Silmukkakvanttigravitaatio: Rakentuuko aika-avaruus pienistä palasista?

 

Onko aika-avaruudella olemassa perusyksikkö, jossain käsittämättömän pienessä mittakaavassa?

Kvanttimekaniikan yhdistäminen yleiseen suhteellisuusteoriaan on fysiikan perimmäinen unelma – tai painajainen. Se olisi tapa vihdoin kuvata painovoiman voimaa kvanttimekaniikan työkaluilla, avaamalla kuinka painovoima toimii ollessaan todella vahva ja todella pienissä mittakaavoissa.

Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria kertoo meille, että avaruuden ja ajan kaareutuminen on se, minkä koemme painovoimana. Kvanttimekaniikka kertoo meille, että se minkä koemme luonnonvoimina, todella tulee erillisinä, pieninä paloina, jotka tunnetaan nimellä kvantti.

Joten jos painovoima on aika-avaruuden kaareutumista, painovoima on voima ja kaikki voimat ovat kvantittuneita, ehkä aika-avaruus itsessäänkin on olemassa erillisinä, pieninä lohkoina. Ehkä aika-avaruudella on olemassa jakamattomat (muinaiskreikaksi: τόμος tomos 'osa' ~ ἄτομος atomos 'jakamaton') perusyksiköt jossain käsittämättömän pienessä mittakaavassa.

Yksi hankalimmista asioista, joista yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka ovat eri mieltä, on aika-avaruuden rooli fysiikassa. Kvanttimekaniikalle aika-avaruus on vain tausta, kulissi, lattia, pakkaus kaikille mielenkiintoisille vuorovaikutuksille, joista muodostuu maailmankaikkeuden fysiikka. Kyllä, tuo kulissi voi taipua ja vääristyä, ja että taipuminens ja vääristyminen vaikuttavat hiukkasten polkuihin - mutta siinä kaikki. Kaikki fysiikka tapahtuu tuon taustalla olevan aika-avaruuden "päällä".

Jopa säieteoria - jota väitetään "kaiken teoriaksi", jossa kaikki hiukkaset ja voimat ovat pieniä väräjäviä säikeitä - olettaa taustalla olevan aika-avaruuden olemassaolon toimiakseen. Joten se tekee siitä teorian melkein kaikelle.

Yleisen suhteellisuuden kannalta aika-avaruus ei kuitenkaan ole toimijoiden taustavaihe, vaan se on toimija. Yleinen suhteellisuus ei oleta taustaa, vaan se luo sen. Yleinen suhteellisuus on aika-avaruuden kaareutumisen kieli, ja tämä kaareutuminen synnyttää painovoiman fysiikan.

Kun pyrkiessämme yhdistämään kvanttimekaniikan ja painovoiman meidän ehkä pitäisi ottaa Einsteinin teoria kirjaimellisesti. Jos painovoima yksinkertaisesti on aika-avaruuden mekaniikkaa, niin etsiäksemme kvanttiteoriaa painovoimasta meidän on todella etsittävä kvanttiteoriaa aika-avaruudesta. Jos voimme avata sen kvantittumisen, päädymme oletusarvoisesti painovoiman kvanttiteoriaan ja ongelma ratkeaa.

Tätä lähestymistapaa kutsutaan silmukkakvanttipainovoimaksi. Sana "silmukka" näkyy nimessä, koska teorian perusta perustuu Einsteinin yleisen suhteellisuusperiaatteen uudelleenkirjoittamiseen janojen suhteen (pisteiden sijasta, kuten se yleensä tehdään). Se ei muuta lainkaan fysiikkaa, mutta helpottaa joitakin laskelmia, varsinkin kun on kyse aika-avaruuden kvantittumisesta.

