Cos'altro la scienza richiede dal tempo
Questo articolo è uno dei due supplementi dell'articolo principale del Time. L'altro è "Domande frequenti sul tempo".
Sommario
Cosa sono le teorie della fisica?
La teoria del nucleo
Teoria della relatività
Teoria dei quanti
Il modello standard
Big Bang
Inflazione cosmica
L'eterna inflazione e il multiverso
Tempo infinito
1. Cosa sono le teorie della fisica?
La risposta a questa domanda è filosoficamente controversa, ed esiste una vasta letteratura sull'argomento. Ecco alcune brevi osservazioni.
Le teorie della fisica sono tra gli strumenti di spiegazione più preziosi della nostra civiltà, predizione, e comprensione. Diverse teorie potrebbero trattare il tempo in modo diverso. Nelle nostre teorie fondamentali della fisica, la posizione filosofica standard è che uno stato del nostro sistema fisico descrive ciò che c'è in un dato momento, e una legge descrive come le cose cambiano nel tempo. Una legge è, Proprio alla fine, uno schema, uno che descrive come uno stato evolve in un altro stato. Una teoria è un insieme di queste leggi. Le leggi delle teorie fondamentali possono essere formulate come equazioni matematiche. Le leggi sono locali nel senso che devono menzionare il qui e ora ma non l'universo lontano, né il passato o il futuro. Queste leggi sono le stesse ovunque e in ogni momento. Non abbiamo ragioni a priori per pensare che le teorie fisiche debbano essere così, ma l'assunzione è stata molto fruttuosa. Siamo fortunati a vivere in un mondo così spiegabile, prevedibile e comprensibile, e questo è governato da così poche leggi.
Il termine teoria in questo articolo è usato in senso tecnico, non nel senso di una spiegazione come nell'osservazione, “La mia teoria è che il topo abbia rubato il formaggio,” né nel senso di una previsione come nell'osservazione, "La mia teoria è che il topo ruberà il formaggio." La teoria generale della relatività è un esempio del significato inteso del termine "teoria". Le teorie nella scienza sono progettate per produrre spiegazioni, non comprendere tutti i fatti specifici. Ecco perché non esiste una teoria scientifica che specifichi il tuo numero di telefono. Alcune teorie sono espresse in modo abbastanza preciso, e alcuni sono espressi in modo meno preciso. Quelli abbastanza precisi sono spesso chiamati modelli, e in fisica le leggi in quei modelli sono espresse nel linguaggio della matematica. Queste sono le teorie della fisica matematica discusse di seguito. La maggior parte dei ricercatori direbbe che il modello dovrebbe dirci come si comporterebbe il sistema modellato se determinate condizioni dovessero essere modificate in un modo specifico, Per esempio, se la densità fosse raddoppiata o la Luna non fosse presente. Fare questo ci dice della struttura causale del sistema che viene modellato.
Le leggi sono le principali, affermazioni generali di una teoria. L'affermazione che Marte è più lontano dal Sole di quanto lo sia la Terra non si qualifica come legge perché non è abbastanza generale. A causa dell'influenza di Isaac Newton, i fisici successivi hanno ipotizzato che le leggi della fisica siano invarianti rispetto alla traduzione temporale. Questa invarianza nel tempo implica che le leggi della fisica che abbiamo ora sono le stesse leggi che erano valide in passato e manterranno in futuro. La legge secondo cui le leggi della scienza fisica non cambiano da un momento all'altro e quindi sono invarianti alla traduzione temporale non è essa stessa invariante alla traduzione temporale, quindi la legge è considerata una meta-legge piuttosto che una legge. Che sia vero è un'altra questione.
UN. La teoria del nucleo
Alcune teorie fisiche sono fondamentali, e alcuni no. Le teorie fondamentali sono fondamentali nel senso che le loro leggi non possono essere derivate dalle leggi di altre teorie fisiche nemmeno in linea di principio. Per esempio, la seconda legge della termodinamica non è fondamentale, né lo sono le leggi della tettonica a placche in geofisica. Le seguenti due teorie sono fondamentali: (io) la teoria generale della relatività, e (ii) meccanica quantistica, compreso il Modello standard della fisica delle particelle. La loro fusione è ciò che il vincitore del Premio Nobel Frank Wilczek ha chiamato la Teoria del Nucleo, la teoria di quasi tutto ciò che è fisico. Gli scienziati ritengono che valga non solo nel nostro sistema solare, ma in tutto l'universo. Wilczek ha affermato:
[T]Il Core ha un record di successo così comprovato su un'enorme gamma di applicazioni che non riesco a immaginare che le persone vorranno mai buttarlo. Andrò oltre: Penso che il Nucleo fornisca una base completa per la biologia, chimica, e l'astrofisica stellare che non richiederà mai modifiche. (BENE, "mai" è un tempo lungo. Diciamo per qualche miliardo di anni.)
Questa affermazione che il Nucleo ci fornisce tutte le leggi fondamentali di cui avremo mai bisogno per spiegare i fenomeni della nostra vita ordinaria implica che è tutto ciò che è necessario per spiegare la causa della morte del tuo futuro pronipote e perché quella particolare foglia è ora sdraiato per strada. La teoria del nucleo non include la teoria del big bang, e non usa i termini freccia del tempo o adesso o nemmeno mezzogiorno. Il concetto di tempo nella Teoria del Nucleo è primitivo o "bruto". È usato per definire e spiegare altri concetti temporali come simultaneo e precedente.
La teoria del Nucleo non contiene i concetti di patata, pianeta, o persona; questi sono concetti emergenti che sono necessari in buone spiegazioni alle scale superiori. Patate, pianeti e persone sono stati considerati da un certo numero di filosofi del ventesimo secolo solo come diverse somme mereologiche di particelle, ma il punto di vista della maggioranza nel ventunesimo secolo è quello delle patate, i pianeti e le persone lo sono, Invece, pattern stabili nel tempo dei relativi campi quantistici.
Il Core è stato testato in molte circostanze estreme e con grande sensibilità, quindi i fisici hanno grande fiducia in esso. Non c'è dubbio che ai fini della fisica la teoria del Nucleo fornisce una rappresentazione della realtà dimostrabilmente superiore a quella fornita dalle sue alternative, inclusa l'immagine manifesta. Ma tutti i fisici sanno che il Nucleo non è vero, e sanno che tutte le sue teorie fondamentali necessitano di qualche revisione. I fisici sono motivati a scoprire dove fallisce perché una tale scoperta può portare a grandi elogi da parte del resto della comunità dei fisici. Wilczek afferma che il Nucleo non avrà mai bisogno di modifiche per comprendere le scienze speciali della biologia, chimica, astrofisica stellare, informatica e ingegneria, ma sarebbe d'accordo sul fatto che il Nucleo avrà bisogno di una revisione per questioni più esoteriche come i neutrini che cambiano la loro identità nel tempo, lo squilibrio tra materia e antimateria, l'incompatibilità della relatività generale e della meccanica quantistica, e perché l'energia dello spazio vuoto è così piccola.
La teoria del Nucleo presuppone che il tempo esista, che emerge dallo spaziotempo, e che lo spaziotempo è fondamentale e non emergente. All'interno della teoria del Nucleo, la teoria della relatività permette allo spazio di curvarsi, ondulazione, ed espandere; e la curvatura, increspato, e l'espansione può cambiare nel tempo. La teoria quantistica non consente nulla di tutto ciò, sebbene una futura revisione della teoria del Nucleo attraverso una teoria della gravità quantistica consentirà sicuramente tutte queste caratteristiche della relatività.
La teoria del Nucleo si basa su un altro presupposto, il paradigma laplaciano ben accettato che implica che i fisici dovrebbero cercare leggi che descrivono come uno stato di un sistema in un dato momento si trasforma in uno stato diverso in un altro momento. Davide Tedesco, Chiara Marletto, e i loro corroboratori (Deutsch 2013) hanno sfidato quel paradigma e proposto la loro alternativa, Teoria del costruttore, Quale, tra l'altro, richiede che il tempo sia una caratteristica emergente della natura da un substrato atemporale. L'ipotesi che lo spaziotempo sia fondamentale è stata anche messa in discussione da un suggerimento che forse lo spaziotempo emerge dall'entanglement quantistico in un sistema di dimensioni inferiori.
2. Teoria della relatività
Il tempo è fondamentale nella teoria della relatività, e la teoria ha molto da dire sulla natura del tempo. Quando si usa il termine teoria della relatività, it usually means the general theory of relativity of 1915, but sometimes it means the special theory of relativity of 1905. Sia la teoria speciale che quella generale sono state ben collaudate; e continuano a essere testati. Sono quasi universalmente accettati, e i fisici di oggi li capiscono meglio di Einstein.
La relazione tra le teorie speciali e generali è leggermente complicata. Entrambe le teorie riguardano il movimento degli oggetti ed entrambe si avvicinano all'accordo con la teoria di Newton quanto più lenta è la velocità degli oggetti, più deboli sono le forze gravitazionali, e minore è l'energia di quegli oggetti. La relatività ristretta implica che le leggi della fisica siano le stesse per tutti gli osservatori inerziali, questo è, gli osservatori che si muovono a velocità costante l'uno rispetto all'altro scopriranno che tutti i fenomeni obbediscono alle stesse leggi. La relatività generale implica che le leggi siano le stesse anche per gli osservatori che accelerano l'uno rispetto all'altro, come cambiare la loro velocità a causa dell'influenza della gravitazione. La relatività generale vale in tutti i sistemi di riferimento, ma la relatività ristretta vale solo per sistemi di riferimento inerziali, vale a dire frame non acceleranti.
La relatività ristretta consente agli oggetti di avere massa ma non gravità. Richiede sempre una geometria piatta, cioè, una geometria euclidea per lo spazio e una geometria minkowskiana per lo spaziotempo. La relatività generale non ha queste restrizioni. La relatività generale è una teoria specifica della gravità, supponendo che la teoria sia integrata da una specificazione della distribuzione di materia-energia in un dato momento. La relatività ristretta non è una teoria specifica ma piuttosto un quadro generale per le teorie, e non è una versione specifica della relatività generale. Né la relatività generale è una generalizzazione della relatività ristretta. La differenza principale tra i due è che, nella relatività generale, lo spaziotempo non esiste semplicemente passivamente come arena di fondo per gli eventi. Invece, lo spaziotempo è dinamico nel senso che i cambiamenti nella distribuzione della materia e dell'energia sono cambiamenti nella curvatura dello spaziotempo (anche se non necessariamente viceversa).
La teoria della relatività è generalmente considerata una teoria basata sulla causalità:
Si può prendere la relatività generale, e se chiedi cosa in quella sofisticata matematica sta davvero affermando sulla natura dello spazio e del tempo, ciò che sta affermando sullo spazio e sul tempo è che le relazioni più fondamentali sono relazioni di causalità. Questo è il modo moderno di comprendere la teoria della relatività generale di Einstein... Se scrivi un elenco di tutte le relazioni causali tra tutti gli eventi nell'universo, descrivi quasi completamente la geometria dello spaziotempo. C'è ancora un po' di informazione che devi inserire, che conta, che è il numero di eventi che si svolgono.... La causalità è l'aspetto fondamentale del tempo. (Lee Smolin)
Nelle teorie del Nucleo, the word time is a theoretical term, e la dimensione del tempo è trattata in qualche modo come un'unica dimensione dello spazio. Lo spazio è un insieme di tutte le possibili posizioni dei punti. Il tempo è un insieme di tutti i possibili punti temporali. Lo spaziotempo è un insieme di tutti i possibili eventi puntuali. Si presume che lo spaziotempo sia quadridimensionale e anche liscio, con il tempo che è un distinto, sub-spazio unidimensionale dello spaziotempo. Perché la dimensione temporale è così diversa da una dimensione spaziale, i fisici parlano molto spesso (3+1)-dimensional spacetime rather than 4-dimensional spacetime. Tecnicamente, qualsiasi spaziotempo, non importa quante dimensioni abbia, deve essere una varietà differenziabile con un campo tensoriale metrico definito su di essa che indichi quale geometria ha in ciascun punto. Sia la teoria della relatività che la teoria quantistica presuppongono che lo spazio tridimensionale sia isotropo (rotazione simmetrica) ed omogeneo (traduzione simmetrica) e che esiste una simmetria di traduzione nel tempo. Although physical laws determine the totality of physically allowed situations and processes, sistemi fisici specifici all'interno dello spazio-tempo non devono mostrare queste simmetrie; solo le leggi fisiche ne hanno bisogno.
