Einstein’ın En Büyük Keşiflerinin Arkasındaki Basit Fikir


Etli meyveler Albert Einstein’ın asırlık kavrayışı şimdilerde popüler hayal gücüne derinden gömülü: Kara delikler, zaman tünelleri ve solucan delikleri filmlerde, kitaplarda, TV şovlarında arsa noktaları olarak düzenli olarak ortaya çıkıyor. Aynı zamanda, en son araştırmaları başlatıyorlar, fizikçilerin mekanın doğası, zaman ve hatta bilginin kendisi hakkında sorular sormasına yardımcı oluyorlar.

Quanta Dergisi


yazar fotoğrafı

hakkında

Orijinal hikaye, izniyle yeniden basıldı Quanta DergisiMatematiğin ve fizik ve yaşam bilimlerindeki araştırma gelişmelerini ve eğilimlerini kapsayarak halkın bilim anlayışını geliştirmek olan Simons Vakfı'nın editoryal olarak bağımsız bir yayınıdır.

Belki de, ironik bir biçimde, Einstein’ın mirasının en devrimci parçası olan şey nadiren dikkat çekiyor. Yerçekimi dalgalarının sıçramalarından hiçbirine, kara deliklerin çekilmesine ve hatta kuarkların çekiciliğine sahip değildir. Ancak tüm bu egzotik olayların perdesinin hemen arkasında gizlenenler, kolları çeken, parçaların nasıl bir araya geldiğini ve öndeki yolu aydınlatan aldatıcı bir şekilde basit bir fikirdir.

Fikir şudur: Bazı değişiklikler hiçbir şeyi değiştirmez. Doğanın en temel yönleri, beklenmedik şekillerde görünüşte şekil kaymasıyla bile aynı kalır. Einstein’ın 1905’in görelilik konusundaki makaleleri, örneğin enerji ve kütle arasındaki ilişkinin değişmez olduğu sonucuna varmıştır; Güneş enerjisi Dünya'ya ulaşır ve yeşil yapraklar şeklinde kütle haline gelir, yiyeceğimiz yiyecekleri yaratıp düşünce için yakıt olarak kullanabiliriz. (“Bu aklımız ne: bu bilinçli atomlar nedir?” Diye sordu Rahip Richard Feynman. “Geçen haftaki patates!” Diye sordu. E = mc2. “c“Işık hızını, çok yüksek bir sayıyı temsil ediyor, bu yüzden muazzam miktarda enerji üretmek için fazla bir şey gerektirmiyor; Aslında, güneş her saniye milyonlarca ton kütleyi enerjiye çevirir.

Maddenin enerjiye bu sonsuz şekilde karışması (ve tersi) kozmosa, maddeye, hayata güç verir. Yine de, evrenin enerji içeriği, asla değişmez. Garip ama doğru: Maddenin ve enerjinin kendileri, aralarındaki ilişkilerden daha az temeldir.

İlişkileri değil, gerçeğin kalbi olarak düşünmeye meyilliyiz. Ancak, çoğu zaman, tam tersi doğrudur. Brown Üniversitesi fizikçisi Stephon Alexander “Bu şeyler değil” dedi.

Aynısı doğrudur, Einstein, uzay ve zaman gibi “şeyler” için doğanın görünüşte istikrarlı, değişmez yönlerini gösterdi; gerçekte, uzay sözleşmeleri ve zaman genişlediğinde bile alan ve zaman arasındaki ilişki her zaman aynı kalır. Enerji ve madde gibi, uzay ve zaman daha derin, sarsılmaz temellerin değişmez tezahürleridir: ne olursa olsun değişmeyen şeyler.

Albert Einstein’ın genel görelilik üzerine yazdığı ilk sayfa.

Kamu malı

Einstein'ın son on yıllarını harcadığı New Jersey'deki Princeton İleri Araştırma Enstitüsü müdürü fizikçi Robbert Dijkgraaf, “Einstein’ın derin görüşü, mekanın ve zamanın temelde gerçekleşen şeyler arasındaki ilişkilerden kaynaklanıyor” olduğunu söyledi.

