Πρόβλημα χρόνου της κβαντικής βαρύτητας

Οι θεωρητικοί φυσικοί που προσπαθούν να ενοποιήσουν την κβαντική μηχανική και τη γενική σχετικότητα σε μια ολοκληρωμένη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας αντιμετωπίζουν αυτό που ονομάζεται «πρόβλημα του χρόνου».

Στην κβαντομηχανική, ο χρόνος είναι καθολικός και απόλυτος. τα σταθερά τσιμπούρια του υπαγορεύουν τις εξελισσόμενες εμπλοκές μεταξύ των σωματιδίων. Αλλά στη γενική σχετικότητα (θεωρία της βαρύτητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν), ο χρόνος είναι σχετικός και δυναμικός, μια διάσταση που είναι άρρηκτα συνυφασμένη με κατευθύνσεις x , y και z σε ένα τετραδιάστατο ύφασμα «χωροχρόνου». Το ύφασμα στρεβλώνει κάτω από το βάρος της ύλης, προκαλώντας την πτώση των κοντινών αντικειμένων προς το μέρος του (αυτό είναι η βαρύτητα) και επιβραδύνοντας το πέρασμα του χρόνου σε σχέση με τα ρολόγια που βρίσκονται μακριά. Ή πηδήξτε σε έναν πύραυλο και χρησιμοποιήστε καύσιμο αντί για βαρύτητα για να επιταχύνετε στο διάστημα και ο χρόνος διαστέλλεται. γερνάτε λιγότερο από κάποιον που έμεινε στο σπίτι.

Η ενοποίηση της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας απαιτεί τη συμφιλίωση των απόλυτων και σχετικών εννοιών τους για το χρόνο. Πρόσφατα, μια πολλά υποσχόμενη έρευνα για την κβαντική βαρύτητα παρείχε μια περίληψη του πώς μπορεί να μοιάζει η συμφιλίωση — καθώς και πληροφορίες για την αληθινή φύση του χρόνου.

Όπως περιέγραψα σε ένα άρθρο αυτή την εβδομάδα σχετικά με μια νέα θεωρητική προσπάθεια εξήγησης της σκοτεινής ύλης, πολλοί κορυφαίοι φυσικοί θεωρούν τώρα τον χωρόχρονο και τη βαρύτητα ως «αναδυόμενα» φαινόμενα:Bendy, ο καμπυλωτός χωροχρόνος και η ύλη μέσα σε αυτόν είναι ένα ολόγραμμα που προκύπτει από ένα δίκτυο μπερδεμένων qubits (κβαντικά bits πληροφοριών), όπως το τρισδιάστατο περιβάλλον ενός παιχνιδιού υπολογιστή κωδικοποιείται στα κλασικά bit ενός τσιπ πυριτίου. "Νομίζω ότι καταλαβαίνουμε τώρα ότι ο χωροχρόνος είναι πραγματικά μια γεωμετρική αναπαράσταση της δομής εμπλοκής αυτών των υποκείμενων κβαντικών συστημάτων", δήλωσε ο Mark Van Raamsdonk, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας.

Οι ερευνητές έχουν επεξεργαστεί τα μαθηματικά που δείχνουν πώς προκύπτει το ολόγραμμα σε σύμπαντα παιχνιδιών που διαθέτουν χωροχρονική γεωμετρία fisheye γνωστή ως χώρος «anti-de Sitter» (AdS). Σε αυτούς τους στρεβλωμένους κόσμους, οι χωρικές αυξήσεις γίνονται όλο και μικρότερες καθώς απομακρύνεστε από το κέντρο. Τελικά, η χωρική διάσταση που εκτείνεται από το κέντρο συρρικνώνεται σε τίποτα, αγγίζοντας ένα όριο. Η ύπαρξη αυτού του ορίου - το οποίο έχει μια λιγότερη χωρική διάσταση από τον εσωτερικό χωροχρόνο, ή "χύμα" - βοηθά τους υπολογισμούς παρέχοντας ένα άκαμπτο στάδιο στο οποίο μοντελοποιούνται τα μπλεγμένα qubits που προβάλλουν το ολόγραμμα μέσα. «Μέσα στο μεγαλύτερο μέρος, ο χρόνος αρχίζει να λυγίζει και να καμπυλώνεται με το χώρο με δραματικούς τρόπους», δήλωσε ο Brian Swingle των πανεπιστημίων Χάρβαρντ και Μπράντεις. «Κατανοούμε πώς να το περιγράψουμε με όρους «λάσπης» στο όριο», πρόσθεσε, αναφερόμενος στα μπερδεμένα qubits.

Οι καταστάσεις των qubits εξελίσσονται σύμφωνα με τον παγκόσμιο χρόνο σαν να εκτελούνται βήματα σε έναν κώδικα υπολογιστή, με αποτέλεσμα να δημιουργείται στρεβλό, σχετικιστικό χρόνο στο μεγαλύτερο μέρος του χώρου AdS. Το μόνο πράγμα είναι ότι δεν λειτουργεί ακριβώς έτσι στο σύμπαν μας.

