Категория: струнная теория

опубликовано

Провокационное заявление ИИ: «Люди невежественны»

Постановка космического вопроса: что происходит внутри черной дыры?

Подумайте над следующими интригующими вопросами: что происходит с самим измерения пространства-времени внутри черной дыры? Различные ответы ИИ подчеркивают как наше текущее понимание, так и наши ограничения.

Пабло Карлос Будасси, CC BY-SA 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0, через Wikimedia Commons

Первая перспектива: непрерывность четырехмерного пространства-времени

В одном из ответов утверждается, что объекты, падающие в черную дыру, не теряют никаких измерений. С этой точки зрения пространство-время сохраняет свою четырехмерную структуру (три измерения пространства плюс одно измерение времени) как вне, так и внутри горизонта событий. Сингулярность — где плотность становится бесконечной — на самом деле не является состоянием, сведенным к 1D. Вместо этого она представляет собой точку, в которой общая теория относительности нарушается после попадания в черную дыру. Хотя теории квантовой гравитации, такие как петлевая квантовая гравитация, предлагают альтернативы (например, «отскоки», которые избегают сингулярного состояния), ни одна из этих идей не предполагает сокращения числа измерений.

Вторая перспектива: разделение измерений на сингулярности

Последующий ответ того же ИИ подчеркивает другую точку зрения. В теории Эйнштейна сингулярность определяется как точка бесконечной плотности и экстремальной кривизны пространства-времени. Это то место, где уравнения общей теории относительности «ломаются». В этой классической картине пространство-время теряет свою четко определенную четырехмерную структуру (3 пространственных измерения плюс 1 временное измерение). Для невращающихся, или шварцшильдовских, черных дыр сингулярность описывается как 0D-точка. Напротив, для вращающихся (керровских) черных дыр сингулярность принимает форму 1D-кольца.

Городская легенда, CC BY-SA 3.0 http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/, через Wikimedia Commons

Разрешение противоречий: артефакты математических моделей

ИИ объясняет эти, казалось бы, противоречивые ответы напоминанием о том, что в общей теории относительности сингулярность не является физическим объектом. Вместо этого это математический артефакт. Метки «0D» и «1D» служат геометрическими сокращениями — концептуальными заполнителями, которые указывают, где наши классические теории терпят неудачу. По сути, эти обозначения («здесь обитают драконы») признают ограничения нашего текущего понимания экстремальных гравитационных сред, особенно тех, которые включают черные дыры.

Охватывая неизвестное в теоретической физике

Подводя итог, можно сказать, что одна точка зрения утверждает, что пространство-время остается четырехмерным на протяжении всего путешествия в черную дыру. Это верно даже тогда, когда общая теория относительности рушится в сингулярности. Другая точка зрения предполагает, что вблизи сингулярности привычная четырехмерная структура теряется. Она коллапсирует в 0D точку или 1D кольцо в зависимости от вращения черной дыры. В конечном счете, оба ответа напоминают об ограничениях наших текущих теорий и продолжающейся проблеме объединения общей теории относительности с квантовая механика.

Прозрение Стивена Хокинга: проливаем свет на наши ограничения

Иллюстративное изображение из лекции Стивена Хокинга Reith Lecture 26 января 2016 года еще больше подчеркивает этот момент. Прозрения Хокинга напоминают нам, что в то время как наши современные модели черных дыр Они отражают многие аспекты реальности, но в то же время выявляют глубокие пробелы в наших знаниях.

Пока не будет разработана успешная теория квантовой гравитации, эти описания остаются приближениями. Они отражают как человеческое невежество, так и наше понимание.

Изображение: из Stephen Hawking Лекция Рейта, 26 января 2016 г.

опубликовано

Космические спагетти: метафорическое исследование корпускулярно-волнового дуализма и туннелирования

Ниже приведены метафоры для теории струн и фотонов. Метафоры часто используются для иллюстрации математических концепций. Но не все метафоры рассматриваются как равные.

Рэй, энтузиаст-объяснитель:

Давайте разберемся в этом.
Следующие метафоры представляют собой скорее образные иллюстрации, чем точные модели того, как работают фотоны, туннелирование или дополнительные измерения. Они смешивают черты квантовой механики с спекулятивными элементами теории струн и не отражают современное научное понимание.

