Av Amanda Gefter

en teori om virkelighet utenfor Einsteins univers tar form – og et mystisk kosmisk signal kan snart fylle ut feltene

det var IKKE så lenge siden vi trodde rom og tid var universets absolutte og uforanderlige stillas. Så kom Albert Einstein, som viste at ulike observatører kan være uenige om lengden på objekter og tidspunktet for hendelser. Hans relativitetsteori forenet rom og tid til en enkelt enhet-romtid. Det betydde at måten vi tenkte på stoffet i virkeligheten aldri ville bli det samme igjen. «Fra nå av er rommet i seg selv, og tiden i seg selv, dømt til å falme inn i bare skygger,» erklærte matematiker Hermann Minkowski. «Bare en slags forening av de to vil bevare en uavhengig virkelighet.»

Men Gikk Einsteins revolusjon langt nok? Fysiker Lee Smolin ved Perimeter Institute for Theoretical Physics I Waterloo, Ontario, Canada, tror ikke det. Han og en trio av kolleger tar sikte på å ta relativitet til et helt nytt nivå, og de har romtid i sikte. De sier at Vi må glemme Hjemmet Einstein oppfunnet for oss & kolon; vi lever i stedet på et sted som heter phase space.Hvis dette radikale kravet er sant, kan det løse et foruroligende paradoks om svarte hull som har stumped fysikere i flere tiår. Dessuten kan det sette dem på veien mot deres hjertes ønske&kolon; en «teori om alt» som til slutt vil forene generell relativitet og kvantemekanikk.

Så hva er faseplass? Det er en nysgjerrig åttedimensjonal verden som fusjonerer våre kjente fire dimensjoner av rom og tid og en firedimensjonal verden kalt momentumrom.Momentum space er ikke så fremmed som det først høres ut. Når Du ser på verden rundt Deg, Sier Smolin, observerer Du aldri rom eller tid-i stedet ser du energi og fart. Når du ser på klokken din, for eksempel, spretter fotoner av en overflate og lander på netthinnen din. Ved å oppdage fotons energi og momentum, rekonstruerer hjernen hendelser i rom og tid.

det samme gjelder for fysikkeksperimenter. Inne partikkel smashers, fysikere måle energi og momentum av partikler som de fart mot hverandre og kolliderer, og energi og momentum av rusk som kommer flyr ut. På samme måte måler teleskoper energi og momentum av fotoner som strømmer inn fra universets fjerne rekkevidde. «Hvis du går etter det vi observerer, lever Vi ikke i romtid,» Sier Smolin. «Vi lever i momentum space.»

og akkurat som romtid kan avbildes som et koordinatsystem med tid på en akse og rom-dens tre dimensjoner kondensert til en-på den andre aksen, gjelder det samme for momentumrom. I dette tilfellet er energi på en akse og momentum – som, som rom, har tre komponenter-er på den andre (se diagram).

Enkle matematiske transformasjoner eksisterer for å oversette målinger i dette momentumrommet til målinger i romtid, og den vanlige visdommen er at momentumrommet bare er et matematisk verktøy. Tross Alt viste Einstein at romtid er virkelighetens sanne arena, hvor dramaene i kosmos spilles ut.

Smolin og hans kolleger er ikke de første som lurer på om det er hele historien. Så langt tilbake som 1938 oppdaget den tyske fysikeren Max Born at flere pivotale ligninger i kvantemekanikk forblir de samme enten uttrykt i romtidskoordinater eller i momentumromkoordinater. Han lurte på om det kunne være mulig å bruke denne forbindelsen til å forene de tilsynelatende uforenlige teoriene om generell relativitet, som omhandler romtid og kvantemekanikk, hvis partikler har momentum og energi. Kanskje det kan gi nøkkelen til den lenge søkte teorien om kvantvektighet.

Borns ide om at romtid og momentumrom skal være utskiftbare-en teori som nå er kjent som «født gjensidighet – – hadde en bemerkelsesverdig konsekvens & kolon; hvis romtid kan bøyes av massene av stjerner og galakser, som Einsteins teori viste, bør Det også være mulig å kurve momentumrom.på den tiden var det ikke klart hva slags fysisk enhet som kunne kurve momentumrom, og matematikken som var nødvendig for å lage en slik ide, var ikke engang oppfunnet. Så Born aldri oppfylt sin drøm om å sette plass-tid og momentum plass på lik linje.

