När vitt ljus passerar genom ett prisma uppvisar regnbågen i andra änden en rik färgpalett. Teoretikerna vid fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa har visat att i modeller av universum som använder någon kvantteori om gravitation, måste det också finnas en slags "regnbåge", som består av olika versioner av rymdtid. Denna mekanism förutspår att partiklar med olika energier istället för en enda och gemensam rymdtid bör uppleva något förändrade versioner av den.
Vi har förmodligen alla sett experimentet: när vitt ljus passerar genom ett prisma, sönderfaller det och bildar en regnbåge. Detta beror på att vitt ljus är en blandning av fotoner med olika energier, och ju högre fotonenergi desto mer avböjs det av prisma. Således kan vi säga att regnbågen uppstår på grund av att fotoner med olika energier uppfattar samma prisma som att de har olika egenskaper. Under många år har forskare misstänkt att partiklar med olika energier i modeller av kvantuniversum i huvudsak känner av olika strukturer av rymdtid.
Fysiker i Warszawa använde en kosmologisk modell som bara innehöll två komponenter: gravitation och en typ av materia. Inom ramen för allmän relativitet beskrivs gravitationsfältet genom deformationer av rymdtid, medan materia representeras av ett skalärt fält (den enklaste typen av fält där endast ett värde är inneboende i varje punkt i rymden).
”Det finns många konkurrerande teorier om kvantgravitationen idag. Därför formulerade vi vår modell i de mest allmänna termerna så att den kan tillämpas på någon av dem. Vissa kan föreslå en typ av gravitationsfält - vilket i praktiken betyder rymdtid - föreslagen av en kvantteori, en annan kan föreslå en annan. Vissa matematiska operatörer i modellen kommer att förändras, men inte de fenomen som förekommer i dem, säger Andrea Dapor, doktorand vid Warszawas universitet.
”Detta resultat är fantastiskt. Vi börjar med den fuzzy världen av kvantgeometri, där det till och med är svårt att säga vad som är tid och vad som är utrymme, men fenomenen som förekommer i vår kosmologiska modell verkar förekomma i vanlig rymdtid, säger en annan doktorand Mehdi Assaniussi.
Saker blev ännu mer intressanta när fysiker tittade på skalära fält excitationer som tolkades som partiklar. Beräkningar har visat att partiklar som skiljer sig åt när det gäller energi i denna modell interagerar med kvantutrymmet på ett annat sätt - precis som fotoner med olika energier interagerar olika med ett prisma. Detta innebär att även den effektiva strukturen i klassisk rumstid uppfattas annorlunda av enskilda partiklar, beroende på deras energi.
Utseendet på en vanlig regnbåge kan beskrivas i termer av brytningsindex, vars storlek beror på ljusets våglängd. När det gäller en liknande regnbåge av rymdtid föreslås ett liknande förhållande: betafunktionen, ett mått på graden av skillnad i uppfattningen av klassisk rymdtid av olika partiklar. Denna funktion reflekterar graden av icke-klassicitet av kvantrums-tid: i förhållanden nära klassisk tenderar den till noll, medan den i verkliga kvantförhållanden tenderar till enhet. Nu är universum i ett klassiskt tillstånd, så betavärdet är nära noll, fysiker uppskattar att det inte överstiger 0,01. Ett så litet värde på beta-funktionen innebär att rymdtidens regnbåge för närvarande är mycket smal och inte kan detekteras experimentellt.
En studie av teoretiska fysiker vid universitetet i Warszawa, finansierad av bidrag från National Science Center of Poland, ledde till en annan intressant slutsats. Rymdtidens regnbåge är resultatet av kvantgravitationen. Fysiker är i allmänhet överens om att effekterna av en sådan plan endast kommer att synas vid gigantiska energier nära Planck-energin, miljoner eller miljarder gånger högre än den partikelenergi som Large Hadron Collider nu accelererar till. Värdet på beta-funktionen beror dock på tid, och vid ögonblick nära Big Bang kan det vara mycket högre. När beta närmar sig noll ökar tidsrymdens regnbåge avsevärt. Som ett resultat kan regnbågseffekten av kvantgravitationen under sådana förhållanden potentiellt observeras även vid partikelenergier som är hundratals gånger lägre,än protonernas energi vid den moderna LHC.
Kampanjvideo: