaan variabel waktu adalah asumsi yang nyaman, bukan hasil pengamatan.

Yang pertama memahami semua ini adalah Newton: ia menduga itu adalah pendekatan yang efektif, memperjelas dan mengembangkan skema ini. Newton secara terbuka menulis dalam bukunya bahwa tidak mungkin untuk mengukur waktu sebenarnya t , tetapi dengan asumsi bahwa itu ada, konstruksi yang efektif diperoleh untuk menggambarkan alam.

Setelah mengklarifikasi poin ini, kita dapat kembali ke gravitasi kuantum dan ke makna pernyataan bahwa "waktu tidak ada." Ini berarti bahwa skema Newton berhenti bekerja ketika kita berhadapan dengan hal-hal yang sangat kecil. Dia baik, tetapi hanya untuk hal-hal besar.

Jika kita ingin mendapatkan pemahaman yang mendalam tentang dunia, jika kita ingin memahami bagaimana fungsinya dalam situasi yang kurang akrab bagi kita, di mana gravitasi kuantum menjadi signifikan, kita harus meninggalkan skema ini. Gagasan waktu t , yang mengalir dengan sendirinya dan dalam kaitannya dengan mana segala sesuatu berevolusi, tidak lagi berguna. Dunia tidak dijelaskan oleh persamaan evolusi pada waktu t . Kita hanya perlu membuat daftar variabel A , B , C , ... yang benar-benar kita amati, dan menuliskan persamaan yang menyatakan hubungan antara variabel - variabel ini dan tidak lebih: yaitu, persamaan untuk hubungan A (B) , B (C) , C ( A) , ... yang kita amati, dan bukan untuk fungsi A (t) , B (t) , C (t) , ... yang tidak kita amati.

Dalam contoh dengan pulsa dan lampu gantung, alih-alih pulsa dan ayunan lampu gantung yang terjadi dari waktu ke waktu, kita hanya akan memiliki persamaan yang menggambarkan bagaimana dua kuantitas yang terkait berubah relatif satu sama lain, yaitu, persamaan yang secara langsung memberi tahu kita berapa banyak detak jantung per pulsa ayunan lampu gantung tanpa menyebutkan t .

"Fisika tanpa waktu" adalah fisika di mana kita hanya berbicara tentang denyut nadi dan kandil, tidak menyebutkan waktu.

Ini adalah perubahan sederhana, tetapi dari sudut pandang konseptual, ini adalah lompatan besar. Kita harus belajar memikirkan dunia bukan sebagai sesuatu yang berubah seiring waktu, tetapi dengan cara lain. Segala sesuatu berubah hanya dalam hubungannya satu sama lain. Pada level fundamental, waktu tidak ada. Perasaan kita sehari-hari tentang perjalanan waktu hanyalah perkiraan yang benar untuk skala makroskopik kita. Itu muncul karena fakta bahwa kita memandang dunia dalam bentuk yang sangat kasar, berbutir kasar.

Dengan demikian, dunia yang digambarkan oleh teori ini sangat jauh dari apa yang biasa kita lakukan. Tidak ada lagi ruang yang dikandung dunia, dan tidak ada waktu selama peristiwa berlangsung. Ada proses-proses dasar di mana kuanta ruang dan materi terus berinteraksi satu sama lain. Gambaran dunia ini dapat dibandingkan dengan danau alpine yang bersih dan tenang, yang terdiri dari segudang molekul air kecil yang menari dengan cepat. Ilusi bahwa kita dikelilingi oleh ruang dan waktu yang terus menerus adalah hasil dari melihat dari jauh kerumunan proses elementer.

Dari penulis

Sepanjang karier ilmiah saya, teman-teman dan orang-orang yang hanya ingin tahu telah meminta saya untuk menjelaskan apa yang terjadi di bidang penelitian gravitasi kuantum. Bagaimana Anda bisa menemukan cara baru untuk memahami ruang dan waktu? Saya berulang kali diminta untuk menceritakan tentang studi ini dalam bentuk yang dapat diakses. Walaupun ada banyak buku tentang kosmologi dan teori string, buku-buku yang menggambarkan studi tentang sifat kuantum ruang dan waktu, serta tentang loop quantum gravity, hampir tidak mungkin ditemukan. Saya ragu-ragu untuk waktu yang lama karena saya ingin fokus pada penelitian. Beberapa tahun yang lalu, menyelesaikan monograf tentang topik ini, saya merasa bahwa kerja kolektif banyak ilmuwan membawa bidang penelitian ini ke tahap kematangan ketika dimungkinkan untuk menulis buku sains populer. Pemandangan yang kami jelajahi sangat menakjubkan - apakah layak untuk terus menyembunyikannya dari orang lain?