Sonunda Einstein’ın mirası için en önemli olan ilişki simetriydi. Bilim adamları genellikle simetrileri, hiçbir şeyi gerçekten değiştirmeyen değişiklikler, fark yaratmayan farklılıklar, derin ilişkileri değişmez bırakan farklılıklar olarak tanımlarlar. Günlük yaşamda örnekler bulmak kolaydır. Bir kar tanesi 60 derece döndürebilir ve aynı görünecek. Bir tater-totter üzerindeki yerleri değiştirebilir ve dengeyi bozmazsınız. Daha karmaşık simetriler fizikçileri nötrinolardan kuarklara kadar her şeyin keşfine yönlendirdiler – hatta Einstein'ın kendi yerçekiminin, kendi zamanlarında kıvrılarak kara deliklere sıkışan uzay zamanının eğriliği olduğunu keşfetmesine yol açtı. .

Son birkaç on yıl boyunca, bazı fizikçiler simetriye odaklanmanın eskisi kadar üretken olup olmadığını sorgulamaya başladılar. Simetrilere dayanan teoriler tarafından tahmin edilen yeni parçacıklar, beklendiği gibi deneylerde ortaya çıkmamıştır ve tespit edilen Higgs bozonu, bilinen herhangi bir simetrik şemaya sığmayacak kadar hafifti. Simetri, yerçekiminin neden bu kadar zayıf olduğunu, vakum enerjisinin neden bu kadar küçük olduğunu veya karanlık maddenin neden şeffaf kaldığını açıklamamıştır.

Pennsylvania Üniversitesi'nden fizikçi Justin Khoury, “Parçacık fiziğinde, simetrinin doğa tanımımızın temelinde yer alan bu önyargı oldu” dedi. “Bu fikir son derece güçlü oldu. Ama kim bilir? Belki de bu kadar iyi çalışan bu güzel ve değerli ilkelerden vazgeçmeliyiz. Bu yüzden şu an çok ilginç bir zaman. ”

ışık

Einstein 1905'te ilk görelilik belgelerini yazarken değişmezliği veya simetriyi düşünmüyordu, ancak tarihçiler İsviçre patent bürosunda çalışırken fizik camiasından tecrit edilmesinin, insanların aldıkları gereksiz tuzakları geçmişte görmesine yardımcı olabileceğini düşünüyorlardı. .

Einstein, zamanının diğer fizikçilerinde olduğu gibi, görünüşte alakasız bulmacalar üzerinde kafa yoruyordu. James Clerk Maxwell’in elektrik ve manyetik alanlar arasındaki yakın ilişkiyi açığa çıkaran denklemler, farklı gözlem çerçevelerinde çok farklı görünüyordu – bir gözlemcinin hareket halinde veya dururken. Dahası, elektromanyetik alanların uzayda yayıldığı hız, deneyler tarafından tekrar tekrar ölçülen ışığın hızıyla tam olarak eşleşti – ne olursa olsun değişmeyen bir hız. Bir gözlemci ışığa doğru koşuyor olabilir ya da ondan uzaklaşıyor olabilirdi ve hız değişmedi.

Einstein noktaları birbirine bağladı: Işığın hızı, elektrik ve manyetik alanlar arasındaki simetrik ilişkinin ölçülebilir bir tezahürüydü – uzayın kendisinden daha temel bir kavramdı. Işığın seyahat etmek için hiçbir şeye ihtiyacı yoktu, çünkü kendisi hareketli olan elektromanyetik alanlardı. “Dinlenme” kavramı – Isaac Newton tarafından icat edilen statik “boş alan”, gereksiz ve saçma sapandı. Evrensel bir “burada” ya da “şimdi” yoktu: Olaylar bir gözlemciye eşzamanlı olarak görünebilir ancak bir başkasına değil ve her iki bakış açısı da doğru olurdu.

Bir ışık demetinin peşinden koşmak, Einstein’ın ikinci görelilik belgesinin konusu olan “Bir Bedenin Ataleti, Enerji İçeriğine Bağlı mı?” Konusunu merak eden bir etki yarattı. Ne kadar hızlı kovalarsan o kadar zorlaşır. Değişime direnç ışık hızında sonsuz olur. Bu direnç atalet olduğu ve atalet bir kütle ölçüsü olduğu için hareketin enerjisi kütleye dönüşür. Einstein, “Kütle ve enerji arasında temel bir ayrım yoktur” dedi.

