De Amanda Gefter

o teorie a realității dincolo de universul lui Einstein prinde contur – și un semnal cosmic misterios ar putea umple curând golurile

nu cu mult timp în urmă am crezut că spațiul și timpul sunt schela absolută și neschimbătoare a universului. Apoi a venit Albert Einstein, care a arătat că diferiți observatori pot să nu fie de acord cu privire la lungimea obiectelor și calendarul evenimentelor. Teoria sa a relativității a unificat spațiul și timpul într – o singură entitate-spațiu-timp. A însemnat că modul în care ne-am gândit la țesătura realității nu va mai fi niciodată același. „De acum înainte spațiul în sine și timpul în sine sunt sortite să se estompeze în Simple umbre”, a declarat matematicianul Hermann Minkowski. „Doar un fel de Uniune a celor doi va păstra o realitate independentă.”

dar revoluția lui Einstein a mers destul de departe? Fizicianul Lee Smolin de la Perimeter Institute for Theoretical Physics Din Waterloo, Ontario, Canada, nu crede acest lucru. El și un trio de colegi urmăresc să ducă relativitatea la un nivel cu totul nou și au spațiu-timp în vizor. Ei spun că trebuie să uităm de casa pe care Einstein a inventat-o pentru noi: trăim în schimb într-un loc numit spațiu de fază.

dacă această afirmație radicală este adevărată, ar putea rezolva un paradox tulburător despre găurile negre care i-a lovit pe fizicieni de zeci de ani. Mai mult, i-ar putea pune pe calea către dorința inimii lor: o „teorie a tuturor” care va uni în cele din urmă relativitatea generală și mecanica cuantică.

deci, ce este spațiul de fază? Este o lume cu opt dimensiuni curioasă care îmbină cele patru dimensiuni familiare ale spațiului și timpului și o lume cu patru dimensiuni numită spațiu impuls.

spațiul impulsului nu este atât de extraterestru pe cât pare la început. Când te uiți la lumea din jurul tău, spune Smolin, nu observi niciodată spațiul sau timpul – în schimb vezi energie și impuls. Când te uiți la ceas, de exemplu, fotonii sări de pe o suprafață și aterizează pe retină. Prin detectarea energiei și impulsului fotonilor, creierul tău reconstruiește evenimentele din spațiu și timp.

același lucru este valabil și pentru experimentele de fizică. În interiorul particulelor smashers, fizicienii măsoară energia și impulsul particulelor în timp ce se deplasează unul spre celălalt și se ciocnesc, precum și energia și impulsul resturilor care zboară. De asemenea, telescoapele măsoară energia și impulsul fotonilor care curg din cele mai îndepărtate colțuri ale universului. „Dacă mergeți după ceea ce observăm, nu trăim în spațiu-timp”, spune Smolin. „Trăim în spațiu impuls.”și așa cum spațiul-timp poate fi imaginat ca un sistem de coordonate cu timpul pe o axă și spațiul – cele trei dimensiuni ale sale condensate într – una-pe cealaltă axă, același lucru este valabil și pentru spațiul impuls. În acest caz, energia este pe o axă și impulsul – care, la fel ca spațiul, are trei componente – este pe cealaltă (vezi diagrama).

există transformări matematice Simple pentru a traduce măsurătorile din acest spațiu de impuls în măsurători în spațiu-timp, iar înțelepciunea comună este că spațiul de impuls este un simplu instrument matematic. La urma urmei, Einstein a arătat că spațiul-timp este adevărata arenă a realității, în care se joacă dramele cosmosului.

Smolin și colegii săi nu sunt primii care se întreabă dacă aceasta este povestea completă. Încă din 1938, fizicianul german Max Born a observat că mai multe ecuații pivot în mecanica cuantică rămân aceleași, indiferent dacă sunt exprimate în coordonate spațiu-timp sau în coordonate spațiale de impuls. El s-a întrebat dacă ar putea fi posibil să se folosească această conexiune pentru a uni teoriile aparent incompatibile ale relativității generale, care se ocupă de spațiu-timp, și mecanica cuantică, ale căror particule au impuls și energie. Poate că ar putea oferi cheia teoriei mult căutate a gravitației cuantice.

ideea lui Born că spațiul spațiu-timp și spațiul impuls ar trebui să fie interschimbabile – o teorie cunoscută acum sub numele de „reciprocitate născută” – a avut o consecință remarcabilă: dacă spațiul-timp poate fi curbat de masele de stele și galaxii, așa cum a arătat teoria lui Einstein, atunci ar trebui să fie posibilă și curba spațiului impuls.

la acea vreme nu era clar ce fel de entitate fizică ar putea curba spațiul impulsului, iar matematica necesară pentru a face o astfel de idee să funcționeze nici măcar nu fusese inventată. Așa că Born nu și-a îndeplinit niciodată visul de a pune spațiu-timp și spațiu de impuls pe picior de egalitate.

acolo intră Smolin și colegii săi în poveste. Împreună cu Laurent Freidel, de asemenea, la Institutul perimetral, Jerzy Kowalski-Glikman de la Universitatea din Wroclaw, Polonia și Giovanni Amelino-Camelia de la Universitatea Sapienza din Roma, în Italia, Smolin a investigat efectele unei curburi a spațiului de impuls.

cvartetul a luat regulile matematice standard pentru traducerea între spațiul impulsului și spațiu-timp și le-a aplicat unui spațiu impuls curbat. Ceea ce au descoperit este șocant: observatorii care trăiesc într-un spațiu de impuls curbat nu vor mai conveni asupra măsurătorilor făcute într-un spațiu-timp unificat. Acest lucru merge în întregime împotriva bobului relativității lui Einstein. El a arătat că, în timp ce spațiul și timpul erau relative, spațiul-timp era același pentru toată lumea. Cu toate acestea, pentru observatorii într-un spațiu de impuls curbat, chiar și spațiul-timp este relativ (vezi diagrama).

această nepotrivire între măsurătorile spațiu-timp ale unui observator și cele ale altuia crește odată cu distanța sau în timp, ceea ce înseamnă că în timp ce spațiul-timp din imediata ta apropiere va fi definite brusc, obiecte și evenimente în depărtare devin fuzzier. „Cu cât sunteți mai departe și cu cât este implicată mai multă energie, cu atât evenimentul pare să se răspândească în spațiu-timp”, spune Smolin.

de exemplu, dacă vă aflați la 10 miliarde de ani lumină de o supernovă și energia luminii sale este de aproximativ 10 gigaelectronvolți, atunci măsurarea locației sale în spațiu-timp ar diferi de cea a unui observator local cu o secundă lumină. Poate că nu sună prea mult, dar se ridică la 300.000 de kilometri. Niciunul dintre voi nu s – ar înșela-doar că locațiile din spațiu-timp sunt relative, fenomen pe care cercetătorii l-au numit „localitate relativă”.

localitatea relativă ar da o lovitură uriașă imaginii noastre despre realitate. Dacă spațiul-timp nu mai este un fundal invariant al universului asupra căruia toți observatorii pot fi de acord, în ce sens poate fi considerat adevărata țesătură a realității?

