Merge revoluţia lui Albert Einstein suficient de departe? Fizicianul Lee Smolin crede că nu şi alături de trei colegi urmăreşte să ducă relativitatea la un cu totul alt nivel. Cei patru ne invită să uităm de spaţiu-timp şi ne urează bun venit în spaţiul-fază.
O teorie a realităţii dincolo de Universul lui Einstein prinde contur, iar un misterios semnal cosmic ar putea să umple în curând golurile.
Nu demult credeam că spaţiul şi timpul reprezintă eşafodajul absolut şi de neschimbat al Universului. Apoi a venit Albert Einstein, care a arătat că observatori diferiţi pot să se contrazică în ceea ce priveşte lungimea obiectelor şi cronometrarea evenimentelor. Teoria relativităţii a unificat spaţiul şi timpul într-o singură entitate – spaţiu-timpul. A însemnat că modul în care vom privi structura realităţii nu va mai fi vreodată la fel. “De acum înainte spaţiul şi timpul ca entităţi de sine stătătoare sunt osândite să devină simple umbre,” declara matematicianul Hermann Minkowski. “Doar un fel de uniune între cele două vor păstra o realitate independentă.”
Dar revoluţia lui Einstein merge suficient de departe? Fizicianul Lee Smolin de la Institutul Perimeter pentru Fizică Teoretică din Waterloo, Ontario, Canada, nu crede asta. El împreună cu un trio de colegi urmăreşte să ducă relativitatea la un cu totul alt nivel şi are spaţiu-timpul în vizor. Ei spun că trebuie să uităm căminul pe care Einstein l-a inventat pentru noi, noi trăind în schimb într-un aşa-numit spaţiu-fază.
Dacă această afirmaţie radicală este adevărată, s-ar putea astfel rezolva un paradox tulburător despre găurile negre de care fizicienii s-au lovit zeci de ani. Mai mult decât atât, noua teorie ar putea reprezenta un pas în plus pe drumul care duce spre împlinirea unui vis mai vechi: o “teorie a totului”, care va uni în cele din urmă relativitatea generalizată şi mecanica cuantică.
Deci ce este spaţiul-fază? Este o ciudată lume octodimensională care îmbină cele patru dimensiuni spaţio-temporale familiare nouă cu o altă lume cvadridimensională numită spaţiu-impuls.
Spaţiul-impuls nu este unul atât de străin pe cât ar putea suna la început. Când te uiţi la lumea din jurul tău, spune Smolin, nu observi niciodată spaţiu sau timp – în schimb vezi energie şi impuls. Când îţi priveşti ceasul, de pildă, fotonii ricoşează de pe o suprafaţă şi îţi ajung pe retină. Prin detectarea energiei şi impulsului fotonilor, creierul tău reconstruieşte evenimentele în spaţiu şi timp.
Acelaşi lucru este adevărat şi în ceea ce priveşte experimentele din lumea fizicii. În interiorul acceleratoarelor de particule fizicienii măsoară energia şi impulsul particulelor când acestea accelerează unele spre altele şi se ciocnesc, cât şi energia şi impulsul rămăşitelor care rezultă în urma coliziunilor. De asemenea, telescoapele măsoară energia şi impulsul fotonilor care ajung din colţurile îndepărtate ale Universului. “Dacă te iei după ce observăm, noi nu trăim în spaţiu-timp,” spune Smolin. “Noi trăim într-un spaţiu-impuls.”
Şi la fel cum spaţiu-timpul poate fi imaginat ca un sistem de coordonate cu timpul pe o axă şi spaţiul – cu cele trei dimensiuni condensate într-una singură – pe cealaltă axă, acelaşi lucru este valabil şi pentru spaţiul-impuls. În acest caz energia este pe o axă şi impulsul – care, asemenea spaţiului, are trei componente – este pe cealaltă axă (vezi diagrama de mai jos).
Există transformări matematice simple cu ajutorul cărora putem translata măsurătorile din acest spaţiu-impuls în măsurători în spaţiu-timp, iar accepţiunea prezentă este că spaţiul-impuls este o simplă unealtă matematică. La urma urmelor Albert Einstein a arătat că spaţiu-timpul este adevărata scenă a realităţii, arena pe care se desfăşoară dramele cosmosului.
Smolin şi colegii săi nu sunt primii care se întreabă dacă aceasta este întreaga poveste. Încă din 1938, fizicianul german Max Born a observat că anumite ecuaţii foarte importante din mecanica cuantică rămân la fel fie că sunt exprimate în coordonate spaţiu-timp, fie în cele caracteristice spaţiului-impuls. S-a întrebat dacă ar fi posibil să folosească această legătură pentru a uni cele două teorii aparent incompatibile: relativitatea generalizată, care se ocupă de spaţiu-timp şi mecanica cuantică, în cadrul căreia particulele au impuls şi energie. Poate asta ar fi soluţia către formularea mult căutatei teorii a gravitaţiei cuantice.
Ideea lui Born că spaţiu-timpul şi spaţiul-impuls ar trebui să fie interschimbabile – o teorie cunoscută în prezent sub numele de “Reciprocitatea lui Born” – avea o consecinţă remarcabilă: dacă spaţiu-timpul poate fi curbat de masele stelelor şi galaxiilor, cum a arătat teoria lui Einstein, atunci ar trebui să fie posibil să se poată curba şi spaţiul-impuls.