Einstein'ın uzay ve zamanın ayrılmaz bir şekilde tek bir uzay-zaman dokusundaki iç içe geçirilmiş iplikleri olduğunu kabul etmesi, ayrılması imkansız hale gelmesi birkaç yıl aldı. Massachusetts Institute of Technology'de fizikçi ve tarihçi olan David Kaiser, “Hala tam olarak birleşik bir uzay-zaman tarzında düşünmüyordu” dedi.

Birleştirilmiş uzay-zaman aklımızı sarmak için zor bir kavramdır. Ancak “hız” ın gerçek anlamını düşünürsek mantıklı olmaya başlar. Işığın hızı, herhangi bir hız gibi, bir ilişkidir – zaman içinde kat edilen mesafe. Ancak ışığın hızı özeldir, çünkü değişemez; Lazer ışınınız hızlı bir uydudan çekildiği için daha hızlı ilerlemeyecektir. Bu nedenle, mesafe ve zaman ölçümleri, birinin hareket durumuna bağlı olarak, “alan daralması” ve “zaman genişlemesi” olarak bilinen etkilere yol açan, bunun yerine değişmelidir. Değişmez olan şudur: İki kişi birbirine ne kadar hızlı seyahat ediyor olursa olsun. her zaman aynı “uzay-zaman aralığını” ölçerler. Masanızda oturup, zamanla, neredeyse hiç boşlukla incinirsiniz. Kozmik bir ışın, neredeyse ışık hızında geniş mesafeler boyunca uçar, ancak neredeyse hiç zaman geçmeden genç yaşta geçer. İlişkileri nasıl değiştirdiğiniz önemli değil, değişmez.

Yerçekimi

Einstein’ın ilk gelen özel görelilik teorisi “özel” çünkü uzay-zaman içindeki sabit, değişmeyen harekete uygulanır; dünyaya düşen bir nesnenin hareketi gibi hareketi hızlandırmaz. Einstein'ın teorisinin yerçekimi içermediğini ve onun dahil etme mücadelesini düşüncesinin merkezinde simetri haline getirdiğini rahatsız etti. Kaiser, “Genel göreliliğe tamamen başladığında, tüm gözlemciler için aynı olması gereken değişmezler ve uzay-zaman aralıkları kavramına daha fazla yatırım yapıyor” dedi.

Alman matematikçi Emmy Noether, 1933’te, Nazi rejimi tarafından Göttingen Üniversitesi’nden zorla ayrıldıktan sonra, Bryn Mawr Koleji ve İleri Araştırma Enstitüsü’nde ders verdiği ABD’ye taşındı.

Bryn Mawr College Kütüphanesi, Özel Koleksiyonlar

Özellikle, Einstein bir fark yaratmayan bir farktan, mantıklı olmayan bir simetriden şaşırmıştı. Galileo'nun kuleden hafif ve ağır topları düşürerek gösterdiği gibi (en azından aprazif bir şekilde) aynı anda neredeyse aynı anda yere çarptıklarını görmek için bir tomar buruşuk kağıt ve bir dizi ağır anahtarın yan yana düşmesi hala şaşırtıcı. Pisa'da. Yerçekimi kuvveti kütleye bağlıysa, nesne ne kadar büyükse, o kadar hızlı düşer. Açıkçası, öyle değil.

Kilit fikir Einstein'a ünlü düşünce deneylerinden birinde geldi. Bir binadan düşen bir adam hayal etti. Adam, zemine girene kadar uzayda astronot kadar mutlu bir şekilde yüzüyordu. Einstein serbestçe düşen bir kişinin ağırlıksız hissedeceğini fark ettiğinde, keşfi yaşamının en mutlu düşüncesi olarak tanımladı. Genel göreliliğin matematiksel detaylarını saptaması biraz zaman aldı, ama yerçekiminin gizemi, yerçekiminin Dünya gibi büyük nesneler tarafından yaratılan uzay-zamanın eğriliği olduğunu gösterdiğinde çözüldü. Einstein’ın hayali adamı veya Galileo’nun topları gibi yakınlardaki “düşen” nesneler, onlar için oyulmuş uzay-zaman yolunu takip eder.

Genel görelilik ilk defa yayınlandığında, özel versiyondan 10 yıl sonra, bir problem ortaya çıktı: Güçlü kavisli uzay-zamanda enerjinin korunamayabileceği ortaya çıktı. Doğada belirli miktarların her zaman korunduğu iyi bilinmektedir: enerji miktarı (kütle şeklinde enerji dahil), elektrik yükü miktarı, momentum miktarı. Dikkat çekici bir matematik simyası olan Alman matematikçi Emmy Noether, korunmuş bu miktarların her birinin, hiçbir şeyi değiştirmeyen bir değişiklik olan belirli bir simetri ile ilişkili olduğunu kanıtladı.

Noether, genel görelilik simetrilerinin – farklı referans çerçeveleri arasındaki dönüşümler altındaki değişmezliği – enerjinin daima korunmasını sağladığını gösterdi. Einstein’ın teorisi kaydedildi. Asırlık ve simetri o zamandan beri fiziğin merkezinde hem merkezi bir yer işgal etti.

madde

Einstein'dan sonra, simetri çekme sadece daha güçlü hale geldi. Kuantum mekaniğini özel göreliliğin simetri gereklilikleri ile uyumlu hale getirmeye çalışan Paul Dirac, kitapların dengelenmesi için “karşıt maddenin” var olması gerektiğini söyleyen bir denklemde eksi işareti buldu. Öyle. Kısa süre sonra, Wolfgang Pauli, radyoaktif parçacıkların dağılması sırasında kaybolmuş görünen enerjiyi hesaba katma girişiminde, belki de eksik enerjinin bilinmeyen, zor bir parçacık tarafından uzaklaştırıldığını iddia etti. Öyleydi ve bu parçacık nötrinodur.

1950'lerden başlayarak, işgalciler kendi yaşamlarını sürdüler, Kaiser'in dediği gibi uzay-zaman simetrilerinden daha soyut, “sıçradı”. “Gösterge” değişmezliği olarak bilinen bu yeni simetriler, “dünyaya hitap eden” son derece üretken oldu, Kaiser, W ve Z bozonlarından tutuklanna kadar her şeyin varlığını gerektirerek söyledi. “Çünkü ne pahasına olursa olsun korunması gereken çok temel bir simetri olduğunu düşünüyoruz, yeni şeyler icat ettik” dedi. Gösterge simetrisi “başka hangi bileşenleri ekleyeceğinize karar verir.” Kabaca, 120 derecelik rotasyonlar altında değişmeyen bir üçgenin üç eşit tarafa sahip olması gerektiğini söyleyenle aynı tür bir simetridir.

Ayar simetrileri, dünyamızı dolduran parçacık sisteminin iç yapısını tanımlar. Fizikçilerin, önemli bir şeyi değiştirmeden, denklemlerini değiştirebilecekleri, döndürebilecekleri, çarpıtabilecekleri ve genellikle eşitliklerini bozabilecekleri tüm yolları belirtir. Alexander, “Simetri, şeyleri ne kadar döndürdüğünüzü, güçlerin çalışma şeklini değiştirdiğini ve hiçbir şeyin değişmediğini söylüyor” dedi. Sonuç, doğanın temel bileşenlerini destekleyen gizli iskeleye bakmaktır.

Video: David Kaplan, gizli simetri arayışının Higgs bozonu gibi keşiflere nasıl yol açtığını açıklıyor.

Ölçüm simetrilerinin soyutluğu bazı bölgelerde kesin bir rahatsızlığa neden olur. Dijkgraaf, “Tüm cihazı görmüyorsunuz, sadece sonucu görüyorsunuz,” dedi. “Ölçer simetrileriyle hala çok fazla kafa karışıklığı olduğunu düşünüyorum.”

