Kvantetyngdekraft forsøger at kombinere Einsteins generelle relativitetsteori med kvantemekanik. Kvantekorrektioner af klassisk tyngdekraft visualiseres som sløjfediagrammer som den her vist i hvidt. Billedkredit: SLAC National Accelerator Lab.

10 rumstidsmysterier, som kvantetyngdekraften kunne løse

Der er masser af spørgsmål, som vi ikke kender svaret på. Med kvantetyngdekraft kan de muligvis løses!

Denne artikel er skrevet af Sabine Hossenfelder. Sabine er en teoretisk fysiker, der er specialiseret i kvantetyngdekraft og højenergifysik. Hun skriver også freelance om videnskab.

Einsteins teori om generel relativitet, hvor tyngdekraften er forårsaget af rumtidens krumning, er fantastisk. Det er blevet bekræftet til et utroligt højt præcisionsniveau, der i nogle tilfælde strækker sig til femten betydelige tal. En af dens mest fantastiske forudsigelser er eksistensen af ​​tyngdekraftsbølger: små forstyrrelser i rumtiden, der bevæger sig frit. Disse meget bølger detekteres nu regelmæssigt ved LIGO / VIRGO-eksperimenterne.

Men vi ved, at den generelle relativitet er ufuldstændig. Det fungerer godt, når kvanteeffekterne af rumtid er små, hvilket næsten altid er tilfældet. Men når rumtidens kvanteeffekter bliver store, har vi brug for en bedre teori: en teori om "kvantetyngdekraft".

En illustration af det tidlige univers som bestående af kvanteskum, hvor kvantesvingningerne er store, varierede og vigtige på den mindste skala. Billedkredit: NASA / CXC / M.Weiss.

Da vi endnu ikke kender teorien om kvantetyngdekraft, ved vi ikke rigtigt, hvad rum og tid er. Vi har flere kandidatteorier for kvantetyngdekraft, men ingen af ​​dem er generelt accepteret. Ikke desto mindre kan vi på baggrund af de eksisterende tilgange spekulere, hvad der kan ske med rum og tid i en teori om kvantetyngdekraft. Her har jeg samlet de ti mest forbløffende spekulationer til dig:

1.) I kvantetyngdekraft forventer vi, at rumtid vil svinge vildt, selv i fravær af stof. I kvanteverdenen hviler vakuumet aldrig, og heller ikke tid og tid.

På de mindste kvanteskalaer er universet måske fyldt med små, mikroskopiske, sorte huller med lav masse. Disse huller kunne forbinde eller strække sig indad i meget interessante mode. Billedkredit: NASA.

2.) Kvanterummet kan være fuldt med mikroskopiske sorte huller. Stadig mere uhyggelig kan det have ormehuller eller give anledning til babyunivers, som er små bobler, der klemmer sig ud af moderuniverset.

3.) Og da dette er en kvante teori, kunne rum-tid gøre alle disse ting samtidig! Det kunne både skabe et babyunivers og ikke skabe et på samme tid.

Stof af rumtid er måske slet ikke et stof, men kan være lavet af diskrete komponenter, der kun forekommer som et kontinuerligt stof for os i større, makroskopiske skalaer.

4.) I de fleste tilgange til kvantetyngdekraft er rumtid ikke grundlæggende, men lavet af noget andet. Det kan være strenge, sløjfer, qbits eller en eller anden variant af rum-tid “atomer”, der vises i kondenseret-baserede tilgange. De enkelte bestanddele kan imidlertid kun løses, når de sonderes med ekstremt høje energier, langt ud over, hvad vi kan opnå på Jorden.

5.) I nogle af de kondenserede stoffer, der er baseret på kondenseret stof, har rumtid egenskaber som et fast stof eller en væske, så det kan være elastisk eller have viskositet. Hvis dette er tilfældet, kan dette føre til observerbare konsekvenser. Fysikere søger i øjeblikket efter sådanne effekter ved at studere messengerpartikler, fx lys eller elektroner, der når os langt væk i kosmos.

Skematisk animation af en kontinuerlig lysstråle, der spredes af et prisme. I nogle ideer, der er relevante for kvantetyngdekraften, kan rummet i sig selv fungere som et spredende medium for forskellige bølgelængder af lys. Billedkredit: LucasVB / Wikimedia Commons.

6.) Rumtid kan påvirke, hvordan lys bevæger sig gennem det. Det er måske ikke helt gennemsigtigt, eller lys i forskellige farver kan rejse med forskellige hastigheder, en effekt kendt som "spredning". Hvis det kvante rum-tid påvirker spredningen af ​​lys, kan dette også være observerbart i fremtidige eksperimenter.

7.) Rumtidsudsving kan ødelægge lysets evne fra fjerne kilder til at skabe interferensmønstre. Denne effekt er blevet set efter og ikke fundet, i det mindste ikke indtil videre og ikke i det synlige interval.

Lys, uanset om den passeres gennem to tykke spalter (øverst), to tynde spalter (midt) eller en tyk spalte (bund) viser tegn på interferens, der peger på en bølgelignende natur. Men i kvantetyngdekraft kan nogle forventede interferensegenskaber være umulige. Billedkredit: Benjamin Crowell.

8.) I regioner med stærk krumning kan tiden muligvis forvandle sig til rummet. Dette kan f.eks. Ske inden i sorte huller eller ved big bang. I et sådant tilfælde kan det, vi nu kender som en rumtid med tre dimensioner af rummet og en tidsdimension, omdanne til et firedimensionelt “Euklidisk” rum.

Forbindelse mellem to forskellige placeringer i enten rum eller tid via et ormhul forbliver kun en teoretisk idé, men er en spændende mulighed, der måske ikke kun er vigtig, men kan være en uundgåelighed i kvantetyngdekraften. Billedkredit: Wikimedia Commons bruger Kes47.

9.) Rumtid kan være ikke-lokalt forbundet med små genveje, der spænder over hele universet. Sådanne ikke-lokale forbindelser skal findes i alle tilgange, hvis underliggende struktur er ikke-geometrisk, såsom en graf eller et netværk. Dette skyldes, at i sådanne tilfælde begrebet "i nærheden" ikke er grundlæggende, men kun afledt, og det skal være ufuldstændigt, så lejlighedsvis forbindes meget fjerne steder ved et uheld.

IBMs Four Qubit Square Circuit, et banebrydende fremskridt inden for beregninger, kunne føre til computere, der er kraftige nok til at simulere et helt univers. Men kvanteberegningsfeltet er stadig i sin vorden. Billedkredit: IBM-forskning.

10.) Det kan være, at vi ikke behøver at opdatere tyngdekraften, men kvanteteorien i sig selv for at kombinere kvanteteori med tyngdekraften. Hvis dette er tilfældet, kan konsekvenserne være vidtrækkende. Fordi kvante teori ligger til grund for alle elektroniske enheder, og hvis det skal ændres, åbner dette muligvis helt nye muligheder.

Selvom kvantetyngdekraft ofte ses som en fjern teoretisk idé, er der mange mulige veje til at sætte den på en observations- eller eksperimentel prøve. Der er allerede fået nogle vigtige begrænsninger fra at foretage de samme observationer og målinger. Vi rejser alle gennem rumtid hver dag. At forstå det kunne ændre vores liv.

Starts With A Bang er nu på Forbes og genudgivet på Medium takket være vores Patreon-tilhængere. Ethan har skrevet to bøger, Beyond The Galaxy, ogTreknology: The Science of Star Trek fra Tricorders til Warp Drive.