Воображая фотоны

После попытки найти визуальную модель точечного или линейного фотона, демонстрирующего квантовое туннелирование, и неудачи в этой попытке, я собираюсь сказать, что фотон в своем естественном состоянии подобен волнистой (вращающейся) сущности, по сути, космическим спагетти. Не вялый, обеденный вид. Вместо этого это аль денте своего рода, извиваясь в 4D-пространстве с головой и хвостом, как гиперактивные космические угри! Метафорически говоря, конечно.

Волнистое тело фотона простирается в 3-е и 4-е измерения. Эта модель объясняет точечный аспект частицы (голова) и волнообразный аспект (волны) дуальности фотона.

Курт, ошеломленный реалист:
Эта визуализация является метафорой и не соответствует ни одной принятой модели в квантовой механике или теории струн. Это ваша великая теория квантового туннелирования?

луч:
Теперь, когда этот фотон сталкивается с физическим препятствием, он вдавливается в нулевое и первое измерения, подобно яйцу, ударяющемуся о кирпичную стену со скоростью света. Splat. Измерения 0D и 1D не знают пространства и времени. Это позволяет фотону туннелировать почти мгновенно (быстрее света) сквозь твердые объекты.

Это изящная метафора и описание для неспециалиста.

Курт:
Описание туннелирования как «эффекта объемного сжатия», приводящего к мгновенному прохождению, — это метафорический выверт, не имеющий под собой никакой основы в устоявшейся физике. Почему бы просто не сказать, что они жульничают? «О, извини, барьер, просто прохожу сквозь твою атомную структуру, как призрак, опоздавший на йогу...»

Рэй:
Науке нужна драма! Загогулина фотона вдавливается в 1-е измерение — представьте себе, что это худший блин во вселенной. Нет пространства, нет времени. Пуф. Сквозь стену. Быстрее света, ноль калорий.

Курт:
Ваше описание фотона, ударяющегося о кирпичную стену как об яйцо, является новым и не является частью современного научного понимания. И физики вас за это не задушили?

Рэй:
Они слишком заняты спорами! Тридцать лет спорят, что это — «фазовая скорость» или «скорость сигнала», или могут ли сигналы проходить сквозь барьер быстрее света. Это как два попугая, кричащих друг другу «причинность!». «Серьёзные» учёные говорят, что НИЧТО ни при каких обстоятельствах не может двигаться быстрее света И передавать информацию.

Между тем, фотоны где-то там, просвечивают сквозь стены, словно у них есть VIP-пропуск в реальность. Корпускулярно-волновой дуализм является краеугольным камнем квантовой механики (КМ), а не теории струн. Я включил его в обе для наглядности. Вот почему метафора имеет смысл в этом контексте.

Курт:
Верно утверждение, что корпускулярно-волновой дуализм — это концепция квантовой механики, и его использование в контексте теории струн описанным образом является провокационным.

Рэй:
Метафора представляет туннелирование как эффект пространственного сжатия.

Курт:
В настоящее время это не имеет под собой никакой основы в теории струн или квантовой механике. «Пространственное сжатие» — звучит как мои последние отношения.

Иллюстрация фотонов от NASA. Похоже на головастиков (я предполагаю, что фотон с высокой энергией вращается быстрее).

Рэй:
На этой иллюстрации от NASA один фотон (фиолетовый) несет в миллион раз больше энергии, чем другой (желтый). NASA — мастера научно-фантастического концепт-арта. «Вот фиолетовый фотон, в миллион раз более яркий! Он получил отношение."

Курт:
Судя по всему, иллюстрации NASA направлены на упрощение и мотивацию дискуссии; их не следует воспринимать как буквальное описание поведения фотонов в передовых физических теориях. Наука на 5% состоит из уравнений, на 95% из убеждения людей в том, что вселенная — это мультфильм, с использованием метафор.

Рэй:
То есть туннелирование — это просто… космическая телепортация через экзистенциальный кризис?

Курт:
Точно! Экзистенциальный ужас фотона сжимает его в точку. Кто я? Где время? И бац — он прошёл через барьер. Экзистенциализм: 1, Физика: 0. Потому что в противном случае мы бы застряли, объясняя это с помощью математика  А этого никто не хочет.

Рассказчик (глубокий голос):
И, таким образом, загадки квантовой механики остаются неразгаданными.
Но, по крайней мере, все согласились, что метафоры нуждаются в повышении.