#9 Kwantowa Natura Czasoprzestrzeni, czyli pokaż Schroedingera Kotku, co masz w środku

Witajcie ponownie!

Skoro powiedziało się już tyle słów na tematy kwantopodobne, należy powiedzieć także B. Nie jestem dobry z przysłów, ale chyba rozumiecie, o co chodzi. Nie mogę zostawić Czytelników w tak wielkim głodzie wiedzy, jaki sam wywołałem. Dlatego reaktywuję się, mam nadzieję, że na dłużej. Do dzieła!

1. - Diesel, to jaki w końcu jest ten Wszechświat? Ma strukturę ciągłą czy dyskretną? - Yyy... Jest duży.

To pytanie spędza sen z powiek fizykom od wielu lat. W najmniejszej możliwej skali, Wszechświat musi okazać się 'jakiś': złożony z małych, niepodzielnych cząstek (dyskretny), albo analogowy - nie ma czegoś takiego jak najmniejszy możliwy element i możemy pomniejszać nasz zoom w nieskończoność. Chętnych do zapoznania się z podobnym tematem zapraszam do posta o Długości Plancka. My idźmy dalej: nie mamy obecnie, nawet przy stworzeniu Wielkiego Zderzacza Hadronów w Genewie, rozpędzającego cząstki do prędkości bliskiej świetlnej, zderzającego je, odkrywającego bozony Higgsa, technologii zdolnej dostrzec czegoś w skali subatomowej. Jeden z najsilniejszych mikroskopów to STEHM (Scanning Transmission Electron Holography Microscope) znajdujący się na University of Victoria w Kanadzie. Ten kosztujący 27 milionów dolarów, ważący 7 ton i mierzący 4,5 metra sprzęt pozwala oglądać rzeczywistość w pikoskali. Pikometr to jedna bilionowa metra. STEHM pozwala przyjrzeć się z bliska atomom, których rozmiary wahają się między 62 a 520 pikometrów.

2. Kwantowy Samolub, czyli Niepodzielny Elektron ;)

To jednak za mało, aby poznać strukturę czasoprzestrzeni. Już elektron jest sporą i nierozwiązaną dotąd zagadką, która pojawia się w podróży do coraz mniejszych skal. W zderzeniach cząstek traktowanych klasycznie, elektron zachowuje się jak kulka o średnicy ~2,8 x 10^-15m (klasyczny promień elektronu, podawany w tablicach fizycznych).

Niestety, jest to tylko teoretyczne założenie, a nie fakt. Przy doświadczeniach z elektronami 'usidlonymi' w silnym polu magnetycznym fizycy doszli do wniosku, że promień elektronu jest mniejszy niż 10^-22m. Dlatego klasyczne pojęcie rozmiaru liniowego elektronu nie ma sensu, ponieważ rozbieżność między teorią a doświadczeniem jest zbyt duża. Gdzieś tkwi haczyk. Gdzie? Eksperymenty rozpraszania elektronów zdają się sugerować, że elektron nie ma struktury wewnętrznej! To oznacza także, że nie ma rozmiarów liniowych... A to z kolei wskazuje na fakt, jaki od pewnego jest forsowany w środowisku naukowym: elektron to cząstka punktowa, zerowymiarowa, niepodzielna (o wymiarach, szczególnie tych wyższych, możecie poczytać tutej: 4D). Do bólu elementarna, można powiedzieć. A jednocześnie bardzo enigmatyczna, ponieważ, jak napisałem wcześniej, nie możemy podglądać czasoprzestrzeni i materii w tej skali w wersji 'live'.

3. Czarna dziura na Ziemi?

Wiemy obecnie, że aby dostrzec obraz w skali Plancka (10^-35 metra), musielibyśmy okiełznać energię, która byłaby tak olbrzymia, że spowodowałaby kolaps danego fragmentu czasoprzestrzeni do czarnej dziury. Mikroskopijnej czarnej dziury oczywiście, czyli takiej, która nie wessałaby Ziemi, Ziemian, ich psów i koni, orangutanów i nietoperzy. Ale owa czarna dziura posiadałaby horyzont zdarzeń, czyli, krótko mówiąc, nie moglibyśmy zajrzeć do środka tego Kwantowego Kotka. Ten i inne paradoksy implikują stwierdzenie, że podstawa istnienia czasu i przestrzeni wynika z jakiegoś głębszego kwantowego zjawiska.

Dlatego nadal struktura czasoprzestrzeni pozostaje zagadką. W jaki sposób dyskretne, niepodzielne elementy są podstawą istnienia ciągłej, możliwej do opisania przez teorię względności, czasoprzestrzeni? Istnieje kilka hipotez, które mają ambicję tłumaczyć wspomniane zagadnienie. Przyjmuję oczywiście zyskujące coraz więcej zwolenników założenie, że czas i przestrzeń mogą mieć naturę dyskretną.