Εδώ, το χωροχρονικό ύφασμα έχει μια γεωμετρία "de Sitter", που τεντώνεται καθώς κοιτάς στην απόσταση. Το ύφασμα εκτείνεται έως ότου το σύμπαν φτάσει σε ένα πολύ διαφορετικό όριο από αυτό στο χώρο του AdS:το τέλος του χρόνου. Σε εκείνο το σημείο, σε ένα γεγονός που είναι γνωστό ως «θάνατος από θερμότητα», ο χωροχρόνος θα έχει τεντωθεί τόσο πολύ που τα πάντα σε αυτόν θα αποσυνδεθούν αιτιακά από οτιδήποτε άλλο, έτσι ώστε να μην μπορούν ποτέ ξανά να ταξιδέψουν μεταξύ τους σήματα. Η γνωστή έννοια του χρόνου καταρρέει. Από εκεί και πέρα, δεν συμβαίνει τίποτα.

Στο διαχρονικό όριο της χωροχρονικής μας φυσαλίδας, οι εμπλοκές που συνδέουν qubits (και κωδικοποιούν το δυναμικό εσωτερικό του σύμπαντος) θα παρέμεναν πιθανώς ανέπαφες, αφού αυτοί οι κβαντικοί συσχετισμοί δεν απαιτούν την αποστολή σημάτων εμπρός και πίσω. Αλλά η κατάσταση των qubits πρέπει να είναι στατική και διαχρονική. Αυτή η συλλογιστική υποδηλώνει ότι κατά κάποιο τρόπο, όπως τα qubits στο όριο του χώρου AdS δημιουργούν ένα εσωτερικό με μια επιπλέον χωρική διάσταση, τα qubits στο διαχρονικό όριο του χώρου de Sitter πρέπει να δημιουργούν ένα σύμπαν με το χρόνο - δυναμικό χρόνο. συγκεκριμένα. Οι ερευνητές δεν έχουν ακόμη καταλάβει πώς να κάνουν αυτούς τους υπολογισμούς. "Στον χώρο de Sitter", είπε ο Swingle, "δεν έχουμε καλή ιδέα για το πώς να κατανοήσουμε την εμφάνιση του χρόνου."

Ένα στοιχείο προέρχεται από θεωρητικές γνώσεις που κατέληξαν οι Don Page και William Wootters τη δεκαετία του 1980. Ο Πέιτζ, τώρα στο Πανεπιστήμιο της Αλμπέρτα, και ο Γούτερς, τώρα στο Γουίλιαμς, ανακάλυψαν ότι ένα μπερδεμένο σύστημα που είναι σφαιρικά στατικό μπορεί να περιέχει ένα υποσύστημα που φαίνεται να εξελίσσεται από την οπτική γωνία ενός παρατηρητή μέσα του. Ονομάζεται «κατάσταση ιστορίας», το σύστημα αποτελείται από ένα υποσύστημα μπλεγμένο με αυτό που θα μπορούσατε να ονομάσετε ρολόι. Η κατάσταση του υποσυστήματος διαφέρει ανάλογα με το αν το ρολόι βρίσκεται σε κατάσταση όπου ο ωρολογιακός δείκτης δείχνει σε ένα, δύο, τρία κ.ο.κ. «Αλλά η όλη κατάσταση του συστήματος και του ρολογιού δεν αλλάζει στο χρόνο», εξήγησε ο Swingle. "Δεν υπάρχει χρόνος. Είναι απλώς το κράτος – δεν αλλάζει ποτέ». Με άλλα λόγια, ο χρόνος δεν υπάρχει παγκοσμίως, αλλά μια αποτελεσματική έννοια του χρόνου εμφανίζεται για το υποσύστημα.

Μια ομάδα Ιταλών ερευνητών απέδειξε πειραματικά αυτό το φαινόμενο το 2013. Συνοψίζοντας τη δουλειά τους, η ομάδα έγραψε:«Δείχνουμε πώς μια στατική, μπερδεμένη κατάσταση δύο φωτονίων μπορεί να θεωρηθεί ότι εξελίσσεται από έναν παρατηρητή που χρησιμοποιεί ένα από τα δύο φωτόνια ως ρολόι για να μετρήσει τη χρονική εξέλιξη του άλλου φωτονίου. Ωστόσο, ένας εξωτερικός παρατηρητής μπορεί να δείξει ότι η παγκόσμια εμπλεκόμενη κατάσταση δεν εξελίσσεται.»

Άλλες θεωρητικές εργασίες έχουν οδηγήσει σε παρόμοια συμπεράσματα. Γεωμετρικά μοτίβα, όπως το πλάτος, που περιγράφουν τα αποτελέσματα των αλληλεπιδράσεων των σωματιδίων υποδηλώνουν επίσης ότι η πραγματικότητα αναδύεται από κάτι διαχρονικό και καθαρά μαθηματικό. Ωστόσο, δεν είναι ακόμη σαφές πώς το πλάτος και η ολογραφία σχετίζονται μεταξύ τους.

Η ουσία, σύμφωνα με τα λόγια του Swingle, είναι ότι «κάπως, μπορείς να βγεις χρόνο από διαχρονικούς βαθμούς ελευθερίας χρησιμοποιώντας τη διαπλοκή».

Ο χρόνος θα δείξει.