Pojawił się pomysł na połącznie teorii Einsteina i mechaniki kwantowej. Tempo upływu czasu może skakać?
Czy da się stworzyć uniwersalną teorię fizyczną, która łączyłaby grawitację z mechaniką kwantową? Na razie to się nie udaje. Jednak nowa teoria zaproponowana przez naukowców z Kolegium Uniwersyteckiego w Londynie atakuje problem z zupełnie innej strony.
W tym artykule:
- Zagadki świata kwantów
- Święty Graal fizyki – połączenie teorii względności i kwantowej
- Nowy pomysł na teorię uniwersalną
- Załamanie przewidywalności
- Eksperyment ma dowieść słuszności teorii
Ogólna teoria względności Alberta Einsteina święci triumfy już od ponad stu lat. Dzięki niej udało się przewidzieć m.in. istnienie czarnych dziur i opisać początki Wszechświata. Einstein miał rewolucyjny pomysł: grawitacja nie działa jak wszystkie inne siły, ale ugina czasoprzestrzeń. Potężny obiekt – taki jak np. Słońce – sprawia, że planety krążą wokół niego w zakrzywionej czasoprzestrzeni. Potężne siły grawitacji wpływają również na czwarty wymiar: czas. Może on biec w różnym tempie w zależności od miejsca we Wszechświecie. Pokazano to m.in. w filmie „Interstellar”.
Wszystkie elementy teorii Einsteina mają wspólny mianownik: jest nim przewidywalność. Ogólna teoria względności pozwala dokonywać precyzyjnych pomiarów i na ich podstawie formułować wnioski o tym, co się działo i co jeszcze zdarzy się w kosmosie. Jej przeciwieństwem jest druga wielka teoria fizyczna XX wieku: mechanika kwantowa. U jej podstaw leży zupełnie przeciwne założenie, niż przyjął Einstein. Głosi ono, że światem najmniejszych składowych materii – cząstek elementarnych – rządzi nieoznaczoność.
Zagadki świata kwantów
Czy jest elektron? Na to niby proste pytanie odpowiedź może być bardzo skomplikowana. Jeśli spróbujemy ustalić, gdzie znajduje się elektron, zachowuje się on jak cząstka. W innym przypadku – pozostawiony sam sobie – przypomina falę. Co więcej, z zasady nieoznaczoności Heisenberga wynika, że w żadnych okolicznościach nie dowiemy się o elektronie wszystkiego. Możemy poznać jego położenie lub prędkość. Jednak nie obie te rzeczy naraz.
Wszechświat jest dwa razy starszy niż dotychczas sądziliśmy. Sensacyjna hipoteza fizyków
Naukowiec z kanadyjskiego uniwersytetu uważa, że Wszechświat może mieć 26,7 mld lat. A nie 13,8 mld, jak się obecnie przyjmuje. Badacz uzyskał taki wynik, sięgając po teorię naukową zarz...
Mechaniką kwantową rządzą niewiadome, immanentne składowe tej teorii. Wydaje się ona całkowitym przeciwieństwem einsteinowskiej teorii grawitacji. Ma jednak z nią coś wspólnego. To sprawdzalność. Zasady mechaniki kwantowej zostały wielokrotnie dowiedzione eksperymentalnie. Zupełnie tak samo jak teoria grawitacji.
Święty Graal fizyki – połączenie teorii względności i kwantowej
Nic dziwnego, że naukowcy od dawna próbują połączyć obie te teorie. Okazało się to jednak nadzwyczaj trudne. Matematyka jednej nie „skleja się” z matematyką drugiej. Jak bardzo jest to skomplikowane, opisuje książka Rogera Penrose’a „Moda, wiara i fantazja w nowej fizyce Wszechświata”. Mimo to badacze próbują stworzyć tzw. kwantową teorię grawitacji.
Na razie kandydatki na tę teorię wszechrzeczy są dwie. Jedna to rozwijana od kilku dziesięcioleci teoria strun. Zakłada ona, że wymiarów jest więcej niż cztery, a cząstki to struny drgające w 11 albo nawet 26 wymiarach. Jej mniej znana konkurentka to pętlowa grawitacja kwantowa, opracowana m.in. przez Carla Rovelliego. Tu z kolei przyjęto założenie, że czasoprzestrzeń składa się ze splecionych, skończonych węzłów, które stanowią jakby włókienka w tkaninie materii.
