írta: Amanda Gefter

az Einstein univerzumán túli valóság elmélete formálódik – és egy titokzatos kozmikus jel hamarosan kitöltheti az üres helyeket

nem is olyan régen azt hittük, hogy a tér és az idő az univerzum abszolút és változatlan állványzata. Aztán jött Albert Einstein, aki megmutatta, hogy a különböző megfigyelők nem értenek egyet a tárgyak hosszában és az események időzítésében. Relativitáselmélete egyesítette a teret és az időt egyetlen entitássá – téridővé. Ez azt jelentette, hogy az, ahogyan a valóság szövetéről gondolkodtunk, soha többé nem lesz ugyanaz. “Mostantól fogva a tér önmagában és az idő önmagában is arra van ítélve, hogy puszta árnyékba olvadjon” – jelentette ki Hermann Minkowski matematikus. “Csak a kettő egyfajta egyesülése fogja megőrizni a független valóságot.”

de vajon Einstein forradalma elég messzire ment? Lee Smolin fizikus a kanadai Waterloo-ban, Ontario-ban, a Perimeter Institute for Theoretical Physics-ben nem gondolja. Ő és egy trió kollégája arra törekszik, hogy a relativitást egy teljesen új szintre emelje, és a tér-idő a látókörükben van. Azt mondják, el kell felejtenünk az otthont, amelyet Einstein kitalált nekünk&kettőspont; ehelyett egy fázistérnek nevezett helyen élünk.

Ha ez a radikális állítás igaz, megoldhatja a fekete lyukakkal kapcsolatos aggasztó paradoxont, amely évtizedek óta megbénítja a fizikusokat. Mi több, elindíthatja őket a szívük vágya felé vezető úton: egy “mindenség elmélete”, amely végül egyesíti az általános relativitáselméletet és a kvantummechanikát.

tehát mi a fázistér? Ez egy furcsa nyolcdimenziós világ, amely egyesíti a tér és idő ismerős négy dimenzióját és egy négydimenziós világot, amelyet momentum térnek hívnak.

A Momentum tér nem olyan idegen, mint amilyennek először hangzik. Amikor a körülötted lévő világra nézel-mondja Smolin–, soha nem figyeled meg a teret vagy az időt-ehelyett energiát és lendületet látsz. Amikor például az óráját nézi, a fotonok lepattannak egy felületről, és a retinájára landolnak. A fotonok energiájának és lendületének észlelésével az agy rekonstruálja az eseményeket térben és időben.

ugyanez igaz a fizikai kísérletekre is. A részecskecsomók belsejében a fizikusok mérik a részecskék energiáját és lendületét, ahogy egymás felé haladnak és ütköznek, valamint a törmelék energiáját és lendületét, amely kirepül. Hasonlóképpen, a távcsövek mérik az univerzum távoli pontjairól érkező fotonok energiáját és lendületét. “Ha azt nézzük, amit megfigyelünk, akkor nem téridőben élünk”-mondja Smolin. “Momentum térben élünk.”

és ahogy a téridőt úgy lehet elképzelni, mint egy koordináta-rendszert, amelynek egyik tengelyén az idő, a másik tengelyen pedig a tér – három dimenziója összesűrűsödik–, ugyanez igaz a momentum térre is. Ebben az esetben az energia az egyik tengelyen van, a lendület pedig – amelynek a térhez hasonlóan három összetevője van – a másikon van (lásd az ábrát).

egyszerű matematikai transzformációk léteznek az ebben a momentum térben végzett mérések tér-idő mérésekké történő lefordítására, és az általános bölcsesség az, hogy a momentum tér puszta matematikai eszköz. Végül is Einstein megmutatta, hogy a téridő a valóság igazi arénája, amelyben a kozmosz drámái játszódnak le.

