Wanneer wit licht door een prisma gaat, vertoont de regenboog aan de andere kant een rijk kleurenpalet. De theoretici van de Faculteit der Natuurkunde aan de Universiteit van Warschau hebben aangetoond dat in modellen van het heelal die gebruik maken van een kwantumtheorie van zwaartekracht, er ook een soort "regenboog" moet zijn, bestaande uit verschillende versies van ruimte-tijd. Dit mechanisme voorspelt dat in plaats van een enkele en gemeenschappelijke ruimtetijd, deeltjes met verschillende energieën licht gewijzigde versies ervan zouden moeten ervaren.
We hebben het experiment waarschijnlijk allemaal gezien: wanneer wit licht door een prisma gaat, vervalt het en vormt het een regenboog. Dit komt doordat wit licht een mengsel is van fotonen met verschillende energieën, en hoe hoger de fotonenergie, hoe meer het wordt afgebogen door het prisma. We kunnen dus zeggen dat de regenboog ontstaat omdat fotonen met verschillende energieën hetzelfde prisma waarnemen met verschillende eigenschappen. Wetenschappers hebben jarenlang vermoed dat deeltjes met verschillende energieën in modellen van het kwantumuniversum in wezen verschillende structuren van ruimtetijd waarnemen.
Natuurkundigen in Warschau gebruikten een kosmologisch model dat slechts twee componenten bevat: zwaartekracht en één soort materie. In het kader van de algemene relativiteitstheorie wordt het zwaartekrachtveld beschreven door vervormingen van ruimte-tijd, terwijl materie wordt gerepresenteerd door een scalair veld (het eenvoudigste type veld waarin slechts één waarde inherent is aan elk punt in de ruimte).
“Er zijn tegenwoordig veel concurrerende theorieën over kwantumzwaartekracht. Daarom hebben we ons model in de meest algemene termen geformuleerd, zodat het op elk ervan kan worden toegepast. Iemand kan een type zwaartekrachtveld aannemen - wat in de praktijk ruimtetijd betekent - voorgesteld door de ene kwantumtheorie, een ander kan een ander suggereren. Sommige wiskundige operatoren in het model zullen veranderen, maar niet de aard van de verschijnselen die erin optreden”, zegt Andrea Dapor, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Warschau.
“Dit resultaat is verbluffend. We beginnen met de vage wereld van de kwantummeetkunde, waar het zelfs moeilijk is om te zeggen wat tijd is en wat ruimte is, maar de verschijnselen die in ons kosmologische model voorkomen, lijken te gebeuren in de gewone ruimte-tijd ', zegt een andere afgestudeerde student Mehdi Assaniussi.
Het werd nog interessanter toen natuurkundigen keken naar scalaire veldexcitaties die werden geïnterpreteerd als deeltjes. Berekeningen hebben aangetoond dat in dit model deeltjes die qua energie verschillen op een andere manier interageren met kwantumruimte-tijd - net zoals fotonen met verschillende energieën anders interageren met een prisma. Dit betekent dat zelfs de effectieve structuur van klassieke ruimte-tijd verschillend wordt waargenomen door individuele deeltjes, afhankelijk van hun energie.
Het uiterlijk van een gewone regenboog kan worden beschreven in termen van de brekingsindex, waarvan de grootte afhangt van de golflengte van het licht. In het geval van een vergelijkbare regenboog van ruimte-tijd wordt een vergelijkbare relatie voorgesteld: de bètafunctie, een maat voor de mate van verschil in de perceptie van klassieke ruimte-tijd door verschillende deeltjes. Deze functie weerspiegelt de mate van niet-klassiekheid van de kwantumruimte-tijd: in omstandigheden die dicht bij klassiek liggen, neigt het naar nul, terwijl het in echte kwantumomstandigheden naar eenheid neigt. Nu bevindt het universum zich in een klassiek-achtige staat, dus de bètawaarde is bijna nul, natuurkundigen schatten dat deze niet hoger is dan 0,01. Zo'n kleine waarde van de bètafunctie betekent dat de ruimtetijdregenboog momenteel erg smal is en niet experimenteel kan worden gedetecteerd.
Een studie door theoretisch natuurkundigen aan de Universiteit van Warschau, gefinancierd met subsidies van het National Science Center van Polen, leidde tot een andere interessante conclusie. De ruimtetijd-regenboog is het resultaat van kwantumzwaartekracht. Natuurkundigen zijn het er over het algemeen over eens dat de effecten van een dergelijk plan alleen zichtbaar zullen zijn bij gigantische energieën dicht bij de Planck-energie, miljoenen of miljarden keren hoger dan de deeltjesenergie waarnaar de Large Hadron Collider nu versnelt. De waarde van de bètafunctie is echter afhankelijk van de tijd en kan op momenten dicht bij de oerknal veel hoger zijn. Wanneer bèta nul nadert, neemt de tijd-ruimte-regenboog aanzienlijk toe. Als gevolg hiervan kan onder dergelijke omstandigheden het regenboogeffect van kwantumzwaartekracht mogelijk zelfs worden waargenomen bij deeltjesenergieën die honderden keren lager zijn,dan de energie van protonen bij de moderne LHC.
Promotie video:
