Kvantgravitatsioon püüab Einsteini üldist relatiivsusteooriat ühendada kvantmehaanikaga. Klassikalise gravitatsiooni kvantparandused visualiseeritakse silmusdiagrammidena, nagu siin näidatud valgena. Kujutise krediit: SLAC National Accelerator Lab.

10 kosmoseaja mõistatust, mida kvantgravitatsioon võiks lahendada

On palju küsimusi, millele me ei tea vastust. Kvantgravitatsiooni korral võidakse need lahendada!

Selle artikli on kirjutanud Sabine Hossenfelder. Sabine on kvantgravitatsiooni ja kõrge energiaga füüsikale spetsialiseerunud teoreetiline füüsik. Ta kirjutab ka vabakutselistest teadusest.

Einsteini üldrelatiivsusteooria, kus raskusjõu põhjustab ruumiaja kõverus, on fantastiline. See on leidnud kinnitust uskumatu täpsuseni, ulatudes mõnel juhul viieteistkümneni arvuni. Üks selle hämmastavamaid ennustusi on gravitatsioonilainete olemasolu: väikesed aeg-ajalised häired, mis liiguvad vabalt. Neid väga laineid tuvastavad LIGO / VIRGO eksperimendid nüüd regulaarselt.

Kuid me teame, et üldine relatiivsus on puudulik. See töötab hästi, kui ruumi-aja kvantmõjud on väikesed, mis on peaaegu alati nii. Kuid kui ruumiaja kvantmõjud muutuvad suureks, vajame paremat teooriat: kvantgravitatsiooni teooriat.

Varase universumi illustratsioon, mis koosneb kvantvahust, kus kvantkõikumised on suured, mitmekesised ja olulised väikseima skaala korral. Pildikrediit: NASA / CXC / M.Weiss.

Kuna me veel ei tea kvantgravitatsiooni teooriat, ei tea me tegelikult ka seda, mis on ruum ja aeg. Meil on mitmeid kvantgravitatsiooni kandidaatteooriaid, kuid ühtegi neist ei aktsepteerita üldiselt. Sellegipoolest võime olemasolevate lähenemisviiside põhjal spekuleerida, mis võib kvantgravitatsiooni teoorias toimuda ruumi ja ajaga. Siin olen kokku kogunud teile kümme kõige mõistlikumat spekulatsiooni:

1.) Kvantgravitatsiooni puhul eeldame, et ruumi-aeg kõigub metsikult isegi mateeria puudumisel. Kvantmaailmas ei puhka vaakum kunagi ega ruumi ega aega.

Väikseimate kvantkaalude korral võib Universum olla täidetud pisikeste, mikroskoopiliste, väikese massiga mustade aukudega. Need augud võivad ühendada või laieneda sissepoole väga huvitavate moodidena. Kujutise krediit: NASA.

2.) Kvantruumiaeg võiks olla täis mikroskoopilisi mustaid auke. Imelik veel, et sellel võivad olla ussiaugud või tekkida beeb universumites, mis on väikesed mullid, mis eemalduvad emauniversumist.

3.) Ja kuna see on kvantteooria, võiks ruum-aeg teha kõiki neid asju üheaegselt! See võib luua nii beebikunsti kui ka samal ajal luua.

Ruumiaja kangas ei pruugi üldse kangas olla, vaid see võib olla valmistatud diskreetsetest komponentidest, mis ilmuvad meile pideva kangana ainult suurematel, makroskoopilistel skaaladel.

4.) Enamikus kvantgravitatsiooni käsitlustes pole ruumiaeg fundamentaalne, vaid koosneb millestki muust. See võib olla stringe, silmuseid, bitti või mõnda ruumi-aja „aatomite” varianti, mis esinevad kondenseerunud ainetel põhinevates lähenemisviisides. Üksikute koostisosade lahendamine on aga võimalik ainult siis, kui neid mõõdetakse äärmiselt kõrgete energiatega, mis on kaugelt üle selle, mida me Maa peal saavutada saame.

