Einsteins allmänna relativitetsteori, där tyngdkraften föds ur rymdtidens krökning, är anmärkningsvärd. Det har verifierats med en otrolig noggrannhet, i vissa fall upp till femton decimaler. En av hennes mest intressanta förutsägelser var förekomsten av gravitationella vågor: krusningar i rymdtiden som sprids fritt. För inte så länge sedan fångades dessa vågor av LIGO- och VIRGO-detektorerna.
Och ändå finns det många frågor som vi ännu inte har svar på. Kvantitet kan hjälpa till att hitta dem.
Vi vet att allmän relativitet är ofullständig. Det manifesterar sig bra när rymdtidens kvanteffekter är helt osynliga, vilket nästan alltid är fallet. Men när kvanteffekterna av rymdtid blir stora behöver vi en bättre teori: en teori om kvantgravitation.
En illustration av det tidiga universum, bestående av kvantskum, när kvantfluktuationerna var enorma och manifesterades i minsta skala
Eftersom vi ännu inte har formulerat en teori om kvantgravitation vet vi inte vad rum och tid är. Vi har flera lämpliga teorier för kvantgravitation, men ingen av dem är allmänt accepterade. Ändå, baserat på befintliga tillvägagångssätt, kan vi anta vad som kan hända med rum och tid i teorin om kvantgravitation. Fysikern Sabine Hossfender har samlat tio häpnadsväckande exempel.
1) I kvantgravitation kommer det att finnas vilda fluktuationer i rymdtid även i frånvaro av materia. I kvantvärlden är vakuum aldrig i vila, liksom tid och rum.
I minsta kvantskala kan universum fyllas med små, mikroskopiska svarta hål med låga massor. Dessa hål kan anslutas eller expandera inåt på ett mycket intressant sätt.
2) Kvantrumstid kan fyllas med mikroskopiska svarta hål. Dessutom kan den innehålla maskhål eller infantila universum kan födas - som små bubblor som bryter sig loss från moderns universum.
Kampanjvideo:
3) Och eftersom detta är en kvantteori, kan rymdtid göra allt samtidigt. Det kan samtidigt skapa ett spädbarnsuniversum och inte skapa det.
Rymdtidens tyg kanske inte alls är ett tyg utan består av diskreta komponenter, som bara verkar vara kontinuerliga tyg i stora makroskopiska skalor.
4) I de flesta tillvägagångssätt för kvantgravitation är rymdtid inte grundläggande utan består av något annat. Dessa kan vara strängar, slingor, qubits eller varianter av "atomer" i rymden som förekommer i kondenserad materia. Enskilda komponenter kan endast tas isär med användning av de högsta energierna, långt över de som finns tillgängliga för oss på jorden.
5) I vissa tillvägagångssätt med kondenserad materia har rymdtid egenskaperna hos en fast eller flytande kropp, det vill säga den kan vara elastisk eller viskös. Om detta är sant är de observerade konsekvenserna oundvikliga. Fysiker letar för närvarande efter spår av liknande effekter i vandrande partiklar, det vill säga i ljus eller elektroner som når oss från ett avlägset utrymme.
Schematisk animering av en kontinuerlig ljusstråle spridd av ett prisma. I vissa tillvägagångssätt för kvantgravitation kan rymden fungera som ett dispersivt medium för olika våglängder av ljus
6) Rumstiden kan påverka hur ljus passerar genom den. Det kanske inte är helt transparent, eller ljus i olika färger kan röra sig i olika hastigheter. Om kvantrumtid påverkar ljusets fortplantning kan detta också observeras i framtida experiment.
7) Fluktuationer i rymdtid kan förstöra ljusets förmåga från avlägsna källor att skapa störningsmönster. Denna effekt sökte och hittades aldrig, åtminstone inom det synliga området.
Ljus som passerar genom två tjocka slitsar (överst), två tunna slitsar (mitten) eller en tjock slits (botten) uppvisar störningar som indikerar dess vågnatur. Men i kvantitet kan det hända att vissa av de förväntade störningsegenskaperna inte är möjliga.
8) I områden med stark krökning kan tiden förvandlas till rymden. Detta kan till exempel hända inuti svarta hål eller i en stor smäll. I det här fallet kan den tid som vi känner till med tre rumsliga dimensioner och en tidsmässig förvandlas till ett fyrdimensionellt "euklidiskt" utrymme.
Att ansluta två olika platser i rymden eller tiden genom ett maskhål är bara en teoretisk idé, men det kan inte bara vara intressant utan också oundvikligt i kvantitet
Rymdtid kan anslutas icke-lokalt med små maskhål som genomsyrar hela universum. Sådana icke-lokala anslutningar måste finnas i alla tillvägagångssätt vars underliggande struktur inte är geometrisk, såsom ett diagram eller ett nätverk. Detta beror på att begreppet "närhet" i sådana fall inte är grundläggande, utan underförstått och ofullkomligt, så att avlägsna regioner av misstag kan kopplas ihop.
10) Kanske för att kombinera kvantteori med gravitation, behöver vi inte uppdatera gravitationen utan själva kvantteorin. Om så är fallet blir konsekvenserna långtgående. Eftersom kvantteorin är kärnan i alla elektroniska apparater kommer det att öppnas helt nya möjligheter att revidera den.
Även om kvantgravitation ofta ses som en högteoretisk idé finns det många möjligheter för experimentell verifiering. Vi reser alla genom rymdtid varje dag. Att förstå honom kan förändra våra liv.
Ilya Khel