by Amanda Gefter

teoria rzeczywistości poza wszechświatem Einsteina nabiera kształtu – a tajemniczy kosmiczny sygnał może wkrótce wypełnić luki

nie tak dawno myśleliśmy, że przestrzeń i czas są absolutnym i niezmiennym rusztowaniem wszechświata. Potem przyszedł Albert Einstein, który pokazał, że różni obserwatorzy mogą nie zgadzać się co do długości obiektów i czasu wydarzeń. Jego teoria względności zjednoczyła przestrzeń i czas w jedną całość-czasoprzestrzeń. Oznaczało to, że sposób, w jaki myślimy o tkance rzeczywistości, już nigdy nie będzie taki sam. „Odtąd przestrzeń sama w sobie i czas same w sobie są skazane na zniknięcie w cieniu” – oświadczył matematyk Hermann Minkowski. „Tylko pewnego rodzaju zjednoczenie dwóch osób zachowa niezależną rzeczywistość.”

ale czy rewolucja Einsteina zaszła wystarczająco daleko? Fizyk Lee Smolin z Perimeter Institute for Theoretical Physics w Waterloo, Ontario, Kanada, tak nie uważa. Wraz z trójką kolegów dąży do przeniesienia teorii względności na zupełnie nowy poziom, a ich celem jest czasoprzestrzeń. Mówią, że musimy zapomnieć o domu, który Einstein dla nas wymyślił&dwukropek; zamiast tego żyjemy w miejscu zwanym przestrzenią fazową.

Jeśli to radykalne twierdzenie jest prawdziwe, może to rozwiązać niepokojący paradoks dotyczący czarnych dziur, który deptał fizyków od dziesięcioleci. Co więcej, może skierować ich na drogę ku pożądaniu ich serca&dwukropek; „teoria wszystkiego”, która ostatecznie połączy ogólną teorię względności i mechanikę kwantową.

czym więc jest przestrzeń fazowa? Jest to ciekawy, ośmiowymiarowy świat, który łączy nasze znane cztery wymiary przestrzeni i czasu z czterowymiarowym światem zwanym przestrzenią rozpędu.

przestrzeń Momentum nie jest tak obca, jak się wydaje. Kiedy patrzysz na otaczający cię świat, mówi Smolin, nigdy nie obserwujesz przestrzeni ani czasu-zamiast tego widzisz energię i pęd. Na przykład, gdy patrzysz na zegarek, fotony odbijają się od powierzchni i lądują na siatkówce. Wykrywając energię i pęd fotonów, twój mózg rekonstruuje wydarzenia w czasie i przestrzeni.

to samo dotyczy eksperymentów z fizyki. Wewnątrz rozbijaczy cząstek fizycy mierzą energię i pęd cząstek, gdy zmierzają ku sobie i zderzają się, oraz energię i pęd odłamków, które wylatują. Podobnie teleskopy mierzą energię i pęd fotonów napływających z najdalszych zakątków wszechświata. „Jeśli podążasz za tym, co obserwujemy, nie żyjemy w czasoprzestrzeni” -mówi Smolin. „Żyjemy w przestrzeni rozpędu.”

i tak jak czasoprzestrzeń może być przedstawiona jako układ współrzędnych z czasem na jednej osi i przestrzenią-jej trzy wymiary skondensowane do jednego – na drugiej osi, tak samo jest z przestrzenią pędu. W tym przypadku energia jest na jednej osi i pęd – który, podobnie jak przestrzeń, ma trzy składniki – jest na drugiej (Patrz diagram).

istnieją proste przekształcenia matematyczne, aby przetłumaczyć pomiary w tej przestrzeni pędu na pomiary w czasoprzestrzeni, a powszechna mądrość jest taka, że przestrzeń pędu jest zwykłym narzędziem matematycznym. W końcu Einstein pokazał, że czasoprzestrzeń jest prawdziwą areną rzeczywistości, na której rozgrywają się dramaty kosmosu.

Smolin i jego koledzy nie są pierwszymi, którzy zastanawiają się, czy to jest cała historia. Już w 1938 roku niemiecki fizyk Max Born zauważył, że kilka kluczowych równań w mechanice kwantowej pozostaje takich samych, czy to wyrażonych we współrzędnych czasoprzestrzeni, czy we współrzędnych pędu. Zastanawiał się, czy możliwe jest wykorzystanie tego połączenia do zjednoczenia pozornie niekompatybilnych teorii ogólnej teorii względności, która zajmuje się czasoprzestrzenią i mechaniką kwantową, której cząstki mają pęd i energię. Może to może być klucz do długo poszukiwanej teorii grawitacji kwantowej.

pomysł Borna, że czasoprzestrzeń i przestrzeń pędu powinny być wymienne-teoria znana obecnie jako „Urodzona wzajemność” – miał niezwykłą konsekwencję & dwukropek; jeśli czasoprzestrzeń może być zakrzywiona przez masy gwiazd i galaktyk, jak pokazała teoria Einsteina, to powinno być możliwe zakrzywienie przestrzeni pędu.

w tym czasie nie było jasne, jaki rodzaj bytu fizycznego może zakrzywiać przestrzeń pędu, a matematyka niezbędna do działania takiego pomysłu nawet nie została wymyślona. Tak więc Born nigdy nie spełnił swojego marzenia o zrównaniu czasoprzestrzeni i rozpędu.

tam Smolin i jego koledzy wkraczają do historii. Wraz z Laurentem Freidelem, również w Perimeter Institute, Jerzym Kowalskim-Glikmanem na Uniwersytecie Wrocławskim i Giovannim Amelino-Camelią na Uniwersytecie Sapienza w Rzymie we Włoszech, Smolin bada efekty krzywizny przestrzeni pędu.

kwartet przyjął standardowe matematyczne zasady tłumaczenia między przestrzenią pędu a czasoprzestrzenią i zastosował je do zakrzywionej przestrzeni pędu. To, co odkryli, jest szokujące&dwukropek; obserwatorzy żyjący w zakrzywionej przestrzeni pędu nie będą już zgadzać się na pomiary wykonane w jednolitej czasoprzestrzeni. To jest całkowicie sprzeczne z teorią względności Einsteina. Pokazał, że chociaż przestrzeń i czas są względne, czasoprzestrzeń jest taka sama dla wszystkich. Dla obserwatorów w zakrzywionej przestrzeni pędu, jednak nawet czasoprzestrzeń jest względna (Patrz diagram).

ta rozbieżność między pomiarami czasoprzestrzennymi jednego obserwatora a innym rośnie z odległością lub w czasie, co oznacza, że podczas gdy czasoprzestrzeń w bezpośrednim sąsiedztwie będzie zawsze być ostro zdefiniowane, obiekty i zdarzenia w oddali stają się bardziej rozmyte. „Im dalej jesteś i im więcej energii angażujesz, tym większe wydarzenie wydaje się rozprzestrzeniać w czasoprzestrzeni” -mówi Smolin.

na przykład, jeśli jesteś 10 miliardów lat świetlnych od supernowej, a energia jej światła wynosi około 10 gigaelektronowoltów, to twój pomiar jej położenia w czasoprzestrzeni różni się od lokalnego obserwatora o sekundę świetlną. Może to nie brzmi zbyt wiele, ale wynosi 300 000 kilometrów. Żadne z was się nie myli – chodzi o to, że lokalizacje w czasoprzestrzeni są względne, zjawisko, które naukowcy nazwali „względną lokalizacją”.

względna lokalizacja zadałaby ogromny cios naszemu obrazowi rzeczywistości. Jeśli czasoprzestrzeń nie jest już niezmiennym tłem wszechświata, co do którego wszyscy obserwatorzy mogą się zgodzić, to w jakim sensie można ją uznać za prawdziwą tkankę rzeczywistości?

“względna lokalizacja zadaje ogromny cios naszemu zrozumieniu natury rzeczywistości”

To jest pytanie, z którym trzeba się jeszcze zmierzyć, ale względna lokalizacja ma również swoje zalety. Po pierwsze, może rzucić światło na upartą zagadkę znaną jako paradoks utraty informacji przez czarną dziurę. W latach 70. Stephen Hawking odkrył, że czarne dziury wypromieniowują swoją masę, ostatecznie odparowując i całkowicie znikając. To było intrygujące pytanie&dwukropek; co się dzieje ze wszystkimi rzeczami, które wpadły do czarnej dziury w pierwszej kolejności?