(Per gli esperti: Gli spaziotempi relativistici generali sono varietà costruite da grafici che coinvolgono sottoinsiemi aperti di R4. La relatività generale non considera un tempo come un insieme di eventi simultanei che si verificano o potrebbero verificarsi in quel momento; questa è una concezione newtoniana. Invece la relatività generale definisce il tempo in termini di strutture a cono di luce in ogni luogo. La teoria richiede che lo spaziotempo abbia almeno quattro dimensioni, non esattamente quattro dimensioni.)
La teoria della relatività implica che il tempo è regolare, continuo, e privo di lacune, come una linea matematica. Questa caratteristica fu sottolineata per la prima volta dal filosofo John Locke alla fine del XVII secolo, ma si intende qui in modo più dettagliato, senso tecnico sviluppato verso la fine del XIX secolo per il calcolo.
Secondo sia la teoria della relatività che la meccanica quantistica, il tempo non è discreto o quantizzato o atomistico. Invece, la struttura dei punti-tempo è un continuum lineare con la stessa struttura della linea matematica o dei numeri reali nel loro ordine naturale. Per qualsiasi momento, non c'è una prossima volta perché i tempi sono così fitti. Il fatto che il tempo sia un continuum implica che esiste un numero non numerabile infinito di punti temporali tra due punti temporali non simultanei.. Alcuni filosofi della scienza hanno obiettato che questo numero è troppo grande, e dovremmo usare la nozione di infinito potenziale di Aristotele e non la nozione del tardo XIX secolo di un infinito completato. Tuttavia, accettare la nozione di un infinito reale non numerabile è l'idea chiave utilizzata per risolvere i paradossi di Zenone e per rimuovere le incongruenze nel calcolo.
Le leggi fondamentali della fisica presumono che l'universo sia una raccolta di eventi puntuali che formano un continuum quadridimensionale, e le leggi ci dicono cosa succede dopo che succede qualcos'altro o perché succede. Queste leggi descrivono il cambiamento ma non cambiano esse stesse. Almeno così sono le leggi nel primo quarto del ventunesimo secolo, ma non si può sapere a priori che così devono essere sempre le leggi.
Sebbene la teoria della relatività consideri il tempo come avente la stessa struttura esotica della linea matematica in quanto consiste in un continuum di punti temporali, nessun esperimento è così dettagliato da poter dimostrare che i tempi sono così ravvicinati, sebbene ci siano possibili esperimenti che potrebbero dimostrare che il presupposto è falso se fosse falso e se la granulosità del tempo fosse abbastanza grande.
Nel ventunesimo secolo, uno degli obiettivi più importanti della fisica è scoprire/inventare una teoria della gravità quantistica che unisca le parti migliori della teoria quantistica e della teoria della relatività. Einstein claimed in 1916 that his general theory of relativity needed to be replaced by a theory of quantum gravity. Moltissimi fisici del 21° secolo credono che una teoria di successo della gravità quantistica richiederà la quantizzazione del tempo in modo che ci siano atomi di tempo.
Se esiste qualcosa come un atomo di tempo e quindi qualcosa come un istante successivo e un istante precedente, allora il tempo non può essere come la linea dei numeri reali, perché nessun numero reale ha un numero successivo. Si ipotizza che se il tempo fosse discreto, a good estimate for the duration of an atom of time is 10-44 seconds, il cosiddetto tempo di Planck. Nessun fisico può ancora suggerire un esperimento pratico che sia sensibile a questa minuscola scala di fenomeni. Per ulteriori discussioni, Vedere (Tegmark 2017).
Le teorie della relatività ristretta e generale implicano che porre un quadro di riferimento sullo spaziotempo significa fare una scelta su quale parte dello spaziotempo è la parte spazio e quale è la parte tempo. Nessuna scelta è oggettivamente corretta, sebbene alcune scelte siano molto più convenienti per alcuni scopi. Questa relatività del tempo, vale a dire la dipendenza del tempo da una scelta del sistema di riferimento, è una delle implicazioni più significative sia della teoria della relatività ristretta che di quella generale.
Dalla scoperta della teoria della relatività, gli scienziati sono giunti a credere che qualsiasi descrizione oggettiva del mondo possa essere fatta solo con affermazioni che sono invarianti rispetto ai cambiamenti nel quadro di riferimento. Detto, “It is 8:00” non ha un valore di verità a meno che non sia implicito un quadro di riferimento specifico, come quello fissato sulla Terra con il tempo che è il tempo misurato dall'orologio standard della nostra civiltà. Questa relatività del tempo rispetto ai sistemi di riferimento è alla base dell'osservazione secondo cui le teorie della relatività di Einstein implicano che il tempo stesso non è oggettivamente reale, ma lo spaziotempo è reale.
Per quanto riguarda l'idea di relatività da inquadrare, Newton direbbe che se sei seduto su un veicolo che si muove lungo una strada, allora la tua velocità rispetto al veicolo è zero, ma la tua velocità rispetto alla strada non è zero. Einstein sarebbe d'accordo. Tuttavia, sorprenderebbe Newton dicendo che la lunghezza del tuo veicolo è leggermente diversa nei due sistemi di riferimento, quello in cui il veicolo è fermo e quello in cui la strada è ferma. Altrettanto sorprendente per Newton, la durata dell'evento in cui bevi una tazza di caffè mentre sei nel veicolo è leggermente diversa in questi due quadri di riferimento. Questi effetti relativistici sono chiamati contrazione dello spazio e dilatazione del tempo, rispettivamente. Così, sia la lunghezza che la durata dipendono dal fotogramma e, per tale motivo, dicono i fisici, non sono caratteristiche oggettivamente reali degli oggetti. Le velocità sono anche relative al frame di riferimento, con un'eccezione. La velocità della luce nel vuoto ha lo stesso valore c in tutti i fotogrammi. E la contrazione dello spazio e la dilatazione del tempo cambiano insieme così che la velocità della luce nel vuoto è sempre lo stesso numero.
La teoria della relatività consente una grande libertà nella selezione delle classi di eventi simultanei, come mostrato in questo diagramma. Poiché non esiste un unico frame oggettivamente corretto da utilizzare per specificare quali eventi sono presenti e quali sono passati, ma solo quelli più o meno convenienti, un'implicazione filosofica della relatività del tempo è che sembra essere più difficile difendere l'A di McTaggart -teoria che implica che le proprietà temporali di eventi come "sta accadendo ora" o "è accaduto in passato" sono intrinseche agli eventi e sono oggettive, proprietà frame-free di quegli eventi. In breve, the relativity to frame makes it difficult to defend absolute time.
La teoria della relatività sfida altri ingredienti dell'immagine manifesta del tempo. Per due eventi A e B che si verificano nello stesso luogo ma in momenti diversi, la teoria della relatività implica che il loro ordine temporale è assoluto nel senso di essere indipendente dal quadro di riferimento, e questo concorda con il senso comune e quindi con l'immagine manifesta del tempo, ma se sono distanti l'uno dall'altro e si verificano abbastanza vicini nel tempo da essere l'uno nell'assoluto altrove dell'altro, quindi la teoria della relatività implica che l'evento A può verificarsi prima dell'evento B in un sistema di riferimento, ma dopo B in un altro frame, e contemporaneamente a B in un altro fotogramma. Nessuno prima di Einstein aveva mai immaginato che il tempo avesse una caratteristica così strana.
Le teorie della relatività speciale e generale forniscono descrizioni accurate del mondo quando i loro presupposti sono soddisfatti. Entrambi sono stati accuratamente testati. La teoria speciale non menziona la gravità, and it assumes there is no curvature to spacetime, ma la teoria generale richiede la curvatura in presenza di massa ed energia, e richiede che la curvatura cambi al variare della loro distribuzione. La presenza della gravità nella teoria generale ha permesso di utilizzare la teoria per spiegare fenomeni che non possono essere spiegati con la relatività ristretta e la teoria della gravità di Newton e la teoria dell'elettromagnetismo di Maxwell.
A causa della relazione tra spaziotempo e gravità, le equazioni della relatività generale sono molto più complicate di quelle della relatività ristretta. Ma la relatività generale presuppone che le equazioni della relatività ristretta siano valide almeno in tutte le regioni infinitesimali dello spaziotempo.
Per fare un esempio della complessità appena accennata, the special theory clearly implies there is no time travel to events in one’s own past. Experts do not agree on whether the general theory has this same implication because the equations involving the phenomena are too complex to solve directly. Devono essere utilizzate soluzioni approssimate, eppure c'è ancora disaccordo sul viaggio nel tempo.
Sulla curvatura del tempo e dello spazio, la presenza di massa in un punto implica una curvatura intrinseca dello spaziotempo in quel punto, ma non tutta la curvatura dello spaziotempo implica la presenza di massa. Lo spaziotempo vuoto può ancora avere curvatura, secondo la teoria della relatività. Questo punto è stato interpretato da molti filosofi come una buona ragione per rifiutare il relazionismo classico di Leibniz. Il punto è stato menzionato per la prima volta da Arthur Eddington.
Due precisi, orologi sincronizzati non rimangono sincronizzati se sottoposti a diverse forze gravitazionali. Questo è un secondo tipo di dilatazione del tempo, oltre alla dilatazione dovuta alla velocità. Così, l'ora corretta di un orologio dipende dalla storia dell'orologio sia della velocità che dell'influenza gravitazionale. La dilatazione del tempo gravitazionale sarebbe particolarmente evidente se un orologio dovesse avvicinarsi a un buco nero. La frequenza del ticchettio di un orologio che si avvicina al buco nero rallenta radicalmente all'avvicinarsi all'orizzonte del buco, come giudicato dalla frequenza di un orologio che rimane al sicuro sulla Terra. Questo rallentamento è talvolta descritto in modo fuorviante come rallentamento del tempo. Dopo che un orologio cade nell'orizzonte degli eventi, non può più riferire i suoi valori alla Terra, e quando raggiunge il centro del buco non solo smette di ticchettare, ma raggiunge anche la fine dei tempi, la fine del suo tempo.
La teoria generale della teoria della relatività ha ulteriori implicazioni per il tempo. In 1948-9, il logico Kurt Gödel scoprì soluzioni radicali alle equazioni di Einstein, soluzioni in cui sono presenti curve simili al tempo chiuse nelle rappresentazioni grafiche dello spaziotempo. L'insolita curvatura è dovuta alla rotazione di tutta la materia nell'universo possibile di Gödel. Man mano che si avanza nel tempo lungo una di queste curve, si torna al punto di partenza. fortunatamente, non ci sono prove empiriche che il nostro universo abbia questa rotazione. Ecco la reazione di Einstein al lavoro di Gödel sui viaggi nel tempo:
Il saggio di Kurt Gödel costituisce, secondo me, un importante contributo alla teoria generale della relatività, soprattutto all'analisi del concetto di tempo. Il problema in questione mi ha turbato già al tempo della costruzione della teoria generale della relatività, senza che io sia riuscito a chiarirlo.
Nella fisica matematica, l'ordinamento degli istanti in base alla relazione di precedenza temporale è completo, nel senso che non ci sono interruzioni nella sequenza degli istanti. Qualsiasi intervallo di tempo è regolare, quindi i punti del tempo formano un continuum lineare. A differenza degli oggetti fisici, si crede che il tempo fisico sia infinitamente divisibile, cioè, divisibile nel senso dell'attuale infinito, non semplicemente nel senso di potenzialmente infinito di Aristotele. Sulla densità degli istanti, gli istanti ordinati sono così fitti che tra due qualsiasi ce n'è un terzo così che nessun istante ha un istante successivo. A proposito di continuità, il fatto che il tempo sia un continuum lineare implica che esiste un'infinità non numerabile di istanti tra due istanti non simultanei qualsiasi. La retta numerica razionale non ha così tanti punti tra una coppia di punti diversi; non è continua come la linea dei numeri reali, ma piuttosto contiene molte lacune. I numeri reali come pi greco, che non è un numero razionale, colmare le lacune.