4. Holografia, czyli 'Mamo, proszę, powiedz, że istnieję naprawdę, a w blogach i Internetach kłamią...'

Pewnie już kombinujecie, a ja nawet chyba wiem, jak :) Hologram, czyli coś, co w istocie jest dwuwymiarowe, a udaje trójwymiarowe. Na dodatek dobrze mu to wychodzi, bo efekt wizualny hologramu jest czasami niesamowity. I podobnie jest w koncepcji holograficznej natury czasoprzestrzeni. Zasada zakłada, że Wszechświat to czterowymiarowa projekcja trójwymiarowej struktury, leżącej u jej podstaw.

Można też, tak jak Renate Loll, profesor fizyki teoretycznej z Radboud University of Nijmegen, pójść krok dalej. Pani naukowiec zajmuje się grawitacją kwantową (oddziaływaniem grawitacyjnym w mikroskali, teorią do tej pory jeszcze niekompletną i nie w pełni sformułowaną) i bada wymiarowość przestrzeni. Jej dociekliwe eksperymenty dotyczą symulacji komputerowych, które zakładają istnienie pewnych punktów w przestrzeni i 'sklejanie' ich za pomocą grawitacji. Jako wynik otrzymuje ona mikroskopijne przestrzenie, albo nawet, będąc śmiałym adeptem nauk tajemnych, ośmielę się stwierdzić - wszechświaty. Pani profesor postawiła sobie w momencie uzyskania już kompletnych przestrzeni pytanie na temat wymiarowości tychże. Posłużyła się tutaj przykładem z atramentem. Można wstrzyknąć jego kroplę do szklanki z wodą i zaobserwować, że rozprzestrzeni się on w trzech wymiarach. Gdy atrament dostanie się na kartkę papieru, rozprowadzi się w wymiarach dwóch, po powierzchni. I teraz wisienka na torcie, ale to już po bloku reklamowym.

Jedz jedzenie! Pij picie!

Wracamy po reklamach. Gdy Renate Loll w swojej symulacji komputerowej Wszechświata 'wstrzyknęła' ów cyfrowy atrament, okazało się, że w bardzo małej skali wypełnia on znacznie mniejszą objętość niż oczekiwano. To prowadzi do szokujących wniosków: wymiarowość przestrzeni jest mniejsza niż 3! Przestrzeń w nanoskali ma postać jednowymiarowych linii!

Powyższy przykład bardzo ładnie łączy się z holografią: struktura o niższych wymiarach 'wyprodukowała' wyżej-wymiarową przestrzeń.

5. Amplituhedron (kto zapamięta, ba, wymówi poprawnie nazwę, może zgłosić się do autora bloga po nagrodę ;))

Tak, wiem, używam słów, których znaczenia nie rozumiem. Ale tak jest mądrzej ;)

Co to takiego?

Jest to skomplikowany, wielopostaciowy obiekt geometryczny, który bardzo upraszcza obliczenia oddziaływania, a w szczególności zderzenia cząstek. Kalkulacje kolizji cząstek, które kiedyś zajmowały setki linijek, dziś upraszczają się do obliczenia objętości amplituhedronu czyli do równowartości jednego wyrażenia. To, czym kiedyś zajmowały się komputery, dziś można policzyć na papierze!

Odkrycie tego obiektu geometrycznego wskazuje na fakt, że zwykły obraz cząstek zderzających się w czasie i przestrzeni (oraz wzory probabilistyczne do przewidywań wyniku zderzeń) jest tylko swoistą konstrukcją. Konstrukcją, która wyłania się jako konsekwencja prostszej, bardziej podstawowej geometrii, w której nie ma sensu pojęcie czasu albo przestrzeni. Od czasu jego odkrycia, amplituhedron jest jaskółką, która czyni wiosnę jeśli chodzi o poszukiwanie kwantowej teorii grawitacji.

Badania amplituhedronu doprowadziły do zaskakujących wniosków. Cechy takie jak czas i przestrzeń nie budują rzeczywistości, one są niejako konsekwencją istnienia i właściwości geometrii tego misternego obiektu. Analiza jego atrybutów uczyniły jasnym, dlaczego cząsteczki zdają się poruszać w trzech wymiarach przestrzeni i zmieniać się w czasie. Szokującym może wydawać się fakt, że to, co oglądamy na co dzień, materię, energię, cały Wszechświat, jest tylko konsekwencją geometrii... :)

6. Epilog.

Temat kwantowej natury czasoprzestrzeni jest bardzo szeroki, mi, w tym tutaj oto poście, udało się zaledwie liznąć wierzchołek góry lodowej, i to przez szybkę. Na pewno można by wspomnieć choćby o pianie kwantowej... Hej, hej! Chwileczkę! Czyżbym miał temat na część dalszą maltretowania Waszych biednych mózgów? Hej, hej! Chwileczkę! Czyżbym niechcący zdradził temat kolejnego posta? ;)

Do zobaczenia wkrótce!

7. Epilog epilogu.

Nagrodą za prawidłowe wymówienie nazwy 'amplituhedron' jest tygodniowy pobyt na mojej działce, jako że mamy lato i wakacje. Skoszenie trawy mile widziane ;)