“localitatea relativă dă o lovitură uriașă înțelegerii noastre despre natura realității”

aceasta este o întrebare încă de luptat, dar și localitatea relativă are beneficiile sale. În primul rând, ar putea arunca lumină asupra unui puzzle încăpățânat cunoscut sub numele de paradoxul pierderii informațiilor despre gaura neagră. În anii 1970, Stephen Hawking a descoperit că găurile negre își radiază masa, în cele din urmă evaporându-se și dispărând cu totul. Asta a pus o întrebare intrigantă: ce se întâmplă cu toate lucrurile care au căzut în gaura neagră în primul rând?relativitatea împiedică orice lucru care cade într – o gaură neagră să scape, deoarece ar trebui să călătorească mai repede decât lumina pentru a face acest lucru-o limită de viteză cosmică care este strict aplicată. Dar mecanica cuantică își impune propria lege strictă: lucrurile, sau mai precis informațiile pe care le conțin, nu pot dispărea pur și simplu din realitate. Evaporarea găurilor negre a pus fizicienii între o piatră și un loc greu.potrivit lui Smolin, localitatea relativă salvează ziua. Să presupunem că ați fost suficient de răbdători să așteptați în timp ce o gaură neagră se evaporă, un proces care ar putea dura miliarde de ani. Odată ce a dispărut, ați putea întreba ce s-a întâmplat cu, să zicem, un elefant care a cedat odată aderenței sale gravitaționale. Dar, pe măsură ce priviți înapoi la momentul în care ați crezut că elefantul a căzut, veți descoperi că locațiile din spațiu-timp au devenit atât de neclare și nesigure încât nu ar exista nicio modalitate de a spune dacă elefantul a căzut de fapt în gaura neagră sau a ratat-o. Paradoxul pierderii informațiilor se dizolvă.

“nu ar exista nicio modalitate de a spune dacă un elefant a căzut într-adevăr în gaura neagră sau a ratat-o”

rămân încă întrebări mari. De exemplu, cum putem ști dacă spațiul impuls este într-adevăr curbat? Pentru a găsi răspunsul, echipa a propus mai multe experimente.

o idee este să privim lumina care ajunge pe Pământ din explozii de raze gamma îndepărtate. Dacă spațiul impulsului este curbat într-un mod special pe care matematicienii îl numesc „non-metric”, atunci un foton de mare energie din explozia de raze gamma ar trebui să ajungă la telescopul nostru puțin mai târziu decât un foton de energie mai mică din aceeași explozie, în ciuda faptului că cele două sunt emise în același timp.

tocmai acest fenomen a fost deja văzut, începând cu câteva observații neobișnuite făcute de un telescop din Insulele Canare în 2005 (New Scientist, 15 August 2009, p 29). Efectul a fost confirmat de telescopul spațial Fermi gamma-ray al NASA, care colectează lumina din exploziile cosmice de la lansarea sa în 2008. „Datele Fermi arată că este un fapt experimental incontestabil că există o corelație între timpul de sosire și energia – fotonii cu energie ridicată ajung mai târziu decât fotonii cu energie redusă”, spune Amelino-Camelia.

cu toate acestea, el nu este popping șampanie doar încă. Nu este clar dacă întârzierile observate sunt adevărate semnături ale spațiului de impuls curbat sau dacă acestea se referă la „proprietățile necunoscute ale exploziilor în sine”, după cum spune Amelino-Camelia. Calculele exploziilor de raze gamma idealizează exploziile ca instantanee, dar în realitate durează câteva secunde. Deși nu există niciun motiv evident pentru a gândi acest lucru, este posibil ca exploziile să apară în așa fel încât să emită fotoni cu energie mai mică cu o secundă sau doi înainte de fotoni cu energie mai mare, ceea ce ar explica întârzierile observate.

pentru a separa proprietățile exploziilor de proprietățile localității relative, avem nevoie de un eșantion mare de explozii de raze gamma care au loc la diferite distanțe cunoscute (arxiv.org/abs/1103.5626). dacă întârzierea este o proprietate a exploziei, lungimea acesteia nu va depinde de cât de departe este explozia de telescopul nostru; dacă este un semn al localității relative, va fi. Amelino-Camelia și restul echipei lui Smolin așteaptă acum cu nerăbdare mai multe date de la Fermi.