L'effettiva struttura temporale degli eventi può essere incorporata nei numeri reali, almeno localmente, ma per quanto riguarda il contrario? Cioè, fino a che punto è noto che i numeri reali possono essere adeguatamente incorporati nella struttura degli istanti, almeno localmente? Questa domanda chiede la giustificazione per dire che il tempo non è discreto o atomistico. The problem here is that the shortest duration ever measured is about 250 zeptoseconds. Uno zeptosecondo è 10−21 secondi. For times shorter than about 10-43 second, che è il candidato preferito dai fisici per la durata di un atomo di tempo, la scienza non ha basi sperimentali per affermare che tra due eventi qualsiasi ce ne sia un terzo. Invece, la giustificazione per dire che i reali possono essere incorporati in un intervallo di istanti è questa (io) l'assunzione di continuità è molto utile perché consente di utilizzare i metodi matematici del calcolo nella fisica del tempo; (ii) non ci sono incongruenze note dovute a questa ipotesi; e (iii) non ci sono teorie migliori disponibili. La qualificazione precedente in questo paragrafo su "almeno localmente" è presente nel caso in cui vi sia un viaggio nel tempo nel passato in modo che la durata totale del ciclo temporale sia finita. Un cerchio è continuo, e unidimensionale, ma è finito, ed è come i numeri reali solo localmente.
Si possono immaginare due test empirici che rivelerebbero la discrezione del tempo se fosse discreto:(1) non essere in grado di misurare una durata inferiore a un minimo sperimentale nonostante i ripetuti tentativi, aspettandosi tuttavia che una durata inferiore dovrebbe essere rilevabile con le apparecchiature attuali se esiste davvero una durata inferiore, e (2) rilevando una piccola rottura dell'invarianza di Lorentz. Ma se qualsiasi risultato sperimentale che presumibilmente mostra discrezione resisterà a essere trattato come una mera anomalia, forse a causa di un errore nell'apparato di misurazione, quindi dovrebbe essere supportato da una teoria confermata che implica il valore per la durata dell'atomo di tempo. Questa situazione è un esempio del nocciolo della verità nella barzelletta della fisica secondo cui non ci si deve fidare di nessuna osservazione fino a quando non è supportata dalla teoria.
È comunemente osservato che, secondo la teoria della relatività, niente può andare più veloce della luce. L'osservazione necessita di qualche chiarimento, altrimenti non è corretto. Ecco tre modi per andare più veloci della luce. (1) Primo, il mezzo deve essere specificato. La velocità della luce in alcuni cristalli può essere molto inferiore a c, say 40 miles per hour, e un cavallo fuori dal cristallo potrebbe correre più veloce del raggio di luce. (2) Secondo, il limite c si applica solo localmente agli oggetti nello spazio rispetto ad altri oggetti vicini nello spazio, e richiede che nessun oggetto superi un altro oggetto localmente a una velocità superiore a c. Tuttavia, a livello globale la teoria generale della relatività non pone restrizioni sulla velocità con cui lo spazio stesso può espandersi. Così, due galassie distanti possono allontanarsi l'una dall'altra a una velocità superiore a quella della luce semplicemente perché lo spazio intermedio si espande. (3) Immagina di stare fermo fuori sul terreno piatto e di puntare il puntatore laser in avanti verso una galassia estremamente distante. Ora punta il puntatore verso i tuoi piedi. Durante quel processo, il punto di intersezione del puntatore e il piano tangente del terreno si sposterà verso i tuoi piedi più velocemente della velocità c. Ciò non viola la teoria della relatività perché il punto di intersezione è semplicemente un oggetto geometrico, non un oggetto fisico, quindi la sua velocità non è limitata dalla teoria della relatività.
3. Teoria dei quanti
Quantum theory is a special relativistic theory of quantum mechanics that includes the Standard Model of particle physics. La meccanica quantistica e la teoria quantistica hanno i loro nomi perché implicano vari fenomeni, come energia e carica, sono quantizzati nel senso che non cambiano continuamente ma solo in multipli di minimi passi discreti, i cosiddetti passi quantici. Quando nel discorso popolare un salto quantico è descritto come un grande, salto significativo, questa è una descrizione errata. Un salto quantico è in realtà un salto più piccolo possibile. Pensa a un salto di qualità come a un cambiamento improvviso. La teoria della relatività non quantizza l'energia e la teoria quantistica sì, quindi questo è uno dei tanti modi in cui le due teorie non sono d'accordo tra loro. Ma non tutto è quantizzato nella meccanica quantistica; questo è, alcuni osservabili hanno un continuum di risultati piuttosto che possibili risultati discreti. Il tempo è un continuum sia nella meccanica quantistica che nella teoria quantistica così come lo è nella teoria della relatività e nella meccanica di Newton.
La teoria quantistica è la nostra teoria di maggior successo in tutta la scienza. La gamma e la varietà di fenomeni che può spiegare con successo è notevole. Per due esempi, spiega perché puoi vedere attraverso una finestra di vetro ma non una patata e perché una finestra di vetro è dura, unlike light which is extremely soft. Before quantum theory, questi erano considerati bruti fatti della natura.
Per i filosofi, l'impatto più importante della teoria quantistica sulla nostra comprensione dell'universo è quello (1) l'universo non è locale (perché c'è entanglement all'interno di qualsiasi sistema composito o ciò che Einstein chiamava "azione spettrale a distanza"), o altro (2) le misurazioni non hanno risultati unici (perché ogni possibile risultato si verifica in uno dei tanti mondi alternativi). Entrambi i disgiunti implicano non separabilità. Cioè, implicano che se c'è entanglement all'interno di un sistema composito all'interno del mondo reale, quindi anche se sapessi tutto il possibile da sapere su un sistema composito, sarai ancora all'oscuro di alcuni dei comportamenti delle sue singole parti, quindi le sue parti non possono effettivamente essere "separate" dal tutto. ==Questo è il più grande impatto della scienza sulla nostra immagine manifesta.
Sorprendentemente, i fisici non sono ancora d'accordo sull'esatta formulazione della teoria quantistica. Le sue numerose cosiddette "interpretazioni" sono in realtà versioni concorrenti della teoria. Ecco perché non c'è accordo su quali siano gli assiomi della teoria quantistica. There is a disagreement among philosophers of physics regarding whether the competing interpretations are (1) empiricamente equivalenti e sottodeterminati dall'evidenza e quindi devono essere decisi da caratteristiche come la loro eleganza e semplicità matematica, o (2) non sono teorie empiricamente equivalenti e, Invece, hanno lo status di non essere ancora confutati da prove sperimentali.
Nonostante il fatto che l'equazione di Schrodinger dell'universo si evolva in modo deterministico, per ogni osservatore umano che non sia il Demone di Laplace, le equazioni della meccanica quantistica non ci dicono esattamente dove si trova una particella in un secondo momento ma solo le probabilità di trovarla in vari posti se si dovesse fare lì una misurazione. Pensa alla tua situazione in questo modo. In qualsiasi momento ti trovi di fronte a una distribuzione di probabilità di ciò che accadrà nei possibili momenti successivi. Nel momento successivo, potresti fare un passo a sinistra o a destra con uguale probabilità, il sole potrebbe continuare a splendere (con alta probabilità) o smettere di brillare (con bassa probabilità), e così via. Ti trovi di fronte a una distribuzione di probabilità in qualsiasi momento riguardo a ciò che potrebbe accadere. La distribuzione di probabilità evolve deterministicamente secondo la teoria quantistica, ma ciò non toglie la probabilità.
Physicists assume the universe’s information is preserved from one time to the next. All the information was present at the Big Bang and persists today. Secondo Giorgio Musser:
La conservazione delle informazioni è sinonimo di determinismo.... Ciò viene fornito con l'importante avvertimento che l'informazione di cui stiamo parlando è lo stato quantico globale, che evolve secondo l'equazione di Schrödinger. Perché qualsiasi sottosistema dell'universo vedrà la generazione o la distruzione di informazioni. Sci. Sono., gen. 2023, P. 6.
E non possiamo sfuggire alle probabilità. Perché la teoria quantistica descrive gli oggetti usando probabilità e onde, gli oggetti quantistici sono diversi dagli oggetti descritti dalla fisica newtoniana e relativistica. Questi ultimi, le teorie classiche implicano che gli oggetti abbiano simultaneamente posizioni e velocità definite, ma tale implicazione sembra essere incoerente con il principio di indeterminazione di Heisenberg nella teoria quantistica.
Anche, nella teoria quantistica dei campi, two particles with the same quantum values are absolutely identical except for location, proprio come due istanze del numero sette sono perfettamente le stesse, mentre le nostre migliori istanze ingegnerizzate di due proiettili non sono esattamente le stesse.
The famous two-slit experiment is usually interpreted as showing that a particle can be in two places at once. Purtroppo, i filosofi della fisica non sono d'accordo su ciò che la teoria quantistica implica su cosa sia un oggetto, cosa significa per esso avere una posizione, nor on how an object maintains its identity over time before and after passing through a slit. Nor do they agree on what happens during a measurement, soprattutto se la funzione d'onda quantistica collassa o meno a un valore specifico (chiamato "decoerenza"). Supponendo che collassi durante la misurazione, gli scienziati non sono d'accordo sul fatto che il collasso sia istantaneo o solo breve. Giorgio Ellis, coautore con Stephen Hawking del libro definitivo The Large-Scale Structure of Space-Time, identifica una difficoltà chiave con la nostra comprensione della misurazione quantistica in quelle teorie che affermano che la funzione d'onda collassa durante la misurazione: "Generalmente, si presume che l'apparato di misurazione non obbedisca alle regole della teoria quantistica, ma questo contraddice il presupposto che tutta la materia sia alla sua base di natura quantomeccanica.
A proposito di probabilità, i fisici non sono d'accordo tra loro sul fatto che la probabilità sia oggettiva o soggettiva. I sostenitori dell'interpretazione relazionale della teoria quantistica insistono sul fatto che lo stato quantistico di un sistema dipende dall'osservatore. I sostenitori dell'interpretazione dei molti mondi o del multiverso della teoria quantistica affermano che il gatto di Schrödinger è vivo nella metà degli universi che si diramano dall'inizio dell'esperimento del gatto, e non ci sono probabilità fondamentali in Natura perché la Natura è deterministica, o almeno lo è quando tutti gli universi entrano in scena. Per quanto riguarda il nostro unico universo reale, the 50% probability is a product of our lack of knowledge of what is going on; non siamo un dio quindi non possiamo avere una visione oggettiva del multiverso e della sua funzione d'onda e quindi non possiamo sapere come il nostro particolare universo si evolverà nel tempo, ma un essere onnisciente non è gravato dall'uso delle probabilità.
Lo stato di un sistema nella teoria quantistica è molto diverso rispetto alla teoria newtoniana che tratta l'universo come deterministico, universo a orologeria in cui esistono entità materiali ben definite nello spazio e nel tempo. A causa della sovrapposizione, le particelle subatomiche possono esistere in più stati contemporaneamente e anche in più posizioni contemporaneamente.
Nella meccanica quantistica, lo stato di un sistema è una sovrapposizione di tutti i possibili risultati della misurazione, nota come “funzione d'onda” del sistema. La funzione d'onda è una combinazione di tutti i risultati che potresti ottenere facendo un'osservazione, con pesi diversi per ogni possibilità. Lo stato di un elettrone in un atomo, Per esempio, sarà una sovrapposizione di tutte le orbite consentite con energie fisse. La sovrapposizione che rappresenta un dato stato quantico potrebbe essere fortemente concentrata su un risultato specifico – l'elettrone potrebbe essere localizzato quasi perfettamente in un'orbita con una certa energia particolare – ma in linea di principio ogni possibile risultato di misurazione può far parte dello stato quantico.... Quando diciamo che uno stato quantistico è una sovrapposizione, we don’t mean “it could be any one of various possibilities, non siamo sicuri di quale. Intendiamo "è una combinazione ponderata di tutte quelle possibilità allo stesso tempo". Se potessi in qualche modo giocare a "quantum poker,” il tuo avversario avrebbe davvero una combinazione di ciascuna delle mani possibili tutte in una volta, e la loro mano diventerebbe un'alternativa specifica solo una volta che girassero le carte perché tu le guardassi. (Carrol, 2016, P. 163)
La funzione d'onda è un vettore che descrive lo stato di un sistema. La funzione d'onda di un sistema evolve senza intoppi, in modo reversibile nel tempo e in modo deterministico, almeno quando non viene effettuata una misurazione sul sistema. Ma i filosofi non sono d'accordo sul fatto che uno stato debba essere interpretato realisticamente o strumentalmente. Nonostante la teoria quantistica sia la teoria di maggior successo nella storia della fisica, i filosofi della fisica non sono d'accordo sul fatto che la teoria quantistica sia una teoria sulla realtà o invece semplicemente uno strumento per effettuare misurazioni. Né concordano sul fatto che la funzione d'onda quantistica sia una rappresentazione della realtà o invece una rappresentazione della nostra conoscenza della realtà. I fisici non sono d'accordo sul fatto che attualmente possediamo le leggi fondamentali della teoria quantistica, come credeva Everett, o invece solo una versione incompleta delle leggi, come credeva Einstein.
Ci sono molte interpretazioni contrastanti della teoria quantistica. David Alpert afferma che la teoria dei molti mondi è la meno probabile che sia vera, e Sean Carroll dice che è più probabile che sia vero. La prima teoria fu sviluppata da Niels Bohr negli anni '20. Si chiama Interpretazione di Copenaghen. L'idea di complementarità di Bohr per l'interpretazione della meccanica quantistica è che tutte le particelle hanno sia aspetti ondulatori che particellari. Una descrizione completa della particella richiede di specificare sia il suo carattere ondulatorio che il suo carattere particellare. L'implicazione è che non esiste esperimento che possa fornire simultaneamente un risultato preciso per il valore della velocità e della posizione di un elettrone. L'implicazione non ha alcun effetto pratico su una misurazione del piano di lavoro della cucina.
Considera un protone. Esaminato come una particella, un protone ha una larghezza definita. Esaminato come un'onda, il protone è un "urto" relativamente stabile in un campo di protoni. L'urto non ha una larghezza definita. Così, in senso imperfetto, un protone ha e non ha una larghezza definita. L'ampiezza dell'urto è quantizzata; l'ampiezza non può cambiare continuamente ma solo a passi quantizzati.
L'interpretazione di Copenhagen lo dice, quando qualcuno effettua una misurazione su un sistema, questo processo fa collassare la funzione d'onda che descrive il sistema, e la probabilità di collassare a un particolare valore della misura è il quadrato dell'ampiezza della funzione d'onda. Tuttavia, se non viene effettuata alcuna misurazione, allora il sistema non crolla, ma piuttosto è descritto completamente dalla funzione d'onda che obbedisce all'equazione di Schrödinger. Bohr dà a questa situazione un'interpretazione antirealista: non c'è modo in cui il mondo è quando non viene osservato. “È sbagliato pensare che il compito della fisica sia scoprire com'è la natura," Egli ha detto. La fisica è semplicemente uno strumento per dirci cosa possiamo dire della natura. Molti fisici si oppongono a questa interpretazione antirealista della teoria quantistica. L'interpretazione di Everett, Per esempio, è realista, universale, e non consente il collasso della funzione d'onda.
Il filosofo David Chalmers ha promosso una teoria radicale della teoria quantistica, uno che promuove il dualismo della proprietà. Questa teoria implica che la coscienza è una caratteristica fondamentale della natura. Egli ipotizza che ci siano proprietà intrinseche della coscienza che possono interagire con le proprietà fisiche ordinarie, e suggerisce che la coscienza fa collassare la funzione d'onda in un modo simile a come fa la misurazione nell'interpretazione di Copenhagen.
La questione del determinismo incombe nella teoria quantistica. L'interpretazione di Copenaghen implica che quando un singolo nucleo di uranio radioattivo decade in un momento specifico, non vi è alcuna causa determinante per il decadimento; il meglio che la nostra teoria quantistica può dire è che c'era una certa probabilità che il decadimento si verificasse in quel momento e che c'erano certe probabilità per altri possibili risultati sperimentali. Secondo l'interpretazione di Copenaghen, il velo statistico della teoria quantistica non può essere penetrato. Così, la meccanica quantistica è indeterministica. Situazioni di misurazione identiche non devono necessariamente portare allo stesso risultato. E supponendo che le ragioni siano cause, anche l'interpretazione di Copenaghen è incoerente con il principio di ragion sufficiente di Leibniz.
Tuttavia, ci sono interpretazioni deterministiche della teoria quantistica che implicano un tipo molto diverso di velo statistico. L'interpretazione dei molti mondi o interpretazione evertriana della teoria quantistica è deterministica rispetto alla totalità dei mondi, sebbene non all'interno di un singolo mondo come il mondo reale. La teoria dei molti mondi implica che non possiamo sapere quale mondo è determinato ad accadere dopo, per esempio, un mondo in cui il gatto di Schrödinger è vivo o un mondo in cui il gatto è morto. Quello che possiamo sapere in anticipo sono solo le probabilità di trovarci in mondi diversi .
La funzione d'onda di Schrödinger descrive come gli stati di un sistema quantistico si evolvono nel tempo. Questa funzione d'onda quantistica una volta determina la funzione d'onda in tutti gli altri momenti. Così, se il Demone di Laplace conoscesse la funzione d'onda, potrebbe calcolare la funzione in tutti i tempi successivi e in tutti i tempi precedenti. Tuttavia, piuttosto paradossalmente, Il principio di indeterminazione di Heisenberg della teoria quantistica lo implica, se esistono informazioni più precise sul momento in cui si verifica un evento, allora devono esistere solo informazioni meno precise sull'energia coinvolta. A causa di questa mancanza di precisione in linea di principio, ne consegue che la probabilità è ineliminabile. Ma il dibattito filosofico continua sul fatto che l'esistenza di questa probabilità sia un vincolo epistemico o un segno di indeterminismo fisico.
Il principio di indeterminazione implica che le incertezze nelle misurazioni simultanee del tempo e dell'emissione di energia o dell'assorbimento di energia devono obbedire alla disuguaglianza ΔE ∙ Δt ≥ h/4π, dove ΔE è il (deviazione standard del) incertezza nell'energia, Δt è l'incertezza nel tempo, e h è la costante di Planck. A seconda della configurazione sperimentale, Δt potrebbe essere il tempo per effettuare la misura dell'energia, oppure potrebbe essere la durata dell'esistenza di uno stato particellare misurato. Queste incertezze sono prodotte su una raccolta di misurazioni perché ogni singola misurazione ha, in linea di principio, un valore preciso e non è "sfumato". Misurazioni ripetute producono una diffusione nei valori che rivelano le caratteristiche ondulatorie del fenomeno misurato. Normalmente lo spread è definito come la varianza o la deviazione standard delle misurazioni. I filosofi della fisica non sono d'accordo sul fatto che Δt sia una mancanza di precisione nella natura stessa o una mancanza di conoscenza di risultati precisi nelle misurazioni o qualche inevitabile disturbo durante la misurazione. Lo stesso Heisenberg pensava che il suo principio di indeterminazione riguardasse il modo in cui devono esserci disturbi nelle misurazioni. Indipendentemente, Δt è una misura della diffusione dei valori per misurazioni multiple di durata, e si può pensare al principio di indeterminazione come a una limitazione della statistica delle misure.
Un'implicazione significativa di queste osservazioni sul principio di indeterminazione per il tempo e l'energia è che possono esserci violazioni della legge classica di conservazione dell'energia. The classical law can be violated by ΔE for a time Δt. La teoria quantistica contiene una legge di conservazione dell'energia, ma quella legge è spesso descritta con noncuranza come lo richiede, in una regione isolata dello spazio, la quantità totale di energia non può cambiare qualunque cosa accada all'interno della regione; solo l'energia può cambiare la sua forma. Questa spiegazione non è strettamente corretta. Tale versione della legge viene frequentemente violata per intervalli di tempo molto brevi ed è meno probabile che venga violata all'aumentare dell'intervallo di tempo. Oltre il lungo termine, Anche se, l'energia si conserva sempre.
Considera cosa succede durante una di queste violazioni. In un sistema isolato, quantum theory allows so-called virtual particles to be created out of the quantum vacuum. These particles are real, ma prendono in prestito energia dal vuoto e la ripagano molto rapidamente. Quello che succede è quello, quando una coppia di particelle energetiche virtuali, diciamo, un elettrone e un antielettrone sono creati dal vuoto, i due esistono solo per un tempo molto breve prima di essere annientati o riassorbiti e quindi restituire l'energia presa in prestito. Maggiore è l'energia della coppia virtuale, minore è l'intervallo di tempo che i due esistono prima di essere riassorbiti, come descritto dal principio di indeterminazione di Heisenberg. Agli intervalli più brevi, black holes would be continually created and the microscopic structure of spacetime would become a turbulent sea, la cosiddetta schiuma quantistica. Se è così, la struttura regolare dello spaziotempo è solo un'approssimazione che funziona al di sopra della scala di Planck. È una questione aperta se esista la schiuma quantistica di Wheeler. Così, in senso stretto, la teoria quantistica permette di creare qualcosa dal nulla. Alcuni teologi si sono indignati per questa conclusione, suggerendo che solo Dio ha il potere di creare qualcosa dal nulla.
Le particelle virtuali fanno sì che lo spazio-tempo si deformi attorno a loro, e poi per discurvarsi mentre le particelle scompaiono molto rapidamente. This coming in and out of existence creates all sorts of ultra-microscopic fluctuations known collectively as the quantum foam or space-time foam. The existence of this foam is why quantum mechanics implies there is turbulence at the smallest scales.
L'effetto di tutte queste particelle che si dimenano dentro e fuori l'essere è una vibrante "energia del vuoto" che riempie il cosmo e spinge verso l'esterno nello spazio stesso. Questa attività è la spiegazione più probabile per l'energia oscura, la ragione dell'universo, piuttosto che rimanere statici o addirittura espandersi a un ritmo costante, sta accelerando verso l'esterno sempre più velocemente ogni momento (Moskowitz 2021, P. 26).
Per quanto riguarda la schiuma quantica, John Wheeler ha suggerito che la struttura ultramicroscopica dello spaziotempo per periodi dell'ordine del tempo di Planck (about 5.4 x 10-44 seconds) in regioni delle dimensioni della lunghezza di Planck (about 1.6 x 10-35 meters) probabilmente è una schiuma quantistica di curvatura dello spaziotempo che cambia rapidamente, con buchi neri e coppie di particelle virtuali e forse wormhole che si formano e si dissolvono rapidamente.
Il tempo di Planck è il tempo impiegato dalla luce per percorrere una lunghezza di Plank. I termini lunghezza di Planck e tempo di Planck furono invenzioni di Max Planck all'inizio del ventesimo secolo durante la sua ricerca per trovare unità di base di lunghezza e tempo che potessero essere espresse solo in termini di costanti universali. Ha definito algebricamente l'unità di tempo di Planck come
√(hG/c5).
√ è il simbolo della radice quadrata. ħ è la costante di Planck nella teoria quantistica divisa per 2π; G è la costante gravitazionale nella meccanica newtoniana; c è la velocità della luce nel vuoto nella teoria della relatività. Tre diverse teorie della fisica sono legate insieme in questa unica espressione. The Planck time is a theoretically interesting unit of time, ma non pratico. Nessuna procedura sperimentale nota è in grado di rilevare eventi così brevi.
Non ci sono particelle isolate secondo la meccanica quantistica. Ogni particella è circondata da molte altre particelle, mostly virtual particles. Finora, questo articolo ha parlato di particelle virtuali come se fossero particelle ordinarie ma di breve durata. Questo non è del tutto corretto. Le particelle virtuali non sono esattamente particelle come le altre particelle dei campi quantistici. Entrambe sono eccitazioni di questi campi, ed entrambi hanno effetti gravitazionali e quindi effetti sul tempo, ma le particelle virtuali non sono equivalenti alle normali particelle quantistiche, anche se quelli di più lunga durata sono più simili alle ordinarie eccitazioni delle particelle rispetto a quelli di breve durata.
Le particelle virtuali sono solo un modo per calcolare il comportamento dei campi quantistici, fingendo che le particelle ordinarie si stiano trasformando in strane particelle con energie impossibili, e lanciando tali particelle avanti e indietro tra di loro. Un vero fotone ha esattamente massa zero, ma la massa di un fotone virtuale può essere assolutamente qualsiasi cosa. Ciò che intendiamo per "particelle virtuali" sono sottili distorsioni nella funzione d'onda di un insieme di campi quantistici... ma tutti le chiamano particelle [per mantenere i loro nomi semplici] (Carroll 2019, P. 316).
Per riassumere la discussione di cui sopra sulle particelle virtuali e la schiuma quantistica, si può dire che se ci si potesse fidare delle teorie fondamentali, allora il tempo è un continuum regolare. Tuttavia, c'è motivo di non fidarsi delle teorie fondamentali. A great many physicists believe time might be required to not be smooth and to break up for durations around the Planck interval of 10-43 seconds. Il ragionamento coinvolge la meccanica quantistica, in particolare il principio di indeterminazione di Heisenberg. Per queste brevissime durate, grandi quantità di radiazioni possono essere "prese in prestito". Per intervalli di Planck in piccoli volumi comparabili, John Wheeler ipotizzò che la gravità di questa grande quantità di energia sarebbe diventata così forte da creare buchi neri e la struttura microscopica dello spaziotempo sarebbe diventata un mare turbolento, la cosiddetta schiuma quantistica. Se è così, la struttura regolare dello spaziotempo è solo un'approssimazione che funziona al di sopra della scala di Planck. È una questione aperta se esista la schiuma quantistica di Wheeler.
L'entanglement è una caratteristica insolita della teoria quantistica che coinvolge il tempo. Ontologicamente, l'idea chiave è che se una particella diventa entangled con una o più altre particelle, poi perde parte della sua individualità. Anche se sia la teoria della relatività speciale che quella generale pongono il limite di velocità c sulla velocità con cui un'influenza causale può propagarsi nello spazio, la meccanica quantistica classica non ha questo limite. Una misurazione quantistica di un membro di una coppia di particelle entangled determinerà istantaneamente il valore di qualsiasi misurazione simile che potrebbe essere effettuata sull'altro membro della coppia. Il concetto di determinazione del valore non è esattamente lo stesso del concetto di causa, e l'entanglement non può essere utilizzato per far sì che le informazioni vengano trasferite da un luogo all'altro a una velocità superiore a quella della luce.
Speaking about entanglement in 1935, ha detto Erwin Schrödinger:
Misure attive (spazialmente) i sistemi separati non possono influenzarsi direttamente l'un l'altro: sarebbe magia.
Einstein acconsentì. Eppure la magia sembra esistere. Con coppie impigliate, c'è istantaneo, coordinated behavior across great distances. Ecco un esempio. Considera la produzione di due elettroni entangled con spin correlati. Pensa allo spin come all'inerzia dell'orientamento, il tipo di cosa che mantiene una trottola puntata nella stessa direzione. Ciò che è eccitante e speciale è questo, anche se i due elettroni entangled sono stati creati in modo che daranno, let’s say, gli stessi valori quando vengono misurati i loro giri, si può dimostrare che non sono stati creati con lo stesso giro. Non è che entrambi sono partiti con lo spin up o entrambi sono partiti con lo spin down ma solo che in seguito si dovrà scoprire che hanno lo stesso spin. Per apprezzare questo punto “magico”., separare i due da una grande distanza. Ora esegui una misurazione dello spin su uno dei due elettroni entangled. Supponiamo che lo spin di questo elettrone sia misurato in alto. Se una misura simile dovesse essere fatta sull'elettrone molto distante, si troverebbe anche la sua rotazione. E questa seconda misurazione può essere effettuata prima che una particella che si muove alla velocità della luce abbia il tempo di trasportare informazioni molto distanti, seconda particella su ciò che è accaduto alla prima particella. The transmission of coordinated behavior happens in zero time. It is hard for us who are influenced by the manifest image to believe that the two electrons did not start out with the spins that they were later found to have. L'immagine manifesta presuppone questa località. La teoria quantistica implica che l'entanglement o la non località si verificano quasi ovunque, quindi questa è l'impostazione predefinita, e ciò che deve essere spiegato è qualsiasi occorrenza di località, altrimenti la teoria del multiverso è corretta e le misurazioni non hanno risultati univoci.
Alcuni fisici, compreso il filosofo David Albert, suggeriscono che la spiegazione di fenomeni non locali come l'entanglement richieda una nozione di simultaneità assoluta, e quindi una revisione dell'assunto della teoria generale della relatività secondo cui tutti i sistemi di riferimento sono legittimi (un'ipotesi chiamata invarianza di Lorentz).
Tutti i fisici credono che la relatività e la teoria quantistica siano logicamente contrarie. Così, le due teorie devono essere sostituite con una teoria comunemente chiamata gravità quantistica che è "più fondamentale". Di solito non è chiaro che cosa renda fondamentale una teoria fondamentale, ma il complessivo, un'idea vaga è che una teoria fondamentale non dovrebbe lasciare nulla di chiaramente bisognoso di spiegazione a cui potrebbe essere data una spiegazione. Per ulteriori discussioni su cosa si intende o dovrebbe essere inteso con i termini teoria fondamentale, teoria più fondamentale, e teoria finale, Vedere (Crowther 2019).
UN. Modello Standard
Il modello standard della fisica delle particelle è stato proposto negli anni '70, ed è stato successivamente perfezionato e molto ben collaudato. È la teoria fisica più precisa e potente della nostra civiltà. Per esempio, può essere usato per spiegare perché la tavola periodica ha i valori che ha, e spiega perché il vetro è rigido e trasparente, ma gli acini non sono rigidi e non sono trasparenti.
Il modello standard della fisica delle particelle è in realtà una raccolta sciolta di teorie sui diversi campi di particelle. Descrive tutti i campi, le forze e le particelle conosciute con alcune eccezioni descritte alla fine di questo articolo. L'eccezione principale è per la gravità.
La teoria stabilisce i limiti di ciò che esiste e di ciò che può accadere. Implica, Per esempio, che un fotone non può decadere in due fotoni. Implica che i protoni attraggono gli elettroni e non li respingono mai. Implica anche che ogni protone consiste in parte di due quark up e un quark down che interagiscono tra loro scambiandosi gluoni. I gluoni incollano insieme le particelle tramite la forza nucleare forte proprio come i fotoni incollano gli elettroni ai protoni tramite la forza elettromagnetica. Gravitoni, le particelle portatrici della gravità, incollare una luna a un pianeta e un pianeta a una stella. A differenza di come Isaac Newton immaginava le forze, tutte le forze sono trasmesse da particelle. Cioè, tutte le forze hanno particelle portatrici che "trasportano" la forza da un luogo all'altro. I gluoni sono privi di massa e trasmettono la forza forte; questa forza "incolla" i quark insieme all'interno di un protone. More than 90% of the mass of the proton consists in virtual quarks, antiquark virtuali e gluoni virtuali. Perché esistono solo su scale temporali molto brevi, sono troppo difficili da rilevare con qualsiasi esperimento pratico, e quindi sono chiamate "particelle virtuali". Tuttavia, questa parola "virtuale" non significa "non reale".
Le proprietà dei punti dello spaziotempo che servono a distinguere qualsiasi particella da qualsiasi altra sono i valori di massa di un punto dello spaziotempo, rotazione, e carica a quel punto. Non ci sono altre differenze tra i punti, quindi in questo senso la fisica fondamentale è semplice. Carica, Anche se, non è semplicemente una carica elettromagnetica. Ci sono tre tipi di cariche di colore per la forza nucleare forte, e due tipi di carica per la forza nucleare debole.
A parte la gravità, il Modello standard descrive tutte le forze e le interazioni dell'universo, ma in senso stretto, queste teorie riguardano le interazioni piuttosto che le forze. Una forza è solo un tipo di interazione. Alcune interazioni non implicano forze ma piuttosto trasformano un tipo di particella in un altro tipo. Il protone, Per esempio, cambia il suo aspetto a seconda di come viene sondato. L'interazione debole può trasformare un neutrone in un protone. È a causa di trasformazioni come questa che i concetti di qualcosa che è fatto di qualcos'altro e di una cosa che fa parte di un tutto diventano imprecisi per brevissime durate e brevi distanze.. La mereologia classica fallisce; è lo studio formale delle parti e degli insiemi che formano.
Most every kind of event and process in the universe is produced by one or more of the four interactions. When any particle interacts, dire con un'altra particella, le due particelle si scambiano altre particelle, i cosiddetti portatori delle interazioni. Così, quando il latte viene versato sul pavimento, quello che sta succedendo è che le particelle del latte e le particelle nel pavimento e le particelle nell'aria circostante si scambiano tra loro un gran numero di particelle portatrici, e lo scambio è ciò che viene chiamato "versare il latte sul pavimento". Eppure tutte queste particelle varie sono solo minuscole fluttuazioni di campi. L'immagine scientifica qui si è allontanata molto dall'immagine manifesta.
Secondo il Modello Standard, ma non secondo la teoria della relatività generale, tutte le particelle devono muoversi alla velocità c a meno che non interagiscano con altri campi. Tutte le particelle nel tuo corpo come i suoi protoni ed elettroni si muoverebbero alla velocità c se non interagissero continuamente con il campo di Higgs. Il campo di Higgs può essere pensato come un mare di melassa che rallenta tutti i protoni e gli elettroni e dà loro la massa e l'inerzia che hanno. I neutrini non sono influenzati dal campo di Higgs, ma si muovono leggermente meno di c perché sono leggermente influenzati dall'interazione debole.
A partire dal primo quarto del ventunesimo secolo, il modello standard è incompleto perché non può tenere conto della gravità, materia oscura, energia oscura, e il fatto che c'è più materia che antimateria. Quando una nuova versione del Modello Standard fa tutto questo, allora diventerà forse la tanto agognata “teoria del tutto”.
4. Big Bang
La classica teoria del big bang implica che l'universo osservabile una volta era estremamente piccolo, denso, caldo, quasi uniforme, e in espansione; e aveva una densità di energia estremamente elevata e una forte curvatura del suo spaziotempo. Ora ha perso tutte queste proprietà tranne che è ancora in espansione ed è quasi uniforme su scala più ampia.
Ci sono molte prove per questo, ma la prova migliore è che dalle nostre osservazioni dei moti delle galassie lo notiamo, se il tempo fosse invertito, tutte le galassie si unirebbero nello stesso momento.
L'esplosione del big bang è stata un rigonfiamento dello spazio, not an explosion in a pre-existing void. È successo ovunque e non al centro di niente.
Non è noto se l'universo esistesse prima del big bang, e la teoria classica del big bang non ha nulla da dire su come è iniziato il botto.
Negli anni '60, la teoria del big bang ha sostituito la teoria dello stato stazionario come teoria dominante della cosmologia, e la teoria è passata da una speculazione a un fatto. La teoria dello stato stazionario ha permesso allo spazio di espandersi in volume, ma ha compensato ciò fornendo la creazione spontanea di materia per mantenere costante la densità dell'universo, violando così la legge di conservazione dell'energia. Prima degli anni '60, physicists were unsure whether proposals about cosmic origins were pseudoscientific and so should not be discussed in a well-respected physics journal. The term “big bang” was a derisive term coined by proponents of the steady state theory to emphasize that the big bang theory is incorrect, ma a causa della successiva ampia accettazione della teoria il termine non ha più connotazioni negative.
A giudicare principalmente dal tasso odierno di espansione spaziale dell'universo più l'ipotesi che la gravità sia stata la forza principale che ha influenzato il cambiamento delle dimensioni dell'universo, it is estimated the explosion began 13.8 billion years ago. A quel tempo, l'universo avrebbe avuto un volume ultramicroscopico. Il processo esplosivo ha creato nuovo spazio, e sta ancora creando nuovo spazio. Infatti, in 1998, la teoria classica del big bang è stata rivista per affermare che il tasso di espansione non è costante ma ha accelerato negli ultimi cinque miliardi di anni a causa della presenza pervasiva dell'energia oscura. L'energia oscura ha questo nome perché si sa così poco su di essa a parte il fatto che la sua quantità per unità di volume rimane costante man mano che lo spazio si espande. Cioè, non si diluisce.
Ecco un diagramma radiale di come l'universo appare a un osservatore al sole. Le distanze dal sole sono su una scala logaritmica fino all'inizio del big bang, che è rappresentato come il cerchio esterno. Il diagramma mostra al contrario quanto l'universo si è espanso da quando era di dimensioni ultramicroscopiche:
Attribuzione: Unmismoobjetivo, CC BY-SA 3.0, tramite Wikimedia Commons
La presentazione è al contrario perché la corrente, grande volume dell'universo viene visualizzato come il piccolo centro del diagramma e il vecchio, tiny volume is displayed as the large outer ring.
Si presume che un diagramma radiale centrato su qualsiasi altra stella o qualsiasi luogo nell'universo sarebbe molto simile al diagramma sopra, specialmente quello più lontano dal suo centro. Guardando fuori dal centro del diagramma vedi indietro nel tempo: più lontano guardi, più indietro nel tempo. Guardare sempre più lontano è guardare ai tempi in cui l'universo aveva un'entropia sempre più bassa. La cosa principale da ricordare quando si guarda questo diagramma è che il più lontano dal centro del diagramma, più piccolo è l'universo; il limite esterno del diagramma rappresenta un universo ultramicroscopico all'inizio del big bang. Gli scienziati sono molto sicuri che ci sia stato un big bang, e sanno molto sull'universo un secondo dopo il big bang, ma ne sanno molto poco meno di un microsecondo dopo il big bang.
La teoria del big bang in una forma o nell'altra (con o senza inflazione) è accettato da quasi tutti i cosmologi, astronomi, astrofisici, e filosofi della fisica, ma non è così fermamente accettata come lo è la teoria della relatività. La teoria è nata con diverse persone, although Edwin Hubble’s observations in 1929 were the most influential. In 1922, il fisico russo Alexandr Friedmann ha scoperto che la teoria della relatività generale consente un universo in espansione. Purtroppo, Einstein ha reagito dicendo che questa è una mera possibilità fisica ma sicuramente non una caratteristica dell'universo reale. Then the Belgian physicist Georges Lemaître suggested in 1927 that there is some evidence the universe is expanding, e ha difeso la sua affermazione utilizzando misurazioni precedentemente pubblicate per mostrare uno schema secondo cui maggiore è la distanza di una galassia dalla Terra, maggiore è la velocità della galassia lontano dalla Terra. Ha calcolato queste velocità dagli spostamenti Doppler nella loro frequenza luminosa. In 1929, l'astronomo americano Edwin Hubble ha registrato con cura ammassi di galassie che si allontanavano l'uno dall'altro, con gli ammassi più distanti che si allontanano a velocità maggiori, e queste osservazioni ebbero un'influenza decisiva nell'indurre gli scienziati ad accettare quella che oggi viene chiamata la teoria del big bang dell'universo. Sia i calcoli di Lemaître che le osservazioni di Hubble lo suggeriscono, se il tempo fosse invertito, tutte le galassie si incontrerebbero in un volume molto piccolo. Attualmente, lo spazio si sta espandendo perché la maggior parte degli ammassi di galassie si sta allontanando l'uno dall'altro, anche se molecole, pianeti, e le galassie stesse ora non si stanno espandendo. Infine, anche loro si espanderanno.
Man mano che i cluster si allontanano, la radiazione elettromagnetica che emettono diventa più spostata verso il rosso nel suo cammino verso la Terra. La migliore spiegazione dello spostamento verso il rosso è che l'universo si sta espandendo. L'espansione è anche il motivo per cui il cielo è scuro di notte invece che estremamente luminoso.
L'accettazione della teoria della relatività ha stabilito che lo spazio curva vicino a tutte le masse. Tuttavia, la teoria non ha implicazioni sulla curvatura a livello cosmico. Per quanto riguarda questa curvatura, la suddetta immagine radiale dell'universo può essere fraintesa non distinguendo l'universo dall'universo osservabile. Il diagramma mostra solo l'universo sferico osservabile. Questo è ciò che in linea di principio potrebbe essere visto dalla Terra. The sphere with its contents of 350 billion large galaxies is called “our Hubble Bubble” and “our pocket universe.” Its diameter is about 93 billion light years, ma è in rapida crescita. Tuttavia, l'immagine non dovrebbe essere interpretata come implicante che l'universo più grande stesso ora abbia una curvatura sferica. La teoria del big bang presuppone che l'universo ultramicroscopico abbia avuto una curvatura estremamente ampia in tempi molto remoti, but most cosmologists believe that the universe has straightened out and now no longer has any spatial curvature on the largest scale of billions of light years. Le osservazioni astronomiche rivelano che l'attuale distribuzione della materia nell'universo tende all'uniformità all'aumentare della scala. A scale molto grandi è omogeneo e isotropo.
Ecco un'altra immagine che mostra le stesse informazioni in modo diverso, con il tempo crescente a destra e (due dimensioni del nostro tridimensionale) spazio che aumenta, giù, fuori e dentro l'immagine:
Attribuzione: Squadra scientifica della NASA/WMAP
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Il termine big bang non ha una definizione precisa. Non si riferisce sempre a un singolo, primo evento; Piuttosto, si riferisce più spesso a una breve durata dei primi eventi mentre l'universo subiva una rapida espansione. In realtà, la stessa teoria del big bang non è una teoria specifica, ma piuttosto un quadro per teorie più specifiche del big bang.
Astronomers on Earth detect microwave radiation arriving in all directions from the light produced about 380,000 anni dopo il big bang. Fu allora che l'universo divenne trasparente per la prima volta. This occurred because the universe had cooled to 3,000 gradi Kelvin, che era abbastanza freddo da formare atomi e da permettere ai fotoni per la prima volta di muoversi liberamente senza essere immediatamente riassorbiti dalle particelle vicine. Questa radiazione elettromagnetica primordiale ha ora raggiunto la Terra come la luce più antica dell'universo. But it is no longer bright light. La sua lunghezza d'onda è aumentata; ora è diventata radiazione a microonde perché la sua lunghezza d'onda è stata continuamente allungata (spostato verso il rosso) as the universe expanded during the time of its travel toward Earth. Measuring this incoming Cosmic Microwave Background (CM) la radiazione rivela che è molto uniforme in tutte le direzioni del cielo. The energy or temperature of the radiation once was high but now is only 2.728 degrees Celsius above absolute zero (la temperatura più fredda possibile). Questa temperatura non è perfettamente regolare, Anche se. Varia leggermente con l'angolo di un decimillesimo di grado di temperatura. Questa temperatura quasi uniforme implica che i primi tempi del big bang avevano un'uniformità ancora maggiore, e implica che l'entropia del big bang fosse molto bassa. Le minuscole fluttuazioni della temperatura delle microonde in diverse direzioni sono tracce di fluttuazioni ultramicroscopiche nella densità del materiale primordiale molto presto durante il big bang. Questi presto, piccole fluttuazioni, probabilmente sono fluttuazioni quantistiche, e probabilmente sono l'origine di quelle che poi divennero le prime galassie. Probabilmente tutta la struttura su larga scala nell'universo di oggi è stata innescata dall'incertezza quantistica precoce.
Dal primo secondo del big bang, il tasso di espansione dell'universo non è stato uniforme perché esiste un'altra fonte di espansione, la repulsione dell'energia oscura. L'influenza dell'energia oscura era inizialmente insignificante, ma la sua caratteristica fondamentale è che non si diluisce poiché lo spazio in cui si trova subisce un'espansione. Così, Finalmente, dopo circa sette miliardi di anni di espansione dello spazio, l'energia oscura divenne un fattore influente e iniziò ad accelerare l'espansione. Il tasso di espansione sta diventando sempre più significativo. Questa influenza è mostrata nel diagramma sopra come la curvatura che si verifica appena sotto e prima della parola "ecc." La maggior parte dei cosmologi crede che l'energia oscura sia l'energia dello spazio stesso.
The initial evidence for this dark energy came from observations in 1998 of Doppler shifts of supernovas. Queste osservazioni sono meglio spiegate dal presupposto che le distanze tra le supernove stiano aumentando a un ritmo accelerato. A causa di questo aumento del tasso, it is estimated that the volume of the universe will double every 1010 years. Any galaxy cluster that is now 100 light-years away from our Milky Way will, in another 13.8 billion years, be more than 200 light-years away and will be moving much faster away from us. Infine, si allontanerà così velocemente da noi che diventerà invisibile. In tempo sufficiente, tutte le galassie diverse dalla Via Lattea diventeranno invisibili. Dopo di che, tutte le stelle della Via Lattea diventeranno invisibili. In tal senso, gli astronomi non vedranno mai più di quanto potrebbero vedere ora.
Per quanto riguarda l'espansione dell'universo, gli atomi non sono attualmente in espansione. Sono tenuti insieme strettamente dalla forza elettromagnetica e dalla forza forte (con un piccolo aiuto dalla forza debole e dalla gravità) che sovrastano il valore attuale della forza repulsiva dell'energia oscura o qualunque cosa stia causando l'espansione dello spazio. Ciò che si sta espandendo ora sono le distanze medie tra gli ammassi di galassie. È come se i grappoli esplodessero l'uno dall'altro, e, in futuro, saranno molto più distanti l'uno dall'altro. Secondo il cosmologo Sean Carroll, attualmente “l'idea che l'universo sia complessivamente in espansione è vera solo su scale più grandi. È un'approssimazione che migliora sempre di più se si considerano le galassie sempre più lontane».
Infine, Anche se, man mano che il tasso di espansione aumenta, tutti gli ammassi di galassie verranno fatti a pezzi. Quindi le galassie stesse verranno fatte a pezzi, poi tutti i sistemi solari, e infine anche molecole e atomi e tutte le altre configurazioni di particelle elementari.
Perché la teoria del Big Bang dice che lo spazio è esploso invece di dire che la materia-energia è esplosa in uno spazio preesistente?? Questo è un problema sottile. Se avesse detto che la materia-energia sarebbe esplosa, ma lo spazio no, allora ci sarebbero domande scomode: Dov'è il punto nello spazio da cui è esploso, e perché quel punto? Sceglierne uno sarebbe arbitrario. E ci sarebbero queste ulteriori domande scomode: Quanto è grande questo spazio preesistente? Quando è stato creato? Le osservazioni sperimentali indicano chiaramente che alcuni ammassi di galassie devono separarsi l'uno dall'altro più velocemente della velocità della luce, ma aggiungere che lo fanno perché si stanno muovendo così velocemente all'interno di uno spazio preesistente richiederebbe una revisione ad hoc della teoria della relatività per fare eccezioni al limite di velocità di Einstein. Così, è molto più “comodo” dire che il big bang è un'esplosione dello spazio o dello spaziotempo, non un'esplosione di materia-energia nello spaziotempo.
Il termine "il nostro universo osservabile" e il termine sinonimo "la nostra bolla di Hubble".,” si riferiscono a tutto ciò che una persona sulla Terra potrebbe in linea di principio osservare. Tuttavia, ci sono luoghi distanti nell'universo in cui un astronomo potrebbe vedere più cose di quelle visibili dalla Terra. I fisici sono d'accordo che, per questo ragionamento, esistono oggetti che sono nell'universo ma non nel nostro universo osservabile. Perché quegli oggetti inosservabili sono anche il prodotto del nostro big bang, i cosmologi presumono che gli oggetti non osservabili siano simili agli oggetti che osserviamo sulla Terra, che quegli oggetti formino atomi e galassie, e quel tempo si comporta lì come qui. Ma non vi è alcuna garanzia che questa comoda assunzione sia corretta.
Because the big bang happened about 14 billion years ago, you might think that no visible object can be more than 14 billion light-years from Earth, ma questo sarebbe un errore che non tiene conto del fatto che l'universo si è espanso per tutto quel tempo. The increasing separation of clusters of galaxies over the last 14 billion years is why astronomers can see about 45 billion light-years in any direction and not merely 14 billion light-years.
Alcune galassie lontane si stanno allontanando così velocemente da noi da essere invisibili. La loro velocità di recessione è maggiore di c. Tuttavia, supponendo che la relatività generale sia corretta, niente nel nostro universo sta passando, o mai è passato, o passerà qualsiasi cosa a una velocità superiore a c; COSÌ, in tal senso, c è ancora il nostro limite di velocità cosmica.
Quando i fisici contemporanei parlano dell'età del nostro universo e del tempo trascorso dal nostro big bang, si riferiscono implicitamente al tempo cosmico misurato nel quadro di riposo cosmologico. Questo è il tempo misurato in un sistema di riferimento unico in cui il moto medio di tutte le galassie è stazionario e la radiazione cosmica di fondo è il più vicino possibile all'essere la stessa in tutte le direzioni. Questa cornice non è quella in cui la Terra è stazionaria. Il tempo cosmico è il tempo misurato da un orologio che starebbe fermo il più possibile mentre l'universo si espande intorno ad esso. Nel tempo cosmico, t = 0 years is when the big bang occurred, and t = 13.8 billion years is our present. Se tu fossi fermo all'origine spaziale in questo fotogramma, quindi la radiazione cosmica di fondo a microonde su scala molto ampia avrebbe la stessa temperatura in qualsiasi direzione. Questo è l'anello nel diagramma radiale sopra quando l'universo è diventato per la prima volta trasparente alla luce. When the universe was smaller than it is now and it was about 100 million light years across, la materia dell'universo sarebbe distribuita uniformemente. A quella scala, è come se tutte le galassie fossero particelle di polvere che fluttuano in una grande stanza, e al centro della stanza la distribuzione della polvere in una direzione è la stessa che in qualsiasi altra direzione, e in ogni parte della stanza c'è tanta polvere quanto in ogni altra parte. Su una scala più fine, la materia nell'universo è distribuita in modo non uniforme.
Il telaio del riposo cosmico è unico, sistema di riferimento privilegiato per convenienza astronomica, ma non c'è motivo di supporre che sia altrimenti privilegiato. Non è la cornice cercata dal teorico A che crede in un presente unico, né da Isaac Newton che credeva nel riposo assoluto, né da Maxwell che credeva nel suo etere del diciannovesimo secolo.
Il punto di origine spaziale della cornice cosmica è descritto come segue:
Infatti, non è del tutto vero che la radiazione termica cosmica di fondo sia completamente uniforme nel cielo. È leggermente più caldo (cioè., più intenso) in direzione della costellazione del Leone che ad angolo retto con essa.... Anche se la vista dalla Terra è di un bagno di calore cosmico leggermente distorto, deve esistere un movimento, un quadro di riferimento, il che farebbe apparire il bagno esattamente lo stesso in ogni direzione. It would in fact seem perfectly uniform from an imaginary spacecraft traveling at 350 km per second in a direction away from Leo (verso i Pesci, come succede)…. Possiamo usare questo orologio speciale per definire un tempo cosmico.... fortunatamente, the Earth is moving at only 350 km per second relative to this hypothetical special clock. This is about 0.1 percent of the speed of light, e il fattore di dilatazione del tempo è solo di circa una parte su un milione. Quindi con ottima approssimazione, Il tempo storico della Terra coincide con il tempo cosmico, così possiamo raccontare la storia dell'universo contemporaneamente alla storia della Terra, nonostante la relatività del tempo.
Simili orologi ipotetici potrebbero trovarsi ovunque nell'universo, in ogni caso in un sistema di riferimento in cui la radiazione termica di fondo cosmica appare uniforme. Notate che dico "ipotetico"; possiamo immaginare gli orologi là fuori, e legioni di esseri senzienti li ispezionano diligentemente. Questo insieme di osservatori immaginari concorderà su una scala temporale comune e su un insieme comune di date per i principali eventi nell'universo, anche se si stanno muovendo l'uno rispetto all'altro come risultato dell'espansione generale dell'universo.... Così, il tempo cosmico misurato da questo gruppo speciale di osservatori costituisce un tipo di tempo universale... (Davies 1995, pp. 128-9).
È una convenzione che i cosmologi accettino di utilizzare il tempo cosmico di questo sistema di riferimento speciale, ma è un fatto interessante e non una convenzione che il nostro universo sia organizzato in modo tale che ci sia un tempo cosmico così utile disponibile per essere adottato dai cosmologi. Non tutti gli spaziotempi fisicamente possibili che obbediscono alle leggi della relatività generale possono avere un tale tempo cosmico.
UN. Inflazione cosmica
Secondo una popolare revisione della teoria classica del big bang, la teoria dell'inflazione cosmica, the universe underwent an inflationary expansion soon after t = 0. È stata un'espansione improvvisa e iperveloce, una transizione di fase cosmologica, con un tasso in aumento esponenziale per un tempo molto breve. Nessuno sa se si è espanso uniformemente in tutte le direzioni. È iniziato presto per qualche motivo sconosciuto, e, di nuovo per qualche motivo sconosciuto, ha smesso di gonfiarsi molto presto dopo l'inizio.
L'inflazione iniziò subito dopo che la grande forza unificata si sciolse in tre forze separate: la forza forte, la forza debole, e la forza elettromagnetica.
Circa la metà dei cosmologi non crede nell'inflazione; sperano che ci sia un'altra spiegazione dei fenomeni per i quali è stata ideata la teoria dell'inflazione. La teoria è stata creata per spiegare perché non ci sono monopoli magnetici puntiformi quasi ovunque (chiamato il problema del monopolo), perché la radiazione a microonde che arriva sulla Terra da tutte le direzioni è così uniforme (il problema dell'orizzonte cosmico), perché non siamo stati in grado di rilevare il decadimento del protone (il problema del decadimento del protone), e perché attualmente c'è così poca curvatura dello spazio (il problema della planarità). Questi problemi sono molto difficili da risolvere senza assumere l'inflazione.
La teoria del big bang è considerata confermata, ma la teoria dell'inflazione non è ancora confermata. Il cosmologo di Princeton Paul Steinhardt e il premio Nobel Roger Penrose sono due dei suoi degni di nota oppositori.
Assuming the big bang began at time t = 0, poi l'epoca dell'inflazione (l'epoca della gravità radicalmente repulsiva) iniziò forse a t = 10−36 secondi e durò fino a circa t = 10−34 o t = 10−33 secondi, during which time the volume of space increased by a factor of at least 1026, e qualsiasi irregolarità iniziale nella distribuzione dell'energia è stata quasi del tutto appianata, questo è, appianato dalla prospettiva su larga scala, in analogia a come gonfiare un palloncino rimuove le sue pieghe e grinze iniziali.
Per apprezzare quanto fosse veloce l'inflazione iniziale, considera questa analogia. Although the universe at the beginning of inflation was a lump of repulsive gravity material much smaller than the size of a proton that then expanded to the size of a marble at the end of the inflationary period, pensa invece come se l'inflazione iniziasse con l'universo delle dimensioni di un marmo. Quindi durante quel periodo da t = 10−36 secondi a t = 10−34 secondi, il marmo si espanse in una sfera il cui raggio si estende dalla Terra al superammasso di galassie più vicino.
La velocità di questa espansione inflazionistica era molto più veloce della velocità della luce. Ciò non viola la teoria generale della relatività di Einstein perché la sua teoria è una teoria locale, e localmente durante l'inflazione nessuna entità è passata accanto a nessun'altra a una velocità superiore a quella della luce.
Alla fine di quell'epoca inflazionistica a, Dire, t = 10−33 secondi circa, il materiale esplosivo è decaduto per qualche motivo sconosciuto e ha lasciato solo materia normale con gravità attrattiva. Cioè, la gravità è passata da negativa a positiva. Questo decadimento diede inizio al periodo post-inflazione della cosiddetta zuppa di quark. In questo momento, il nostro universo ha continuato ad espandersi, anche se ora a un ritmo quasi costante. È entrato nella sua fase di "coasting".. Indipendentemente da qualsiasi precedente curvatura nel nostro universo, al termine del periodo inflazionistico, la struttura complessiva dello spazio aveva una curvatura spaziale molto ridotta, e il suo spazio era estremamente omogeneo. Oggi, vediamo che l'universo è omogeneo sulla sua scala più grande. Ma proprio all'inizio del periodo inflazionistico, c'erano alcune piccolissime imperfezioni dovute a fluttuazioni quantistiche. Le regioni più dense hanno attirato più materiale rispetto alle regioni meno dense, e queste regioni dense si trasformarono in quelle che alla fine sarebbero diventate galassie. Le stesse fluttuazioni quantistiche hanno lasciato le loro tracce nelle lievissime differenze di centomillesimi di grado nella temperatura della radiazione cosmica di fondo a microonde a diverse angolazioni quando si guarda nello spazio dalla Terra.
Per aggiungere qualche dettaglio in più alla storia dell'inflazione, prima che iniziasse l'inflazione, per qualche ragione sconosciuta l'universo conteneva un campo di inflazione instabile o un campo di falso vuoto. Questo campo ha subito una transizione di fase spontanea (analogo all'acqua liquida surriscaldata che si espande improvvisamente e spontaneamente in vapore). Quella transizione di fase ha fatto sì che il materiale primordiale altamente repulsivo si gonfiasse esponenzialmente di volume per un tempo molto breve. Durante questa epoca inflazionistica primordiale, il campo gravitazionale è immagazzinato, negativo, l'energia gravitazionale è stata rapidamente rilasciata, e tutto lo spazio si espanse selvaggiamente. Alla fine di questa prima epoca inflazionistica, il materiale altamente repulsivo è decaduto per qualche motivo ancora sconosciuto in materia ed energia ordinarie, e il tasso di espansione dell'universo si è stabilizzato appena al di sotto del tasso di espansione osservato nell'universo oggi. Durante l'epoca inflazionistica, l'entropia aumentava continuamente, quindi la seconda legge della termodinamica non è stata violata.
Alan Guth descrisse così il periodo inflazionistico:
Ci fu un periodo di inflazione guidato dalla gravità repulsiva di un particolare tipo di materiale che riempiva l'universo primordiale. A volte chiamo questo materiale un “falso vuoto," Ma, comunque, era un materiale che di fatto aveva una pressione negativa, che è ciò che gli permette di comportarsi in questo modo. La pressione negativa provoca gravità repulsiva. La nostra fisica delle particelle ci dice che ci aspettiamo che esistano stati di pressione negativa a energie molto elevate, quindi ipotizziamo che almeno una piccola parte dell'universo primordiale contenesse questo peculiare materiale gravitazionale repulsivo che poi ha guidato l'espansione esponenziale. Infine, almeno a livello locale dove viviamo, quell'espansione si fermò perché questo peculiare materiale gravitazionale repulsivo è instabile; ed è decaduto, diventando materia normale con gravità attrattiva normale. A quel tempo, l'energia oscura era lì, pensano gli esperti. È sempre stato lì, ma non è dominante. È un minuscolo, piccola frazione della densità di energia totale, quindi in quella fase, alla fine dell'inflazione, l'universo inizia a muoversi per inerzia verso l'esterno. Ha un'enorme spinta verso l'esterno dall'inflazione, che lo porta avanti. Così, l'espansione continua, e quando avviene l'espansione la materia ordinaria si assottiglia. L'energia oscura, pensiamo, rimane approssimativamente costante. Se è energia del vuoto, rimane esattamente costante. Così, arriva un momento dopo in cui la densità energetica di tutto il resto scende al livello dell'energia oscura, e pensiamo che sia successo circa cinque o sei miliardi di anni fa. Dopo di che, mentre la densità energetica della materia normale continua a diradarsi, l'energia oscura [densità] rimane costante [e] l'energia oscura inizia a dominare; e questa è la fase in cui ci troviamo adesso. Pensiamo che circa il settanta per cento circa dell'energia totale del nostro universo sia energia oscura, e quel numero continuerà ad aumentare con il tempo man mano che la materia normale continua a diradarsi. (Sessione dal vivo di World Science U: Alan Gut, published November 30, 2016 at https://www.youtube.com/watch?v=IWL-sd6PVtM.)
Before about t = 10-46 seconds, c'era un'unica forza di base invece delle quattro che abbiamo ora. Le quattro forze fondamentali sono: la forza di gravità, la forza nucleare forte, la forza debole, e la forza elettromagnetica. At about t = 10-46 seconds, the energy density of the primordial field was down to about 1015 GEV, che ha permesso la rottura spontanea della simmetria (analogo al cambiamento di fase spontaneo in cui il vapore si raffredda abbastanza da trasformarsi spontaneamente in acqua liquida); questo cambiamento di fase ha creato la forza gravitazionale come forza di base separata. Le altre tre forze non erano ancora apparse come forze separate.
Dopo, dopo che l'inflazione è iniziata e poi è finita, at t = 10-12 seconds, c'era una rottura più spontanea della simmetria. Prima la forza nucleare forte, poi la forza nucleare debole e infine le forze elettromagnetiche divennero forze separate. Per la prima volta, l'universo ora aveva esattamente quattro forze separate. At t = 10-10 seconds, si è attivato il campo di Higgs (questo è, venuto in esistenza). Questo ha rallentato molti tipi di particelle dando loro massa in modo che non si muovessero più alla velocità della luce.
