Af Amanda Gefter

en teori om virkelighed ud over Einsteins univers tager form – og et mystisk kosmisk signal kunne snart udfylde emnerne

det var ikke så længe siden, vi troede, at rum og tid var universets absolutte og uforanderlige stillads. Så kom Albert Einstein, som viste, at forskellige observatører kan være uenige om objekternes længde og tidspunktet for begivenhederne. Hans relativitetsteori Forenede rum og tid i en enkelt enhed – rumtid. Det betød, at den måde, vi tænkte på virkelighedens struktur, aldrig ville være den samme igen. “Fra nu af er rummet i sig selv, og tiden i sig selv, dømt til at falme ind i blotte skygger,” erklærede matematiker Hermann Minkovsky. “Kun en slags forening af de to vil bevare en uafhængig virkelighed.”

men gik Einsteins revolution langt nok? Fysiker Lee Smolin ved Perimeter Institute for Theoretical Physics i Ontario, Canada, tror ikke det. Han og en trio af kolleger sigter mod at tage relativitet til et helt nyt niveau, og de har rumtid i deres seværdigheder. De siger, at vi er nødt til at glemme hjemmet Einstein opfundet for os&kolon; vi bor i stedet på et sted kaldet faserum.

Hvis dette radikale krav er sandt, kan det løse et bekymrende paradoks om sorte huller, der har stumpet fysikere i årtier. Hvad mere er, det kunne sætte dem på vejen mod deres hjertes ønske: en “teori om alt”, der endelig vil forene generel relativitet og kvantemekanik.

så hvad er fase plads? Det er en nysgerrig ottedimensionel verden, der fusionerer vores velkendte fire dimensioner af rum og tid og en firedimensionel verden kaldet momentum space.Momentum space er ikke så fremmed, som det først lyder. Når du ser på verden omkring dig, siger Smolin, observerer du aldrig rum eller tid – i stedet ser du energi og momentum. Når du for eksempel ser på dit ur, springer fotoner af en overflade og lander på din nethinde. Ved at registrere fotonernes energi og momentum rekonstruerer din hjerne begivenheder i rum og tid.

det samme gælder for fysikeksperimenter. Inde partikel smashers, fysikere måle energi og momentum af partikler, som de hastighed mod hinanden og kolliderer, og energi og momentum af affaldet, der kommer flyvende ud. Ligeledes måler teleskoper energi og momentum af fotoner, der strømmer ind fra universets fjerne rækkevidde. “Hvis du går efter det, vi observerer, lever vi ikke i rumtid,” siger Smolin. “Vi lever i momentum.”

og ligesom rumtid kan afbildes som et koordinatsystem med tiden på den ene akse og rummet-dets tre dimensioner kondenseret til den ene – på den anden akse, gælder det samme for momentumrum. I dette tilfælde er energi på den ene akse, og momentum – som ligesom rummet har tre komponenter – er på den anden (se diagram).

Der findes enkle matematiske transformationer til at oversætte målinger i dette momentumrum til målinger i rumtid, og den fælles visdom er, at momentumrum kun er et matematisk værktøj. Einstein viste trods alt, at rumtiden er virkelighedens sande arena, hvor kosmos dramaer spilles ud.

Smolin og hans kolleger er ikke de første til at spekulere på, om det er hele historien. Så langt tilbage som 1938 bemærkede den tyske fysiker maks.født, at flere pivotale ligninger i kvantemekanik forbliver de samme, hvad enten de udtrykkes i rumtidskoordinater eller i momentumrumkoordinater. Han spekulerede på, om det kunne være muligt at bruge denne forbindelse til at forene de tilsyneladende uforenelige teorier om generel relativitet, der beskæftiger sig med rumtid og kvantemekanik, hvis partikler har momentum og energi. Måske kunne det give nøglen til den længe søgte teori om kvantegravitation.

Borns ide om, at rumtid og momentumrum skulle være udskiftelige – en teori, der nu er kendt som “født gensidighed” – havde en bemærkelsesværdig konsekvens&kolon; hvis rumtiden kan bøjes af masserne af stjerner og galakser, som Einsteins teori viste, så skulle det også være muligt at kurve momentumrum.

på det tidspunkt var det ikke klart, hvilken slags fysisk enhed der kunne kurve momentumrum, og den matematik, der var nødvendig for at få en sådan ide til at fungere, var ikke engang opfundet. Så Born opfyldte aldrig sin drøm om at sætte rum-tid og momentum plads på lige fod.

det er her Smolin og hans kolleger kommer ind i historien. Sammen med Laurent Freidel, også ved Perimeter Institute, har Smolin undersøgt virkningerne af en krumning af momentumrum.kvartetten tog standard matematiske regler for oversættelse mellem momentumrum og rumtid og anvendte dem på et buet momentumrum. Hvad de opdagede er chokerende&kolon; observatører, der lever i et buet momentumrum, vil ikke længere være enige om målinger foretaget i en samlet rumtid. Det går helt imod kornet af Einsteins relativitet. Han havde vist, at mens rum og tid var relative, var rumtiden den samme for alle. For observatører i et buet momentumrum er selv rumtid imidlertid relativ (se diagram).

denne mismatch mellem en observatørs rumtidsmålinger og en anden vokser med afstand eller over tid, hvilket betyder, at mens rumtid i din umiddelbare nærhed altid vil være være skarpt defineret, objekter og begivenheder i den fjerne afstand bliver uklar. “Jo længere væk du er, og jo mere energi der er involveret, jo større ser begivenheden ud til at sprede sig i rumtid,” siger Smolin.

for eksempel, hvis du er 10 milliarder lysår fra en supernova, og energien i dens lys er omkring 10 gigaelektronvolt, så vil din måling af dens placering i rumtid afvige fra en lokal observatør med et lys sekund. Det lyder måske ikke af meget, men det beløber sig til 300.000 kilometer. Ingen af jer ville tage fejl – det er bare, at placeringer i rumtiden er relative, et fænomen, som forskerne har kaldt “relativ lokalitet”.

relativ lokalitet ville give et stort slag for vores billede af virkeligheden. Hvis rumtid ikke længere er et uforanderligt baggrund for universet, som alle observatører kan være enige om, i hvilken forstand kan det betragtes som virkelighedens sande struktur?

“relativ lokalitet giver et stort slag for vores forståelse af virkelighedens natur”

det er et spørgsmål, der stadig skal kæmpes med, men relativ lokalitet har også sine fordele. For det første kunne det kaste lys over et stædigt puslespil kendt som Black hole information-loss paradoks. I 1970 ‘ erne opdagede Stephen, at sorte huller udstråler deres masse væk og til sidst fordamper og forsvinder helt. Det stillede et spændende spørgsmål& kolon; Hvad sker der med alle de ting, der faldt i det sorte hul i første omgang?

relativitet forhindrer alt, hvad der falder i et sort hul, i at undslippe, fordi det skulle rejse hurtigere end lys for at gøre det – en kosmisk hastighedsgrænse, der strengt håndhæves. Men kvantemekanik håndhæver sin egen strenge lov& kolon; ting, eller mere præcist de oplysninger, de indeholder, kan ikke blot forsvinde fra virkeligheden. Sort hul fordampning sætte fysikere mellem en sten og et hårdt sted.

ifølge Smolin sparer relativ lokalitet dagen. Lad os sige, at du var tålmodig nok til at vente, mens et sort hul fordampede, en proces, der kunne tage milliarder af år. Når den var forsvundet, kunne du spørge, hvad der skete med en elefant, der engang bukkede under for dens tyngdekraftsgreb. Men når du ser tilbage på det tidspunkt, hvor du troede, at elefanten var faldet ind, ville du opdage, at placeringer i rumtiden var blevet så uklar og usikker, at der ikke ville være nogen måde at fortælle, om elefanten faktisk faldt i det sorte hul eller snævert gik glip af det. Paradoks for informationstab opløses.

”der ville ikke være nogen måde at fortælle, om en elefant faktisk faldt i det sorte hul eller snævert savnede det ”

store spørgsmål forbliver stadig. For eksempel, hvordan kan vi vide, om momentumrummet virkelig er buet? For at finde svaret har holdet foreslået flere eksperimenter.

en ide er at se på lys, der ankommer til Jorden fra fjerne gamma-ray bursts. Hvis momentumrummet er buet på en bestemt måde, som matematikere omtaler som “ikke-metrisk”, skal en højenergifoton i gammastråleudbruddet ankomme til vores teleskop lidt senere end en foton med lavere energi fra samme burst, på trods af at de to udsendes på samme tid.

netop dette fænomen er allerede set, begyndende med nogle usædvanlige observationer foretaget af et teleskop på De Kanariske Øer i 2005 (ny videnskabsmand, 15.August 2009, s. 29). Effekten er siden blevet bekræftet af NASAs Fermi gamma-ray space telescope, som har samlet lys fra kosmiske eksplosioner siden det blev lanceret i 2008. “Fermi-dataene viser, at det er en ubestridelig eksperimentel kendsgerning, at der er en sammenhæng mellem ankomsttid og energi – højenergifotoner ankommer senere end lavenergifotoner,” siger Amelino-Camelia.

