Eine neue Art des Denkens über die Raumzeit, die alles umkrempeln wird

Eines der merkwürdigsten Aspekte der Quantenmechanik ist Verschränkung, weil zwei verstrickt scheint Partikel beeinflussen einander über weite Strecken gegen ein Grundprinzip der Physik genannt Ortschaft: Dinge, die an einem bestimmten Punkt im Raum geschehen beeinflussen nur die Punkte am nächsten ist. Aber was, wenn Lokalität – und Raum selbst – ist schließlich nicht so grundlegend? Autor George Musser erforscht die Auswirkungen in seinem neuen Buch, Gespenstische Aktion an ein Abstand.

Als der Philosoph Jenann Ismael zehn Jahre alt war, kaufte ihr Vater, ein Iraker geboren Professor an der University of Calgary ein großes Holzgehäuse bei einer Auktion. Stöbern durch ihn, stieß sie auf eine alte Kaleidoskop, und sie war hingerissen. Stundenlang sie experimentiert und herausgefunden, wie es funktioniert. "Ich nicht sagen, meine Schwester wenn ich es gefunden, weil ich fürchtete, sie würde es wollen," erinnert sie sich.

Wie Sie in ein Kaleidoskop und biegen Sie das Rohr, beginnen bunte Formen, Blüte, Spin und zusammenführen, Verlagerung unvorhersehbar in scheinbare Missachtung der rationale Erklärung, fast so, als ob sie waren gespenstische Fernwirkung aufeinander ausüben. Aber je mehr Sie bestaunen sie, die mehr Regelmäßigkeit, die Sie in ihrer Bewegung zu bemerken. Formen auf gegenüberliegenden Seiten des Ihr Gesichtsfeld ändern Sie unisono, und ihre Symmetrie informiert Sie, was wirklich los ist auf: diese Formen sind nicht physische Objekte, sondern Bilder von Objekten – von Glasscherben, die herum in einem gespiegelten Rohr wackeln sind.

"Es ist eine einzelne Perle aus Glas, die redundant in verschiedenen Teilen des Raumes vertreten ist", sagt Ismael. "Wenn Sie in den größeren Raum einbetten, die physikalische Beschreibung des dreidimensionalen Kaleidoskop, konzentriert, haben Sie eine einfache kausale Geschichte. Es ist eine Stück Glas, wird das Stück Glas entlang der Spiegel und So weiter remittiert." Gesehen, was es wirklich ist, ist das Kaleidoskop nicht mehr geheimnisvoll, aber immer noch ziemlich genial.

Jahrzehnte später, während der Vorbereitung eines Vortrag zum Thema Quantenphysik, Ismael dachte zurück an das Kaleidoskop und ging hinaus, um ein schickes neues zu kaufen, ein glänzendes Kupfer Rohr in einem Fall samt. Sie erkannte, war es eine Metapher für nicht-Lokalität in der Physik. Vielleicht in einer Verschränkung Experiment oder Galaxien auf den entferntesten Winkeln des bekannten Weltraums wirken seltsam weil sie wirklich Projektionen sind — oder auf andere Weise, sekundäre Kreationen – von Objekten in ein ganz anderes Gebiet bestehenden.

"Im Fall Kaleidoskop, wir wissen was wir tun müssen: Wir müssen sehen, das ganze System; "Wir müssen sehen, wie der Bildraum geschaffen ist," sagt Ismael. "Wie erstellen wir ein Analogon davon für Quanten-Effekte? Das bedeutet Platz zu sehen, wie wir es kennen – Alltag Raum in dem wir die Messung Ereignisse anzeigen befindet sich an verschiedenen Stellen des Raumes – als emergent Struktur. Vielleicht, wenn wir zwei Teile betrachten, sehen wir das gleiche Ereignis. Wir interagieren mit dem gleichen Bit der Wirklichkeit aus verschiedenen Teilen des Raumes."

Sie und andere Frage die Annahme made von fast jeder Physiker und Philosoph Demokrit vorwärts, dass die tiefste Ebene der physischen Realität ist. Genauso wie das Skript eines Stücks beschreibt, was Schauspieler auf einer Bühne zu tun, aber die Bühne setzt, die Gesetze der Physik wurden traditionell die Existenz des Raumes als einer bestimmten. Heute wissen wir, dass das Universum mehr, als Dinge, die im Raum aufgestellt. Nichtlokale Phänomene springen aus Raum; Sie haben keinen Platz in seinen Grenzen. Sie deuten auf eine Ebene der Wirklichkeit tiefer als Raum, wo das Konzept der Entfernung entfällt, wo Dinge, die scheinbar weit auseinander liegen tatsächlich in der Nähe, oder vielleicht sind die gleiche Sache manifestiert sich in mehr als einem Ort, wie mehrere Bilder von einer einzigen Glasscherbe kaleidoskopischen.

Wenn wir, in Bezug auf einen solchen, die Verbindungen zwischen den subatomaren Teilchen auf einem Labortisch denken zwischen innen und außen von einem schwarzen Loch, und zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Universums scheinen Sie nicht so gruselig mehr. Michael Heller, Physiker, Philosophen und Priester an der Päpstlichen Theologischen Akademie in Krakau, Polen, sagt: "Wenn Sie zustimmen, dass die grundlegende Ebene der Physik nicht lokal ist, alles ist natürlich, weil diese zwei Teilchen, die weit voneinander entfernt sind die gleichen grundlegende nichtlokale Ebene erforschen. Für sie nicht Raum und Zeit keine Rolle." Nur, wenn Sie versuchen, diese Phänomene in Bezug auf Raum visualisieren – das ist verzeihlich, denn es schwer für uns ist, anders zu denken – tun sie trotzen Verständnis.

