Kiedy białe światło przechodzi przez pryzmat, tęcza na drugim końcu przedstawia bogatą paletę kolorów. Teoretycy z Wydziału Fizyki UW wykazali, że modele Wszechświata wykorzystujące dowolną kwantową teorię grawitacji również powinny mieć swego rodzaju „tęczę”, składającą się z różnych wersji czasoprzestrzeni. Mechanizm ten przewiduje, że zamiast pojedynczej i wspólnej czasoprzestrzeni cząstki o różnych energiach powinny doświadczać jej nieco zmienionych wersji.
Prawdopodobnie wszyscy widzieliśmy eksperyment: kiedy białe światło przechodzi przez pryzmat, rozpada się, tworząc tęczę. Dzieje się tak, ponieważ białe światło jest mieszaniną fotonów o różnych energiach, a im wyższa energia fotonu, tym bardziej jest odchylana przez pryzmat. Można więc powiedzieć, że tęcza powstaje, ponieważ fotony o różnych energiach postrzegają ten sam pryzmat jako mający różne właściwości. Przez wiele lat naukowcy podejrzewali, że cząstki o różnych energiach w modelach wszechświata kwantowego zasadniczo wyczuwają różne struktury czasoprzestrzeni.
Fizycy warszawscy posłużyli się modelem kosmologicznym zawierającym tylko dwa składniki: grawitację i jeden rodzaj materii. W ramach ogólnej teorii względności pole grawitacyjne opisywane jest przez deformacje czasoprzestrzeni, natomiast materię reprezentuje pole skalarne (najprostszy rodzaj pola, w którym tylko jedna wartość występuje w każdym punkcie w przestrzeni).
„Obecnie istnieje wiele konkurencyjnych teorii grawitacji kwantowej. Dlatego sformułowaliśmy nasz model w najbardziej ogólny sposób, aby można go było zastosować do każdego z nich. Niektórzy mogą sugerować jeden rodzaj pola grawitacyjnego - co w praktyce oznacza czasoprzestrzeń - sugerowany przez jedną teorię kwantową, inny może sugerować inną. Zmienią się niektóre operatory matematyczne w modelu, ale nie charakter zachodzących w nich zjawisk - mówi Andrea Dapor, doktorant Uniwersytetu Warszawskiego.
„Ten wynik jest niesamowity. Zaczynamy od rozmytego świata geometrii kwantowej, w którym nawet trudno powiedzieć, czym jest czas, a czym przestrzeń, ale zjawiska zachodzące w naszym modelu kosmologicznym wydają się zachodzić w zwykłej czasoprzestrzeni”- mówi inny doktorant Mehdi Assaniussi.
Sprawy stały się jeszcze bardziej interesujące, gdy fizycy przyjrzeli się wzbudzeniom pola skalarnego, które były interpretowane jako cząstki. Obliczenia wykazały, że w tym modelu cząstki różniące się energią oddziałują z czasoprzestrzenią kwantową w inny sposób - podobnie jak fotony o różnych energiach inaczej oddziałują z pryzmatem. Oznacza to, że nawet efektywna struktura klasycznej czasoprzestrzeni jest różnie postrzegana przez poszczególne cząstki, w zależności od ich energii.
Wygląd zwykłej tęczy można opisać za pomocą współczynnika załamania światła, którego wielkość zależy od długości fali światła. W przypadku podobnej tęczy czasoprzestrzeni proponuje się podobny związek: funkcja beta, miara stopnia różnicy w percepcji klasycznej czasoprzestrzeni przez różne cząstki. Funkcja ta odzwierciedla stopień nieklasyczności kwantowej czasoprzestrzeni: w warunkach zbliżonych do klasycznych dąży do zera, podczas gdy w warunkach prawdziwie kwantowych dąży do jedności. Teraz Wszechświat jest w stanie klasycznym, więc wartość beta jest bliska zeru, fizycy szacują ją na nieprzekraczającą 0,01. Tak mała wartość funkcji beta oznacza, że tęcza czasoprzestrzeni jest obecnie bardzo wąska i nie można jej wykryć eksperymentalnie.
Badanie fizyków teoretycznych z Uniwersytetu Warszawskiego, sfinansowane z grantów Narodowego Centrum Nauki, doprowadziło do kolejnego interesującego wniosku. Tęcza czasoprzestrzenna jest wynikiem grawitacji kwantowej. Fizycy na ogół zgadzają się, że skutki takiego planu będą widoczne tylko przy gigantycznych energiach zbliżonych do energii Plancka, miliony lub miliardy razy wyższych niż energia cząstek, do której teraz przyspiesza Wielki Zderzacz Hadronów. Jednak wartość funkcji beta zależy od czasu, aw chwilach bliskich Wielkiemu Wybuchowi może być znacznie wyższa. Gdy beta zbliża się do zera, tęcza czasoprzestrzenna znacznie się zwiększa. W rezultacie w takich warunkach efekt tęczy grawitacji kwantowej można potencjalnie zaobserwować nawet przy energiach cząstek, które są setki razy niższe,niż energia protonów we współczesnym LHC.
Film promocyjny: