Prostor-vrijeme može nastati iz fundamentalnije stvarnosti. Smišljanje kako bi se mogao otključati najhitniji cilj u fizici – kvantna teorija gravitacije.

Natalie Paquette provodi svoje vrijeme razmišljajući o tome kako razviti dodatnu dimenziju. Započnite s malim krugovima, razbacanim po svakoj tački u prostoru i vremenu – kovrčavom dimenzijom, zapetljanom na samu sebe. Zatim smanjite te krugove, sve manji i manji, stežući petlju, sve dok se ne dogodi neobična transformacija: dimenzija prestane izgledati sićušna i umjesto toga postane ogromna, kao kada shvatite da je nešto što izgleda malo i blizu je zapravo ogromno i udaljeno. „Smanjujemo prostorni pravac“, kaže Paquette. “Ali kada pokušamo da ga smanjimo preko određene tačke, umjesto toga se pojavljuje novi, veliki prostorni pravac.”

Paquette, teorijski fizičar sa Univerziteta Washington, nije sam u razmišljanju o ovoj čudnoj vrsti dimenzionalne transmutacije. Sve veći broj fizičara, koji rade u različitim oblastima discipline sa različitim pristupima, sve više se približava dubokoj ideji: prostor — a možda čak i vrijeme — nije fundamentalno. Umjesto prostora i vremena mogu se pojaviti: oni bi mogli nastati iz strukture i ponašanja osnovnih komponenti prirode. Na najdubljem nivou stvarnosti, pitanja poput “Gdje?” i kada?” jednostavno možda uopšte neće imati odgovore. „Imamo mnogo nagovještaja iz fizike da prostor-vrijeme, kako ga mi razumijemo, nije fundamentalna stvar“, kaže Paquette.

Ovi radikalni pojmovi potiču iz najnovijih obrta u vjekovnoj potrazi za teorijom kvantne gravitacije. Najbolja teorija gravitacije fizičara je opšta teorija relativnosti, poznata koncepcija Alberta Ajnštajna o tome kako materija iskrivljuje prostor i vrijeme. Njihova najbolja teorija od svega ostalog je kvantna fizika, koja je zapanjujuće precizna kada su u pitanju svojstva materije, energije i subatomskih čestica. Obe teorije su lako prošle sve testove koje su fizičari mogli da osmisle u proteklom vijeku. Sastavite ih zajedno, moglo bi se pomisliti, i imali biste “teoriju svega”.

Ali te dvije teorije ne igraju dobro. Pitajte opštu relativnost šta se dešava u kontekstu kvantne fizike, i dobićete kontradiktorne odgovore, sa neukroćenim beskonačnostima koje se probijaju kroz vaše proračune. Priroda zna kako primijeniti gravitaciju u kvantnim kontekstima – to se dogodilo u prvim trenucima velikog praska, i još uvijek se događa u srcima crnih rupa – ali mi ljudi se još uvijek borimo da shvatimo kako se taj trik izvodi. Dio problema leži u načinima na koji se te dvije teorije bave prostorom i vremenom. Dok kvantna fizika tretira prostor i vrijeme kao nepromjenjive, opća relativnost ih iskrivljuje za doručak.

Nekako bi teorija kvantne gravitacije morala pomiriti ove ideje o prostoru i vremenu. Jedan od načina da se to uradi bio bi da se eliminiše problem na njegovom izvoru, samo prostor-vreme, tako što bi prostor i vrijeme proizašli iz nečeg fundamentalnijeg. Posljednjih godina nekoliko različitih pravaca istraživanja sugeriralo je da, na najdubljem nivou stvarnosti, prostor i vrijeme ne postoje na isti način na koji postoje u našem svakodnevnom svijetu. Tokom protekle decenije ove ideje su radikalno promijenile način na koji fizičari razmišljaju o crnim rupama. Sada istraživači koriste ove koncepte kako bi razjasnili rad nečeg još egzotičnijeg: crvotočine – hipotetičke veze poput tunela između udaljenih tačaka u prostor-vremenu. Ovi uspjesi održali su živom nadu u još dublji proboj. Ako se prostor-vrijeme pojavljuje, onda otkrivanje odakle dolazi – i kako bi moglo nastati iz bilo čega drugog – može biti samo ključ koji nedostaje koji konačno otključava vrata teoriji svega.

TEORIJA STRUNA

Danas je najpopularnija teorija kvantne gravitacije među fizičarima teorija struna. Prema ovoj ideji, njegove istoimene žice su temeljni sastojci materije i energije, što dovodi do bezbrojnih osnovnih subatomskih čestica koje se mogu vidjeti u akceleratorima čestica širom svijeta. Oni su čak odgovorni i za gravitaciju – hipotetička čestica koja nosi gravitacionu silu, “graviton”, neizbježna je posljedica teorije.

Ali teoriju struna je teško razumjeti – ona živi na matematičkoj teritoriji za koju su fizičarima i matematičarima bile potrebne decenije da istraže. Veći dio strukture teorije još uvijek nije ucrtan, ekspedicije su još uvijek planirane, a karte treba napraviti. Unutar ovog novog područja, glavna tehnika za navigaciju je kroz matematičke dualnosti – korespondencije između jedne i druge vrste sistema.

Jedan primjer je dualnost s početka ovog članka, između malih i velikih dimenzija. Pokušajte ugurati dimenziju u mali prostor, a teorija struna će vam reći da ćete na kraju dobiti nešto što je matematički identično svijetu u kojem je ta dimenzija ogromna. Te dvije situacije su iste, prema teoriji struna – možete slobodno ići naprijed-natrag od jedne do druge i koristiti tehnike iz jedne situacije da biste razumjeli kako druga funkcionira. “Ako pažljivo pratite osnovne građevne blokove teorije,” kaže Paquette, “prirodno ćete ponekad otkriti da… možete razviti novu prostornu dimenziju.”

Slična dualnost sugerira mnogim teoretičarima struna da je sam prostor nastao. Ideja je započela 1997. godine, kada je Juan Maldacena, fizičar na Institutu za napredne studije, otkrio dualnost između vrste dobro shvaćene kvantne teorije poznate kao teorija konformnog polja (CFT) i posebne vrste prostor-vremena iz opšte teorije relativnosti kao anti-de Sitter prostor (AdS). Čini se da su te dvije potpuno različite teorije – CFT nema nikakvu gravitaciju u sebi, a AdS prostor sadrži svu Ajnštajnovu teoriju gravitacije. Ipak, ista matematika može opisati u oba svijeta. Kada je otkriveno, ova AdS / CFT korespondencija je pružila opipljivu matematičku vezu između kvantne teorije i punog univerzuma sa gravitacijom u sebi.

Zanimljivo je da je AdS prostor u AdS/CFT korespondenciji imao jednu dimenziju više nego što je to imao kvantni CFT. Ali fizičari su shvatili ovu neusklađenost jer je to bio potpuno razrađen primjer druge vrste korespondencije začete nekoliko godina ranije, od fizičara Gerard’s Hooft sa Univerziteta Utrecht u Holandiji i Leonarda Susskinda sa Univerziteta Stanford, poznatog kao holografski princip. Na osnovu nekih osebujnih karakteristika crnih rupa, ‘t Hooft i Susskind su posumnjali da bi svojstva područja prostora mogla biti u potpunosti “kodirana” njegovom granicom. Drugim riječima, dvodimenzionalna površina crne rupe sadržavala bi sve informacije potrebne da se zna šta se nalazi u njenoj trodimenzionalnoj unutrašnjosti – poput holograma. „Mislim da je mnogo ljudi mislilo da smo ludi“, kaže Saskind. “Dva dobra fizičara su pukla.”

Slično tome, u korespondenciji AdS / CFT, četverodimenzionalni CFT kodira sve o petodimenzionalnom AdS prostoru s kojim je povezan. U ovom sistemu, čitava oblast prostor-vremena je izgrađena od interakcija između komponenti kvantnog sistema u teoriji konformnog polja. Maldacena ovaj proces upoređuje sa čitanjem romana. „Ako pričate priču u knjizi, postoje likovi u knjizi koji nešto rade“, kaže on. „Ali sve je tu red teksta, zar ne? Iz ovog retka teksta zaključuje se šta likovi rade. Likovi u knjizi bili bi poput teorije masovne [AdS]. A red teksta je [CFT].”

