Η κβαντική βαρύτητα προσπαθεί να συνδυάσει τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν με την κβαντική μηχανική. Οι κβαντικές διορθώσεις στην κλασική βαρύτητα απεικονίζονται ως διαγράμματα βρόχου, όπως αυτή που εμφανίζεται εδώ με λευκό. Πιστωτική εικόνα: SLAC National Accelerator Lab.

10 μυστήρια χωροχρόνου που θα μπορούσε να λύσει η κβαντική βαρύτητα

Υπάρχουν πολλές ερωτήσεις στις οποίες δεν γνωρίζουμε την απάντηση. Με την κβαντική βαρύτητα, μπορεί να λυθούν!

Αυτό το άρθρο γράφτηκε από τη Sabine Hossenfelder. Η Sabine είναι ένας θεωρητικός φυσικός που ειδικεύεται στην κβαντική βαρύτητα και τη φυσική υψηλής ενέργειας. Επίσης, γράφει ανεξάρτητα για την επιστήμη.

Η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, όπου η βαρύτητα προκαλείται από την καμπυλότητα του χωροχρόνου, είναι φοβερή. Έχει επιβεβαιωθεί σε ένα απίστευτο επίπεδο ακρίβειας, που εκτείνεται σε δεκαπέντε σημαντικά στοιχεία σε ορισμένες περιπτώσεις. Μία από τις πιο εκπληκτικές προβλέψεις του είναι η ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων: μικρές διαταραχές στο χωροχρόνο που ταξιδεύουν ελεύθερα. Αυτά τα ίδια τα κύματα ανιχνεύονται τακτικά από τα πειράματα LIGO / VIRGO.

Γνωρίζουμε όμως ότι η γενική σχετικότητα είναι ελλιπής. Λειτουργεί καλά όταν τα κβαντικά αποτελέσματα του χωροχρόνου είναι μικρά, κάτι που συμβαίνει σχεδόν πάντα. Αλλά όταν τα κβαντικά αποτελέσματα του χωροχρόνου γίνουν μεγάλα χρειαζόμαστε μια καλύτερη θεωρία: μια θεωρία της «κβαντικής βαρύτητας».

Μια απεικόνιση του πρώιμου Σύμπαντος που αποτελείται από κβαντικό αφρό, όπου οι κβαντικές διακυμάνσεις είναι μεγάλες, ποικίλες και σημαντικές στις μικρότερες κλίμακες. Πιστωτική εικόνα: NASA / CXC / M.Weiss.

Δεδομένου ότι δεν γνωρίζουμε ακόμη τη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, δεν ξέρουμε πραγματικά τι είναι ο χώρος και ο χρόνος. Έχουμε πολλές υποψήφιες θεωρίες για την κβαντική βαρύτητα, αλλά καμία από αυτές δεν είναι γενικά αποδεκτή. Ωστόσο, με βάση τις υπάρχουσες προσεγγίσεις, μπορούμε να υποθέσουμε τι θα μπορούσε να συμβεί με το διάστημα και το χρόνο σε μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας. Εδώ, έχω συλλέξει τις δέκα πιο προβληματικές εικασίες για εσάς:

1.) Στην κβαντική βαρύτητα αναμένουμε ότι ο χωροχρόνος θα κυμαίνεται άγρια ​​ακόμη και όταν δεν υπάρχει ύλη. Στον κβαντικό κόσμο, το κενό δεν στηρίζεται ποτέ, ούτε ο χώρος και ο χρόνος.

Στις μικρότερες κβαντικές κλίμακες, το Σύμπαν μπορεί να γεμίσει με μικροσκοπικές, μικροσκοπικές, χαμηλής μάζας μαύρες τρύπες. Αυτές οι οπές θα μπορούσαν να συνδεθούν ή να επεκταθούν προς τα μέσα σε πολύ ενδιαφέρουσες μόδες. Πιστωτική εικόνα: NASA.

