Když bílé světlo prochází hranolem, duha na druhém konci vykazuje bohatou paletu barev. Teoretici Fakulty fyziky na Varšavské univerzitě prokázali, že modely vesmíru využívající jakoukoli kvantovou teorii gravitace musí mít také jakési „duhy“skládající se z různých verzí časoprostoru. Tento mechanismus předpovídá, že místo jediného a společného časoprostoru by částice různých energií měly zažít mírně pozměněné verze.
Experiment jsme pravděpodobně už všichni viděli: když bílé světlo prochází hranolem, rozpadá se a vytváří duhu. Je to proto, že bílé světlo je směsí fotonů různých energií a čím vyšší je energie fotonu, tím více je hranolem vychýlen. Můžeme tedy říci, že duha vzniká, protože fotony různých energií vnímají stejný hranol jako mají různé vlastnosti. Po mnoho let vědci předpokládali, že částice různých energií v modelech kvantového vesmíru v podstatě cítí různé struktury časoprostoru.
Fyzici ve Varšavě použili kosmologický model obsahující pouze dvě složky: gravitaci a jeden typ hmoty. V rámci obecné teorie relativity je gravitační pole popsáno deformacemi časoprostoru, zatímco hmota je reprezentována skalárním polem (nejjednodušší typ pole, ve kterém je každému bodu v prostoru vlastní pouze jedna hodnota).
"Dnes existuje mnoho konkurenčních teorií kvantové gravitace." Proto jsme formulovali náš model v nejobecnějších pojmech, aby jej bylo možné použít na kterýkoli z nich. Někteří by mohli navrhnout jeden typ gravitačního pole - což v praxi znamená časoprostor - navrhovaný jednou kvantovou teorií, jiný by mohl navrhovat jiný. Změní se některé matematické operátory modelu, ale nikoli povaha jevů, které se v nich vyskytují, “říká Andrea Dapor, postgraduální studentka na varšavské univerzitě.
"Tento výsledek je úžasný." Začínáme fuzzy světem kvantové geometrie, kde je dokonce těžké říci, co je čas a co prostor, ale zdá se, že jevy vyskytující se v našem kosmologickém modelu se vyskytují v běžném časoprostoru, “říká další absolvent Mehdi Assaniussi.
Věci se staly ještě zajímavějšími, když se fyzici podívali na excitace skalárního pole, které byly interpretovány jako částice. Výpočty ukázaly, že na tomto modelu částice, které se liší z hlediska energie, interagují s kvantovým časoprostorem jiným způsobem - stejně jako fotony s různými energiemi interagují odlišně s hranolem. To znamená, že i efektivní struktura klasického časoprostoru je jednotlivými částicemi vnímána odlišně, v závislosti na jejich energii.
Vzhled obyčejné duhy lze popsat pomocí indexu lomu, jehož velikost závisí na vlnové délce světla. V případě podobné duhy časoprostoru se navrhuje podobný vztah: funkce beta, míra míry rozdílu ve vnímání klasického časoprostoru různými částicemi. Tato funkce odráží stupeň neklasicity kvantového časoprostoru: v podmínkách blízkých klasice má tendenci k nule, zatímco ve skutečných kvantových podmínkách má tendenci k jednotě. Nyní je vesmír v klasickém stavu, takže hodnota beta se blíží nule, fyzici ji odhadují jako nepřesahující 0,01. Taková malá hodnota funkce beta znamená, že časoprostorová duha je v současné době velmi úzká a nelze ji experimentálně detekovat.
Studie teoretických fyziků na Varšavské univerzitě, financovaná z grantů Polského národního vědeckého centra, vedla k dalšímu zajímavému závěru. Duha časoprostoru je výsledkem kvantové gravitace. Fyzici obecně souhlasí s tím, že účinky takového plánu budou viditelné pouze u gigantických energií blízkých Planckově energii, miliónkrát nebo miliardkrát vyšších než energie částic, na kterou nyní urychluje Large Hadron Collider. Hodnota funkce beta však závisí na čase a v okamžicích blízko Velkého třesku by mohla být mnohem vyšší. Když se beta přiblíží k nule, časoprostorová duha se výrazně zvýší. Výsledkem je, že za takových podmínek lze potenciálně pozorovat duhový efekt kvantové gravitace i při energiích částic, které jsou stokrát nižší,než energie protonů v moderním LHC.
Propagační video: