science >> Wetenschap > >> anders

Zullen we ooit de kwantummechanica verenigen met de algemene relativiteitstheorie?

Een buste van Max Planck wordt snel afgestoft. Planck staat bekend als een van de grondleggers van de kwantumtheorie. Michael Gottschalk/AFP/Getty Images

Vaak, de vragen die in de loop van de dag opkomen, zijn vragen die we allemaal vrij zelfverzekerd kunnen beantwoorden. Heb je lunch gegeten? Heb je het nieuwe nummer van Taylor Swift gehoord? Is het een biecht over een jongen met wie ze ooit een date heeft gehad?

Maar wanneer we beginnen na te denken over de grote vragen - de vraag die we vandaag behandelen, vraagt of kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie ooit met elkaar kunnen worden verzoend - keldert onze zelfverzekerdheid. Heeft kwantummechanica niet iets te maken met planeten? Is de algemene relativiteitstheorie degene met energie gelijk aan massa maal de lichtsnelheid in het kwadraat? Wacht, was dat massa of beweging? Of minuten. Het zijn minuten, is het niet?

Geen angst. Hoewel deze vraag uiterst moeilijk te beantwoorden is, de vraag zelf is zo simpel als het ontcijferen van de tekst van een popster. Voordat we beginnen met het oplossen van het onoplosbare universum, laten we de componenten opsplitsen.

Laten we eerst de kwantummechanica aanpakken. En het is een goede plek om te beginnen, omdat het de studie is van iets extreem kleins -- materie en straling op atomair en subatomair niveau. Pas toen wetenschappers atomen begonnen te begrijpen, had de reguliere oude natuurkunde een kleine aanpassing nodig. Want als wetenschappers naar atomen keken, ze gedroegen zich niet zoals de rest van het universum. Bijvoorbeeld, elektronen draaiden niet om de kern zoals een planeet rond de zon - als dat zo is, ze zouden in de kern zijn gekropen [bron:Stedl].

Het werd duidelijk dat de klassieke natuurkunde het niet op atomaire schaal deed. Dus de kwantummechanica ontstond uit een noodzaak om te begrijpen hoe zeer kleine fenomenen anders werkten dan de grote dingen in de wetenschap. Wat we ontdekten was dat zoiets als een foton kan werken als een deeltje (dat massa en energie draagt) en een golf (die alleen energie draagt). Dit is een groot probleem -- het kunnen twee dingen tegelijk zijn. En het betekent dat de kleinste delen van het universum dramatisch fluctueren, en zonder enige manier om de specifieke locatie op elk moment te kennen.

Het is allemaal relativiteit

Dus nu begrijpen we dat de kwantummechanica in wezen openbarstte hoe we over het universum denken (als het gaat om de kleinste schalen). Deeltjes kunnen golven zijn, bijvoorbeeld. Om het nog leuker te maken, het onzekerheidsprincipe van de kwantummechanica vertelt ons dat we niet echt kunnen zeggen waar een deeltje is of hoe snel het tegelijkertijd beweegt.

Einstein had het niet. Het idee dat we niet echt konden zien waar een deeltje was of wat het aan het doen was, moet zeer verontrustend zijn geweest voor een natuurkundige die zich toelegde op het definiëren van De manier waarop het heelal werkte -- wat Einstein deed, met de algemene relativiteitstheorie.

Wees nu niet bang. De algemene relativiteitstheorie heeft twee grote ideeën:een over ruimte en tijd, een ander over zwaartekracht. Zoals jij en ik het zien, ruimte en tijd zijn op de achtergrond. Ze zijn vast. Ze bestaan chronologisch (en een beetje monolithisch). In de algemene relativiteitstheorie, ruimte en tijd zijn één verenigde dimensie (ruimte-tijd genoemd, handig). Maar hier is het ding:ruimte-tijd kan groot en verenigd zijn, maar het hangt niet op de achtergrond. De algemene relativiteitstheorie zegt dat ruimte-tijd kan worden beïnvloed door materie. Dat betekent dat je -- als materie, bestaande -- veranderen ruimte en tijd.

OKE, niet precies. Het zijn eigenlijk hele grote dingen die ruimte-tijd warp maken. De zon, bijvoorbeeld, buigt de ruimte-tijd ernaartoe. En wat zou dat inhouden? Ah, dat klopt:kleinere planeten zouden in een baan eromheen vallen.

Dat brengt ons bij de zwaartekracht. Inderdaad, algemene relativiteit was niet alleen Einstein die Newton op de schouder klopte en zei:"Ja, meneer, zwaartekracht is een ding!" In plaats daarvan, Einstein gaf ons een reden voor zwaartekracht -- dat de kromming van ruimte-tijd ervoor zorgde dat zwaartekracht bestond, en zorgde ervoor dat het universum handelde zoals het deed.

Wat is het probleem? Einstein liet ons een verbluffende manier zien waarop het universum werkt, en kwantummechanica laat ons een fascinerende manier zien waarop deeltjes op atomair en subatomair niveau werken. Helaas, het een verklaart het ander niet. Wat betekent dat er een grotere theorie moet zijn die hen omvat ... of niet?