Smolin és kollégái nem az elsők, akik csodálkoznak, hogy ez a teljes történet. 1938-ban Max Born német fizikus észrevette, hogy a kvantummechanika számos sarkalatos egyenlete ugyanaz marad, akár tér-idő koordinátákban, akár momentum-tér koordinátákban kifejezve. Azon tűnődött, vajon lehetséges-e ezt a kapcsolatot használni az általános relativitáselmélet látszólag összeférhetetlen elméleteinek egyesítésére, amely a téridővel foglalkozik, és a kvantummechanikával, amelynek részecskéinek lendülete és energiája van. Talán ez nyújthatja a kulcsot a kvantumgravitáció régóta keresett elméletéhez.

Born ötlete, hogy a tér-idő és a momentum tér felcserélhető legyen – ez az elmélet ma “született kölcsönösség” néven ismert – figyelemre méltó következménnyel járt&kettőspont; ha a téridőt csillagok és galaxisok tömege görbítheti, ahogy Einstein elmélete megmutatta, akkor lehetővé kell tenni a momentum tér görbítését is.

abban az időben nem volt világos, hogy milyen fizikai entitás görbítheti meg a momentum teret, és az ilyen ötlet működéséhez szükséges matematikát még fel sem találták. Tehát Born soha nem teljesítette azt az álmát, hogy a tér-időt és a momentum-teret egyenlő alapokra helyezze.

itt lép be Smolin és kollégái a történetbe. Laurent Freidellel, a Perimeter Intézettel, Jerzy Kowalski-Glikmannal a lengyel Wroclawi Egyetemen és Giovanni Amelino-Cameliával a római Sapienza Egyetemen, Olaszországban Smolin a momentum tér görbületének hatásait vizsgálta.

a kvartett fogta a standard matematikai szabályokat a momentum tér és a téridő közötti fordításhoz, és alkalmazta őket egy ívelt momentum térre. Amit felfedeztek, megdöbbentő&kettőspont; az ívelt momentum térben élő megfigyelők már nem értenek egyet az egységes téridőben végzett mérésekben. Ez teljesen ellentétes Einstein relativitáselméletével. Megmutatta, hogy míg a tér és az idő viszonylagos, a téridő mindenki számára azonos. Az ívelt momentum térben lévő megfigyelők számára azonban még a téridő is relatív (lásd az ábrát).

Ez az eltérés az egyik megfigyelő tér-idő mérése és a másik között a távolsággal vagy idővel növekszik, ami azt jelenti, hogy míg a közvetlen közelében lévő téridő mindig élesen meghatározott, a távoli tárgyak és események homályosabbá válnak. “Minél messzebb vagy, és minél több energia vesz részt benne, annál nagyobbnak tűnik az esemény a tér-időben” – mondja Smolin.

például, ha 10 milliárd fényévnyire vagyunk egy szupernóvától, és a fényének energiája körülbelül 10 gigaelektronvolt, akkor a térbeli helyének mérése egy fénymásodperccel eltérne a helyi megfigyelőétől. Lehet, hogy nem hangzik soknak, de 300 000 kilométert tesz ki. Egyikőtök sem tévedne-csak az, hogy a tér-idő helyei relatívak, ezt a jelenséget a kutatók “relatív helységnek”nevezték el.

a relatív lokalitás hatalmas csapást mérne a valóságról alkotott képünkre. Ha a téridő már nem az univerzum változatlan háttere, amelyben minden megfigyelő egyetérthet, milyen értelemben tekinthető a valóság valódi szövetének?

“a relatív lokalitás hatalmas csapást mér a valóság természetének megértésére”

ezzel a kérdéssel még meg kell birkózni, de a relatív lokalitásnak is vannak előnyei. Egyrészt rávilágíthat egy makacs rejtvényre, amelyet a fekete lyuk információ-veszteség paradoxonnak neveznek. Az 1970-es években Stephen Hawking felfedezte, hogy a fekete lyukak kisugározzák a tömegüket, végül elpárolognak és teljesen eltűnnek. Ez érdekes kérdést vetett fel&kettőspont; mi történik mindazokkal a dolgokkal, amelyek eleve a fekete lyukba estek?

a relativitás megakadályozza, hogy bármi, ami egy fekete lyukba esik, kiszabaduljon, mert ehhez a fénynél gyorsabban kellene haladnia – ez egy szigorúan betartott kozmikus sebességkorlátozás. De a kvantummechanika saját szigorú törvényét érvényesíti&kettőspont; a dolgok, pontosabban az általuk tartalmazott információk nem tűnhetnek el egyszerűen a valóságból. A fekete lyuk párolgása a fizikusokat egy szikla és egy kemény hely közé helyezi.

Smolin szerint a relatív lokalitás megmenti a napot. Tegyük fel, hogy elég türelmes volt ahhoz, hogy várjon, amíg egy fekete lyuk elpárolog, ez a folyamat évmilliárdokat vehet igénybe. Miután eltűnt, megkérdezhetjük, mi történt mondjuk egy elefánttal, amely egyszer megadta magát a gravitációs szorításának. De ha visszatekintünk arra az időre, amikor azt hittük, hogy az elefánt beleesett, azt tapasztalhatjuk, hogy a téridő helyei olyan homályosak és bizonytalanok lettek, hogy nem lehet megmondani, hogy az elefánt valóban beleesett-e a fekete lyukba, vagy szűken lemaradt róla. Az információ-veszteség paradoxon feloldódik.

“nem lehet megmondani, hogy egy elefánt valóban beleesett-e a fekete lyukba, vagy csak nagyon elszalasztotta”

nagy kérdések továbbra is fennállnak. Például, honnan tudhatjuk, hogy a momentum tér valóban ívelt-e? A válasz megtalálásához a csapat számos kísérletet javasolt.

az egyik ötlet az, hogy megnézzük a távoli gammasugár-kitörésekből a Földre érkező fényt. Ha a momentum tér egy bizonyos módon görbül, amelyet a matematikusok “nem metrikusnak” neveznek, akkor a gamma-sugárzás kitörésében lévő nagy energiájú fotonnak valamivel később kell megérkeznie a távcsövünkbe, mint egy alacsonyabb energiájú fotonnak ugyanabból a sorozatból, annak ellenére, hogy a kettőt egyszerre bocsátják ki.

csak ezt a jelenséget már látták, kezdve néhány szokatlan megfigyeléssel, amelyet egy távcső készített a Kanári-szigeteken 2005-ben (New Scientist, 15 augusztus 2009, p 29). A hatást azóta megerősítette a NASA Fermi gamma-ray űrteleszkópja, amely 2008-as indítása óta gyűjti a kozmikus robbanásokból származó fényt. “A Fermi-adatok azt mutatják, hogy tagadhatatlan kísérleti tény, hogy összefüggés van az érkezési idő és az energia között – a nagy energiájú fotonok később érkeznek, mint az alacsony energiájú fotonok” -mondja Amelino-Camelia.

még mindig nem bontja fel a pezsgőt. Nem világos, hogy a megfigyelt késések az ívelt momentum tér valódi aláírásai-e, vagy “maguk a robbanások ismeretlen tulajdonságai”, ahogy Amelino-Camelia fogalmaz. A gammasugár-kitörések számításai idealizálják a robbanásokat azonnalinak, de a valóságban néhány másodpercig tartanak. Bár nincs nyilvánvaló ok arra, hogy ezt gondoljuk, lehetséges, hogy a robbanások oly módon történnek, hogy alacsonyabb energiájú fotonokat bocsátanak ki egy-két másodperccel a nagyobb energiájú fotonok előtt, ami figyelembe veszi a megfigyelt késéseket.

annak érdekében, hogy elkülönítsük a robbanások tulajdonságait a relatív lokalitás tulajdonságaitól, szükségünk van egy nagy mintára gammasugár-kitörésekről, amelyek különböző ismert távolságokon zajlanak (arxiv.org/abs/1103.5626). ha a késés a robbanás tulajdonsága, akkor annak hossza nem függ attól, hogy milyen messze van a robbanás a távcsövünktől; ha ez a relatív Helység jele, akkor megteszi. Amelino-Camelia és Smolin csapatának többi tagja izgatottan vár további adatokat Fermitől.

a kérdések ezzel nem érnek véget. Még akkor is, ha Fermi megfigyelései megerősítik, hogy a momentum tér ívelt, még mindig nem fogják megmondani, mi történik az ívben. Az Általános relativitáselméletben a lendület és a tömeg formájában megjelenő energia az, ami a téridőt meggörbíti. Egy olyan világban, ahol a momentum tér alapvető fontosságú, lehet-e a tér és az idő valahogy felelős a momentum tér görbüléséért?