Die Idee von einer tieferen Ebene scheint natürlich, denn immerhin ist es, was Physiker immer gesucht haben. Wenn sie nicht einige Aspekte unserer Welt zu ergründen, sie davon ausgehen, dass sie noch nicht am Ende alles bekommen haben müssen. Sie vergrößern und suchen Sie die Bausteine. Wie geheimnisvoll ist es zum Beispiel, dass flüssiges Wasser Dampf kochen oder um zu Eis gefrieren kann. Doch diese Transformationen durchaus Sinn machen, wenn Flüssigkeit, Dampf und nicht elementaren Substanzen, sondern verschiedene Formen einer einzigen grundlegenden Substanz fest sind.

Aristoteles nahm die Staaten des Wassers zu verschiedenen Inkarnationen des sogenannten Prime Materie und den Atomists – vorausschauend – dachte, sie waren Umgestaltungen von Atomen in enger oder lockerer Strukturen. En masse, die Bausteine der Materie Eigenschaften zu erwerben, dass individuell, es fehlt Ihnen an. Ebenso könnte Raum Stück gebaut werden, die nicht selbst räumliche. Diese Stücke können auch zerlegt und wieder zusammengesetzt in nicht räumliche Strukturen wie diejenigen, denen schwarze Löcher und der Big Bang sind Anspielungen auf.

"Raumzeit grundlegend, kann nicht", sagt die Theoretiker Nima Arkani-Hamed. "Es muss etwas Grundlegenderes herauskommen."

Dieses Denken kehrt völlig Physik. Nichtlokalität ist nicht mehr das Geheimnis; Es ist die Art, wie die Dinge wirklich sind, und Lokalität wird das Rätsel. Wenn wir den Raum nicht mehr als garantiert ansehen können, müssen wir erklären, was es ist und wie es entsteht, entweder eigenständig oder in Union mit der Zeit.

Klar, Bau Raum wird nicht so einfach wie die Verschmelzung der Moleküle in einer Flüssigkeit sein. Was könnte möglicherweise seine Bausteine? Normalerweise gehen wir davon aus, dass Bausteine ist kleiner als die Dinge bauen Sie aus ihnen heraus. Ein Freund von mir und seiner Tochter errichtet einmal ein detailliertes Modell des Eiffelturms aus Popsicle Sticks; Sie benötigt kaum zu erklären, dass die Stöcke kleiner als der Turm waren.

Wenn es um Raum geht, kann es sein, keine "kleineren" weil Größe selbst ein räumliches Konzept. Die Bausteine können Raum nicht davon ausgehen, wenn sie es erklären sollen. Sie müssen weder Größe noch auf den Ort; Sie sind überall, überspannt das gesamte Universum, und nirgendwo, unmöglich ist, zu zeigen. Was würde es für Dinge, die nicht Positionen haben? Wo würden sie sein? "Wenn wir von emergent Raumzeit sprechen, es aus einigen Rahmen, die sehr weit entfernt von dem, was wir kennen kommen muss", sagt Arkani-Hamed.

Innerhalb der westlichen Philosophie, der Bereich jenseits von Raum wurde traditionell als einen Bereich jenseits von Physik – das Flugzeug für die Existenz Gottes in der christlichen Theologie. In den frühen achtzehnten Jahrhundert, Gottfried Leibnizs "Monaden" — was er vorgestellt, um die primitiven Elemente des Universums zu sein — gab es, wie Gott, außerhalb von Raum und Zeit. Seine Theorie war ein Schritt in Richtung emergent Raumzeit, aber es war immer noch metaphysische, mit nur eine vage Verbindung in die Welt der konkreten Dingen. Wenn Physiker erklären, Raum als emergent erfolgreich sein wollen, müssen sie das Konzept der Spacelessness als eigene behaupten.

Einstein sah diese Schwierigkeiten. "Vielleicht... Wir müssen auch aufgeben, Prinzip, das Raum-Zeit-Kontinuum," schrieb er. "Es ist nicht unvorstellbar, dass menschliche Genialität eines Tages Methoden finden, die es ermöglichen wird, diesen Weg weiterzugehen. In der heutigen Zeit sieht jedoch ein solches Programm wie ein Versuch, im leeren Raum zu atmen."

John Wheeler, der renommierten Schwerkraft Theoretiker spekulierten, dass die Raumzeit ist aus "Pregeometry" gebaut, sondern räumte ein, dass dies nichts anderes als "eine Idee für eine Idee." Sogar jemand wie unbändige Arkani-Hamed seine Zweifel hat: "diese Probleme sind sehr schwer. "sie sind außerhalb unserer üblichen Sprache zu reden."

Was Arkani-Hamed am Leben hält, ist, dass er und seine Kollegen haben genau die Art von Einstein sagte, sie hätte Methoden gefunden – Möglichkeiten, Physik in der Abwesenheit des Raumes, um das Vakuum zu atmen zu beschreiben. Er hat diese Bemühungen in historischer Perspektive: "2,000-plus jahrelang gefragt, über die wahre Natur von Raum und Zeit, aber sie waren verfrüht. Wir haben endlich an die Epoche wo stellen die Fragen und hoffe Sie können für einige sinnvolle Antwort."

Auszug aus Spooky Fernwirkung durch George Musser, veröffentlicht im November 2015 von Scientific American/Farrar, Straus und Giroux, LLC. Copyright 2015 von George Musser. Alle Rechte vorbehalten. Mit freundlicher Genehmigung verwendet.

Bild oben: Steve Ball/Shutterstock.