względność zapobiega ucieczce wszystkiego, co wpadnie do czarnej dziury, ponieważ musiałaby podróżować szybciej niż światło, aby to zrobić – kosmiczne ograniczenie prędkości, które jest ściśle egzekwowane. Jednak mechanika kwantowa wymusza swoje ścisłe prawo&dwukropek; rzeczy, a dokładniej informacje, które zawierają, nie mogą po prostu zniknąć z rzeczywistości. Odparowanie czarnej dziury umieściło fizyków między skałą a twardym miejscem.

według Smolina względna miejscowość ratuje dzień. Powiedzmy, że byłeś wystarczająco cierpliwy, by czekać, aż czarna dziura wyparuje, proces, który może potrwać miliardy lat. Kiedy już zniknął, można było zapytać, co się stało, powiedzmy, ze słoniem, który kiedyś uległ grawitacyjnemu uściskowi. Ale patrząc wstecz na czas, w którym wydawało ci się, że słoń wpadł, zauważysz, że miejsca w czasoprzestrzeni stały się tak rozmyte i niepewne, że nie było sposobu, aby stwierdzić, czy Słoń rzeczywiście wpadł do czarnej dziury, czy też ledwo ją przegapił. Paradoks utraty informacji rozpuszcza się.

“ „nie byłoby sposobu, aby stwierdzić, czy Słoń rzeczywiście wpadł do czarnej dziury, czy słabo go przegapił”

nadal pozostają Duże pytania. Na przykład, skąd możemy wiedzieć, czy przestrzeń pędu jest naprawdę zakrzywiona? Aby znaleźć odpowiedź, zespół zaproponował kilka eksperymentów.

jednym z pomysłów jest spojrzenie na światło docierające do Ziemi z odległych rozbłysków gamma. Jeśli przestrzeń pędu jest zakrzywiona w sposób określony przez matematyków jako „niemetryczny”, to wysokoenergetyczny Foton w rozbłysku gamma powinien przybyć do naszego teleskopu nieco później niż Foton o niższej energii z tego samego rozbłysku, mimo że oba są emitowane w tym samym czasie.

właśnie to zjawisko zostało już zaobserwowane, począwszy od niezwykłych obserwacji wykonanych przez teleskop na Wyspach Kanaryjskich w 2005 roku (New Scientist, 15 sierpnia 2009, S 29). Efekt ten został potwierdzony przez Kosmiczny Teleskop Fermiego Gamma NASA, który od 2008 roku zbiera światło z kosmicznych eksplozji. „Dane Fermiego pokazują, że jest niezaprzeczalnym eksperymentalnym faktem, że istnieje korelacja między czasem przybycia a energią – wysokoenergetyczne fotony docierają później niż fotony niskoenergetyczne”, mówi Amelino-Camelia.

jeszcze szampana nie wypił. Nie jest jasne, czy obserwowane opóźnienia są prawdziwymi znakami zakrzywionej przestrzeni pędu, czy też sprowadzają się do „nieznanych właściwości samych eksplozji”, jak to ujął Amelino-Camelia. Obliczenia rozbłysków gamma idealizują wybuchy jako natychmiastowe, ale w rzeczywistości trwają one kilka sekund. Chociaż nie ma oczywistych powodów, aby tak myśleć, możliwe jest, że wybuchy występują w taki sposób, że emitują fotony o niższej energii na sekundę lub dwie przed fotonami o wyższej energii, co tłumaczyłoby obserwowane opóźnienia.

aby oddzielić właściwości wybuchów od właściwości względnej lokalizacji, potrzebujemy dużej próbki rozbłysków gamma odbywających się w różnych znanych odległościach (arxiv.org/abs/1103.5626). jeśli opóźnienie jest właściwością wybuchu, jego długość nie będzie zależeć od odległości wybuchu od naszego teleskopu; jeśli jest to znak względnej lokalizacji, to będzie. Amelino-Camelia i reszta zespołu Smolina z niecierpliwością czekają na więcej danych od Fermiego.

na tym jednak pytania się nie kończą. Nawet jeśli obserwacje Fermiego potwierdzą, że przestrzeń pędu jest zakrzywiona, nadal nie powiedzą nam, co robi zakrzywienie. W ogólnej teorii względności to pęd i energia w postaci masy wypaczają czasoprzestrzeń. Czy w świecie, w którym przestrzeń pędu jest fundamentalna, przestrzeń i czas mogą być w jakiś sposób odpowiedzialne za zakrzywianie się przestrzeni pędu?

praca Shahna Majida, fizyka matematycznego z Queen Mary University w Londynie, może zawierać pewne wskazówki. W latach 90. wykazał, że zakrzywiona przestrzeń pędu jest równoważna temu, co jest znane jako czasoprzestrzeń niezwiązana. W znanej czasoprzestrzeni współrzędne dojeżdżają – to znaczy, jeśli chcemy dotrzeć do punktu o współrzędnych (x, y), nie ma znaczenia, czy wykonujemy x kroki w prawo, a następnie y kroki do przodu, czy jeśli podróżujemy y kroki do przodu, a następnie x kroki w prawo. Ale matematycy mogą konstruować czasoprzestrzeń, w której ten porządek już się nie utrzymuje, pozostawiając czasoprzestrzeń z nieodłączną rozmyciem.

w pewnym sensie, taka fuzziness jest dokładnie tym, czego można się spodziewać po efektach kwantowych. Tym, co odróżnia mechanikę kwantową od zwykłej mechaniki, jest zasada nieoznaczoności Heisenberga&dwukropek; gdy naprawisz pęd cząstki – na przykład mierząc ją – wtedy jej pozycja staje się całkowicie niepewna i odwrotnie. Kolejność, w jakiej mierzysz położenie i pęd, określa ich wartości; innymi słowy, te właściwości nie dojeżdżają. To, jak mówi Majid, sugeruje, że zakrzywiona przestrzeń pędu jest po prostu kwantową czasoprzestrzenią w innym przebraniu.

Co więcej, Majid podejrzewa, że ta zależność między krzywizną a niepewnością kwantową działa na dwa sposoby& dwukropek; krzywizna czasoprzestrzeni-przejaw grawitacji w teorii względności Einsteina – sugeruje, że przestrzeń pędu jest również kwantowa. Model Smolina i współpracowników nie zawiera jeszcze grawitacji, ale gdy już to zrobi, Majid mówi, obserwatorzy również nie zgodzą się na pomiary w przestrzeni pędu. Jeśli więc zarówno czasoprzestrzeń, jak i przestrzeń rozpędu są względne, to gdzie leży obiektywna rzeczywistość? Jaka jest prawdziwa tkanina rzeczywistości?

” Jeśli czasoprzestrzeń Einsteina nie jest już czymś, co wszyscy obserwatorzy mogą się zgodzić, czy jest to prawdziwa tkanina rzeczywistości?”

przeczucie Smolina jest takie, że znajdziemy się w miejscu, gdzie czasoprzestrzeń i przestrzeń pędu spotykają się & dwukropek; ośmiowymiarowa przestrzeń fazowa, która reprezentuje wszystkie możliwe wartości pozycji, czasu, energii i pędu. W teorii względności to, co jeden obserwator postrzega jako przestrzeń, inny jako czas i odwrotnie, ponieważ ostatecznie są to dwie strony jednej monety-Zjednoczona czasoprzestrzeń. Podobnie, w obrazie grawitacji kwantowej Smolina, to, co jeden obserwator widzi jako czasoprzestrzeń, drugi widzi jako przestrzeń pędu, a te dwa są zjednoczone w Wyższej wymiarowej przestrzeni fazowej, która jest absolutna i niezmienna dla wszystkich obserwatorów. Gdy teoria względności podniosła się o kolejny poziom, będzie to pożegnanie zarówno z przestrzenią czasoprzestrzenną, jak i przestrzenią momentum, a także z przestrzenią fazową hello.

„od dawna wiadomo, że rozdzielenie czasoprzestrzeni i energii jest mylące w przypadku grawitacji kwantowej”, mówi fizyk João Magueijo z Imperial College London. W zwykłej fizyce łatwo jest traktować czasoprzestrzeń i przestrzeń pędu jako oddzielne rzeczy, wyjaśnia, „ale grawitacja kwantowa może wymagać ich całkowitego splątania”. Gdy tylko dowiemy się, jak układanki czasoprzestrzeni i przestrzeni rozpędu pasują do siebie, marzenie Borna zostanie w końcu zrealizowane i ujawni się prawdziwe rusztowanie rzeczywistości.

Więcej na te tematy:

• kosmologia