5.) Mõnes kondenseerunud ainel põhinevas lähenemisviisis on ruumiajal sellised omadused nagu tahke aine või vedelik, nii et see võib olla elastne või omada viskoossust. Kui see on nii, võib see kaasa tuua jälgitavaid tagajärgi. Füüsikud otsivad selliseid mõjusid praegu, uurides kosmoses kaugetest osadest liikuvaid osakesi, näiteks valgust või elektrone.

Prisma abil hajutatud pideva valguskiire skemaatiline animatsioon. Mõnedes kvantgravitatsiooni suhtes olulistes ideedes võib ruum ise toimida hajutava keskkonnana erinevatele valguse lainepikkustele. Kujutise krediit: LucasVB / Wikimedia Commons.

6.) Ruumiaeg võib mõjutada seda, kuidas valgus läbi selle liigub. See ei pruugi olla täiesti läbipaistev või eri värvi valgus võib liikuda erineva kiirusega, seda mõju nimetatakse hajutatuks. Kui kvantruumiaeg mõjutab valguse levikut, võib seda ka tulevastes katsetes jälgida.

7.) Ruumi-aja kõikumised võivad hävitada kaugetest allikatest pärit valguse võime tekitada häireid. Seda efekti on otsitud ja seda pole leitud, vähemalt mitte seni ja mitte nähtava ulatusega.

Valgus, mis on läbitud kahest paksust pilust (ülalt), kahest õhukesest pilust (keskel) või ühest paksust pilust (alt), näitab häireid, osutades lainekujulisele olemusele. Kuid kvantgravitatsioonis võivad mõned eeldatavad häirete omadused olla võimatud. Pildikrediit: Benjamin Crowell.

8.) Tugeva kumerusega piirkondades võib aeg muutuda ruumiks. See võib juhtuda näiteks mustade aukude sees või suure paugu juures. Sel juhul võib see, mida me nüüd tunneme kui ruumiaeg, millel on kolm ruumi ja ühe mõõtme mõõtmeid, muutuda neljamõõtmeliseks “eukleidiliseks” ruumiks.

Kahe eraldiseisva asukoha ühendamine ruumis või ajas ussiaugu kaudu jääb ainult teoreetiliseks ideeks, kuid on intrigeeriv võimalus, mis ei pruugi olla mitte ainult oluline, vaid võib olla kvantgravitatsiooni paratamatus. Pildikrediit: Wikimedia Commonsi kasutaja Kes47.

9.) Ruumiaeg võiks olla mitte lokaalselt ühendatud pisikeste otseteedega, mis hõlmavad kogu universumit. Sellised mitte-kohalikud ühendused peaksid olemas olema kõigis lähenemisviisides, mille alusstruktuur ei ole geomeetriline, nagu näiteks graafik või võrk. Selle põhjuseks on asjaolu, et sellistel puhkudel pole mõiste "läheduses" põhimõtteline, vaid ainult tuletatud ja see peaks olema ebatäiuslik, nii et mõnikord ühendavad kogemata väga kauged kohad.

IBMi neli Qubiti ruutiringlust, mis oli teerajaja edasiminek arvutustes, võib viia arvutiteni, mis on piisavalt võimas kogu universumi simuleerimiseks. Kuid kvantarvutuse väli on alles lapsekingades. Kujutise krediit: IBM-i uuringud.

10.) Võib juhtuda, et kvantteooria ühendamiseks gravitatsiooniga ei pea me värskendama gravitatsiooni, vaid kvantteooriat ennast. Sel juhul võivad tagajärjed olla kaugeleulatuvad. Kuna kvantteooria on kõigi elektrooniliste seadmete aluseks ja kui neid tuleb muuta, võib see avada täiesti uusi võimalusi.

Kuigi kvantgravitatsiooni peetakse sageli teoreetiliseks kaugeks ideeks, on selle vaatlus- või eksperimentaalproovi panemiseks palju võimalusi. Juba nende samade vaatluste ja mõõtmiste tegemisest on vabastatud mõned olulised piirangud. Me kõik reisime iga päev läbi kosmose-aja. Selle mõistmine võib muuta meie elu.

Starts With A Bang on nüüd Forbesil ja tänu meie Patreoni toetajatele uuesti keskkonnas avaldatud. Ethan on kirjutanud kaks raamatut "Beyond The Galaxy" ja "Treknology: The Star of Treki teadus Tricordersist Warp Drive'i".