Cum ar putea mecanica cuantică să explice existența conceptului spațiu-timp

“Twilight Zone” a producătorului Rod Serling era o dimensiune a imaginației, o dimensiune a vederii, a sunetului și a minții, o dimensiune la fel de vastă ca spațiul și atemporală ca infinitul. Totul era foarte clar, cu excepția spațiului și a timpului, a dimensiunilor vieții reale. Serling nu le-a explicat niciodată. Cum se explică, totuși, conceptul spațiu-timp?

Bineînțeles, încă de la Einstein, oamenii de știință s-au tot gândit despre cum să dea sens spațiului și timpului. Înainte, aproape toată lumea credea că Isaac Newton își dăduse seama de toate. Timpul „curge în mod egal fără a avea legătură cu nimic din exterior”, a declarat el.

Spațiul absolut este, de asemenea, propriul său lucru, „întotdeauna similar și inamovibil”. Nimic de văzut acolo. Evenimentele realității fizice s-au desfășurat independent pe o scenă neutră în care actorii s-au tot frământat fără a influența restul.

Dar teoriile lui Einstein au transformat spațiul și timpul absolut ale lui Newton într-un amestec relativist – ecuațiile sale sugerează un spațiu-timp combinat, un nou tip de arenă în care jucătorii au modificat spațiul terenului de joc.

A fost un schimbător de jocuri în ale fizicii. Spațiul și timpul nu au mai oferit un fundal fără caracteristici pentru materie și energie. Foste independente și uniforme, spațiul și timpul au devenit inseparabile și variabile. Și așa cum a arătat Einstein în teoria sa generală a relativității, materia și energia au deformat geometria spațiu-timp care le înconjura.

Acest adevăr simplu a explicat gravitația

Aparenta forță de atracție a lui Newton a devenit o iluzie exercitată de geometria spațiu-timp. A fost forma spațiu-timp care a dictat mișcarea corpurilor masive, deoarece corpurile masive au determinat forma spațiu-timp.

Verificarea revoluției spațiu-timp a lui Einstein a venit acum un secol, când o expediție de eclipsă a confirmat predicția sa teoretică generală (o cantitate precisă de îndoire a luminii care trece lângă marginea unui corp masiv, în acest caz Soarele). Dar conceptul spațiu-timp a rămas misterios. Deoarece era ceva mai mult decât nimic, era firesc să ne întrebăm de unde a venit.

Acum, o nouă revoluție este pe punctul de a răspunde la această întrebare, bazată pe înțelegeri din cealaltă mare surpriză de fizică din secolul trecut: mecanica cuantică. Revoluția de astăzi oferă potențialul pentru o altă rescriere a conceptului spațiu-timp, cu riscul de a explica probabil de ce mecanica cuantică pare atât de ciudată.

„Conceptul spațiu-timp și gravitația trebuie să iasă în cele din urmă din altceva”, scrie fizicianul Brian Swingle în Annual Review of Condensed Matter Physics din 2018. În caz contrar, este greu de văzut cum gravitația lui Einstein și matematica mecanicii cuantice pot reconcilia incompatibilitatea lor de lungă durată.

Ce este inseparabilitatea cuantică

Viziunea lui Einstein asupra gravitației ca manifestare a geometriei spațiu-timp a avut un succes enorm. Dar așa a fost și mecanica cuantică, care descrie mecanismele materiei și energiei pe scara atomică cu o precizie infailibilă. Încercările de a găsi matematică coerentă care să acomodeze ciudățenia cuantică cu gravitația geometrică, totuși, au întâlnit obstacole tehnice și conceptuale formidabile.

Dar indicii despre o posibilă cale către progres au apărut din studiul teoretic al geometriilor alternative spațiu-timp, dar cu proprietăți neobișnuite. Un astfel de alternativ, cunoscut sub numele de “anti de Sitter space”, este curbat ciudat și tinde să se prăbușească asupra sa, mai degrabă decât să se extindă așa cum face universul în care trăim.

Nu ar fi un loc frumos de locuit. Dar, ca laborator pentru studierea teoriilor gravitației cuantice, are multe de oferit. „Gravitația cuantică este suficient de bogată și confuză încât chiar și universurile pot arunca o lumină enormă asupra fizicii”, scrie Swingle, de la Universitatea din Maryland.

Studiile despre conceptul “anti de Sitter space” sugerează, de exemplu, că matematica care descrie gravitația (adică geometria spațiu-timp) poate fi echivalentă cu matematica fizicii cuantice într-un spațiu cu o dimensiune mai mică.

Gândește-te la o hologramă – o suprafață plană, bidimensională, care încorporează o imagine tridimensională. Într-un mod similar, poate geometria cu patru dimensiuni a conceptului spațiu-timp să fie codificată în matematica fizicii cuantice care funcționează în trei dimensiuni? Sau poate ai nevoie de mai multe dimensiuni – câte dimensiuni sunt necesare face parte din problema de rezolvat.

În orice caz, investigațiile pe această direcție au arătat o posibilitate surprinzătoare: spațiul-timp în sine poate fi generat de fizica cuantică, în special de fenomenul cunoscut sub numele de “inseparabilitatea cuantică”.

Cum definim conceptul spațiu-timp

După cum s-a explicat popular, inseparabilitatea cuantică este o conexiune înfricoșătoare care leagă particulele separate chiar și de distanțe mari. Dacă sunt emise dintr-o sursă comună, astfel de particule rămân încurcate indiferent cât de departe zboară una de alta.

Dacă măsori o proprietate (cum ar fi rotirea sau polarizarea) pentru una dintre ele, atunci știi care ar fi rezultatul aceleiași măsurători pentru cealaltă. Dar, înainte de măsurare, acele proprietăți nu sunt deja determinate, fapt contrar intuitiv verificat de multe experimente. Se pare că măsurarea la un loc determină care va fi măsurarea într-o altă locație îndepărtată.

Sună ca niște particule încâlcite, care trebuie să poată comunica mai repede decât lumina. În caz contrar, este imposibil să ne imaginăm cum una dintre ele ar putea ști ce i se întâmplă celuilalt pe o vastă întindere spațio-temporală.

Dar de fapt nu trimit deloc niciun mesaj. Deci, cum depășesc particulele încâlcite golful spațiu-timp care le separă? Poate că răspunsul este că nu trebuie – pentru că inseparabilitatea cuantică nu se întâmplă în spațiu-timp. Ci creează conceptul spațiu-timp. Cel puțin aceasta este propunerea pe care a inspirat-o cercetările actuale.