Det er Her Smolin og hans kolleger kommer inn i historien. Sammen Med Laurent Freidel, Også Ved Perimeter Institute, Jerzy Kowalski-Glikman Ved Universitetet I Wroclaw, Polen, Og Giovanni Amelino-Camelia Ved Sapienza University Of Rome I Italia, Har Smolin undersøkt effekten av en krumning av momentumrom.kvartetten tok standard matematiske regler for å oversette mellom momentumrom og romtid og brukte dem på et buet momentumrom. Det de oppdaget er sjokkerende& kolon; observatører som bor i et buet momentumrom vil ikke lenger være enige om målinger gjort i en enhetlig romtid. Det går helt mot Einsteins relativitetsteori. Han hadde vist at mens rom og tid var relativ, var romtid det samme for alle. For observatører i et buet momentumrom er imidlertid selv romtid relativ (se diagram).

denne misforholdet mellom en observatørs romtidsmålinger og en annen vokser med avstand eller over tid, noe som betyr at mens romtid i din umiddelbare nærhet vil øke i størrelse.alltid være skarpt definert, objekter og hendelser i langt avstand blir fuzzier. «Jo lenger unna du er og jo mer energi er involvert, desto større ser arrangementet ut til å spre seg ut i romtid,» sier Smolin.For eksempel, hvis du er 10 milliarder lysår fra en supernova og energien i lyset er omtrent 10 gigaelektronvolt, vil måling av plasseringen i romtid avvike fra en lokal observatør med et lys sekund. Det høres kanskje ikke så mye ut, men det utgjør 300.000 kilometer. Ingen av dere ville gå galt – det er bare at steder i romtid er relative, et fenomen forskerne har kalt «relativ lokalitet».

Relativ lokalitet ville gi et stort slag mot vårt bilde av virkeligheten. Hvis romtid ikke lenger er et uforanderlig bakteppe av universet som alle observatører kan være enige om, i hvilken forstand kan det betraktes som virkelighetens sanne stoff?

“Relativ lokalitet gir et stort slag for vår forståelse av virkelighetens natur»

det er et spørsmål som fortsatt skal bekjempes, men relativ lokalitet har også sine fordeler. For det første kan det kaste lys over et stædig puslespill kjent som black hole information-loss paradox. På 1970-tallet oppdaget Stephen Hawking at svarte hull utstråler sin masse, til slutt fordamper og forsvinner helt. Det utgjorde et spennende spørsmål & kolon; hva skjer med alle ting som falt i det svarte hullet i utgangspunktet?Relativitet forhindrer at alt som faller inn i et svart hull, kommer ut, fordi det må reise raskere enn lys for å gjøre det – en kosmisk fartsgrense som er strengt håndhevet. Men kvantemekanikken håndhever sin egen strenge lov & kolon; ting, eller mer presist informasjonen de inneholder, kan ikke bare forsvinne fra virkeligheten. Svart hull fordampning sette fysikere mellom en stein og et hardt sted.

Ifølge Smolin sparer relativ lokalitet dagen. La oss si at du var tålmodig nok til å vente mens et svart hull fordampet, en prosess som kan ta milliarder år. Når det hadde forsvunnet, kan du spørre hva som skjedde med, si, en elefant som en gang bukket seg for sitt gravitasjonsgrep. Men når du ser tilbake til tiden da du trodde elefanten hadde falt inn, vil du finne at steder i romtid hadde vokst så uklar og usikker at det ikke ville være mulig å fortelle om elefanten faktisk falt i det svarte hullet eller smalt savnet det. Informasjon – tap paradoks oppløses.

“det ville ikke være mulig å fortelle om en elefant faktisk falt i det svarte hullet eller smalt savnet det”

Store spørsmål gjenstår fortsatt. For eksempel, hvordan kan vi vite om momentum plass er virkelig buet? For å finne svaret har teamet foreslått flere eksperimenter.en ide er å se på lys som kommer til Jorden fra fjerne gammaglimt. Hvis momentumrommet er buet på en bestemt måte som matematikere refererer til som «ikke-metrisk», bør en høy-energi foton i gamma-ray burst komme til vårt teleskop litt senere enn en lavere energi foton fra samme burst, til tross for at de to blir utgitt samtidig.

akkurat dette fenomenet har allerede blitt sett, og starter med noen uvanlige observasjoner gjort av et teleskop På Kanariøyene i 2005 (New Scientist, 15.August 2009, s. 29). Effekten har siden blitt bekreftet AV NASAS Fermi gamma-ray space telescope, som har samlet lys fra kosmiske eksplosjoner siden den ble lansert i 2008. «Fermi-dataene viser at Det er et ubestridelig eksperimentelt faktum at det er en sammenheng mellom ankomsttid og energi – høyenergifotoner kommer senere enn lavenergifotoner,» sier Amelino-Camelia.