Tetapi saya terus menunda proyek itu, karena saya tidak bisa "melihat" buku itu di kepala saya. Bagaimana cara menggambarkan dunia tanpa ruang dan waktu? Pada 2012, duduk sendirian di belakang kemudi di jalan malam dari Italia ke Prancis, tiba-tiba saya menyadari bahwa satu-satunya cara untuk secara cerdas menjelaskan modifikasi konstan konsep ruang dan waktu adalah dengan menceritakan keseluruhan kisah dari awal: dari ide-ide Democritus hingga presentasi. tentang kuanta ruang. Pada akhirnya, itulah cara saya sendiri memahami cerita ini. Saya mulai membuat sketsa mental struktur buku tepat di belakang kemudi, semakin bersemangat, sampai saya mendengar sirene polisi dan permintaan untuk berhenti - saya jauh melebihi kecepatan yang diizinkan. Polisi Italia itu dengan sopan bertanya kepada saya apakah saya kehilangan akal untuk mengemudi dengan kecepatan seperti itu. Saya menjawab bahwa saya baru saja menemukan ide yang telah lama saya cari; dia tidak menulis denda padaku dan berharap aku beruntung dengan buku baru. Buku ini ada di depan Anda.

Buku ini awalnya ditulis dalam bahasa Italia dan diterbitkan pertama kali pada tahun 2014. Segera setelah itu, saya menyiapkan beberapa artikel tentang fisika dasar untuk koran Italia. Penerbit terkenal Italia, Adelphi, memesan saya versi panjang dari artikel-artikel ini, yang diterbitkan dalam bentuk brosur. Maka sebuah buku kecil "Tujuh Ceramah Singkat tentang Fisika" muncul, yang, sangat mengejutkan saya, menjadi buku terlaris internasional dan menjadi kesempatan untuk berkomunikasi dengan banyak pembaca yang hebat di seluruh dunia. Dengan demikian, "Tujuh Kuliah" ditulis setelah buku ini dan, sampai batas tertentu, menjadi sintesis dari beberapa masalah yang dibahas di sini. Jika Anda sudah membaca "Tujuh Ceramah Singkat Fisika" dan ingin belajar lebih banyak untuk terjun lebih jauh ke dunia aneh yang dijelaskan dalam buku itu, di sini Anda akan menemukan detail yang diperlukan.

Terlepas dari kenyataan bahwa fisika tradisional disajikan dalam buku ini dari sudut pandang yang agak tidak biasa, secara umum ini tidak menimbulkan kontroversi. Namun, bagian buku itu, yang berkaitan dengan penelitian modern tentang gravitasi kuantum, mencerminkan pemahaman pribadi saya tentang tingkat pengetahuan tentang topik ini. Area pengetahuan ini berada di perbatasan antara apa yang kita pahami dan apa yang masih belum kita pahami, jadi kita masih sangat jauh dari mencapai konsensus tentang isu-isu utama yang terkait dengannya. Beberapa rekan fisikawan saya akan setuju dengan apa yang saya tulis dalam buku ini, sementara yang lain tidak. Ini adalah situasi umum untuk penelitian saat ini yang dilakukan di perbatasan pengetahuan kita, tetapi saya lebih suka membicarakannya dengan jelas dan terbuka. Buku ini bukan tentang apa yang kita yakini; buku ini adalah tentang petualangan di jalan menuju yang tidak dikenal.

Secara umum, ini adalah tentang sebuah perjalanan yang didedikasikan untuk salah satu petualangan paling mengesankan yang telah menimpa umat manusia: sebuah perjalanan yang melampaui batas-batas pandangan sempit realitas ke pemahaman yang semakin dalam tentang struktur benda. Dan perjalanan luar biasa ini di luar gambaran biasa dunia masih jauh dari selesai.

»Informasi lebih lanjut tentang buku ini dapat ditemukan di situs web penerbit
» Isi
» Kutipan

Untuk habrozhitelami, diskon 20% untuk kupon - Realitas

Setelah pembayaran versi kertas buku, sebuah buku elektronik dikirim melalui email.