Vil vi nogensinde forene kvantemekanik med generel relativitet?

Oftere end ikke, de spørgsmål, der dukker op i løbet af dagen, er dem, vi alle kan besvare temmelig fortroligt. Har du spist frokost? Hørte du Taylor Swifts nye sang? Er det en bekendelse om en dreng, hun datede en gang?

Men når vi begynder at overveje de store spørgsmål-det, vi tackler i dag, spørger, om kvantemekanik og generel relativitet nogensinde kan forenes-styrter vores selvsikkerhed. Har kvantemekanik ikke noget at gøre med planeter? Er den generelle relativitet den med energi, der svarer til massen gange lysets hastighed i kvadrat? Vente, var det masse eller bevægelse? Eller minutter. Det er minutter, er det ikke?

Ingen frygt. Selvom dette spørgsmål er ekstremt svært at besvare, selve spørgsmålet er så simpelt som at dechifrere en popstjernes tekst. Inden vi begynder at løse det uløselige univers, lad os nedbryde komponenterne.

Lad os først tackle kvantemekanikken. Og det er et godt sted at starte, fordi det er undersøgelsen af ​​noget ekstremt lille - stof og stråling på atom- og subatomære niveauer. Det var egentlig først, da forskere begyndte at forstå atomer, at almindelig gammel fysik havde brug for lidt af en ændring. Fordi som forskere kiggede på atomer, de opførte sig ikke som resten af ​​universet. For eksempel, elektroner kredsede ikke om kernen som en planet, der kredsede om solen - hvis ja, de ville have omsorgsfuldt ind i kernen [kilde:Stedl].

Det blev klart, at klassisk fysik ikke skar det i atomskala. Så kvantemekanik opstod ud fra en nødvendighed for at forstå, hvordan meget små fænomener handlede anderledes end de store ting i videnskaben. Hvad vi opdagede var, at noget som en foton kunne fungere som en partikel (som bærer masse og energi) og en bølge (som kun bærer energi). Dette er en stor ting - det kan være to ting på én gang. Og det betyder, at de mindste dele af universet svinger dramatisk, og uden nogen måde at kende den særlige placering på noget tidspunkt.

Det er alt relativitet

Så nu forstår vi, at kvantemekanikken i det væsentlige åbnede op for, hvordan vi tænker om universet (når det kommer til den mindste skala). Partikler kan være bølger, for eksempel. Bare for at tilføje det sjove, kvantemekanikkens usikkerhedsprincip fortæller os, at vi ikke rigtig kan se, hvor en partikel er, eller hvor hurtigt den bevæger sig på samme tid.

Einstein havde det ikke. Ideen om, at vi ikke rigtig kunne fortælle, hvor en partikel var, eller hvad der lavede, må have været dybt foruroligende for en fysiker, der var dedikeret til at definere måden universet fungerede - hvilket Einstein gjorde, med teorien om generel relativitetsteori.

Vær nu ikke bange. Generel relativitet har to store ideer:en om rum og tid, en anden om tyngdekraften. Som du og jeg ser det, rum og tid er i baggrunden. De er fikset. De eksisterer kronologisk (og sådan monolitisk.) I generel relativitet, rum og tid er en samlet dimension (kaldet rum-tid, bekvemt). Men her er sagen:Rum tid kan være stor og samlet, men det hænger ikke ud i baggrunden. Teorien om generel relativitet siger, at rumtid kan påvirkes af stof. Det betyder, at du - uanset hvad eksisterende - ændrer rum og tid.

OKAY, ikke nøjagtigt. Det er faktisk virkelig store ting, der laver rum-tidssving. Solen, for eksempel, krummer rum-tid mod det. Og hvad ville det betyde? Ah, det er rigtigt:Mindre planeter ville falde i kredsløb omkring det.

Hvilket bringer os til tyngdekraften. Ja, generel relativitet var ikke bare Einstein, der klappede Newton på ryggen og sagde:"Ja, hr, tyngdekraften er en ting! "I stedet for Einstein gav os en grund til tyngdekraften-at krumningen af ​​rumtid fik tyngdekraften til at eksistere, og fik universet til at handle som det gjorde.

Så hvad er problemet? Einstein viste os en forbløffende måde, universet fungerer på, og kvantemekanik viser os en fascinerende måde, hvorpå partikler på atomært og subatomært plan virker. Desværre, det ene forklarer ikke det andet. Hvilket betyder, at der må være en større teori, der omfatter dem ... eller ej?

Har vi verden på en snor?

Vi kan ikke forstå, hvordan kvantemekanik og den generelle relativitetsteori kunne forene uden først at forstå, hvordan de - lige nu - ikke gør det. Fordi det viser sig, at ingen af ​​dem virkelig virker, hvis den anden er sand.

Einstein sagde, at rumtid er en jævn konstant, og at kun store ting kan forvride det. Kvantemekanik sagde, at de mindste dele af universet konstant er, dramatisk svingende og ændrende.

Hvis kvantemekanikken er korrekt, og alt er i uklar bevægelse konstant, så ville tyngdekraften ikke fungere som Einstein forudsagde. Rumtid skulle også konstant være i modstrid med alt omkring det, og ville handle i overensstemmelse hermed. I øvrigt, kvantemekanik sagde, at du ikke med sikkerhed kunne erklære en bestemt rækkefølge. I stedet, du måtte nøjes med at forudsige sandsynligheder.

På den anden side, hvis den generelle relativitet er korrekt, så kunne sagen ikke svinge så vildt. Du ville, på et tidspunkt, være i stand til at vide, hvor alt er, og præcis hvor det går hen. Hvilken, igen, er i modstrid med kvantemekanikken.

Men vær sikker på, at forskere, både fysikere og lænestoleksperter forsøger alle desperat at finde en måde at forene de to på. En frontløber er strengteori, der siger i stedet for at en partikel fungerer som en prik, det fungerer som en streng. Det betyder, at det ville være i stand til at vinke og flytte og loop og generelt gøre alle mulige ting, som et punkt ikke kunne. Det kan også overføre tyngdekraften på et kvante niveau, og spredningen af ​​partiklerne på en snor ville teoretisk gøre en mindre springende, mindre skør stemning. Som åbner teorien, selvfølgelig, at være enig i den generelle relativitet. Men husk, at strengteori aldrig er blevet bekræftet med noget eksperiment - og der er megen debat om det overhovedet kan bevises.

Hvis et sådant monumentalt eksperiment skulle finde sted, det ville sandsynligvis ske ved en partikelaccelerator. Det er her, vi kan finde superpartnere. (Ingen, ikke Batman og Robin). Superpartnere er en del af strengteorien, der siger, at hver partikel har en supersymmetrisk partnerpartikel, der er ustabil, og som spinder forskelligt (f.eks. elektronen og selektoren eller graviton og gravitino). Heldigt for os, i 2010 fandt vi tegn på vores første Higgs -boson, da partikler styrtede sammen i Large Hadron Collider, så vi er måske på vej til eksperimentelt at bevise strengteori.

Spin kan også hjælpe os med at eksperimentere med kvanteforvikling , hvor elektroner bliver fanget i hinandens spin. Det er let at se i små rum, men forskere arbejder på at sende fotoner ud i rummet og tilbage for at måle, hvordan det fungerer over en stor afstand - og krumning - af rum og tid.

Men vi kigger måske også på sorte huller for at få en teori om alting ud (en TOE!). I et sort hul, du har en virkelig tung ting (en stjerne, som generel relativitet gælder for) og en virkelig lille ting (den lillebitte prik, den knuses i, som kvantemekanikken forklarer). Så hvis vi kan afgøre, hvad der sker - eller hvad der ændrer sig - når det store bliver lille, vi kan bare forene kvantemekanik og den generelle relativitetsteori.

Masser mere information

Forfatterens note:Vil vi nogensinde forene kvantemekanik med generel relativitet?