likevel spretter han ikke champagnen ennå. Det er ikke klart om de observerte forsinkelsene er sanne signaturer av buet momentumrom, eller om de er ned til «ukjente egenskaper av eksplosjonene selv», Som Amelino-Camelia sier det. Beregninger av gammaglimt idealiserer eksplosjonene som øyeblikkelige, men i virkeligheten varer de i flere sekunder. Selv om det ikke er noen åpenbar grunn til å tro det, er det mulig at utbruddene oppstår på en slik måte at de avgir lavere energifotoner et sekund eller to før høyere energifotoner, noe som vil utgjøre de observerte forsinkelsene.

for å disentangle egenskapene til eksplosjonene fra egenskapene til relativ lokalitet, trenger vi en stor prøve av gammaglimt som foregår på forskjellige kjente avstander (arxiv.org/abs/1103.5626). hvis forsinkelsen er en eksplosjonsegenskap, vil lengden ikke avhenge av hvor langt unna bristen er fra vårt teleskop; hvis det er et tegn på relativ lokalitet, vil det. Amelino-Camelia og resten Av Smolins team venter nå spent på flere data fra Fermi.

spørsmålene slutter imidlertid ikke der. Selv Om Fermis observasjoner bekrefter at momentumrommet er buet, vil de fortsatt ikke fortelle oss hva som gjør den buede. I generell relativitet er det momentum og energi i form av masse som forvrenger romtid. I en verden der momentumrom er grunnleggende, kan rom og tid på en eller annen måte være ansvarlig for buet momentumrom?Arbeid Av Shahn Majid, en matematisk fysiker Ved Queen Mary University Of London, kan holde noen ledetråder. På 1990-tallet viste han at buet momentumrom tilsvarer det som kalles en ikke-kommutativ romtid. I kjent romtid pendler koordinatene-det vil si hvis vi vil nå punktet med koordinater (x, y), spiller det ingen rolle om vi tar x-trinn til høyre og deretter y-trinn fremover, eller hvis vi reiser y-trinn fremover etterfulgt av x-trinn til høyre. Men matematikere kan konstruere romtider der denne rekkefølgen ikke lenger holder, og etterlater romtid med en iboende fuzziness.På en måte er slik fuzziness akkurat det du kan forvente når kvanteffekter tar tak. Hva gjør kvantemekanikk forskjellig fra vanlig mekanikk Er Heisenbergs usikkerhetsprinsipp&kolon; når du fikser en partikkels momentum – ved å måle det, for eksempel – blir posisjonen helt usikker, og omvendt. Rekkefølgen du måler posisjon og momentum bestemmer deres verdier; med andre ord, disse egenskapene pendler ikke. Dette, Sier Majid, innebærer at buet momentumrom er bare kvantumromtid i en annen forkledning.Majid mistenker Dessuten at dette forholdet mellom krumning og kvanteusikkerhet virker på to måter & kolon; krumningen av romtid – en manifestasjon av tyngdekraften I Einsteins relativitet-innebærer at momentumrom også er kvantum. Smolin og kollegers modell inkluderer ennå ikke tyngdekraften, men Når Det gjør Det, Sier Majid, observatører vil heller ikke være enige om målinger i momentumrom. Så hvis både romtid og momentumrom er relative, hvor ligger objektiv virkelighet? Hva er det sanne stoffet i virkeligheten?»Hvis Einsteins romtid ikke lenger er noe alle observatører kan være enige om, er Det virkelighetens sanne stoff?»

Smolins hunch er at Vi vil finne oss på et sted hvor romtid og momentum møtes & kolon; et åttedimensjonalt faserom som representerer alle mulige verdier av posisjon, tid, energi og momentum. I relativitet, hva en observatør ser som rom, en annen ser som tid og omvendt, fordi de til slutt er to sider av en enkelt mynt – en enhetlig romtid. På Samme måte, I Smolins bilde av kvantegravitasjon, ser en observatør som romtid en annen som momentumrom, og de to er forenet i et høyere dimensjonalt faserom som er absolutt og invariant for alle observatører. Med relativitet bumped opp et annet nivå, vil det være farvel til både romtid og momentum, og hei fase plass.»det har lenge vært åpenbart at separasjonen mellom romtid og energi-momentum er misvisende når det gjelder kvantegravitasjon,» sier fysiker Joã Magueijo Fra Imperial College London. I vanlig fysikk er det lett nok å behandle romtid og momentumrom som separate ting, forklarer han, «men kvantvektighet kan kreve fullstendig innblanding». Når Vi har funnet ut hvordan puslespillbitene space-time og momentum space passer sammen, Vil Born ‘ s dream endelig bli realisert og virkelighetens sanne stillas vil bli avslørt.

Mer om disse emnene:

• kosmologi