Sorunu güçlendirmek için gösterge simetrileri, Pennsylvania Üniversitesi'nden fizikçi Mark Trodden'in söylediği gibi, artıklık gibi tek bir fiziksel sistemi tanımlamak için çok sayıda yol üretir. Trodden, gösterge teorilerinin bu özelliğinin hesaplamalarını “son derece karmaşık bir hale getirdiğini” açıkladı. Hesaplama sayfaları ve sayfaları çok basit cevaplara yol açıyor. “Bu seni meraklandırıyor: Neden? Ortadaki bütün bu karmaşıklık nereden geliyor? Ve bunun olası bir cevabı, mastar simetrilerinin size verdiği açıklamanın fazlalığıdır. ”

Böyle bir iç karmaşıklık, simetrinin normalde sunduğu şeyin karşıtıdır: sadelik. Dijkgraaf, kendisini tekrar eden bir döşeme deseniyle “sadece bir parçaya bakmanız ve geri kalanını tahmin etmeniz gerekebilir” dedi. Enerjinin korunumu için bir yasaya, yalnızca birinin nerede yapacağı hususunda bir yasaya ihtiyacınız yoktur. Evren, büyük ölçeklerde homojen olduğu için simetriktir; sola veya sağa, yukarı veya aşağı değil. Khoury, “Durum böyle olmasaydı, kozmoloji büyük bir karışıklık olurdu” dedi.

Kırık Simetriler

En büyük sorun, şu an anlaşıldığı gibi simetriğin fizikteki en büyük soruların bazılarına cevap vermekte başarısız olduğu görülüyor. Doğru, simetri, fizikçilere hem Higgs bozonunu hem de yerçekimi dalgalarını nerede arayacaklarını, geçen on yılın iki önemli keşiflerini söyledi. Aynı zamanda, simetriye dayalı muhakeme, kozmosun eksik karanlık maddesi olarak işlev görebilecek “süpersimetrik” parçacıklar da dahil olmak üzere, herhangi bir deneyde gösterilmeyen bir çok şeyi öngördü ve yerçekiminin elektromanyetizmaya kıyasla neden bu kadar zayıf olduğunu açıkladı. ve diğer tüm güçler.

Bazı durumlarda, doğanın altında yatan yasalarda bulunan simetriler gerçekte parçalanmış gibi görünmektedir. Mesela, enerji eskisi gibi maddeye karışınca E = mc2Sonuç, eşit miktarda madde ve anti maddedir – bir simetridir. Fakat eğer Büyük Patlama'nın enerjisi madde ve antimaddeyi eşit miktarlarda yarattıysa, geride bir madde izi bırakmadan birbirlerini yok etmeleri gerekirdi. Yine de buradayız.

Evrenin ilk sıcak anlarında olması gereken mükemmel simetri, bir şekilde soğudukça tahrip olmuştur, tıpkı soğuduğunda simetrik bir su damlasının buzun içine düştüğü zaman bazı simetrisini yitirmesi gibi. (Bir kar tanesi altı farklı yönde aynı görünebilir, ancak erimiş bir kar tanesi her yönde aynı görünür.)

Trodden, “Herkes kendiliğinden oluşan simetrilerle ilgileniyor” dedi. “Doğa kanunu bir simetriye uyuyor, ancak ilgilendiğiniz çözüm uymuyor”.

Fakat madde ve antimadde arasındaki simetriyi ne kırdı?

Bugün fizik, gereksiz yere iskele ile yüklendiyse, Einstein'dan önce insanları yanlış yönlendiren “boş alan” kavramı gibi, kimseye sürpriz olmazdı. Bugünün yanlış yönlendirilmesi, bazılarının, en azından şu anda anlaşıldığı gibi, simetriye saplantıyla bile ilgisi olabilir.

Pek çok fizikçi “dualite” adı verilen simetri ile yakından ilgili bir fikri araştırmaktadır. Dualiteler fizik için yeni değildir. Dalga-parçacık dualitesi – aynı kuantum sisteminin, bağlama bağlı olarak, en iyi şekilde bir dalga ya da parçacık olarak tanımlanması – kuantum mekaniğinin başlangıcından beri olmuştur. Ancak yeni temel dualiteler şaşırtıcı ilişkileri ortaya çıkardı: Örneğin, yerçekimi olmayan üç boyutlu bir dünya, yerçekimi olan dört boyutlu bir dünyaya matematiksel olarak eşdeğer veya ikili olabilir.

Trodden, farklı mekansal boyutlara sahip dünyaların tanımlarının eşdeğer olması durumunda, “bir anlamda bir boyutun elverişli olduğu düşünülebilir” dedi.

Dijkgraaf, “Bu dualiteler unsurları (boyutların sayısını içerir)“ değişmez olarak düşünüyoruz ”dedi,“ ama onlar değil. ”Tüm katılımcı hesaplamaları ile iki eşdeğer tanımlamanın varlığı“ çok derin, neredeyse felsefi bir noktaya işaret ediyor: fiziksel gerçekliği tanımlamanın değişmez bir yolu var mı? ”

Hiç kimse yakın zamanda simetriden vazgeçmiyor, kısmen çok güçlü olduğu ve aynı zamanda birçok fizikçiye, “doğallıktan” vazgeçtiği anlamına geldiği için – evrenin tam olarak olduğu gibi olması gerektiği fikri nedeni, mobilya o kadar kusursuz düzenlenmiş ki başka bir şekilde hayal bile edemediniz.

Açıkçası, doğanın bazı yönleri – gezegenlerin yörüngeleri gibi – simetrinin değil tarihin ve kazanın sonucudur. Biyolojik evrim bilinen mekanizmaların ve şansın bir birleşimidir. Belki de Max Born, Einstein’ın God Tanrı’nın zar atmadığı ’şeklindeki ısrarlı itirazına“ doğanın yanı sıra insan ilişkilerinin hem gereklilik hem de kazara maruz kaldığını ”belirterek cevap verdiğinde haklıydı.

Fiziğin bazı yönlerinin sağlam kalması gerekecek – örneğin nedensellik. Alexander, “Etkiler nedenlerden önce gelemez” dedi. Diğer şeyler neredeyse kesinlikle olmaz.

Gelecekte kesinlikle kilit bir rol oynamayacak bir yön, Einstein’ın çalışmalarını temel alan ışığın hızıdır. Einstein'ın bir asır önce ördüğü uzay-zaman pürüzsüz kumaşı kaçınılmaz olarak kara deliklerin içinde ve Büyük Patlama anında parçalara ayrılıyor. Alexander, “Uzay-zaman dağılıyorsa, ışığın hızı sabit kalamaz” dedi. “Uzay-zaman çöküyorsa, değişmeyen nedir?”

Bazı dualiteler uzay-zamanın hala daha temel olan bir şeyden kaynaklandığını, hepsinin en garip ilişkisinden kaynaklandığını öne sürüyor: Einstein'ın dolandırılmış kuantum partikülleri arasındaki “ürkütücü” bağlantılar olarak adlandırdığı şey. Birçok araştırmacı, bu uzun mesafeli bağlantıların uzay-zamanı birlikte diktiğine inanıyor. Kaiser'in dediği gibi, “Umut, zaman-zaman sürekliliği gibi bir şeyin, dolandırıcılık ilişkileri de dahil olmak üzere, daha temel ilişkilerin ikincil bir etkisi olarak ortaya çıkmasıdır” dedi. Bu durumda, klasik, sürekli-uzay-zamanın "yanılsama."

Yeni fikirler için yüksek çubuk, onları destekleyen simetriler de dahil olmak üzere, kuantum mekaniği ve görelilik gibi güvenilir teorilerle çelişmemeleridir.

Einstein bir zamanlar bir dağa tırmanmak için yeni bir teori kurmayı karşılaştırdı. Daha yüksek bir perspektiften bakıldığında, eski teorinin hala ayakta olduğunu görüyorsunuz, ancak değişmiş durumda ve daha geniş, daha kapsamlı manzaraya nerede uyduğunu görebilirsiniz. Düşünmek yerine, Feynman'ın önerdiği gibi, geçen haftaki patateslerle, gelecek düşünürler, ilk başta patates yetiştirme zamanını ören kuantum karışıklıklarla kodlanan bilgileri kullanarak fiziği düşünebilirler.

Orijinal hikaye, izniyle yeniden basıldı Quanta Dergisi, Matematik ve fizik ve yaşam bilimlerindeki araştırma gelişmelerini ve eğilimlerini kapsayarak halkın bilim anlayışını geliştirmek olan Simons Vakfı'nın editoryal olarak bağımsız bir yayınıdır.


Daha Büyük KABLOLU Öyküler