Sommetider, Jeg ville ønske, at en artikels overskrift bare var en ansvarsfraskrivelse:"Vær ikke bange for dette emne." Det er en skam, at disse store ideer - Einsteins teorier, kvantemekanik - har ry for at være uden for offentlighedens forståelse. Jo da, matematikken bagved ligger uden for de fleste af os, men man kan fatte ideerne uden det. Der er ingen drager i fysikken; vær ikke bange for at finde ud af, hvad du ikke ved.

relaterede artikler

• Sådan fungerer Quantum Suicide
• 10 Oddball -spørgsmål Forskere har virkelig forsøgt at svare
• Spilleliste:Quantum Physics Videos
• Hvad er relativitet?
• Hvad er strengteori?

Kilder

• Corbett, Dan; Stafford, Kate; Wright, Patrick. "Tyngdekraft og strengteori." Thinkquest.org. 1999. (17. januar, 2013) http://library.thinkquest.org/27930/stringtheory2.htm
• Curiosity.com. "Hvad er kvantegravitation?" Discovery Channel. 2011. (17. januar, 2013) http://curiosity.discovery.com/question/what-is-quantum-gravitation
• Felder, Gary. "Bump and Wiggles:En introduktion til generel relativitet." North Carolina State University. 2003. (17. januar, 2013) http://www4.ncsu.edu/unity/lockers/users/f/felder/public/kenny/papers/gr1.html
• Guijosa, Alberto. "Hvad er strengteori?" National Autonomous University. 9. september, 2004. (17. januar, 2013) http://www.nucleares.unam.mx/~alberto/physics/string.html
• Jenkins, Stephen. "Nogle grundlæggende ideer om kvantemekanik." University of Exeter. 4. november kl. 1996. (17. januar, 2013) http://newton.ex.ac.uk/research/qsystems/people/jenkins/mbody/mbody2.html
• Johnson, George. "Hvordan er universet bygget? Korn for korn." New York Times. 7. december kl. 1999. (17. januar, 2013) http://www.nytimes.com/library/national/science/120799sci-planck-length.html
• Jones, Andrew Zimmerman. "Kan strengteori testes?" NOVA. 24. september kl. 2012. (17. januar, 2013) http://www.pbs.org/wgbh/nova/physics/blog/2012/09/can-string-theory-be-tested/
• Lightman, Alan. "Relativitet og kosmos." NOVA. 9. september, 1997. (17. januar, 2013) http://www.pbs.org/wgbh/nova/physics/relativity-and-the-cosmos.html
• NOVA. "Det elegante univers (Pt. 1 &2)." PBS.org. 2012. (17. januar, 2013) http://www.pbs.org/wgbh/nova/physics/elegant-universe.html#elegant-universe-einstein
• Trives, Harrison. "Fysikkens grænse." Florida State University. 14. april kl. 2002. (17. januar, 2013) http://www.physics.fsu.edu/users/ProsperH/AST3033/theory.htm
• Rige, Eugenie Samuel og Nature Magazine. "Temmelig simpel matematik kunne bygge bro mellem kvantemekanik og generel relativitet." 30. oktober kl. 2012. (17. januar, 2013) http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=fairly-simple-math-could-bridge-quantum-mechanics-general-relativity
• ScienCentral, Inc. og American Institute of Physics. "Kvantemekanik." PBS.org. 1999. (17. januar, 2013) http://www.pbs.org/transistor/science/info/quantum.html
• Stedl, Todd. "Introduktion til kvantemekanik." QuantumIntro.com. 2005. (17. januar, 2013) http://www.quantumintro.com/
• Fysik arXiv -bloggen. "Super Physics Smackdown." MIT Technology Review. 25. juni kl. 2012. (17. januar, 2013) http://www.technologyreview.com/view/428328/super-physics-smackdown-relativity-v-quantum-mechanicsin-space/
• Tyson, Peter. "Sætter relativitet på prøve." NOVA. 14. juli kl. 2011. (17. januar, 2013) http://www.pbs.org/wgbh/nova/physics/putting-relativity-to-the-test.html