Amanda Gefter

teorie na realitu za Einsteinova vesmíru je formuje – a tajemné kosmické signál by se mohl brzy vyplnit prázdná místa.

NEBYLO TO tak dávno jsme si mysleli, že prostor a čas jsou absolutní a neměnné lešení vesmíru. Pak přišel Albert Einstein, který ukázal, že různí pozorovatelé mohou nesouhlasit o délku objektů a načasování událostí. Jeho teorie relativity sjednotila prostor a čas do jediné entity-časoprostoru. Znamenalo to, že způsob, jakým jsme přemýšleli o struktuře reality, už nikdy nebude stejný. „Od nynějška prostor sám o sobě a čas sám o sobě, jsou odsouzeny k vyblednou v pouhé stíny,“ prohlásil matematik Hermann Minkowski. „Pouze druh spojení těchto dvou zachová nezávislou realitu.“

ale zašla Einsteinova revoluce dost daleko? Fyzik Lee Smolin z Perimeter Institute for Theoretical Physics ve Waterloo v kanadském Ontariu si to nemyslí. S trojicí kolegů se snaží posunout relativitu na zcela novou úroveň a mají v hledáčku časoprostor. Říká se, že musíme zapomenout na domov Einstein vynalezený pro nás&dvojtečka; žijeme místo toho na místě zvaném fázový prostor.

Pokud je toto radikální tvrzení pravdivé, mohlo by to vyřešit znepokojivý paradox o černých dírách, které po desetiletí zmítaly fyziky. A co víc, mohlo by je to postavit na cestu k touze jejich srdce&dvojtečka; „Teorie všeho“, která nakonec spojí obecnou relativitu a kvantovou mechaniku.

Co je tedy fázový prostor? Je to zvláštní osmidimenzionální svět, který spojuje naše známé čtyři dimenze prostoru a času a čtyřrozměrný svět zvaný momentum space.

Momentum space není tak cizí, jak to poprvé zní. Když se podíváte na svět kolem sebe, říká Smolin, nikdy nepozorujete prostor ani čas-místo toho vidíte energii a hybnost. Když se například podíváte na hodinky, fotony se odrazí od povrchu a přistanou na sítnici. Detekcí energie a hybnosti fotonů váš mozek rekonstruuje události v prostoru a čase.

totéž platí pro fyzikální experimenty. Uvnitř částic smashers, fyzici změřit energii a hybnost částice, jako jsou rychlost, jeden k druhému a srazí, a energie a hybnosti úlomky, které přijde létání ven. Podobně dalekohledy měří energii a hybnost fotonů proudících ze vzdálených koutů vesmíru. „Pokud jdete podle toho, co pozorujeme, nežijeme v časoprostoru,“ říká Smolin. „Žijeme v momentum space.“

A, stejně jako prostor-čas může být zobrazen jako souřadnicovém systému s časem na ose a prostoru – jeho tři rozměry zhuštěné do jedné – na druhé ose, totéž platí o síle vesmíru. V tomto případě je energie na jedné ose a hybnost – která má stejně jako prostor tři složky – je na druhé (viz obrázek).

Jednoduché matematické transformace existují přeložit měření v tento impuls do prostoru měření v prostoru-čase, a je všeobecně známo, že hybnost prostor je jen matematický nástroj. Koneckonců, Einstein ukázal, že časoprostor je skutečnou arénou reality, ve které se odehrávají dramata vesmíru.

Smolin a jeho kolegové nejsou první, kdo přemýšlí, zda je to celý příběh. Již v roce 1938 si německý fyzik Max Born všiml, že několik klíčových rovnic v kvantové mechanice zůstává stejné, ať už vyjádřené v časoprostorových souřadnicích nebo v souřadnicích hybnosti. Napadlo ho, zda by bylo možné použít toto připojení sjednotit zdánlivě neslučitelné teorie, obecné teorie relativity, která se zabývá časoprostoru a kvantové mechaniky, jejichž částice mají dynamiku a energii. Možná by to mohlo poskytnout klíč k dlouho hledané teorii kvantové gravitace.

Narodil nápad, že prostor-čas a dynamiku, prostor by měl být zaměnitelné – teorie, nyní známý jako „Narodil vzájemnosti“ – měl pozoruhodný důsledek&tlustého střeva; je-li prostor-čas může být zakřivené masy hvězd a galaxií, jako Einsteinova teorie ukázala, pak by mělo být možné křivku dynamiku prostoru.

V době, kdy nebylo jasné, jaký druh fyzické osoby by křivka dynamiky prostoru a matematiky nutné, aby se takový nápad pracovat ani nebyl vynalezen. Born tedy nikdy nesplnil svůj sen postavit prostor-čas a hybnost na stejnou úroveň.

to je místo, kde Smolin a jeho kolegové vstupují do příběhu. Společně s Laurentem Freidel, také v Perimeter Institute, Jerzy Kowalski-Glikman na University of Wroclaw, Polsko a Giovanni Amelino-Camelia na Sapienza University v Římě, v Itálii, Smolin vyšetřuje účinky zakřivení dynamiku prostoru.

kvarteto vzal standardních matematických pravidel pro překládání mezi hybnost prostor a prostor-čas a aplikuje je na zakřivené dynamiku prostoru. To, co objevili, je šokující&dvojtečka; pozorovatelé žijící v zakřiveném prostoru hybnosti se již nebudou shodovat na měřeních provedených v jednotném časoprostoru. To jde zcela proti zrnu Einsteinovy relativity. Ukázal, že zatímco prostor a čas jsou relativní, časoprostor byl pro všechny stejný. Pro pozorovatele v prostoru zakřivené hybnosti je však i časoprostor relativní (viz diagram).

Tento nesoulad mezi jeden pozorovatel je prostor-čas měření a další roste se vzdáleností, nebo v průběhu času, což znamená, že zatímco prostor-čas ve vaší bezprostřední blízkosti bude vždy ostře definovanými, objekty a události v dálce se stávají zmatenější. „Čím dál jste a čím více energie je zapojeno, tím větší se zdá, že se událost rozprostírá v časoprostoru,“ říká Smolin.

například, pokud jste 10 miliard světelných let od supernovy a energie jeho světlo je o 10 gigaelectronvolts, pak se vaše měření jeho umístění v prostoru-času, se liší od místního pozorovatele o světle druhé. To možná nezní moc, ale činí 300 000 kilometrů. Ani jeden z vás by se nemýlil – je to jen to, že místa v časoprostoru jsou relativní, což je jev, který vědci nazvali „relativní lokalitou“.

relativní lokalita by zasadila obrovskou ránu našemu obrazu reality. Pokud časoprostor již není invariantní kulisou vesmíru, na které se mohou všichni pozorovatelé shodnout, v jakém smyslu lze považovat za skutečnou strukturu reality?

“Relativní lokality nabídky obrovská rána pro naše chápání povahy reality”

To je otázka, ještě zápasil s, ale relativní lokalita má své výhody, taky. Za prvé, mohlo by to osvětlit tvrdohlavou hádanku známou jako paradox ztráty informací o černé díře. V 70. letech Stephen Hawking zjistil, že černé díry vyzařují svou hmotu, nakonec se odpařují a úplně mizí. To představovalo zajímavou otázku&dvojtečka; co se stane se všemi věcmi, které spadly do černé díry?

teorie Relativity zabraňuje cokoli, co padá do černé díry uniknout, protože to by musel cestovat rychleji než světlo, aby tak učinily – vesmírný rychlostní limit, který je přísně dodržován. Kvantová mechanika však prosazuje svůj vlastní přísný zákon&dvojtečka; věci, nebo přesněji informace, které obsahují, nemohou jednoduše zmizet z reality. Odpařování černé díry dalo fyzikům mezi skálu a tvrdé místo.

podle Smolina relativní lokalita šetří den. Řekněme, že jste byli dostatečně trpěliví, abyste počkali, až se černá díra vypaří, proces, který může trvat miliardy let. Jakmile zmizel, můžete se zeptat, co se stalo, řekněme, slonovi, který kdysi podlehl gravitačnímu sevření. Ale když se podíváte zpět na dobu, ve které jste si mysleli, slon spadl, zjistíte, že umístění v prostoru-čase, stal se tak nejasný a nejistý, že tam by byl žádný způsob, jak říct, zda je slon ve skutečnosti spadl do černé díry, nebo těsně minul. Paradox ztráty informací se rozpouští.

„nebylo by možné zjistit, zda slon skutečně spadl do černé díry nebo ji těsně minul“

velké otázky stále zůstávají. Například, jak můžeme vědět, jestli hybnost prostor je opravdu zakřivený? Chcete-li najít odpověď, tým navrhl několik experimentů.

jedním z nápadů je podívat se na světlo přicházející na Zemi ze vzdálených výbuchů gama paprsků. Pokud hybnost prostor je zakřivený v konkrétní způsob, jak to matematici označují jako „non-metric“, pak vysoko-energetický foton gamma-ray burst by měl dorazit na náš dalekohled o něco později, než nižší-energie fotonu ze stejné praskla, i přes dva vysílány ve stejnou dobu.

právě tento jev již byl viděn, počínaje některými neobvyklými pozorováními dalekohledu na Kanárských ostrovech v roce 2005(New Scientist, 15. srpna 2009, s. 29). Účinek od té doby potvrdil vesmírný dalekohled NASA Fermi Gama, který sbírá světlo z kosmických výbuchů od svého spuštění v roce 2008. „Údaje Fermi ukazují, že je nepopiratelným experimentálním faktem, že existuje korelace mezi časem příjezdu a energií – vysokoenergetické fotony dorazí později než nízkoenergetické fotony,“ říká Amelino-Camelia.

přesto, že není praskání šampaňské ještě ne. Není jasné, zda pozorované zpoždění jsou skutečné podpisy zakřivené dynamiku prostoru, nebo zda jsou „neznámé vlastnosti výbuchy samy o sobě“, jako Amelino-Camelia staví. Výpočty výbuchů gama záření idealizují výbuchy jako okamžité, ale ve skutečnosti trvají několik sekund. I když neexistuje žádný zřejmý důvod si to myslet, je možné, že k výbuchům dochází tak, že emitují fotony s nižší energií sekundu nebo dvě před fotony s vyšší energií, což by odpovídalo pozorovaným zpožděním.

Ve snaze odlišit vlastnosti výbuchy z vlastnosti relativní lokality, potřebujeme velký vzorek gama záblesky odehrává na různé známé vzdálenosti (arxiv.org/abs/1103.5626). V případě, že zpoždění je vlastnost výbuchu, jeho délka bude záviset na tom, jak daleko a výbuch je z našeho dalekohledu; pokud je znak relativní lokalitě, to bude. Amelino-Camelia a zbytek Smolinova týmu nyní netrpělivě čekají na další data od Fermiho.

otázky však nekončí. I když Fermiho pozorování potvrdí, že prostor hybnosti je zakřivený, stále nám neřeknou, co dělá zakřivení. V obecné relativitě je to hybnost a energie ve formě hmoty, která deformuje časoprostor. Ve světě, ve kterém hybnost prostor je zásadní, mohl prostor a čas nějak být zodpovědný za zakřivení hybnost prostor?

práce Shahna Majida, matematického fyzika na Queen Mary University v Londýně, by mohla mít nějaké stopy. V 90. letech ukázal, že zakřivený hybný prostor je ekvivalentní tomu, co je známé jako nekomutativní časoprostor. Ve známém vesmíru-čas, souřadnice dojíždět – to znamená, že pokud chceme dosáhnout bod se souřadnicemi (x,y), nezáleží na tom, zda bereme x kroky vpravo a pak y kroky vpřed, nebo jestli budeme cestovat y kroky vpřed následovaný x kroky vpravo. Matematici však mohou konstruovat časoprostory, ve kterých tento řád již nedrží, a nechat časoprostor s inherentní nejasností.

V jistém smyslu je taková nejasnost přesně to, co byste mohli očekávat, jakmile se kvantové efekty zmocní. Co je kvantová mechanika se liší od obyčejných mechaniky je Heisenbergův princip neurčitosti&tlustého střeva;, když jste opravit částice hybnosti – měření, například – pak se jeho postoj stává zcela nejistý, a vice versa. Pořadí, ve kterém měříte polohu a hybnost, určuje jejich hodnoty; jinými slovy, tyto vlastnosti nepřemlouvají. To, říká Majid, znamená, že zakřivený hybný prostor je jen kvantový časoprostor v jiném hávu.

Co je více, Majid podezření, že tento vztah mezi zakřivením a kvantové neurčitosti funguje dvěma způsoby&tlustého střeva; zakřivení časoprostoru – projev gravitace Einsteinova teorie relativity – znamená, že hybnost prostor je také kvantové. Model Smolina a kolegů zatím nezahrnuje gravitaci,ale jakmile to udělá, Majid říká, pozorovatelé se nebudou shodovat ani na měření v prostoru hybnosti. Pokud je tedy prostor-čas i hybnost relativní, kde leží objektivní realita? Jaká je skutečná struktura reality?

“ Pokud Einsteinův časoprostor již není něco, na čem se všichni pozorovatelé mohou shodnout, je to skutečná struktura reality?”

Smolin tušení je, že jsme se ocitli v místě, kde prostor-čas a tempo prostoru setkat&tlustého střeva; osm-dimenzionální fázový prostor, který představuje všechny možné hodnoty polohy, času, energie a hybnost. V relativity, to, co jeden pozorovatel názory jako prostor, další pohledy, jak čas a naopak, protože v konečném důsledku jsou to dvě strany jedné mince – jednotný časoprostor. Podobně, v Smolin obrázek kvantové gravitace, co jeden pozorovatel vidí jako prostor-čas, další vidí jako impuls prostoru, a dva jsou sjednoceny ve vyšší dimenzionální fázový prostor, který je absolutní a neměnný pro všechny pozorovatele. S relativitou na další úroveň, to bude sbohem jak časoprostoru a hybnosti prostoru, a hello fázového prostoru.

„To bylo zřejmé, na dlouhou dobu, že oddělení prostor-čas a energie-hybnosti je zavádějící, když se jedná s kvantovou gravitaci,“ říká fyzik João Magueijo z Imperial College v Londýně. V běžné fyzice je snadné zacházet s časoprostorem a hybným prostorem jako s oddělenými věcmi, vysvětluje: „ale kvantová gravitace může vyžadovat jejich úplné zapletení“. Jakmile zjistíme, jak do sebe zapadají dílky časoprostoru a hybnosti, Bornův sen bude konečně realizován a bude odhaleno skutečné lešení reality.

Více o těchto tématech:

• kosmologie