stadig er han ikke popping champagne endnu. Det er ikke klart, om de observerede forsinkelser er sande underskrifter af buet momentumrum, eller om de er nede på “ukendte egenskaber ved eksplosionerne selv”, som Amelino-Camelia udtrykker det. Beregninger af gamma-ray bursts idealiserer eksplosionerne som øjeblikkelige, men i virkeligheden varer de i flere sekunder. Selvom der ikke er nogen åbenbar grund til at tro det, er det muligt, at bursts forekommer på en sådan måde, at de udsender fotoner med lavere energi et sekund eller to før fotoner med højere energi, hvilket ville tage højde for de observerede forsinkelser.

for at fjerne eksplosionernes egenskaber fra egenskaber af relativ lokalitet, har vi brug for en stor prøve af gammastråleudbrud, der finder sted på forskellige kendte afstande (arxiv.org/abs/1103.5626). hvis forsinkelsen er en egenskab ved eksplosionen, afhænger dens længde ikke af, hvor langt væk bursten er fra vores teleskop; hvis det er et tegn på relativ lokalitet, vil det. Amelino-Camelia og resten af Smolins team venter nu spændt på flere data fra Fermi.

spørgsmålene slutter dog ikke der. Selvom fermis observationer bekræfter, at momentumrummet er buet, vil de stadig ikke fortælle os, hvad der gør krumningen. I generel relativitet er det momentum og energi i form af masse, der fordrejer rumtid. I en verden, hvor momentumrum er grundlæggende, kunne rum og tid på en eller anden måde være ansvarlig for at krumme momentumrum?arbejde af Shahn Majid, en matematisk fysiker ved Dronning Mary University of London, kan holde nogle spor. I 1990 ‘ erne viste han, at buet momentumrum svarer til det, der er kendt som en ikke-kommutativ rumtid. I velkendt rumtid pendler koordinater-det vil sige, hvis vi vil nå punktet med koordinater (H,y), betyder det ikke noget, om vi tager h Trin til højre og derefter Y trin fremad, eller hvis vi rejser y trin fremad efterfulgt af h Trin til højre. Men matematikere kan konstruere rumtider, hvor denne rækkefølge ikke længere holder, hvilket efterlader rumtid med en iboende uklarhed.

på en måde er sådan uklarhed præcis, hvad du kunne forvente, når kvanteeffekter tager fat. Hvad der gør kvantemekanik forskellig fra almindelig mekanik er Heisenbergs usikkerhedsprincip&kolon; når du løser en partikels momentum – ved at måle det for eksempel – bliver dets position helt usikker og omvendt. Den rækkefølge, du måler position og momentum i, bestemmer deres værdier; med andre ord pendler disse egenskaber ikke. Dette, siger Majid, indebærer, at buet momentumrum kun er kvantumrumstid i et andet dække.

desuden har Majid mistanke om, at dette forhold mellem krumning og kvanteusikkerhed fungerer på to måder&kolon; krumningen af rumtid-en manifestation af tyngdekraften i Einsteins relativitet – indebærer, at momentumrummet også er kvante. Smolin og kollegers model inkluderer endnu ikke tyngdekraften, men når den først gør det, siger Majid, vil observatører heller ikke være enige om målinger i momentumrum. Så hvis både rumtid og momentumrum er relative,hvor ligger objektiv virkelighed? Hvad er virkelighedens sande struktur?

“ ” Hvis Einsteins rumtid ikke længere er noget, som alle observatører kan blive enige om, er det virkelighedens sande struktur?”

Smolins fornemmelse er, at vi vil befinde os på et sted, hvor rumtid og momentumrum mødes&kolon; et ottedimensionelt faserum, der repræsenterer alle mulige værdier af position, tid, energi og momentum. I relativitet, hvad en observatør betragter som rum, en anden ser som tid og omvendt, fordi de i sidste ende er to sider af en enkelt mønt – en samlet rumtid. Ligeledes i Smolins billede af kvantegravitation, hvad en observatør ser som rumtid en anden ser som momentumrum, og de to er samlet i et højere dimensionelt faserum, der er absolut og uforanderligt for alle observatører. Med relativitet stødte op et andet niveau, vil det være farvel til både rum-tid og momentum rum, og hej fase rum.

“det har været tydeligt i lang tid, at adskillelsen mellem rumtid og energimoment er vildledende, når man beskæftiger sig med kvantegravitation,” siger fysiker jo Kurto Magueijo fra Imperial College London. I almindelig fysik er det let nok at behandle rumtid og momentumrum som separate ting, forklarer han, “men kvantegravitation kan kræve deres fuldstændige sammenfiltring”. Når vi først har fundet ud af, hvordan puslespilene i rumtid og momentumrum passer sammen, vil Borns drøm endelig blive realiseret, og det sande stillads af virkeligheden vil blive afsløret.

mere om disse emner:

• kosmologi