Квантовата гравитация се опитва да комбинира общата теория на относителността на Айнщайн с квантовата механика. Квантовите корекции на класическата гравитация се визуализират като контурни диаграми, като тази, показана тук в бяло. Кредит за изображение: Национална лаборатория за ускоряване на SLAC.

10 мистерии от космическото време, които квантовата гравитация може да разреши

Има много въпроси, на които не знаем отговора. С квантовата гравитация те могат да бъдат решени!

Тази статия е написана от Сабине Хосенфелдер. Сабине е теоретичен физик, специализиран в квантовата гравитация и физиката на висока енергия. Освен това пише на свободна практика за науката.

Теорията на Айнщайн за общата относителност, при която гравитацията е причинена от кривината на пространството и времето, е страхотна. Потвърдено е до невероятно ниво на точност, като в някои случаи се простира до петнадесет значими цифри. Едно от най-невероятните му прогнози е наличието на гравитационни вълни: малки смущения в пространството-времето, които пътуват свободно. Тези много вълни сега се откриват редовно от експериментите LIGO / VIRGO.

Но знаем, че общата относителност е непълна. Той работи добре, когато квантовите ефекти на пространството и времето са малки, което почти винаги е така. Но когато квантовите ефекти на пространството и времето станат големи, се нуждаем от по-добра теория: теория за „квантовата гравитация“.

Илюстрация на ранната Вселена, състояща се от квантова пяна, при която квантовите колебания са големи, разнообразни и важни при най-малките скали. Кредит за изображение: NASA / CXC / M.Weiss.

Тъй като все още не познаваме теорията на квантовата гравитация, всъщност не знаем какво са пространството и времето. Имаме няколко кандидатски теории за квантова гравитация, но никоя от тях не е общоприета. Независимо от това, въз основа на съществуващите подходи можем да спекулираме какво може да се случи с пространството и времето в една теория за квантовата гравитация. Ето, събрах за вас десетте най-умопомрачителни спекулации:

1.) В квантовата гравитация очакваме, че пространството-времето ще се колебае диво дори при липса на материя. В квантовия свят вакуумът никога не почива и нито пространството, и времето.

На най-малките квантови скали Вселената може да бъде изпълнена с малки, микроскопични черни дупки с ниска маса. Тези дупки могат да се свържат или да се разширят навътре при много интересни моменти. Кредит за изображение: НАСА.

2.) Квантовото пространство-време може да бъде пълно с микроскопични черни дупки. Все още по-странно, може да има дупки за дупки или да създаде детски вселени, които са малки мехурчета, които се прищипват от вселената на майката.

3.) И тъй като това е квантова теория, пространството-времето би могло да направи всички тези неща едновременно! Той би могъл едновременно да създаде бебешка вселена и да не създава едновременно.

Материята на космическото време може изобщо да не е тъкан, но може да бъде направена от дискретни компоненти, които се появяват само като непрекъсната тъкан за нас при по-големи макроскопични мащаби.

4.) В повечето подходи към квантовата гравитация пространството и времето не са основни, а са изградени от нещо друго. Това може да са низове, цикли, qbits или някакъв вариант на „атомите“ от пространството и времето, които се появяват в подходи, базирани на кондензирано вещество. Отделните съставки обаче могат да бъдат разрешени само когато се изследват с изключително високи енергии, далеч надхвърлящи това, което можем да постигнем на Земята.

5.) При някои подходи, базирани на кондензирано вещество, пространството-времето има свойства като твърдо вещество или течност, така че да може да е еластично или да има вискозитет. Ако това е така, това може да доведе до наблюдателни последици. Понастоящем физиците търсят такива ефекти, като изучават пратеници на частици, например светлина или електрони, които достигат до нас отдалеч в Космоса.

Схематична анимация на непрекъснат светлинен лъч, разпръснат от призма. В някои идеи, които са от значение за квантовата гравитация, самото пространство може да действа като дисперсивна среда за различни дължини на вълната на светлината. Кредит за изображение: LucasVB / Wikimedia Commons.

6.) Пространството-времето може да повлияе на това как светлината пътува през него. Може да не е напълно прозрачна или светлина от различни цветове да пътува с различна скорост, ефект известен като „дисперсия“. Ако квантовото пространство-време влияе върху разпространението на светлината, това също може да се наблюдава в бъдещи експерименти.

7.) Колебанията в пространството и времето могат да унищожат способността на светлината от отдалечени източници да създава модели на смущения. Този ефект е търсен и не е открит, поне не досега и не е във видимия диапазон.

Светлината, независимо дали е преминала през две дебели процепи (отгоре), две тънки прорези (средна) или една дебела процеп (отдолу), показва доказателства за смущения, насочващи към вълнообразна природа. Но в квантовата гравитация някои очаквани свойства на смущения може да са невъзможни. Кредит за изображение: Бенджамин Кроуел.

8.) В райони със силна кривина времето може да се превърне в пространство. Това може да се случи например вътре в черни дупки или при големия взрив. В такъв случай това, което сега познаваме като пространство-време с три измерения на пространството и едно измерение на времето, може да се трансформира в четириизмерно „евклидово” пространство.

Свързването на две отделни места в пространството или времето чрез дупка на дупка остава само теоретична идея, но е интригуваща възможност, която може да бъде не само важна, но може да бъде неизбежност в квантовата гравитация. Кредитно изображение: потребител на Wikimedia Commons Kes47.

9.) Космическото време може да бъде не локално свързано с миниатюрни преки пътища, обхващащи цялата Вселена. Такива нелокални връзки трябва да съществуват във всички подходи, чиято основна структура е негеометрична, като например графика или мрежа. Това е така, защото в такива случаи понятието „наблизо“ не е основно, а само извлечено и трябва да бъде несъвършено, така че понякога много отдалечени места да са свързани случайно.

Четиригранната верига на IBM Qubit, новаторски напредък в изчисленията, може да доведе до компютри, достатъчно мощни, за да симулират цяла Вселена. Но полето на квантовите изчисления все още е в начален стадий. Кредитна картина: IBM изследвания.

10.) Може да се окаже, че за да комбинираме квантовата теория с гравитацията, не трябва да актуализираме гравитацията, а самата квантова теория. Ако това е така, последствията могат да бъдат мащабни. Тъй като квантовата теория е в основата на всички електронни устройства и ако трябва да бъде променена, това може да отвори изцяло нови възможности.

Въпреки че квантовата гравитация често се разглежда като отдалечена теоретична идея, има много възможни начини за поставянето й на наблюдателен или експериментален тест. Вече бяха направени някои важни ограничения от извършването на същите тези наблюдения и измервания. Всички пътуваме през пространството и времето всеки ден. Разбирането му може да промени живота ни.

Starts With A Bang вече е на Forbes и е публикуван отново на Medium благодарение на нашите привърженици на Patreon. Итън е автор на две книги, „Отвъд галактиката“ и „Трекология: Науката за звездното пътуване от трикрилите до Warp Drive“.