כוח הכבידה הקוונטי מנסה לשלב את תיאוריית היחסות הכללית של איינשטיין עם מכניקת הקוונטים. תיקונים קוונטיים לכבידה קלאסית מדמיינים כתרשימי לולאה, כמו זה שמוצג כאן בלבן. אשראי תמונה: מעבדת המאיץ הלאומי של SLAC.

10 תעלומות מרחביות שכוח הכבידה יכול לפתור

יש המון שאלות שאנחנו לא יודעים את התשובה עליהן. עם כוח הכבידה הקוונטי, הם עשויים להיפתר!

מאמר זה נכתב על ידי Sabine Hossenfelder. סבין הוא פיזיקאי תיאורטי המתמחה בכבידה קוונטית ובפיזיקה באנרגיה גבוהה. היא גם כותבת כפרילנסרית על מדע.

תיאוריית היחסות הכללית של איינשטיין, בה כוח המשיכה נגרם עקב עקמומיות החלל-זמן, היא מדהימה. זה אושר לרמת דיוק מדהימה, ונמשך לחמישה עשר דמויות משמעותיות במקרים מסוימים. אחת התחזיות המדהימות ביותר שלה היא קיומם של גלי כבידה: הפרעות קטנות בזמן המרחב הנעות בחופשיות. גלים ממש אלה מתגלים כעת באופן קבוע על ידי ניסויי LIGO / VIRGO.

אך אנו יודעים שתורת היחסות הכללית אינה שלמה. זה עובד טוב כאשר ההשפעות הקוונטיות של זמן-חלל הן קטנות, וזה כמעט תמיד המקרה. אך כאשר ההשפעות הקוונטיות של זמן החלל גדלות אנו זקוקים לתיאוריה טובה יותר: תיאוריה של "כוח הכבידה הקוונטי".

המחשה ליקום הקדום כמורכב מקצף קוונטי, בו התנודות הקוונטיות גדולות, מגוונות וחשובות על קנה המידה ביותר. קרדיט תמונה: NASA / CXC / M.Weiss.

מכיוון שאנו עדיין לא מכירים את התיאוריה של כוח הכבידה הקוונטי, איננו יודעים באמת מה המרחב והזמן. יש לנו כמה תיאוריות מועמדות לגבי כוח המשיכה הקוונטי, אך אף אחת מהן אינה מקובלת. עם זאת, על סמך הגישות הקיימות, אנו יכולים לשער מה עלול לקרות עם המרחב והזמן בתיאוריה של כוח הכבידה הקוונטי. הנה, אספתי עבורך את עשר ההשערות המדהימות ביותר:

1.) בכבידה קוונטית אנו צופים כי זמן המרחב ישתנה בפראות אפילו בהיעדר חומר. בעולם הקוונטי, הוואקום לעולם אינו נח ואינו מרחב וזמן.

בסולם הקוונטים הקטן ביותר עשוי היקום להתמלא בחורים שחורים זעירים, מיקרוסקופיים, בעלי מסה נמוכה. חורים אלה יכולים להתחבר או להתרחב פנימה באופנות מעניינות מאוד. אשראי תמונה: נאס

2.) זמן המרחב הקוונטי יכול להיות מלא עם חורים שחורים מיקרוסקופיים. למרות זאת, זה יכול להיות חורי תולעת או להוליד יקומים לתינוקות, שהם בועות קטנות שנצצות מהיקום האם.

3.) ומכיוון שזו תיאוריה קוונטית, זמן-חלל יכול היה לעשות את כל הדברים האלה בו זמנית! זה יכול גם ליצור יקום לתינוקות ולא ליצור אחד בו זמנית.

הבד של חלל יכול להיות בכלל לא בד, אך עשוי להיות מורכב מרכיבים נפרדים המופיעים רק כמארג רציף עבורנו בסולם גדול יותר מקרוסקופי.

4.) ברוב הגישות לכוח הכבידה, זמן המרחב אינו בסיסי אלא עשוי ממשהו אחר. זה יכול להיות מיתרים, לולאות, qbits או גרסה כלשהי של "אטומים" במרחב-זמן המופיעים בגישות מבוססות חומר מעובה. עם זאת, המרכיבים הבודדים יכולים להיפתר רק כאשר נבדקים באנרגיות גבוהות במיוחד, הרבה מעבר למה שאנו יכולים להשיג בכדור הארץ.

5.) בחלק מהגישות המבוססות על חומר מעובה, לחלל-זמן יש תכונות כמו מוצק או נוזל כך שהוא יכול להיות אלסטי או להיות בעל צמיגות. אם כן, הדבר עלול להוביל לתוצאות ניתנות לצפייה. פיזיקאים מחפשים כיום השפעות כאלה על ידי לימוד חלקיקי מסנג'ר, למשל אור או אלקטרונים, שמגיעים אלינו מרחוק בקוסמוס.

אנימציה סכמטית של קרן אור רציפה שמתפזרת על ידי פריזמה. בחלק מהרעיונות הרלוונטיים לכוח הכבידה, המרחב עצמו עשוי לפעול כאמצעי פיזור לאורכי גל שונים של אור. קרדיט תמונה: LucasVB / Wikimedia Commons.

6.) זמן שטח עשוי להשפיע על אופן הנע לאורו. יתכן שזה לא יהיה שקוף לחלוטין, או שאור בצבעים שונים עשוי לנוע במהירויות שונות, אפקט המכונה "פיזור". אם זמן המרחב הקוונטי משפיע על התפשטות האור, גם זה יכול להיות ניתן לצפייה בניסויים עתידיים.

7.) תנודות בזמן-חלל עלולות להרוס את יכולתו של אור ממקורות רחוקים ליצור דפוסי הפרעה. השפעה זו חיפשה ולא נמצאה, לפחות לא עד כה ולא בטווח הגלוי.

אור, בין שהוא עבר דרך שני חריצים עבים (למעלה), שני חריצים דקים (אמצעיים) או חריץ עבה אחד (מלמטה), מציג עדויות להתערבות, ומצביע על טבע דמוי גל. אך בכוח הכבידה הקוונטי, כמה מאפייני הפרעות צפויים עשויים להיות בלתי אפשריים. קרדיט תמונה: בנג'מין קרואל.

8.) באזורים עם עקמומיות חזקה, הזמן עלול להפוך לחלל. זה יכול לקרות, למשל, בתוך חורים שחורים או במפץ הגדול. במקרה כזה, מה שאנחנו מכירים כיום כמרחב-זמן עם שלושה ממדי מרחב ומימד אחד של זמן עשוי להפוך לחלל "אוקלידי" ארבעה ממדי.

חיבור שני מיקומים ברורים במרחב ובזמן דרך חור תולעת נותר רעיון תיאורטי בלבד, אלא הוא אפשרות מסקרנת שאולי לא רק חשובה, אלא עשויה להיות בלתי נמנעת בכוח הכבידה. קרדיט תמונה: משתמש Wikimedia Commons Kes47.

9.) זמן החלל יכול להיות מחובר לא-מקומי עם קיצורי דרך זעירים שמשתרעים ברחבי היקום. קשרים לא מקומיים כאלה צריכים להתקיים בכל הגישות שהמבנה הבסיסי שלהן אינו גיאומטרי, כמו גרף או רשת. הסיבה לכך היא שבמקרים כאלה, הרעיון של "בקרבת מקום" אינו מהותי אלא נגזר בלבד, והוא צריך להיות מושלם כך שלעתים מקומות רחוקים מאוד קשורים ביניהם בטעות.

מעגל ארבע הקוביט של יבמ, התקדמות חלוצית בחישוב, עשוי להוביל למחשבים חזקים מספיק כדי לדמות יקום שלם. אבל תחום החישוב הקוונטי עדיין בחיתוליו. אשראי תמונה: מחקר של יבמ.

10.) יכול להיות שכדי לשלב את תורת הקוונטים עם כוח הכבידה, איננו צריכים לעדכן את כוח הכבידה, אלא את תורת הקוונטים עצמה. אם כן, התוצאות עלולות להיות מרחיקות לכת. מכיוון שתורת הקוונטים עומדת בבסיס כל המכשירים האלקטרוניים ואם יש לשנות אותה, הדבר עשוי לפתוח אפשרויות חדשות לחלוטין.

למרות שכובד הקוונטי נתפס לרוב כרעיון תיאורטי מרוחק, ישנם דרכים אפשריות רבות להעמידה במבחן תצפיתי או ניסוי. כבר אילצו כמה אילוצים חשובים מלבצע אותן תצפיות ומדידות ממש. כולנו עוברים שטח-חלל בכל יום. הבנתו עשויה לשנות את חיינו.

Starts With A Bang נמצא כעת בפורבס, והופץ מחדש בבינוני בזכות תומכי הפטרון שלנו. איתן כתב שני ספרים, מעבר לגלקסיה, וטרקנולוגיה: המדע של מסע בין כוכבים מטריקורנס לכונן עיוות.