Ali odakle dolazi prostor u AdS prostoru? Ako se ovaj prostor pojavljuje, iz čega nastaje? Odgovor je posebna i čudna kvantna vrsta interakcije u CFT-u: zapetljanost, veza između objekata na daljinu, trenutna korelacija njihovog ponašanja na statistički nevjerovatne načine. Zapetljanost je čuveno uznemirila Ajnštajna, koji je to nazvao “sablasnom akcijom na daljinu”.

Hoćemo li ikada znati pravu prirodu prostor-vremena?

Ipak, uprkos svojoj sablasnosti, zapetljanost je ključna karakteristika kvantne fizike. Kada bilo koja dva objekta stupe u interakciju u kvantnoj mehanici, oni se općenito zapetljaju i ostat će zapetljani sve dok ostanu izolirani od ostatka svijeta – bez obzira na to koliko su udaljeni jedan od drugoga. U eksperimentima, fizičari su održavali isprepletenost između čestica udaljenih više od 1.000 kilometara, pa čak i između čestica na zemlji i drugih čestica koje su poslane na satelite u orbiti. U principu, dvije zapletene čestice mogle bi održati svoju vezu na suprotnim stranama galaksije ili svemira. Čini se da udaljenost jednostavno nije bitna za zapletanje, zagonetku koja decenijama muči mnoge fizičare.

Ali ako se prostor pojavljuje, sposobnost zapetljanosti da opstane na velikim udaljenostima možda i nije strašno misteriozna – na kraju krajeva, udaljenost je konstrukt. Prema studijama o AdS/CFT korespondenciji fizičara Shinsei Ryua sa Univerziteta Princeton i Tadashija Takayanagija sa Univerziteta Kyoto, zapetljanost je ono što proizvodi udaljenosti u prostoru AdS-a na prvom mjestu. Bilo koja dva obližnja područja prostora na AdS strani dualiteta odgovaraju dvije visoko isprepletene kvantne komponente CFT-a. Što su više zamršeni, to su regije prostora bliže jedna drugoj.

Posljednjih godina fizičari su posumnjali da bi se ovaj odnos mogao primijeniti i na naš svemir. „Šta je to što drži prostor na okupu i sprečava ga da se raspadne u zasebne podregije? Odgovor je zapetljanost između dva dijela prostora”, kaže Saskind. “Kontinuitet i povezanost prostora duguju svoje postojanje kvantno-mehaničkom zapetljanju.” Preplitanje, dakle, može podpreti strukturu samog prostora, formirajući osnovu i potku koji dovode do geometrije svijeta. „Ako biste nekako mogli da uništite zapetljanost između dva dijela [prostora], prostor bi se raspao,“ kaže Saskind. “To bi učinilo suprotno od pojavljivanja. Nestalo bi se.”

Ako je prostor napravljen od isprepletenosti, onda se zagonetka kvantne gravitacije čini mnogo lakšom za rješavanje: umjesto pokušaja da se objasni iskrivljenje prostora na kvantni način, sam prostor izlazi iz fundamentalno kvantnog fenomena. Saskind sumnja da je to razlog zašto je teoriju kvantne gravitacije bilo tako teško pronaći. “Mislim da je razlog zašto to nikada nije dobro funkcionisalo taj što je počelo sa slikom dve različite stvari, [opšte relativnosti] i kvantne mehanike, i spojilo ih”, kaže on. „I mislim da je poenta zapravo u tome da su oni previše blisko povezani da bi se rastavili i onda ponovo sastavili. Nema takve stvari kao što je gravitacija bez kvantne mehanike.”

Ipak, obračunavanje prostora za pojavu samo je pola posla. S obzirom da su prostor i vrijeme tako blisko povezani u relativnosti, svaki izvještaj o tome kako nastaje prostor mora također objasniti vrijeme. „Vrijeme također mora nekako nastati“, kaže Mark van Raamsdonk, fizičar sa Univerziteta Britanske Kolumbije i pionir u vezi između isprepletenosti i prostor-vremena. “Ali ovo nije dobro shvaćeno i aktivno je područje istraživanja.”

