O livro “Realidade irreal. Viajando pelo laço quântico »

Oi, habrozhiteli! O que é tempo e espaço? De onde vem a matéria? O que é realidade?
“O principal paradoxo da ciência é que, ao nos revelar um conhecimento sólido e confiável da natureza, ao mesmo tempo, muda rapidamente suas idéias criadas sobre a realidade. Essa paradoxalidade é melhor refletida no livro de Carlo Rovelli, que é dedicado ao problema mais agudo da física fundamental moderna - a busca pela teoria quântica da gravidade. A menção desse nome foi ouvida por muitos na série "The Big Bang Theory", mas não havia quase nenhum lugar para descobrir qual era o significado da gravidade do loop. Enquanto isso, essa teoria é um dos atores importantes na vanguarda da física fundamental ”, disse Alexander Sergeyev, co-fundador, autor de tarefas e zavlab do projeto Open Laboratory.

Trecho. Tempo não é o que pensamos dele

O fato de a natureza do tempo ser diferente das noções geralmente aceitas que todos nós temos, ficou claro há mais de um século. Teorias especiais e gerais da relatividade tornaram isso óbvio. Hoje, a inadequação de nossas noções cotidianas de tempo pode ser facilmente demonstrada em laboratório.

Considere, por exemplo, o primeiro corolário da teoria geral da relatividade descrita no capítulo 3. Dedique duas horas, verifique se elas mostram exatamente a mesma hora, coloque algumas no chão e outras na mesa. Vamos esperar meia hora e colocá-los ao lado deles novamente. Eles ainda mostrarão ao mesmo tempo?

Como indicado no capítulo 3, a resposta será não. Relógios comuns ou embutidos em um telefone celular não possuem a precisão necessária para verificar esse fato. No entanto, laboratórios físicos em todo o mundo têm relógios com precisão que pode demonstrar a discrepância: o relógio deixado no chão é mais lento que o mesmo relógio acima.

Porque Porque o tempo não flui igualmente em todo o mundo. Em alguns lugares, seu fluxo é mais rápido, em outros - mais lento. Quanto mais perto da Terra, onde a gravidade [Potencial de Gravidade - Ed .] É mais forte, mais lento o tempo flui. Lembre-se dos gêmeos do capítulo 3, cuja idade começou a diferir como resultado do fato de que um morava à beira-mar e o outro nas montanhas? Esse efeito é insignificante - o ganho de tempo ganho por um residente costeiro durante toda a sua vida em comparação com um alpinista é uma fração de segundo, mas um valor tão pequeno não altera o fato de que essa é uma diferença real. O tempo não se comporta da maneira como estamos acostumados a imaginar.

Não devemos pensar no tempo como se em algum lugar houvesse grandes relógios cósmicos que medem a vida do universo. Por mais de 100 anos, sabemos que o tempo deve ser pensado como um fenômeno local: cada objeto no Universo tem seu próprio tempo, cujo ritmo é determinado pelo campo gravitacional local.

Mas mesmo essa idéia de hora local deixa de funcionar quando levamos em conta a natureza quântica do campo gravitacional. Eventos quânticos na escala de Planck não são mais ordenados pela passagem do tempo. O tempo, em certo sentido, deixa de existir.

O que as palavras significam que o tempo não existe?

Antes de tudo, a ausência de uma variável temporária nas equações fundamentais não significa que tudo fique imóvel e que quaisquer mudanças deixem de ocorrer. Pelo contrário, isso significa que a mudança é onipresente. Isso é apenas processos elementares não podem ser ordenados ao longo da sequência usual de momentos. Em uma escala extremamente pequena, correspondente aos quanta do espaço, a dança da natureza não obedece ao ritmo estabelecido por um condutor para toda a orquestra: cada processo dança independentemente de seus vizinhos, seguindo seu próprio ritmo. A passagem do tempo é uma propriedade interna do mundo, nasce pelo próprio mundo a partir das relações entre eventos quânticos, que são o mundo e que, elas próprias, geram seu próprio tempo.

De fato, a inexistência de tempo não significa nada particularmente complicado. Vamos tentar entender isso.

Pulso e lustre com velas

O tempo está incluído na maioria das equações da física clássica. Esta é uma variável indicada pela letra t . As equações nos dizem como as coisas mudam com o tempo . Se sabemos o que aconteceu no passado, eles nos permitem prever o futuro. Mais precisamente, medimos certas quantidades, por exemplo, a posição A do objeto, o ângulo B do desvio do pêndulo, a temperatura C do objeto e as equações físicas dizem como essas quantidades mudarão com o tempo. Eles prevêem as funções A (t) , B (t) , C (t) etc., que descrevem as alterações nessas quantidades ao longo do tempo t.

Galileu foi o primeiro a entender que o movimento dos objetos na Terra pode ser descrito pelas equações como funções do tempo A (t) , B (t) , C (t) e o primeiro a escrever fórmulas para essas equações de forma explícita. Por exemplo, a primeira lei da física terrestre, encontrada por Galileu, descreveu a queda de um objeto, em outras palavras, mostrou como sua altura x muda com a passagem do tempo t [ Ed .]

Para descobrir e verificar essa lei, o Galileo precisava de dois tipos de medidas. Ele mediu a altura x do sujeito e o tempo t . Portanto, ele precisava de uma ferramenta para medir o tempo - um relógio.

Não havia vigilância exata no tempo de Galileu. O próprio Galileu, em sua juventude, encontrou uma maneira de fazer cronômetros precisos. Ele descobriu que as vibrações do pêndulo sempre têm a mesma duração (independentemente da amplitude). Portanto, você pode medir o tempo simplesmente contando o balanço do pêndulo. Essa idéia parece tão óbvia, mas apenas Galileu chamou a atenção antes que não ocorresse a ninguém. Isso geralmente acontece na ciência.

Mas, na realidade, nem tudo é tão simples.

Segundo a lenda, essa idéia iluminou Galileu na majestosa Catedral de Pisa, onde ele assistia os movimentos lentos de um lustre gigante com velas. (A lenda não é verdadeira, porque o lustre balançou lá muitos anos após a morte de Galileu, mas a história ainda é boa. E é possível que naquela época algo mais estivesse pendurado na catedral.) O cientista observou essas flutuações durante o serviço religioso no qual ele obviamente não estava particularmente absorvido, e mediu a duração de cada movimento do lustre, contando os movimentos de seu próprio pulso. Com crescente entusiasmo, ele descobriu que o número de tacadas é o mesmo para cada balanço - não mudou quando o lustre diminuiu a velocidade e oscilou com uma amplitude insignificante. Todas as vibrações tiveram a mesma duração.

Essa história parece maravilhosa, mas se você pensar bem, causa perplexidade, e essa perplexidade nos leva à própria essência do problema do tempo. Como Galileu sabia que as batidas de seu próprio pulso ocorrem em intervalos iguais de tempo [Especialmente quando ele começou a se preocupar ... - Ed .]?

Logo após o Galileo, os médicos começaram a medir o pulso de seus pacientes usando um relógio, que, em última análise, não passava de um pêndulo. Acontece que usamos o pulso para garantir que o pêndulo oscilasse regularmente e, em seguida, verificamos a constância do pulso com a ajuda do pêndulo. Você não acha que há algum tipo de círculo vicioso aqui? O que isso significa?

De fato, nunca medimos o tempo por si só, sempre medimos as quantidades físicas A , B , C ... (vibrações, pulsos e muitas outras coisas) e comparamos uma quantidade com outra, ou seja, medimos as funções A (B ) , B (C) , C (A) , etc. Podemos calcular quantas batidas do pulso em cada oscilação, quantas oscilações ocorrem em cada marca do cronômetro, quantas marcas do cronômetro entre as batidas do relógio da torre ...

A conclusão é que é conveniente imaginarmos que existe uma quantidade t - "tempo real" - subjacente a todo movimento, mesmo que não possa ser medido diretamente. Escrevemos equações para variáveis ​​físicas em relação a essa quantidade não observável - equações t que nos dizem como as coisas mudam com t : por exemplo, quanto tempo leva cada oscilação e quanto tempo dura o batimento cardíaco. A partir daqui, podemos deduzir como as quantidades mudam uma em relação à outra - quantas batidas do pulso por uma oscilação - e comparar essas previsões com o que observamos no mundo. Se essas previsões estiverem corretas, acreditamos que nosso esquema complexo está correto e, em particular, a utilidade da variável tempo t , mesmo que não possa ser medida diretamente.

Em outras palavras, a existência de uma variável de tempo é uma suposição conveniente, não o resultado de observações.

O primeiro a entender tudo isso foi Newton: ele imaginou que era uma abordagem eficaz, esclareceu e desenvolveu esse esquema. Newton escreve abertamente em seu livro que é impossível medir o tempo verdadeiro t , mas assumindo que ele exista, é obtida uma construção eficaz para descrever a natureza.

Tendo esclarecido esse ponto, podemos voltar à gravidade quântica e ao significado da afirmação de que "o tempo não existe". Isso significa simplesmente que o esquema newtoniano deixa de funcionar quando estamos lidando com coisas muito pequenas. Ela era boa, mas apenas para grandes coisas.

Se queremos obter uma compreensão profunda do mundo, se queremos entender como ele funciona em situações menos familiares para nós, nas quais a gravidade quântica se torna significativa, teremos que abandonar esse esquema. A idéia do tempo t , que flui por si mesma e em relação à qual as coisas evoluem, deixa de ser útil. O mundo não é descrito por equações de evolução no tempo t . Só precisamos listar as variáveis A , B , C , ... que realmente observamos e escrever as equações que expressam as relações entre essas variáveis ​​e nada mais: ou seja, as equações para as relações A (B) , B (C) , C ( A) , ... que observamos, e não para as funções A (t) , B (t) , C (t) , ... que não observamos.

No exemplo com um pulso e um lustre, em vez de o pulso e as oscilações ocorrerem ao longo do tempo, teremos apenas equações que descrevem como as duas quantidades correspondentes mudam uma em relação à outra, ou seja, uma equação que nos diz diretamente quantas pulsações por pulso balanço de um lustre sem menção t .

