Ogólna teoria względności Einsteina, w której grawitacja powstaje z krzywizny czasoprzestrzeni, jest niezwykła. Zostało to zweryfikowane z niesamowitą dokładnością, w niektórych przypadkach do piętnastu miejsc po przecinku. Jednym z jej najciekawszych przewidywań było istnienie fal grawitacyjnych: zmarszczek w czasoprzestrzeni, które rozprzestrzeniają się swobodnie. Nie tak dawno fale te zostały wychwycone przez detektory LIGO i VIRGO.
A jednak jest wiele pytań, na które nie mamy jeszcze odpowiedzi. W ich odnalezieniu może pomóc grawitacja kwantowa.
Wiemy, że ogólna teoria względności jest niekompletna. Działa dobrze, gdy kwantowe efekty czasoprzestrzeni są całkowicie niewidoczne, co prawie zawsze ma miejsce. Ale kiedy kwantowe efekty czasoprzestrzeni stają się duże, potrzebujemy lepszej teorii: teorii kwantowej grawitacji.
Ilustracja wczesnego wszechświata, składającego się z piany kwantowej, kiedy fluktuacje kwantowe były ogromne i manifestowały się w najmniejszej skali
Ponieważ nie sformułowaliśmy jeszcze teorii grawitacji kwantowej, nie wiemy, czym są przestrzeń i czas. Mamy kilka odpowiednich teorii dotyczących grawitacji kwantowej, ale żadna z nich nie jest powszechnie akceptowana. Niemniej jednak, opierając się na istniejących podejściach, możemy założyć, co może się stać z przestrzenią i czasem w teorii kwantowej grawitacji. Fizyk Sabine Hossfender zebrała dziesięć zaskakujących przykładów.
1) W grawitacji kwantowej będą występować dzikie fluktuacje w czasoprzestrzeni, nawet przy braku materii. W świecie kwantowym próżnia nigdy nie jest w stanie spoczynku, podobnie jak przestrzeń i czas.
W najmniejszej skali kwantowej wszechświat może być wypełniony malutkimi, mikroskopijnymi czarnymi dziurami o niewielkich masach. Otwory te mogą łączyć się lub rozszerzać do wewnątrz w bardzo interesujący sposób.
2) Czasoprzestrzeń kwantowa może być wypełniona mikroskopijnymi czarnymi dziurami. Co więcej, może zawierać tunele czasoprzestrzenne lub mogą powstać infantylne wszechświaty - jak małe bąbelki, które odrywają się od wszechświata matki.
Film promocyjny:
3) A ponieważ jest to teoria kwantowa, czasoprzestrzeń może robić to wszystko w tym samym czasie. Może jednocześnie tworzyć niemowlęcy wszechświat, a nie go tworzyć.
Tkanina czasoprzestrzeni może wcale nie być tkaniną, ale składa się z dyskretnych elementów, które tylko wydają się być ciągłą tkaniną w dużych makroskopowych skalach.
4) W większości podejść do grawitacji kwantowej czasoprzestrzeń nie jest fundamentalna, ale składa się z czegoś innego. Mogą to być struny, pętle, kubity lub warianty czasoprzestrzennych „atomów”, które pojawiają się w podejściu do materii skondensowanej. Poszczególne elementy można zdemontować tylko przy użyciu najwyższych energii, znacznie wyższych niż te, które są nam dostępne na Ziemi.
5) W niektórych podejściach z materią skondensowaną czasoprzestrzeń ma właściwości ciała stałego lub ciekłego, to znaczy może być elastyczna lub lepka. Jeśli to prawda, zaobserwowane konsekwencje są nieuniknione. Obecnie fizycy poszukują śladów podobnych efektów w wędrujących cząstkach, czyli w świetle lub elektronach docierających do nas z odległej przestrzeni.
Schematyczna animacja ciągłej wiązki światła rozproszonej przez pryzmat. W niektórych podejściach do kwantowej grawitacji przestrzeń może działać jako ośrodek rozpraszający dla różnych długości fal światła
6) Czasoprzestrzeń może wpływać na sposób, w jaki przechodzi przez nią światło. Może nie być całkowicie przezroczysty lub światło o różnych kolorach może poruszać się z różnymi prędkościami. Jeśli czasoprzestrzeń kwantowa wpływa na propagację światła, to również można zaobserwować w przyszłych eksperymentach.
7) Fluktuacje czasoprzestrzeni mogą zniszczyć zdolność światła z odległych źródeł do tworzenia wzorów interferencyjnych. Efekt ten był poszukiwany i nigdy nie znaleziony, przynajmniej w zakresie widzialnym.
Światło przechodzące przez dwie grube szczeliny (góra), dwie cienkie szczeliny (środek) lub jedną grubą szczelinę (dół) wykazuje interferencję wskazującą na jego falowy charakter. Jednak w przypadku grawitacji kwantowej niektóre z oczekiwanych właściwości interferencyjnych mogą nie być możliwe.
8) W obszarach o silnej krzywiźnie czas może zmienić się w przestrzeń. Może się to zdarzyć na przykład wewnątrz czarnych dziur lub podczas wielkiego wybuchu. W tym przypadku znana nam czasoprzestrzeń o trzech wymiarach przestrzennych i wymiarach oraz jednej czasowej może przekształcić się w czterowymiarową przestrzeń „euklidesową”.
Połączenie dwóch różnych miejsc w przestrzeni lub czasie przez tunel czasoprzestrzenny pozostaje tylko pomysłem teoretycznym, ale może być nie tylko interesujące, ale także nieuniknione w przypadku grawitacji kwantowej
Czasoprzestrzeń można połączyć nielokalnie z małymi tunelami czasoprzestrzennymi, które przenikają cały wszechświat. Takie nielokalne połączenia muszą istnieć we wszystkich podejściach, których podstawowa struktura nie jest geometryczna, takich jak graf lub sieć. Wynika to z faktu, że w takich przypadkach pojęcie „bliskości” nie będzie fundamentalne, ale implikowane i niedoskonałe, tak aby odległe regiony mogły zostać przypadkowo połączone.
10) Być może aby połączyć teorię kwantową z grawitacją, musimy zaktualizować nie grawitację, ale samą teorię kwantową. Jeśli tak, konsekwencje będą daleko idące. Ponieważ teoria kwantowa jest podstawą wszystkich urządzeń elektronicznych, jej rewizja otworzy zupełnie nowe możliwości.
Chociaż grawitacja kwantowa jest często postrzegana jako idea wysoce teoretyczna, istnieje wiele możliwości weryfikacji eksperymentalnej. Wszyscy codziennie podróżujemy w czasoprzestrzeni. Zrozumienie go może zmienić nasze życie.
Ilya Khel