Još jedna aktivna oblast, kaže on, koristi nove prostorno-vremenske modele za razumijevanje crvotočina. Ranije su mnogi fizičari vjerovali da je slanje objekata kroz crvotočinu nemoguće, čak ni u teoriji. Ali u proteklih nekoliko godina fizičari koji su radili na AdS/CFT korespondenciji i sličnim modelima pronašli su nove načine da konstruišu crvotočine. „Ne znamo da li bismo to mogli da uradimo u našem univerzumu“, kaže van Raamsdonk. “Ali ono što sada znamo je da su određene vrste prolaznih crvotočina teoretski moguće.” Dva rada — jedan iz 2016. i jedan iz 2018. godine — dovela su do stalnog naleta posla u ovoj oblasti. Ali čak i kada bi se mogle izgraditi prolazne crvotočine, one ne bi bile od velike koristi za svemirska putovanja. Kao što Saskind ističe, “ne možete proći kroz tu crvotočinu brže nego što bi trebalo [svetlosti] da ide dug put.”

Ako su teoretičari struna u pravu, onda je prostor izgrađen od kvantne isprepletenosti, a moglo bi biti i vrijeme. Ali šta bi to zaista značilo? Kako se prostor može „napraviti“ od isprepletenosti između objekata osim ako su ti objekti sami negdje? Kako se ti objekti mogu zapetljati ako ne iskuse vrijeme i promjene? I kakvo bi postojanje stvari mogle imati bez naseljavanja istinskog prostora i vremena?

Ovo su pitanja koja su na granici filozofije – i zaista, filozofi fizike ih shvaćaju ozbiljno. “Kako je, dovraga, prostor-vrijeme moglo biti nešto što se može pojaviti?” pita se Eleanor Knox, filozof fizike na Kraljevskom koledžu u Londonu. Intuitivno, kaže ona, to izgleda nemoguće. Ali Knox ne misli da je to problem. „Naša intuicija je ponekad strašna“, kaže ona. Oni su “evoluirali u afričkoj savani u interakciji sa makro objektima i makro fluidima i biološkim životinjama” i imaju tendenciju da se ne prenesu u svijet kvantne mehanike. Kada je u pitanju kvantna gravitacija, „Gde je stvar?“ I „Gde živi?“ Nisu prava pitanja za postavljanje“, zaključuje Knoks.

Svakako je tačno da predmeti žive na mjestima u svakodnevnom životu. Ali kao što Knox i mnogi drugi ističu, to ne znači da prostor i vrijeme moraju biti fundamentalni – samo da moraju pouzdano proizaći iz svega što je fundamentalno. Zamislite tečnost, kaže Christian Wüthrich, filozof fizike sa Univerziteta u Ženevi. „Na kraju krajeva, to su elementarne čestice, poput elektrona, protona i neutrona ili, što je još fundamentalnije, kvarkova i leptona. Da li kvarkovi i leptoni imaju svojstva tečnosti? To jednostavno nema smisla, zar ne?… Ipak, kada se ove fundamentalne čestice spoje u dovoljnom broju i pokažu određeno ponašanje zajedno, kolektivno ponašanje, tada će se ponašati na način koji je poput tečnosti.”

Prostor i vrijeme, kaže Wüthrich, mogli bi funkcionirati na isti način u teoriji struna i drugim teorijama kvantne gravitacije. Konkretno, prostor-vrijeme može nastati iz materijala za koje obično mislimo da žive u svemiru – same materije i energije. „Nije [da] prvo imamo prostor i vrijeme, a onda dodajemo nešto“, kaže Wüthrich. „Pre nešto materijalno može biti neophodan uslov da bi postojali prostor i vreme. To je još uvijek vrlo bliska veza, ali je upravo suprotno od onoga što ste prvobitno mislili.”

Ali postoje i drugi načini tumačenja najnovijih otkrića. AdS / CFT korespondencija se često smatra primjerom kako prostor-vrijeme može nastati iz kvantnog sistema, ali to zapravo nije ono što pokazuje, prema Alyssa Ney, filozofkinji fizike sa Univerziteta u Kaliforniji, Davis. „AdS/CFT vam daje ovu mogućnost da pružite priručnik za prevođenje između činjenica o prostor-vremenu i činjenica iz kvantne teorije“, kaže Ney. “To je kompatibilno s tvrdnjom da je prostor-vrijeme emergentno, a da je neka kvantna teorija fundamentalna.” Ali i obrnuto, kaže ona. Korespondencija bi mogla značiti da se kvantna teorija pojavljuje i da je prostor-vrijeme fundamentalno – ili da nijedno nije fundamentalno i da postoji još dublja fundamentalna teorija. Nastanak je jaka tvrdnja, kaže Ney, i otvorena je za mogućnost da je to istina. “Ali barem samo gledajući AdS/CFT, još uvijek ne vidim jasan argument za pojavu.”

Nedvojbeno veći izazov teoriji struna slike o pojavljivanju prostor-vremena skriven je na vidiku, upravo u nazivu same korespondencije AdS/CFT. „Mi ne živimo u anti-de Sitter prostoru“, kaže Saskind. “Živimo u nečemu mnogo bližem Sitter prostoru.” De Sitterov prostor opisuje svemir koji se ubrzava i širi poput našeg. „Nemamo ni najmaglu ideju kako se [holografija] tamo primjenjuje“, zaključuje Saskind. Smišljanje kako postaviti ovu vrstu korespondencije za prostor koji više liči na stvarni univerzum jedan je od najhitnijih problema za teoretičare struna. “Mislim da ćemo moći bolje razumjeti kako da uđemo u kosmološku verziju ovoga”, kaže van Raamsdonk.

Konačno, tu su vijesti – ili nedostatak istih – iz najnovijih akceleratora čestica, koji nisu pronašli nikakve dokaze za dodatne čestice predviđene supersimetrijom, idejom na koju se oslanja teorija struna. Supersimetrija nalaže da bi sve poznate čestice imale svoje “superpartnere”, udvostručavajući broj osnovnih čestica. Ali CERN-ov Veliki hadronski sudarač u blizini Ženeve, koji je dijelom dizajniran za traženje superpartnera, nije vidio ni traga od njih. „Sve zaista precizne verzije [pojavnog prostor-vremena] koje imamo nalaze se u supersimetričnim teorijama“, kaže Saskind. “Jednom kada nemate supersimetriju, sposobnost matematičkog praćenja jednačina jednostavno nestaje iz vaših ruku.”

ATOMI PROSTOR-VREMENA

Teorija struna nije jedina ideja koja sugerira da se prostor-vrijeme pojavljuje. Teorija struna “nije ispunila svoje obećanje kao način da ujedini gravitaciju i kvantnu mehaniku”, kaže Abhay Ashtekar, fizičar sa Pennsylvania State University. “Moć teorije struna sada je u pružanju izuzetno bogatog skupa alata, koji se naširoko koristi u cijelom spektru fizike.” Ashtekar je jedan od originalnih pionira najpopularnije alternative teoriji struna, poznate kao kvantna gravitacija petlje. U kvantnoj gravitaciji u petlji, prostor i vrijeme nisu glatki i kontinuirani na način na koji su u opštoj relativnosti – umjesto toga oni su napravljeni od diskretnih komponenti, koje Ashtekar naziva „komadići ili atomi prostor-vremena“.

Ovi atomi prostor-vremena povezani su u mrežu, s jednodimenzionalnim i dvodimenzionalnim površinama koje ih spajaju u ono što praktičari kvantne gravitacije u petlji nazivaju spin pjenom. I uprkos činjenici da je pjena ograničena na dvije dimenzije, ona stvara naš četverodimenzionalni svijet, sa tri dimenzije prostora i jednom vremenskom. Aštekar to poredi sa komadom odeće. “Ako pogledate svoju košulju, izgleda kao dvodimenzionalna površina”, kaže on. “Ako samo uzmete lupu, odmah ćete vidjeti da su sve jednodimenzionalne niti. Samo što su te niti toliko gusto zbijene da za sve praktične svrhe, košulju možete zamisliti kao dvodimenzionalnu površinu. Dakle, slično, prostor oko nas izgleda kao trodimenzionalni kontinuum. Ali zaista postoji ukrštanje ovih [atoma prostor-vremena].”

Suočeni s nedostatkom dokaza, većina fizičara svoje nade polaže u nebo. U najranijim trenucima Velikog praska, cijeli svemir je bio fenomenalno mali i gust – situacija koja zahtijeva kvantnu gravitaciju da bi ga opisali. A odjeci tog doba možda će ostati na nebu i danas. “Mislim da je naš najbolji izbor [za testiranje kvantne gravitacije] kroz kosmologiju,” kaže Maldacena. “Možda nešto u kosmologiji za što sada mislimo da je nepredvidivo, što se možda može predvidjeti kada shvatimo punu teoriju, ili nešto novo o čemu nismo ni razmišljali.”

Izvor informacija: Scientific American