“Física sem tempo” é a física na qual falamos apenas sobre o pulso e o lustre, sem mencionar o tempo.

Essa é uma mudança simples, mas, do ponto de vista conceitual, é um grande salto. Precisamos aprender a pensar no mundo não como algo mudando ao longo do tempo, mas de alguma outra maneira. As coisas mudam apenas em relação uma à outra. Em um nível fundamental, o tempo não existe. Nosso senso cotidiano da passagem do tempo é apenas uma aproximação verdadeira para nossas escalas macroscópicas. Ela surge devido ao fato de percebermos o mundo de uma forma muito grosseira e de granulação grossa.

Assim, o mundo descrito por essa teoria está muito longe do que estamos acostumados. Não existe mais o espaço que o mundo contém e não há tempo durante o qual os eventos ocorram. Existem processos elementares nos quais os quanta do espaço e da matéria interagem continuamente entre si. Essa imagem do mundo pode ser comparada a um lago alpino limpo e calmo, que consiste em uma infinidade de pequenas moléculas de água que dançam rapidamente. A ilusão de que estamos rodeados por espaço e tempo contínuos é o resultado de ver de longe um denso enxame de processos elementares.

Do autor

Ao longo de minha carreira científica, amigos e apenas pessoas curiosas me pediram para explicar o que está acontecendo no campo da pesquisa de gravidade quântica. Como você consegue encontrar novas maneiras de compreender o espaço e o tempo? Foi-me pedido repetidamente que falasse sobre esses estudos de forma acessível. Embora existam muitos livros sobre cosmologia e teoria das cordas, livros que descrevem estudos sobre a natureza quântica do espaço e do tempo, bem como sobre a gravidade quântica em loop, são quase impossíveis de encontrar. Hesitei por muito tempo porque queria me concentrar na pesquisa. Há vários anos, ao concluir uma monografia sobre esse tópico, senti que o trabalho coletivo de muitos cientistas levou esse campo de pesquisa ao estágio de maturidade quando se tornou possível escrever um livro de ciência popular. A paisagem que estamos explorando é incrível - vale a pena continuar escondendo-a de outras pessoas?

Mas continuei a adiar o projeto, porque não conseguia "ver" o livro na minha cabeça. Como descrever um mundo sem espaço e tempo? Em 2012, sentado sozinho ao volante em uma estrada noturna da Itália para a França, de repente percebi que a única maneira de explicar inteligentemente a constante modificação dos conceitos de espaço e tempo é contar toda a história desde o início: das idéias de Demócrito à apresentação sobre quanta de espaço. No final, é assim que eu mesmo entendo essa história. Comecei a esboçar mentalmente a estrutura do livro logo ao volante, ficando cada vez mais empolgado, até ouvir a sirene da polícia e a exigência de parar - excedi em muito a velocidade permitida. O policial italiano educadamente me perguntou se eu tinha enlouquecido de dirigir a essa velocidade. Respondi que acabara de encontrar a ideia de que estava procurando há tanto tempo; ele não me escreveu uma multa e me desejou sorte com o novo livro. Este livro está na sua frente.

O livro foi originalmente escrito em italiano e publicado pela primeira vez em 2014. Logo depois, preparei vários artigos sobre física fundamental para um jornal italiano. A famosa editora italiana Adelphi me encomendou uma versão estendida desses artigos, que saiu na forma de um folheto. Assim, apareceu um pequeno livro “Seven Short Lectures on Physics”, que, para minha grande surpresa, tornou-se um best-seller internacional e uma ocasião de comunicação com muitos leitores maravilhosos ao redor do mundo. Assim, as “Sete Palestras” foram escritas após este livro e, em certa medida, tornaram-se uma síntese de algumas das questões abordadas aqui. Se você já leu “Sete palestras curtas sobre física” e deseja aprender mais para mergulhar ainda mais no mundo estranho descrito nesse livro, aqui você encontrará os detalhes necessários.

Apesar do fato de a física tradicional ser apresentada neste livro de um ponto de vista bastante incomum, em geral isso não causa controvérsia. No entanto, essa parte do livro, que lida com a pesquisa moderna sobre gravidade quântica, reflete minha compreensão pessoal do estado de conhecimento deste tópico. Essa área de conhecimento está na fronteira entre o que entendemos e o que ainda não entendemos; portanto, ainda estamos muito longe de chegar a um consenso sobre os principais problemas relacionados a ela. Alguns de meus colegas físicos concordam com o que escrevi neste livro, enquanto outros não. Essa é uma situação comum para a pesquisa atual realizada nas fronteiras do nosso conhecimento, mas eu prefiro falar sobre isso de forma clara e aberta. Este livro não é sobre o que temos certeza; este livro é sobre aventuras no caminho para o desconhecido.

Em geral, trata-se de uma jornada dedicada a uma das aventuras mais impressionantes que aconteceram à humanidade: uma jornada além dos limites das visões paroquiais da realidade, para uma compreensão cada vez mais profunda da estrutura das coisas. E essa jornada incrível além da imagem comum do mundo está longe de terminar.

»Mais informações sobre o livro podem ser encontradas no site do editor
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