CZAS , JAKO MATERIA GEOMETRYCZNA

 

Time is composed of time atoms ... which in

fact are indivisible.

[Moses Maimonides, twelfth century]

 

Jest przepaść pomiędzy rozumieniem czasu w ogólnej teorii względności [General Relativity- GR], a rozumieniem czasu w mechanice kwantowej [Quantum Mecanics – QM].

 

Mechanika kwantowa traktuje czas w ten sam sposób jak Isaac Newton. Jako nieskończone, absolutne i wieczne tło , na którym rozpatruje się wydarzenia jakim podlegają cząstki elementarne.

Zderzenia, oddziaływanie, kreacje, anihilacje, przemiany, to procesy , które dzieją się w czasie, a ten pozostaje

całkowicie bierny, neutralny wobec nich i pełni funkcje ekranu, na tle którego one występują, jako personae dramatis .

 

Taką pozycję czasu, trochę naruszyła zasada Heisenberga o relacjach między energią, a czasem istnienia układu kwantowego [zob. www.autodafe.salon24.pl/374279,gdzie-jest-strzalka-czasu ],ale metodologia Modelu Standardowego jest konsekwentna nadal:

 

czas i przestrzeń to tylko tło, scena, na której dzieje się kwantowość zjawisk i procesów.

 

W ogólnej teorii względności [ GR ] jest absolutnie przeciwnie.

 

Czas jest [łącznie z przestrzenią] bytem aktywnym, nie jest tłem ,ani ekranem. Czas wpływa na stany i procesy materii ,kreuje zjawiska, jest dynamiczny, jest fizycznym bytem.

 

GR nie jest teorią ,która dzieli świat na fizykę i geometrię. Dlatego stoi w sprzeczności z mechaniką kwantową, o czym trafnie pisała niedawno tutaj Magia.

 

Sprzeczność jest wzmocniona dodatkowym faktem.

GR to teoria grawitacji. Niestety większość prób uczynienia z pola grawitacyjnego- kwantowego pola ,jest nieudana.

Niby mówi się o grawitonach, ale nikt nie pokazał obliczeniowo ,że Model Standardowy radzi sobie z kwantowaniem pola grawitacyjnego.

 

Nowe spojrzenie na te dwie uniwersalne teorie fizyki [ogólną teorię względności i Model Standardowy cząstek elementarnych] przyszło z nieoczekiwanej strony i zaowocowało pętlową kwantową teorią czasu i przestrzeni   [Loop quantum theory of spacetime (LQT)].

 

Z zewnątrz, powierzchownie, ta teoria przypomina teorię strun ,ale nie ma z nią nic wspólnego. Matematycznie bazuje na tzw. teorii pętli ,cienkich, długich nici, tworzących węzły, sploty, sieci.

 

Grupa fizyków -działająca wspólnie: Ashtekar,Crane,Smolin,Kowalski-Gliksman,Lewandowski,

Rovelli,Gambini,Markopoulou,Amelino-Camelia ,pod koniec lat dziewięćdziesiątych ub.wieku rozpoczęła przebudowę fizyki  trwającą do dzisiaj ] pod kątem unifikacji mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności.

 

Poletkiem doświadczalnym stała się idea skwantowania pola grawitacyjnego, ale bardzo szybko prace wykroczyły poza to poletka i objęły całą fizykę..

 

Wielki udział w tej fascynującej przygodzie intelektualnej mają Polacy ,w szczególności ośrodki warszawski [ UW,PAN] i krakowski[ UJ].

 

 Poza licznymi rozprawami w renomowanych czasopismach i we współpracy z najwybitniejszymi ,światowymi specjalistami ,w kraju organizowane są międzynarodowe seminaria i konferencje poświęcone problematyce pętlowej kwantowej teorii czasoprzestrzeni, np. w Zakopanem, marzec 2010.