Mitä tarkoittaa aika-avaruuden kvantittuminen? Se tarkoittaa, että on olemassa pienin mahdollinen perusyksikkö, erillinen pala aika-avaruutta, joka esiintyy jossakin huomaamattoman pienessä mittakaavassa. Jos zoomaisit tähän näyttöön, kirjainten sileät käyrät ja puhtaat reunat paljastuisivat suureksi määräksi pieniä neliöitä - pikseleitä.

Samalla tavalla, jos zoomaisit aika-avaruuteen, näkisit, että aika ei etene tulevaisuuteen jatkuvana, vaan diskreetin kellon erillisinä nopeina, pienen pieninä tikityksinä. Kun liikut, liikkeesi ei olisi jatkuvaa, jouhevaa liikettä, vaan se olisi vain sarja pienen-pieniä nykäyksiä aika-avaruuden pikselistä toiseen.

Aika-avaruuden kvantittamisen suurin hyöty on se, että singulariteetit yksinkertaisesti katoavat. Singulariteetit näkyvät Einsteinin yleisessä suhteellisuudessa paikkoina, joissa tiheydet nousevat äärettömän suuriksi ja painovoima muuttuu äärettömän vahvaksi. Tiedämme, että tämä todella tarkoittaa, että ymmärryksemme fysiikasta menee vähiin ja että meillä ei ole aavistustakaan siitä, mitä tapahtuu syvällä mustassa aukossa tai alkuräjähdyksen alussa, jossa singulariteetteja esiintyy.

Silmukkakvanttigravitaatiossa nämä singulariteetit korvataan hyvin, hyvin pienillä palasilla ultratiheää (ja oletettavasti ultraeksoottista) ainetta. Me vain karkottaisimme nuo singulariteettidemonit universumistamme ja korvaisimme ne jollain ymmärrettävällä.

Miltä nuo ultratiheät aineenpalat näyttävät? Emme ole varmoja. Silmukkakvanttigravitaatio ei ole aivan valmis. Vaikka on onnistuttu kehittämään jonin verran "pikselöidyn" avaruusajan matematiikkaa matemaattisella työkalulla, jota kutsutaan spin-verkostoiksi, suurin ongelma on, että silmukkakvanttigravitaatio on teoria voimakkaasta painovoimasta pienissä mittakaavoissa, jonka pitäisi automaattisesti olla myös teoria heikosta painovoimasta normaaleissa mittakaavoissa. Tämä tarkoittaa, että jos käytetään silmukkakvanttigravitaation matematiikkaa ei-mielettömissä tilanteissa, kuten aurinkoa kiertävässä maassa, pitäisi saada kaikki samat tulokset kuin yleisestä suhteellisuudesta tai vanhanaikaisesta Newtonin fysiikasta.

Toisin sanoen silmukkakvanttigravitaation täytyisi pitää sisällään Einsteinin yleinen suhteellisuus, emmekä vielä tiedä onko se niin. Pitäisi pystyä loittonemaan pikselöidystä kvantti-aika-avaruusnäkymästä pienimmillä asteikoilla ja palauttamaan yleisen suhteellisuusajan sileä, aaltoileva kangas - eikä kukaan osaa tehdä sitä.

On muitakin ongelmia. Erityinen suhteellisuusteoria kertoo meille, että ajan ja avaruuden aistimukset riippuvat nopeudestamme, mutta käsityksemme perusfysiikasta pitäisi olla sama. Mutta eri tarkkailijoilla on erilaiset näkemykset aika-avaruuden kvantittuneiden pikseleiden koosta, mikä muuttaa radikaalisti heidän näkemyksiään fysiikasta. Se on siis ongelma.

Silmukkakvanttigravitaatio on epätäydellinen, eikä se välttämättä toimi. Aivan kuten serkkunsa säieteoria, joka väittää myös olevansa painovoiman kvanttiteoria, silmukkakvanttigravitaation matematiikka ei paljasta mitään toimivaa ratkaisua. Joku tuleva tiedemies voisi murtaa koodin ja tasoittaa tietä täydelliseen ymmärrykseen voiman painovoimasta.