Relativnost i kvantna mehanika: Zašto su dvije teorije nekompatibilne?
Claudio Pasqua
Desetljećima, znanstvenici i fizičari diljem svijeta nastoje riješiti jedan od najvećih izazova moderne fizike: ujedinjenje Einsteinove teorije relativnosti s kvantnom mehanikom. To su dva temeljna pristupa opisu svemira, ali predstavljaju duboku inkompatibilnost koja do sada nije riješena. Filmovi poput “Interzvjezdani”Pokušali su predstavljati te izazove, ali čak ni najsvjetliji umovi, kao i Stephen Hawking, nisu uspjeli formulirati ‘Teorija svega”koja može objasniti svemir jednom jednadžbom.
Teorija relativnosti: Uspjeh model
Da bismo razumjeli sukob između relativnosti i kvantne mehanike, moramo napraviti korak u prošlost, točno do 1915., godine u kojoj je Albert Einstein objavio svoju teoriju opće relativnosti. Ova revolucionarna teorija je jedna od najuspješnijih u povijesti znanosti, a potvrđena je brojnim otkrićima, kao što su promatranje crnih rupa i gravitacijski crveni. Prema općoj relativnosti, svemirska energija je kontinuirana, a gravitacija je rezultat zakrivljenosti samog svemirskih prostora, uzrokovanih masom i energijom.
Einsteinov model je nevjerojatno točan kada je riječ o opisu makrokozme, ili velikih predmeta i fenomena, kao što su galaksije, zvijezde ili crne rupe. Međutim, teorija relativnosti nije dovoljna za opisanje ponašanja gravitacije na mikroskopskoj razini, a tu dolazi kvantna mehanika.
Kvantna mehanika: Fizika mikroskopskog svijeta
Na subatomskoj razini, fizika slijedi zakone osim onih opće relativnosti. Kvantna mehanika, rođena u 20. stoljeću, zabrinuta je za opisivanje ponašanja manjih čestica, kao što su elektroni, fotoni i protoni. Za razliku od relativnosti, koja vidi svemirske prostore kao kontinuiranu, kvantna mehanika uvodi koncept diskretnog: prostor i vrijeme ne mogu biti podijeljeni na neodređeno vrijeme, ali postoje granice, poznate kao Planck duljina i vrijeme, nakon kojih ovi koncepti gube smisao.
Drugi temeljni aspekt kvantne mehanike je načelo nesigurnosti. Prema tom načelu, nemoguće je znati istovremeno s preciznim dvije konjuge količine, kao što su položaj i zamah čestica. Time se uvodi element nesigurnosti u mikroskopski svijet, koji se u suprotnosti s preciznom odlučnošću svijeta opisanom općom relativnošću. Drugim riječima, dok opća relativnost opisuje naručen i predvidljiv svemir, kvantnom mehanikom dominiraju vjerojatnosti i nesigurnosti.
Zašto ne mogu živjeti zajedno?
Glavna poteškoća je da ove dvije teorije opisuju stvarnost na tako različite načine. Opća relativnost je klasična teorija koja vrlo dobro funkcionira za veliki svijet, dok je kvantna mehanika nužna za opis ponašanja čestica na beskonačnoj razini. Međutim, kada se pokušavaju kombinirati ove dvije teorije, pojavljuju se proturječnosti koje čine nemogućim opisivanje svemira s jednom teorijom.
Na primjer, opća relativnost opisuje gravitaciju kao zakrivljenost Spacetime, dok kvantna mehanika predviđa da sama svemirska letjelica mora biti “kvantizirana”. To znači da se svemirski prostor, prema kvantnoj fizici, ne može smatrati kontinuiranim, nego se sastoji od diskretnih jedinica. Nadalje, relativnost predviđa preciznu i determinističku uzročnost između događaja, dok kvantna mehanika uvodi temeljne nesigurnosti koje čine nemogućim predvidjeti ishod procesa s apsolutnom sigurnošću.
Pokušaji rješavanja sukoba
Tijekom godina, napravljeni su brojni pokušaji da se pomire relativnost i kvantna mehanika. Teorija Stringa, na primjer, pokušala je riješiti ovaj sukob zamišljajući da temeljne čestice nisu točke, već male vibracije koje postoje u više dimenzija. Loop kvantna gravitacija također je ponudila alternativni pristup, pokušavajući kvantizirati sam svemirske letjelice.
Unatoč tim naporima, nijedna od tih teorija još nije osigurala konačno rješenje. Potraga za “Teorija svega’, koji može opisati svemir na svim razmjerima, ostaje jedan od najambicioznijih ciljeva u modernoj fizici.
Iako su opća relativnost i kvantna mehanika izuzetno učinkovite teorije, njihov sukob ostaje jedan od najintrigantnijih i najtežih izazova znanosti. Možda će u narednim desetljećima novi eksperimenti i otkrića dovesti do dugo očekivanog ujedinjenja ova dva moćna opisa stvarnosti.
Claudio Pasca , Gravitta zero izvor
HOP
HOP -portal na Telegramu