Shahn Majid, a londoni Queen Mary Egyetem Matematikai fizikusának munkája tartalmazhat néhány nyomot. Az 1990-es években megmutatta, hogy az ívelt momentum tér egyenértékű az úgynevezett nem kommutatív téridővel. Az ismerős téridőben a koordináták ingáznak – vagyis ha koordinátákkal akarjuk elérni a pontot (x,y), akkor nem számít, hogy x lépéseket teszünk-e jobbra, majd y lépéseket előre, vagy ha y lépéseket haladunk előre, majd x lépéseket követünk jobbra. De a matematikusok meg tudják építeni a téridőket, amelyekben ez a sorrend már nem áll fenn, így a téridő eredendő homályossággal marad.

bizonyos értelemben az ilyen homályosság pontosan az, amire számíthat, ha a kvantumhatások megragadnak. Ami megkülönbözteti a kvantummechanikát a hétköznapi mechanikától, az a Heisenberg bizonytalansági elve&kettőspont; amikor egy részecske lendületét rögzítjük – például annak mérésével–, akkor a pozíciója teljesen bizonytalanná válik, és fordítva. A pozíció és a lendület mérésének sorrendje határozza meg értékeiket; más szóval, ezek a tulajdonságok nem ingáznak. Ez, mondja Majid, azt jelenti, hogy az ívelt momentum tér csak kvantum tér-idő egy másik köntösben.

mi több, Majid azt gyanítja, hogy ez a kapcsolat a görbület és a kvantum bizonytalanság között kétféleképpen működik&kettőspont; a tér-idő görbülete – a gravitáció megnyilvánulása Einstein relativitáselméletében – azt sugallja, hogy a momentum tér is kvantum. Smolin és kollégái modellje még nem tartalmazza a gravitációt, de ha ez megtörténik, Majid szerint a megfigyelők sem fognak egyetérteni a momentum térben végzett mérésekben. Tehát, ha mind a téridő, mind a momentum tér relatív, hol rejlik az objektív valóság? Mi a valóság valódi szövete?

“ha Einstein térideje már nem olyan, amiben minden megfigyelő egyetért, akkor ez a valóság valódi szövete?”

Smolin sejtése az, hogy egy olyan helyen találjuk magunkat, ahol a téridő és a momentum tér találkozik: egy nyolcdimenziós fázistér, amely a helyzet, az idő, az energia és a lendület összes lehetséges értékét képviseli. A relativitáselméletben, amit az egyik megfigyelő térként tekint, egy másik időként és fordítva, mert végső soron egy érme két oldala – egy egységes téridő. Hasonlóképpen, Smolin kvantumgravitációs képében, amit az egyik megfigyelő téridőnek lát, egy másik impulzustérnek tekint, és a kettő egy magasabb dimenziós fázistérben egyesül, amely abszolút és invariáns minden megfigyelő számára. Ha a relativitáselmélet egy újabb szintre emelkedik, akkor búcsút vesz mind a tér-idő, mind a momentum tér, valamint a hello fázistér.

“már régóta nyilvánvaló, hogy a tér-idő és az energia-momentum elválasztása félrevezető, amikor a kvantum gravitációval foglalkozunk” – mondja Jo Apaclo Magueijo, az Imperial College London fizikusa. A hétköznapi fizikában elég könnyű a tér-időt és a momentum-teret különálló dolgokként kezelni, magyarázza, “de a kvantumgravitációnak szüksége lehet A teljes összefonódásukra”. Amint rájövünk, hogyan illeszkednek egymáshoz a tér-idő és a momentum tér kirakós darabkái, Born álma végre megvalósul, és a valóság valódi állványzata feltárul.

többet ezekről a témákról:

• kozmológia