Spatiu-timp si gravitatieÎnainte de Big Bang, spaţiu-timpul, aşa cum îl cunoaştem în prezent, nu exista. Dar oare cum a apărut acesta? Studiile recente ale fizicienilor de la Universitatea din Varşovia vin cu o concluzie surprinzătoare. Detalii, în cele ce urmează.

 

 

 

Procesul de creare a spaţiu-timpului obişnuit, pornind de la o stare anterioară dominată de gravitaţia cuantică, a fost studiat timp de ani de zile de fizicienii teoreticieni din cadrul Departamentului de Fizică al Universităţii din Varşovia. Analizele recente sugerează o concluzie surprinzătoare: nu toate particulele elementare se încadrează în acelaşi spaţiu-timp.

Cu câteva miliarde de ani în urmă, într-o epocă imediat următoare după Big Bang, Universul a fost atât de dens şi atât de cald încât particulele elementare existente au fost supuse unei gravitaţii puternice. Timp de decenii, fizicienii din întreaga lume au încercat să descopere legile ce guvernează gravitaţia cuantică care descrie această etapă din evoluţia Universului. Recent, o echipă de fizicieni, condusă de profesorul Jerzy Lewandowski de la Departamentului de Fizică al Universităţii din Varşovia (FUW - Faculty of Physics, University of Warsaw), a propus propriul său model privind Universul cuantic. Studiile recente pe marginea proprietăţilor sale, discutate în timpul celei de-a douăzecea conferinţe internaţionale privind relativitatea generală şi gravitaţia (GR20) care a avut loc la Varşovia, în legătură cu cea de-a zecea conferinţă Edoardo Amaldi pe tema undelor gravitaţionale (Amaldi10), au surprins pe cercetătorii prezenţi la aceste întâlniri. Analizele efectuate de Prof. Lewandowski şi de doctorandul său, Andrea Dapor, arată că diferitele particule elementare „simt" existenţa unor diferite continuumuri spaţiu-timp.

 

GR20Amaldi10

În modelul matematic conceput de fizicienii teoreticieni din cadrul Departamentului de Fizică al Universităţii din Varşovia, spaţiu-timpul în sens clasic este creat prin interacţiunea materiei cu gravitaţia cuantică. Procesul se aseamănă cu cel prin care o structură cristalină de gheaţă (simbolizând spaţiu-timpul clasic) se formează prin fenomenul de congelare a apei lichide (gravitaţia cuantică). Studiile recente, bazate pe acest model, sugerează că diferitele particule elementare generează diferite continuumuri spaţiu-timp clasice. (Source: FUW) Credit: ©Faculty of Physics, University of Warsaw.

Una dintre teoriile care încearcă să descrie gravitaţia cuantică este numită gravitaţia cuantică cu bucle (LQG - Loop Quantum Gravity). Această teorie presupune că spaţiu-timpul este structurat oarecum similar unei ţesături: el constă dintr-un număr mare de filamente foarte mici sub forma unor bucle. Un domeniu având o suprafaţă de un centimetru pătrat ar putea să conţină un milion de trilioane de trilioane de trilioane de trilioane de trilioane (10 la puterea 66) filamente.



Acum trei ani, grupul de fizicieni condus de Prof. Lewandowski a dezvoltat un model matematic compatibil cu teoria gravitaţiei cuantice cu bucle care combină mecanica cuantică cu teoria relativităţii generale. Modelul presupune existenţa a două câmpuri ce interacţionează reciproc. Unul dintre acestea este un câmp gravitaţional, care poate fi identificat cu spaţiu-timpul obişnuit (deoarece, conform teoriei generale a relativităţii, gravitaţia deformează continuumul spaţiu-timp şi acest spaţiu-timp curbat provoacă efecte gravitaţionale). Al doilea câmp din cadrul modelului este reprezentat de un câmp scalar care atribuie un număr la fiecare punct din spaţiu. Acest câmp este interpretat ca fiind reprezentat de cea mai simplă formă de materie.

Imaginea lumii reale, conform modelului propus de fizicienii din cadrul Warsaw University, este de tip cuantic şi ea are caracteristici extrem de diferite de cele ale lumii cu care avem de-a face zi de zi. „În această situaţie, pare firesc să întrebăm: Cum apare spaţiu-timpul cunoscut de noi toţi din fazele primare ale gravitaţiei cuantice? Şi deoarece spaţiu-timpul obişnuit s-ar fi născut ca urmare a interacţiunii dintre materie şi gravitaţia cuantică, am putea fi siguri că fiecare tip de materie interacţionează cu un spaţiu-timp care are aceleaşi proprietăţi?", spune Prof. Lewandowski.

Pentru a găsi răspunsurile la aceste întrebări, fizicienii teoreticieni au conceput modele ce descriu interacţiunile dintre efectele gravitaţiei cuantice şi materie pentru două cazuri matematice simple: pentru particulele elementare având masa de repaus zero şi pentru particulele având o masă de repaus nenulă. În fizica modernă, Modelul Standard descrie particulele elementare şi interacţiunile dintre acestea; particulele reprezentative fără masă de repaus ar fi fotonii, iar pentru particulele având o masă de repaus nenulă putem menţiona faimosul boson Higgs, responsabil pentru masa altor particule, precum quarcurile şi electronii, miuonii şi neutrinii lor asociaţi.

După obţinerea ecuaţiilor ce descriu comportamentul particulelor, în conformitate cu legile din modelul gravitaţiei cuantice, fizicienii FUW au verificat dacă ar putea obţine ecuaţii similare prin utilizarea unui continuum spaţiu-timp obişnuit, având simetrii diferite. Pentru particulele fără masă de repaus acest lucru s-a dovedit a fi posibil. Spaţiu-timpul obţinut a fost izotrop, adică are aceleaşi proprietăţi în toate direcţiile.

„Conform modelului simplificat am obţinut că, indiferent dacă fotonul are un impuls mai mare sau mai mic, mai multă energie sau mai puţină, continuumul spaţiu-timp pare să fie acelaşi în toate direcţiile", explică Prof. Lewandowski.

Pentru particulele cu masă, rezultatele obţinute au fost diferite. Existenţa masei impune o condiţie suplimentară în cadrul teoriei. Fizicienii FUW au arătat că un spaţiu-timp clasic, care ar satisface simultan condiţia existenţei masei şi a proprietăţilor identice în toate direcţiile, nu poate fi conceput. Spaţiu-timpul corespunzător acestui caz poate fi obţinut numai considerând anizotropia acestuia. Direcţia preferată de aceste spaţiu-timpuri a fost cea corespunzătoare direcţiei de mişcare a particulei.

„Particulele având masă nu doar au „simţit" un continuum spaţiu-timp diferit de cel al fotonilor, dar fiecare în parte îşi generează o versiune proprie de spaţiu-timp, în funcţie de direcţia în care se mişcă. Această constatare de fapt este cea care ne-a luat prin surprindere", spune doctorandul Andrea Dapor.

Înseamnă această ultimă descoperire că Universul, conţinând particule având masă, nu este izotrop? O astfel de afirmaţie ar avea o mare importanţă în ceea ce priveşte observaţiile experimentale. Cu toate acestea, răspunsul este nu, Universul nu are o direcţie preferată. În calitate de observatori ce studiem comportamentul particulelor elementare, noi reprezentăm sisteme macroscopice, mai degrabă decât sisteme cuantice şi, într-un anumit sens, suntem „în afara" lumii particulelor elementare. Nu este, în acest caz, important ce tip de spaţiu-timp „experimentează" fiecare particulă elementară. Indiferent de direcţia lor de mişcare, toate particulele observate în laborator vor avea exact aceleaşi caracteristici. Din acest motiv, confirmarea experimentală a predicţiilor teoretice, propuse de echipa de fizicieni din cadrul FUW, nu va fi o sarcină uşoară.



Traducere de George Cristian Podariu după gr20amaldi10-space-time, cu acordul Phys.org.

Puteți comenta folosind contul de pe site, de FB, Twitter sau Google ori ca vizitator (fără înregistrare). Pt vizitatori comentariile sunt moderate (aprobate de admin).

Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Fii primul care comentează.

Spune-ne care-i părerea ta...
caractere rămase.
Loghează-te ( Fă-ți un cont! )
ori scrie un comentariu ca „vizitator”

 



Donează prin PayPal ()


Contact
| T&C | © 2021 Scientia.ro