La acel moment nu era clar ce entitate fizică ar putea curba spaţiul-impuls, iar matematicile necesare pentru a face ca o asemenea idee să funcţioneze nici măcar nu fuseseră inventate. Aşa că Born nu şi-a îndeplinit niciodată visul de a pune spaţiu-timpul şi spaţiul-impuls pe picior de egalitate.
Aici intră în scenă Smolin şi colegii săi. Împreună cu Laurent Freidel, tot de la Institutul Perimeter, Jerzy Kowalski-Glikman de la Universitatea din Wroklaw, Polonia și Giovanni Amelino-Camelia de la Universitatea Sapienza din Roma, Italia, Smolin a investigat efectele unei curbări a spaţiului-impuls.
Cvartetul a folosit legile matematice standard de transformare între spaţiu-impuls şi spaţiu-timp şi le-a aplicat unui spaţiu-impuls curbat. Ceea ce au descoperit este şocant: observatorii care trăiesc într-un spaţiu impuls-curbat nu vor mai conveni cu privire la măsurătorile făcute într-un spaţiu-timp unificat. Ceea ce contrazice totalmente relativitatea lui Einstein. Acesta a arătat că în timp ce spaţiul şi timpul erau relative, spaţiu-timpul era la fel pentru toţi. Pentru observatorii dintr-un spaţiu impuls curbat, însă, până şi spaţiu-timpul este relativ (vezi diagrama de mai jos).
Această nepotrivire între măsurătorile a doi observatori asupra spaţiu-timpului creşte cu distanţa ori cu timpul, ceea ce înseamnă că în timp ce spaţiu-timpul va fi întotdeauna exact definit în imediata ta vecinătate, obiectele şi evenimentele aflate la foarte mare depărtare devin neclare. “Cu cât eşti mai departe şi cu cât mai multă energie este implicată, cu atât mai mult pare că evenimentul se întinde în spaţiu-timp,” spune Smolin.
De exemplu, dacă te afli la 10 miliarde de ani-lumină de o supernovă şi energia luminii sale este de aproximativ 10 gigaelectronvolţi, atunci măsurătorile tale de localizare în spaţiu-timp a supernovei vor fi diferite de cele ale unui observator local cu o secundă-lumină. Poate nu sună mult, dar este vorba de 300.000 de kilometri. Nici tu şi nici observatorul local nu greşiţi – doar că poziţiile în spaţiu-timp sunt relative, un fenomen pe care cercetătorii l-au botezat “localitate relativă”.
Localitatea relativă ar da o mare lovitură imaginii noastre despre realitate. Dacă spaţiu-timpul nu mai este un fundal invariant al Universului relativ la care toţi observatorii pot fi de acord, în ce sens poate fi acesta considerat drept structura fundamentală a realităţii?
Încă este de luptat cu această întrebare, dar localitatea relativă are şi beneficii. Pentru început, ar putea face lumină în ceea ce priveşte un puzzle de nerezolvat cunoscut sub numele de paradoxul pierderii de informaţie într-o gaură neagră. În anii ’70 Stephen Hawking a descoperit că găurile negre emit radiaţie, deci pierd masă, în cele din urmă evaporându-se şi dispărând cu totul. Această observaţie naşte o întrebare interesantă: ce se întâmplă cu toate lucrurile care au fost înghiţite de gaura neagră?
Relativitatea împiedică un lucru căzut într-o gaură neagră să mai scape, pentru că acesta ar trebui să se deplaseze mai rapid decât lumina ca să poată face asta – fapt ce intră sub incidenţa unei limitări de viteză la scară cosmică, o regulă aplicată cu stricteţe. Dar mecanica cuantică impune propria sa lege foarte strictă: lucrurile sau mai precis informaţia pe care acestea o conţin nu poate dispărea pur şi simplu din realitate. Evaporarea găurii negre îi pune aşadar pe fizicieni între ciocan şi nicovală.
Potrivit lui Smolin, localitatea relativă salvează situaţia. Să spunem că ai fost suficient de răbdător să aştepţi până ce s-a evaporat o gaură neagră, un proces care ar putea dura miliarde de ani. Îndată ce a dispărut te-ai putea întreba ce s-a întâmplat, să spunem, cu un elefant care a cedat la un moment dat prinsorii gravitaţionale a monstrului cosmic. Numai că, privind înapoi la timpul în care ai crezut că elefantul a căzut în gaura neagră, vei descoperi că poziţiile în spaţiu-timp au devenit atât de neclare şi nesigure încât nu ar exista nici o modalitate de a spune dacă elefantul a căzut cu adevărat în gaura neagră ori a ratat-o “la mustaţă”. Paradoxul pierderii de informaţie se dizolvă.
Dincolo de spaţiu-timp: spaţiul-fază (2)
Traducător: Ioan Florea
Textul de mai sus reprezintă traducerea şi adaptarea articolului Beyond space-time: Welcome to phase space de Amanda Gefter, publicat de New Scientist. Reed Business Information Ltd şi New Scientist nu îşi asumă nicio responsabilitate privind eventualele erori de traducere.