Gran parte della considerevole energia rimasta alla fine del periodo inflazionistico è stata convertita in materia, antimateria, e radiazioni, come i quark, antiquark, e fotoni. La temperatura dell'universo è aumentata con questa nuova radiazione, e questo periodo è chiamato il periodo del riscaldamento cosmico. Coppie di particelle materia-antimateria combinate e annichilate, rimuovendo tutta l'antimateria e quasi tutta la materia dall'universo, e lasciando una piccola quantità di materia e ancora più radiazioni. At t = 10-6 seconds, l'universo si era raffreddato abbastanza che i quark si combinassero insieme e creassero protoni e neutroni. After t = 3 minutes, l'universo si era sufficientemente raffreddato per consentire a questi protoni e neutroni di iniziare a combinarsi fortemente per produrre idrogeno, deuterio, e nuclei di elio. At about t = 379,000 anni, la temperatura era abbastanza bassa (around 2,700 degrees C) affinché questi nuclei catturino elettroni e formino l'idrogeno iniziale, deuterio, e gli atomi di elio dell'universo. Con questi primi atomi che vengono all'esistenza, l'universo è diventato trasparente nel senso che questa luce di lunghezza d'onda corta (circa un milionesimo di metro) era ora in grado di viaggiare liberamente senza essere sempre assorbito molto presto dalle particelle circostanti. A causa dell'espansione dell'universo da allora, this early light is today invisible on Earth because it is at much longer wavelength than it was 379,000 anni fa. That radiation is now detected on Earth as having a wavelength of 1.9 millimeters, ed è chiamata radiazione cosmica di fondo a microonde o CMB. Quell'energia arriva continuamente sulla superficie terrestre da tutte le direzioni. È quasi omogeneo e quasi isotropo.
Mentre l'universo si espande, la radiazione CMB perde energia; ma questa energia non è persa dall'universo, né viene violata la legge di conservazione dell'energia. C'è conservazione perché la stessa quantità di energia viene guadagnata espandendo lo spazio.
Nella letteratura sia in fisica che in filosofia, le descrizioni del big bang ne parlano spesso come se fosse il primo evento, ma la teoria del big bang non richiede che ci sia un primo evento, un evento che non aveva precedenti. Questa descrizione che menziona il primo evento è una posizione filosofica, non qualcosa richiesto dall'evidenza scientifica. I fisici James Hartle e Stephen Hawking una volta hanno suggerito che guardare indietro al big bang è proprio come seguire i numeri reali positivi fino a numeri positivi sempre più piccoli senza mai raggiungere il più piccolo positivo.. Non ce n'è uno più piccolo. Se Hartle e Hawking hanno ragione, il tempo è strettamente analogo a questo, quindi il big bang non ha avuto alcun evento iniziale, nessuna ora iniziale.
La teoria classica del big bang si basa sul presupposto che l'espansione universale degli ammassi di galassie possa essere proiettata fino a una singolarità, un volume nullo, at t = 0. I fisici concordano sul fatto che la proiezione deve diventare inaffidabile per ogni tempo inferiore al tempo di Planck. Sempre che una teoria della gravità quantistica venga mai confermata, ci si aspetta che fornisca informazioni più affidabili sull'epoca di Planck da t=0 al tempo di Planck, e può anche consentire ai fisici di rispondere alle domande, “Cosa ha causato il big bang?” e “È successo qualcosa prima di allora?"
Per una breve conferenza di Guth su questi argomenti rivolta agli studenti, vedi https://www.youtube.com/watch?v=ANCN7vr9FVk.
b. L'eterna inflazione e il multiverso
Sebbene non vi sia consenso tra i fisici sul fatto che esista più di un universo, molte delle teorie inflazionistiche del big bang sono teorie dell'inflazione eterna, dell'eterna creazione di più big bang o universi multipli. La teoria è anche chiamata inflazione caotica. L'idea chiave è che una volta che l'inflazione è iniziata, non può essere facilmente disattivata. Il campo di inflazione è il carburante del nostro big bang e di tutti gli altri big bang. Presumibilmente, dicono i sostenitori dell'inflazione eterna, non tutto il carburante dell'inflazione viene utilizzato per produrre un solo big bang, quindi il carburante rimanente è disponibile per creare altri big bang, che a loro volta si gonfiano e portano a ulteriori big bang, ad un ritmo esponenzialmente crescente. Il carburante gonfiato aumenta più velocemente di quanto non venga utilizzato. Presumibilmente, non c'è motivo per cui questo processo debba mai finire, quindi ci sarà un numero potenzialmente infinito di universi nel multiverso. Anche, non c'è alcuna buona ragione per supporre che il nostro universo reale sia stato il primo.
Dopo ogni singolo big bang, alla fine l'iperinflazione iniziale si ferma in qualche regione. L'espansione di questa regione non si ferma, Tuttavia, e produce ciò che i cosmologi chiamano un universo a bolle in espansione. La nostra bolla prodotta dal nostro big bang si chiama Hubble Bubble. Questo termine è ambiguo perché spesso i cosmologi richiedono che la bolla sia solo il nostro universo visibile piuttosto che il nostro universo. In qualsiasi momento nel multiverso, la maggior parte dello spazio si sta gonfiando.
The original theory of inflation was created by Guth and Linde in about 1980. The theory of eternal inflation with a multiverse was created by Linde in 1983 plus work by Gott and Vilenkin. La molteplicità degli universi è chiamata anche mondi paralleli, molti mondi, universi alternativi, e mondi alternativi. Ogni universo del multiverso normalmente è tenuto a utilizzare parte della stessa fisica (non c'è accordo su quale "alcuni") e la stessa matematica. Questa restrizione non è richiesta da un universo logicamente possibile del tipo proposto dal filosofo David Lewis. Questi molteplici universi nel multiverso sono “altrove,” ma non c'è accordo sul fatto che siano sparsi nello “spazio” del multiverso, con il nostro piccolo, universo osservabile che ha la propria posizione in questo spazio. Ogni universo ha il suo spazio, ma è meglio non pensare affatto a più universi come esistenti in uno spazio comune, né un tempo comune. Non si può ancora fare buon senso all'idea che la tua controparte in un altro universo specifico abbia compiuto 21 anni prima di te.
Esistono versioni concorrenti della teoria del multiverso, ma una versione, chiamato l'interpretazione dei molti mondi della meccanica quantistica, implica che ad ogni evento l'universo si divide in vari nuovi universi, uno per ogni possibilità che sarebbe potuta accadere. Ci sono molti mondi che contengono una persona proprio come te, ma l'atomo di fosforo nell'occhio destro della tua controparte non sarà lo stesso atomo di fosforo che è nel tuo occhio destro.
Non è necessaria nuova energia per creare questi universi inflazionistici, quindi non ci sono implicazioni sul fatto che l'energia sia o meno conservata nel multiverso.
In alcuni di questi universi multipli, potrebbe non esserci una dimensione temporale.
L'espansione del nostro universo potrebbe eventualmente rallentare? SÌ. L'espansione del multiverso potrebbe eventualmente rallentare? NO. Il materiale esplosivo primordiale o precedente in ogni singolo universo decade rapidamente, ma man mano che si decompone, la parte che non è decaduta continua ad aumentare, e così l'espansione del multiverso continua. Il tasso di creazione di nuovi universi bolla aumenta in modo esponenziale.
Normalmente, i filosofi della scienza dicono che ciò che rende scientifica una teoria non è il fatto che possa essere falsificata (come proponeva il filosofo Karl Popper), ma piuttosto che ci possono essere prove sperimentali a favore o contro di essa. Perché è così difficile progettare esperimenti che forniscano prove a favore o contro le teorie del multiverso, molti fisici si lamentano del fatto che i loro colleghi fisici che stanno sviluppando queste teorie stiano facendo speculazioni metafisiche tecniche, non fisica. Tuttavia, la risposta dei difensori delle teorie del multiverso è di solito che possono immaginare un giorno, forse nei secoli futuri, condurre esperimenti cruciali, e, Oltretutto, il termine fisica è meglio definito come qualunque cosa facciano i fisici.
Per una spiegazione autorevole del multiverso, see episode 200 of Sean Carroll’s Mindscape podcast called “Solo: La filosofia del multiverso.
5. Tempo infinito
È il tempo infinitamente divisibile? SÌ, perché la teoria della relatività generale e la teoria quantistica richiedono che il tempo sia un continuum. Ma questa risposta cambierà in "no" se queste teorie verranno eventualmente sostituite da una Teoria Centrale che quantizza il tempo. “Anche se ci sono stati suggerimenti che lo spaziotempo potrebbe avere una struttura discreta,” Stephen Hawking said in 1996, "Non vedo alcun motivo per abbandonare le teorie del continuum che hanno avuto tanto successo." Due decenni dopo, lui e altri fisici erano molto meno sicuri.
Il tempo è iniziato con il big bang, o c'era un periodo di tempo finito o infinito prima del nostro big bang? La risposta è sconosciuta.
Stephen Hawking e James Hartle hanno affermato che la difficoltà di sapere se il passato e il futuro hanno una durata infinita dipende dalla nostra ignoranza sul fatto che l'energia positiva dell'universo sia esattamente annullata dalla sua energia negativa. Tutta l'energia della gravitazione e della curvatura dello spaziotempo è negativa. Se il totale dell'energia dell'universo è diverso da zero e se ci si deve fidare della meccanica quantistica, compresa la legge di conservazione dell'energia, allora il tempo è infinito nel passato e nel futuro. Ecco l'argomento di questa conclusione. La legge di conservazione dell'energia implica che l'energia può cambiare forma, ma se il totale dovesse mai essere diverso da zero, then the total energy can never become zero in the future or once have been zero because any change in the total to zero from non-zero or from non-zero to zero would violate the law of conservation of energy. Così, se il totale dell'energia dell'universo è diverso da zero e se ci si deve fidare della meccanica quantistica, allora ci sono sempre stati stati la cui energia totale è energia diversa da zero, e ci saranno sempre stati di energia diversa da zero. Ciò implica che non può esserci un primo istante o un ultimo istante e quindi che il tempo è eterno.
Non ci sono prove concrete che il totale sia diverso da zero, ma una risicata maggioranza degli esperti è favorevole a un totale diverso da zero, anche se la loro fiducia in questo non è forte. Supponendo che ci sia un totale diverso da zero, la teoria favorita del futuro dell'universo è la teoria del grande freddo. La teoria del grande freddo implica che il futuro non finisce mai e l'universo continua a diventare più freddo man mano che lo spazio si espande e diventa più diluito. Lo spazio vuoto è auto-repellente, e presumibilmente si espanderà per sempre. Così, ci saranno sempre nuovi eventi prodotti da vecchi eventi.
Ecco maggiori dettagli sulla teoria del grande freddo. The last star will burn out in 1015 years. Quindi tutte le stelle e la polvere all'interno di ogni galassia cadranno in buchi neri. Quindi anche il materiale tra le galassie cadrà nei buchi neri, and finally in about 10100 years all the black holes will evaporate, lasciando solo un brodo di particelle elementari che diventa meno denso e quindi più "freddo" man mano che l'espansione dell'universo continua. La radiazione di fondo a microonde si sposterà sempre più verso il rosso in onde radio di lunghezza d'onda maggiore. Lo spazio futuro assomiglierà molto a un vuoto. Ma a causa dell'energia del vuoto, la temperatura si avvicinerà solo, ma mai del tutto raggiunto, zero sulla scala Kelvin. Così l'universo scende in un “grande freddo,” avere la stessa quantità di energia totale che ha sempre avuto.
La situazione è molto diversa da quella della teoria del grande freddo se l'energia totale dell'universo è ora zero. In questo caso, il tempo non è fondamentale (né lo spaziotempo). Forse il tempo emerge da una raccolta finita di momenti come descritto nell'eterna equazione di Wheeler-DeWitt della meccanica quantistica (vale a dire l'equazione delle onde di Schrödinger quando non c'è cambiamento).
Ecco altri commenti su questo da Carroll (2016, pp. 197-8):
Ci sono due possibilità: uno in cui l'universo è eterno, uno in cui ha avuto un inizio. Questo perché l'equazione di Schrödinger della meccanica quantistica risulta avere due tipi di soluzioni molto diversi, corrispondenti a due diversi tipi di universo.
Una possibilità è che il tempo sia fondamentale, e l'universo cambia con il passare del tempo. In quel caso, l'equazione di Schrödinger è inequivocabile: il tempo è infinito. Se l'universo si evolve davvero, si è sempre evoluto e si evolverà sempre. Non c'è avvio e arresto. Potrebbe esserci stato un momento che assomiglia al nostro Big Bang, ma sarebbe stata solo una fase temporanea, e ci sarebbe stato più universo che c'era anche prima dell'evento.
L'altra possibilità è che il tempo non sia veramente fondamentale, ma piuttosto emergente. Poi, l'universo può avere un inizio. L'equazione di Schrödinger ha soluzioni che descrivono universi che non si evolvono affatto: si siedono lì, immutabile.
…E se è vero, allora non c'è alcun problema se c'è un primo momento nel tempo. L'intera idea di "tempo" è comunque solo un'approssimazione.
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Informazioni sull'autore
Bradley Dowden
E-mail: [email protected]
Università statale della California, Sacramento
U. S. UN.
