Мы, наверное, все видели эксперимент: когда белый свет проходит через призму, он разделяется, образуя радугу. Это потому, что белый свет на самом деле представляет собой смесь фотонов разной энергии, и чем больше энергия фотона, тем больше он отклоняется призмой. Таким образом, мы можем сказать, что радуга возникает из-за того, что фотоны разной энергии воспринимают одну и ту же призму как обладающую немного разными свойствами.
В течение многих лет подозревалось, что частицы разных энергий в моделях квантовой вселенной по существу воспринимают пространство-время с немного другой структурой. Однако более ранние гипотезы основывались не на квантовой теории, а на догадках. В настоящее время группа физиков с физического факультета Варшавского университета во главе с профессором Ежи Левандовски сформулировала общий механизм, ответственный за возникновение такой пространственно-временной радуги.
«Два года назад мы сообщили, что в наших квантовых космологических моделях разные типы частиц ощущают существование пространств-времени с немного разными свойствами. Теперь выясняется, что ситуация еще более сложная.
Мы открыли действительно общий механизм, посредством которого ткань пространства-времени, ощущаемого данной частицей, должно варьироваться в зависимости не только от ее типа, но даже от ее энергии », — говорит профессор Левандовски.В текущем обсуждении варшавские физики используют космологическую модель, которая содержит всего два компонента: гравитацию и один тип материи. Согласно общей теории относительности, гравитационное поле описывается деформациями пространства-времени, тогда как материя представляется как скалярное поле (простейший тип поля, где каждой точке в пространстве присваивается только одно значение).«Сегодня существует множество конкурирующих теорий квантовой гравитации.
Поэтому мы сформулировали нашу модель в очень общих терминах, чтобы ее можно было применить к любой из них. Кто-то может предположить, что вид гравитационного поля, который на практике означает пространство-время, постулируется одной квантовой теорией, а кто-то другой может предположить другую.
Затем некоторые математические операторы в модели изменятся, но это не повлияет на природу происходящих в ней явлений », — говорит аспирант Андреа Дапор (UW Physics).Разработанная таким образом модель была затем квантована — другими словами, непрерывные значения, которые могут отличаться друг от друга на произвольно малую величину, были преобразованы в дискретные значения, которые могут отличаться только определенными интервалами (квантами). Исследование динамики квантованной модели показало удивительный результат: процессы, смоделированные с помощью квантовой теории в квантовом пространстве-времени, показали ту же динамику, что и в случае, когда квантовая теория имеет место в классическом непрерывном пространстве-времени, то есть такого типа, который мы знаем из повседневного опыта. .«Этот результат просто поразителен. Мы начинаем с нечеткого мира квантовой геометрии, где даже трудно сказать, что такое время, а что такое пространство, но явления, происходящие в нашей космологической модели, по-прежнему выглядят так, как если бы все происходило в обычном пространстве-времени. ! », — говорит аспирант Мехди Ассаниусси (UW Physics).
Дело приняло более интересный оборот, когда физики рассмотрели возбуждения в скалярном поле, которые интерпретируются как частицы. Расчеты показали, что в этой модели частицы, различающиеся по энергии, взаимодействуют с квантовым пространством-временем несколько иначе — так же, как фотоны разных энергий взаимодействуют с призмой несколько иначе. Этот результат означает, что даже эффективная структура классического пространства-времени, воспринимаемого отдельными частицами, должна зависеть от их энергии.Возникновение нормальной радуги можно описать с помощью показателя преломления, значение которого варьируется в зависимости от длины волны света.
В случае аналогичной радуги пространства-времени также была предложена аналогичная взаимосвязь: бета-функция, мера степени, в которой структура классического пространства-времени отличается от различных частиц. Эта функция отражает степень неклассичности квантового пространства-времени: в условиях, аналогичных классическим, она близка к нулю, тогда как в истинно квантовых условиях ее значение близко к единице.
Сегодня Вселенная находится в классическом состоянии, поэтому теперь значение бета должно быть близко к нулю, а оценки, выполненные другими группами физиков, действительно предполагают, что оно не превышает 0,01. Это небольшое значение для бета-функции означает, что в настоящее время радуга пространства-времени очень узкая и не может быть обнаружена экспериментально.Исследование теоретиков физики UW, финансируемое за счет грантов Польского национального научного центра, привело к еще одному интересному выводу.
Радуга пространства-времени — результат квантовой гравитации. Физики обычно разделяют мнение, что эффекты этого типа становятся видимыми только при гигантских энергиях, близких к энергии Планка, что в миллионы миллиардов раз превышает энергию частиц, которые сейчас ускоряются на Большом адронном коллайдере (LHC). Однако значение бета-функции зависит от времени, и в моменты, близкие к Большому взрыву, оно могло быть намного выше.
Когда бета близка к единице, радуга пространства-времени значительно расширяется. В результате в таких условиях эффект радуги квантовой гравитации потенциально может наблюдаться даже при энергиях частиц, в сотни раз меньших, чем энергия протонов в современном LHC.