Nowy pomysł na teorię uniwersalną
Obie te teorie mają wspólną cechę. Próbują „skwantować” grawitację. A może jednak wcale nie należy tego robić? Może czasoprzestrzeń jest klasyczna – jak chciał Einstein – i nie należy doszukiwać się w niej żadnych manifestacji świata kwantowego?
Tak właśnie uważa prof. Jonathan Oppenheim z Kolegium Uniwersyteckiego w Londynie (UCL). Na łamach czasopisma naukowego „Physical Review X” opublikował on pracę, w której proponuje zupełnie nową kandydatkę na teorię unifikacji. To tzw. postkwantowa teoria klasycznej grawitacji. Rewolucyjnie postuluje ona, że należy odrzucić założenie przewidywalnego upływu czasu. Oppenheim proponuje, by przyjąć, że tempo upływu czasu w kosmosie może się zmieniać w sposób przypadkowy.
− Tempo upływu czasu zmienia się losowo i waha w czasie – mówi Oppenheim cytowany przez „Guardiana”. Dodaje jednak, że czas nigdy nie cofałby się.
Załamanie przewidywalności
Taki pomysł ma jedną ważną konsekwencję. Powoduje mianowicie, że przestaje istnieć założona przez Einsteina przewidywalność. Jej brak jest fundamentem nowej teorii. I to natychmiast wywołało kontrowersje.
− Spekulacje są mile widziane, zwłaszcza jeśli można je przetestować – zauważył prof. Rovelli na łamach „Guardiana”. − Ale większość spekulacji okazuje się błędna. To dobrze, że Oppenheim bada tę możliwość (…). Jednak wielkie twierdzenia o „nowej teorii łączącej grawitację Einsteina z mechaniką kwantową” wydają mi się nieco przesadzone – skomentował naukowiec.
Zgodnie z naukową tradycją Rovelli oraz Geoff Penington, orędownik teorii strun, założyli się z Oppenheimem o to, że jego teoria jest fałszywa. Naukowcy przyjęli, że szanse na to wynoszą 5000:1. Zgodnie ze spisanymi regułami zakładu, jeśli Oppenheim udowodni, że ma rację, otrzyma 5000 przedmiotów własnego wyboru. Takich, z których każdy 21 stycznia 2021 r. nie było warty więcej niż 20 pensów. Jeśli przegra, a czasoprzestrzeń okaże się jednak kwantowa, zwycięzcy otrzymają po jednym takim przedmiocie.
Eksperyment ma dowieść słuszności teorii
Co ciekawe, ten zakład może zostać w przyszłości rozstrzygnięty. Na łamach czasopisma „Nature Communications” ukazała się bowiem jednocześnie praca, w której Zach Weller-Davies, były doktorant Oppenheima, proponuje, jak udowodnić jego teorię.
Weller-Davies zakłada, że jeśli tempo upływu czasu losowo fluktuuje, musi to znajdować odbicie w zmianach zachodzących w całej czasoprzestrzeni. A dokładnie – w masie różnych obiektów. Na przykład standard kilograma mierzony w różnych momentach może mieć nieznacznie mniejszą lub większą wagę. Jeśli udałoby się wykazać, że jego masa nie jest stała, tylko zmienia się w określonym zakresie, byłby to dowód na prawdziwość koncepcji Oppenheima.
Słynna teoria Hawkinga o czarnych dziurach potwierdzona
Jedno z najsłynniejszych twierdzeń Stephena Hawkinga zostało właśnie udowodnione na podstawie falowania czasoprzestrzeni spowodowanego połączeniem się dwóch odległych czarnych dziur.
To nie koniec propozycji eksperymentalnych. Naukowcy uważają, że losowe fluktuacje czasoprzestrzeni dałoby się również uchwycić, wprowadzając ciężkie atomy znajdujące się w dwóch różnych miejscach w stan kwantowej superpozycji.
Pierwszy z proponowanych testów jest prosty koncepcyjnie. Oba wymagają niezwykłej precyzji. − Eksperymenty mające na celu sprawdzenie natury czasoprzestrzeni będą wymagały wysiłku na dużą skalę. Jednak mają ogromne znaczenie dla zrozumienia podstawowych praw natury – komentuje prof. Sougato Bose z UCL. − Wierzę, że są w zasięgu ręki.
Co to oznacza? – Być może poznamy odpowiedź w ciągu najbliższych 20 lat – dodaje badacz. Trzech uczestników zakładu 5000:1 musi więc uzbroić się w cierpliwość. A wszyscy czekający na teorię rozwijającą koncepcje Alberta Einsteina – wraz z nimi.
Źródła:
Nasz ekspert
Magdalena Salik
Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com