2.) Ο κβαντικός χωροχρόνος θα μπορούσε να είναι πλήρης με μικροσκοπικές μαύρες τρύπες. Πιο αδύναμο, θα μπορούσε να έχει σκουληκότρυπες ή να δημιουργήσει σύμπαν μωρών, οι οποίες είναι μικρές φυσαλίδες που τσιμπάνε από το μητρικό σύμπαν.

3.) Και δεδομένου ότι πρόκειται για κβαντική θεωρία, ο χωροχρόνος θα μπορούσε να κάνει όλα αυτά τα πράγματα ταυτόχρονα! Θα μπορούσε να δημιουργήσει και ένα μωρό σύμπαν και όχι να δημιουργήσει ένα ταυτόχρονα.

Το ύφασμα του χωροχρόνου μπορεί να μην είναι καθόλου ύφασμα, αλλά μπορεί να είναι κατασκευασμένο από διακριτά συστατικά που εμφανίζονται μόνο ως συνεχές ύφασμα σε μεγαλύτερες, μακροσκοπικές κλίμακες.

4.) Στις περισσότερες προσεγγίσεις της κβαντικής βαρύτητας, ο χωροχρόνος δεν είναι θεμελιώδης αλλά φτιαγμένος από κάτι άλλο. Αυτό μπορεί να είναι χορδές, βρόχοι, qbits ή κάποια παραλλαγή «ατόμων» χωροχρόνου που εμφανίζονται σε προσεγγίσεις με συμπύκνωση ύλης. Τα μεμονωμένα συστατικά, ωστόσο, μπορούν να επιλυθούν μόνο όταν ανιχνευθούν με εξαιρετικά υψηλές ενέργειες, πολύ πέρα ​​από αυτό που μπορούμε να επιτύχουμε στη Γη.

5.) Σε μερικές από τις προσεγγίσεις με βάση τη συμπυκνωμένη ύλη, ο χωροχρόνος έχει ιδιότητες όπως ένα στερεό ή ένα υγρό έτσι ώστε να μπορεί να είναι ελαστικό ή να έχει ιξώδες. Εάν είναι έτσι, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε παρατηρήσιμες συνέπειες. Οι φυσικοί αναζητούν επί του παρόντος τέτοια αποτελέσματα μελετώντας σωματίδια αγγελιοφόρων, π.χ. φως ή ηλεκτρόνια, που μας φτάνουν μακριά από τον Κόσμο.

Σχηματική κίνηση μιας συνεχούς ακτίνας φωτός που διασκορπίζεται από ένα πρίσμα. Σε ορισμένες ιδέες που σχετίζονται με την κβαντική βαρύτητα, ο ίδιος ο χώρος μπορεί να λειτουργεί ως μέσο διασποράς για διάφορα μήκη κύματος του φωτός. Πιστωτική εικόνα: LucasVB / Wikimedia Commons.

6.) Ο χωροχρόνος μπορεί να επηρεάσει τον τρόπο με τον οποίο ταξιδεύει το φως. Ίσως να μην είναι απολύτως διαφανές, ή το φως διαφορετικών χρωμάτων να ταξιδεύει με διαφορετικές ταχύτητες, ένα φαινόμενο γνωστό ως «διασπορά». Εάν ο κβαντικός χωροχρόνος επηρεάζει την εξάπλωση του φωτός, αυτό θα μπορούσε επίσης να παρατηρηθεί σε μελλοντικά πειράματα.

7.) Οι διακυμάνσεις του χωροχρόνου ενδέχεται να καταστρέψουν την ικανότητα του φωτός από μακρινές πηγές να δημιουργήσουν μοτίβα παρεμβολών. Αυτό το αποτέλεσμα έχει αναζητηθεί και δεν βρεθεί, τουλάχιστον όχι μέχρι στιγμής και όχι στο ορατό εύρος.

Το φως, είτε διέρχεται από δύο παχιές σχισμές (πάνω), δύο λεπτές σχισμές (μεσαία) ή μία παχιά σχισμή (κάτω), εμφανίζει ενδείξεις παρεμβολών, δείχνοντας μια κυματοειδή φύση. Αλλά στην κβαντική βαρύτητα, ορισμένες αναμενόμενες ιδιότητες παρεμβολής μπορεί να είναι αδύνατες. Πιστωτική εικόνα: Benjamin Crowell.

8.) Σε περιοχές με έντονη καμπυλότητα, ο χρόνος μπορεί να μετατραπεί σε διάστημα. Αυτό μπορεί να συμβεί, για παράδειγμα, μέσα σε μαύρες τρύπες ή στο big bang. Σε μια τέτοια περίπτωση, αυτό που τώρα γνωρίζουμε ως χωροχρόνος με τρεις διαστάσεις του χώρου και μία διάσταση του χρόνου μπορεί να μετατραπεί σε έναν τετραδιάστατο «Ευκλείδειο» χώρο.

Η σύνδεση δύο ξεχωριστών τοποθεσιών είτε στο διάστημα είτε στο χρόνο μέσω σκουληκότρυπας παραμένει μια θεωρητική ιδέα μόνο, αλλά είναι μια ενδιαφέρουσα δυνατότητα που μπορεί όχι μόνο να είναι σημαντική, αλλά μπορεί να είναι αναπόφευκτη στην κβαντική βαρύτητα. Πιστωτική εικόνα: Χρήστης Wikimedia Commons Kes47.

9.) Ο χωροχρόνος θα μπορούσε να συνδεθεί μη τοπικά με μικροσκοπικές συντομεύσεις που εκτείνονται σε όλο το σύμπαν. Τέτοιες μη τοπικές συνδέσεις θα πρέπει να υπάρχουν σε όλες τις προσεγγίσεις των οποίων η δομή που βασίζεται είναι μη γεωμετρική, όπως ένα γράφημα ή ένα δίκτυο. Αυτό συμβαίνει επειδή σε τέτοιες περιπτώσεις η έννοια του "κοντινού" δεν είναι θεμελιώδης αλλά παράγεται μόνο, και θα πρέπει να είναι ατελής έτσι ώστε, κατά καιρούς, πολύ απομακρυσμένα μέρη να συνδέονται τυχαία.

Το τετράγωνο τετράγωνο κύκλωμα της IBM, μια πρωτοποριακή πρόοδος στους υπολογισμούς, θα μπορούσε να οδηγήσει σε υπολογιστές αρκετά ισχυρούς ώστε να προσομοιώσουν ένα ολόκληρο σύμπαν. Όμως, το πεδίο της κβαντικής υπολογιστικής βρίσκεται ακόμη στα σπάργανα. Πιστωτική εικόνα: Έρευνα IBM.

10.) Ίσως να συνδυάσουμε την κβαντική θεωρία με τη βαρύτητα, δεν χρειάζεται να ενημερώσουμε τη βαρύτητα, αλλά την ίδια την κβαντική θεωρία. Εάν είναι έτσι, οι συνέπειες θα μπορούσαν να είναι εκτεταμένες. Επειδή η κβαντική θεωρία βασίζεται σε όλες τις ηλεκτρονικές συσκευές και εάν πρέπει να αλλάξει, αυτό μπορεί να ανοίξει εντελώς νέες δυνατότητες.

Παρόλο που η κβαντική βαρύτητα θεωρείται συχνά ως μια απομακρυσμένη θεωρητική ιδέα, υπάρχουν πολλές πιθανές δυνατότητες για να τεθεί σε μια παρατήρηση ή πειραματική δοκιμή. Ήδη, μερικοί σημαντικοί περιορισμοί έχουν απορριφθεί από την πραγματοποίηση αυτών των ίδιων παρατηρήσεων και μετρήσεων. Όλοι ταξιδεύουμε καθημερινά μέσω του χωροχρόνου. Η κατανόηση θα μπορούσε να αλλάξει τη ζωή μας.

Το Starts With A Bang είναι τώρα στο Forbes και αναδημοσιεύεται στο Medium χάρη στους υποστηρικτές του Patreon. Ο Ethan έχει συγγράψει δύο βιβλία, το Beyond The Galaxy και το Trreknology: The Science of Star Trek από το Tricorder στο Warp Drive.