Tęczowa czasoprzestrzeń

Chyba wszyscy widzieli szkolny eksperyment, w którym białe światło przechodząc przez pryzmat rozczepia się tworząc tęczę. To dlatego, że światło białe jest w istocie mieszaniną fotonów o różnych energiach, a im większa jest energią fotonu, tym bardziej jest on odchylany przez pryzmat. Tak więc, można powiedzieć, że tęcza powstaje, ponieważ fotony o różnych energiach „odczuwają” ten sam pryzmat jakby miał on nieco inne właściwości. Od lat została ona podejrzewa, że ​​cząstki o różnych energiach w kwantowych modelach wszechświata zasadniczo „odczuwają” czasoprzestrzeń w nieco innych sposób. Wcześniejsze hipotezy nie zostały jednak uzyskane z teorii kwantowej, ale opierały się na domysłach. Obecnie grupa fizyków z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, kierowana przez profesora Jerzego Lewandowskiego, sformułowała ogólny mechanizm odpowiedzialny za pojawienie się takiej czasoprzestrzennej „tęczy”.

„Dwa lata temu pisaliśmy, że w naszych kwantowych modelach kosmologicznych, różne rodzaje cząstek mogą „czuć” istnienie czasoprzestrzeni o nieco odmiennych właściwościach. Teraz okazuje się, że sytuacja jest jeszcze bardziej skomplikowana. Odkryliśmy bowiem mechanizm, w którym czasoprzestrzeń odczuwana przez daną cząstkę może zależeć nie tylko od jej rodzaju, ale nawet od jej energii ” – mówi prof. Lewandowski.

W obecnej dyskusji fizycy z Warszawy używają modelu kosmologicznego, który zawiera tylko dwa elementy: grawitację i jeden rodzaj materii. Zgodnie z ogólną teorią względności, pole grawitacyjne jest opisane przez deformacje czasoprzestrzeni, natomiast materia jest reprezentowana jako pole skalarne (najprostszy typ pola, gdzie każdy punkt w przestrzeni ma przypisaną tylko jedną wartość „natężenia” pola).
Obecnie istnieje wiele konkurujących ze sobą teorii grawitacji kwantowej dlatego naukowcy sformułowali swój model w sposób bardzo ogólny, tak, że może on być stosowany do dowolnej z nich. Zmieniając kwantowe teorie pola grawitacyjnego, niektóre operatory matematyczne w modelu będą również się zmieniać, ale nie zmienia się charakter zjawisk w nim zachodzących.

Opracowany model został skwantowany – innymi słowy wielkości fizyczne, które mogą zmieniać się w sposób ciągły przekształcono w wartości dyskretne, które mogą się różnić tylko o określone odstępy (kwanty). Badania dynamiki kwantowej modelu ujawniły niesamowity wynik: Procesy modelowane za pomocą teorii kwantowej w czasoprzestrzeni kwantowej wykazują taką samą dynamikę jak w klasycznej ciągłej czasoprzestrzeni czyli takiej, jaką znamy z codziennego doświadczenia.

„Wynik ten jest po prostu zdumiewający. Zaczynamy od rozmytego świata geometrii kwantowej, gdzie jest nawet trudno powiedzieć, czym jest czas i przestrzeń, ale zjawiska zachodzące w naszym modelu kosmologicznym nadal wyglądają tak, jakby wszystko działo się w zwykłej czasoprzestrzeni !” – mówi doktorant Mehdi Assanioussi

Sprawy przybrały bardziej interesujący obrót, gdy fizycy przyjrzeli się wzbudzeniom w pola skalarnego, które są interpretowane jako cząstki. Obliczenia wykazały, że w tym modelu, cząsteczki, które różnią się pod względem energetycznym wchodzą w interakcje z czasoprzestrzenią kwantową nieco inaczej – podobnie jak fotony o różnych energiach oddziałują z pryzmatem nieco inaczej. Wynik ten oznacza, że ​​nawet efektywna struktura klasycznej czasoprzestrzeni mierzonej przez poszczególne cząstki musi zależeć od ich energii.

Występowanie normalnej tęczy można określić w kategoriach wskaźnika załamania, którego wartość zmienia się w zależności od długości fali światła. W przypadku analogicznej czasoprzestrzennej tęczy zaproponowano podobny związek: funkcję (współczynnik) nazwano beta i jest ona miarą stopnia, w jakim struktura klasycznej czasoprzestrzeni doświadczana przez różne cząstki się różni. Funkcja ta odzwierciedla stopień „nieklasyczności” czasoprzestrzeni: w warunkach zbliżonych do klasycznej, jest on bliski zeru, podczas gdy w warunkach prawdziwie kwantowych jego wartość jest bliska jedności. Dziś Wszechświat jest w stanie klasycznym jak, więc teraz wartość beta powinna być bliska zeru, a szacunki dokonane przez inne grupy fizyków rzeczywiście sugerują, że nie przekracza ona 0,01. Ta mała wartość funkcji beta oznacza, że ​​obecnie czasoprzestrzenna tęcza jest bardzo wąska i nie może być wykryta eksperymentalnie.

Badania przeprowadzone przez teoretyków UW fizyka, finansowanych z dotacji Narodowego Centrum Nauki w Polsce, przyniosły kolejny ciekawy wniosek. Czasoprzestrzenna tęcza jest wynikiem grawitacji kwantowej. Fizycy ogół podzielają pogląd, że efekty tego typu stają się widoczne tylko przy gigantycznych energii w pobliżu energii Plancka – miliony miliardów razy przewyższającą energię cząstek obecnie przyspieszonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC).

Udostępnij
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Dodaj komentarz