întrebările nu se termină aici. Chiar dacă observațiile lui Fermi confirmă faptul că spațiul de impuls este curbat, tot nu ne vor spune ce face curbarea. În relativitatea generală, impulsul și energia sub formă de masă sunt cele care deformează spațiul-timp. Într-o lume în care spațiul impuls este fundamental, ar putea spațiul și timpul să fie cumva responsabile pentru curbarea spațiului impuls?lucrarea lui Shahn Majid, fizician matematic la Universitatea Queen Mary din Londra, ar putea conține câteva indicii. În anii 1990, el a arătat că spațiul cu impuls curbat este echivalent cu ceea ce este cunoscut sub numele de spațiu-timp necomutativ. În spațiul-timp familiar, coordonatele fac naveta-adică dacă vrem să ajungem la punctul cu coordonate (x, y), nu contează dacă facem x pași spre dreapta și apoi y pași înainte sau dacă călătorim y pași înainte urmat de x pași spre dreapta. Dar matematicienii pot construi spațiu-timp în care această ordine nu mai ține, lăsând spațiu-timp cu o neclaritate inerentă.

într-un anumit sens, o astfel de neclaritate este exact ceea ce s-ar putea aștepta odată ce efectele cuantice iau amploare. Ceea ce face mecanica cuantică diferită de mecanica obișnuită este principiul incertitudinii al lui Heisenberg: când fixați impulsul unei particule – măsurându – l, de exemplu-atunci poziția sa devine complet incertă și invers. Ordinea în care măsurați poziția și impulsul determină valorile lor; cu alte cuvinte, aceste proprietăți nu fac naveta. Acest lucru, spune Majid, implică faptul că spațiul impulsului curbat este doar spațiu-timp cuantic într-o altă formă.mai mult, Majid suspectează că această relație dintre curbură și incertitudinea cuantică funcționează în două moduri: curbura spațiului-timp – o manifestare a gravitației în relativitatea lui Einstein – implică faptul că spațiul impuls este, de asemenea, cuantic. Modelul Smolin și colegii săi nu include încă gravitația, dar odată ce o face, spune Majid, observatorii nu vor fi de acord nici asupra măsurătorilor în spațiul impulsului. Deci, dacă atât spațiul-timp, cât și spațiul impuls sunt relative, unde se află realitatea obiectivă? Care este adevărata țesătură a realității?

” dacă spațiul-timp al lui Einstein nu mai este ceva cu care toți observatorii pot fi de acord, este adevărata țesătură a realității?”

bănuiala lui Smolin este că ne vom găsi într-un loc în care spațiul-timp și spațiul impulsului se întâlnesc: un spațiu de fază opt-dimensional care reprezintă toate valorile posibile ale poziției, timpului, energiei și impulsului. În relativitate, ceea ce un observator vede ca spațiu, altul vede ca timp și invers, deoarece în cele din urmă sunt două fețe ale unei singure monede – un spațiu-timp unificat. La fel, în imaginea lui Smolin a gravitației cuantice, ceea ce un observator vede ca spațiu-timp, altul vede ca spațiu impuls, iar cele două sunt unificate într-un spațiu de fază dimensional superior, care este absolut și invariant pentru toți observatorii. Cu relativitatea lovit un alt nivel, va fi la revedere atât spațiu-timp și spațiu impuls, și spațiu de fază salut.

„a fost evident de mult timp că separarea dintre spațiu-timp și energie-impuls este înșelătoare atunci când se ocupă de gravitația cuantică”, spune fizicianul Jo Incaux Magueijo de la Imperial College London. În fizica obișnuită, este destul de ușor să tratăm spațiul-timp și spațiul impulsului ca lucruri separate, explică el, „dar gravitația cuantică poate necesita încurcarea lor completă”. Odată ce ne dăm seama cum se potrivesc piesele puzzle-ului spațiu-timp și spațiu impuls, visul lui Born va fi în cele din urmă realizat și adevărata schelă a realității va fi dezvăluită.

Mai multe despre aceste subiecte:

• cosmologie