 

Na przyszły rok, L.Smolin razem ze swym Perimeter Institute szykuje światową konferencję w Brukseli: Cosmological Frontiers in Fundamental Physics 2012 , May 29 - June 1,[International Solvay Institutes, Brussels]

W wyniku tej kilkunastoletniej pracy badawczej okazało się ,że obydwie formy bytu [cząstki i pola fizyczne] są dualne ,to znaczy że te dwa zjawiska są dwoma sposobami widzenia tego samego.

 

Tym jednym jest skwantowana, dyskretna czyli nieciągła czasoprzestrzeń zwana w obszarze języka angielskiego “dynamics geometry” [dynamiczna geometria],a w Polsce – “materia geometryczna”[termin Lukierskiego-Rzewuskiego].[1,2]

Materia geometryczna nie znajduje się w czasoprzestrzeni, ona tworzy czasoprzestrzeń przez swoją dynamikę relacji.

 

Ma charakter sieci czasoprzestrzennej, której węzły oraz krawędzie mają zaprojektowany sens fizyczny. Sieć dostaje się przez łączenie pętli, z każdą krawędzią można związać spin cząstki[moment pędu], tym samym wprowadzony jest do struktury czas, a sama sieć nosi nazwę sieci spinowej.

 

 

Węzły/wierzchołki sieci tworzą objętość przestrzeni. Jeden węzeł /wierzchołek jest związany z super-maleńkim sześcianikiem o krawędzi równej długości Planckaczyli w przybliżeniu 10^(-35)m. Ta najmniejsza objętość ,kwant przestrzeni jest rzędu 10^(-105) m^3.

100 wierzchołków sieci spinowej tworzy 100 kubików Plancka czyli przestrzeń o objętości rzędu 10^(-103)m^3.

 

Kwant pola powierzchni jest wyznaczony przez jedną krawędź przecinającą to pole i wynosi

L[Plancka]^2 = [10^(-35)]^2 = 10^(-70) m^2

Sto krawędzi przecinających powierzchnie wyznacza pole jej o wartości

100x1o^(-70) m^2 = 10^(-68) m^2

 

Ponieważ z każdą krawędzią związany jest czas ,wobec tego czas jest również skwantowany.

Najmniejszy przedział czasu [ ilość czasu] jest tzw. czasem Plancka i wynosi 5,4x10^(-44) sek.

 

Wobec tego najmniejsza porcja czasoprzestrzeni, kwant czasoprzestrzeni o strukturze sieci spinowej ma

Objętość 10^(-105) m^3

Powierzchnię 10^(-70) m^2

Czas istnienia 10^(-44) sek

Czasoprzestrzeń o takiej strukturze jest obiektem dyskretnym, ziarnistym i dynamicznym z uwagi na fluktuacje kwantowe.

 

Wheeler określał ją pianą geometrii, dzisiaj bardziej pasuje do niej termin : “piana spinowa”.

 

Jest ona materią geometryczną lub dynamiczną geometrią ,która ma dualną postać: raz jest jakimś polem fizycznym , innym razem jest materią cząsteczkową [3].

Czas w pętlowej kwantowej teorii jest substancjonalny, może być wytwarzany i unicestwiany [4-6].

 

Jednak w fizyce na każdą hipotezę i na każdy model teoretyczny przychodzi “kryska na Matyska” w postaci eksperymentalnej weryfikacji.

 

Hipotezy nie zweryfikowane doświadczalnie zamieniają fizykę na opowieść z gatunku science fiction [SF].

 

Jak zweryfikować hipotezę kwantowej struktury czasoprzestrzeni w wymiarach Plancka ?

 

Giovanni Amelino- Camelia, słynny fizyk włoski, współtwórca pętlowej kwantowej teorii grawitacji, zaproponował eksperyment i trwają przygotowania do jego realizacji.

 

Z jego obliczeń wynika ,że fotony przebiegając przez taką skwantowaną czasoprzestrzeń powinny nieznacznie zmieniać swój tor. Efekt ten może być silny i możliwy do pomiaru ,jeśli będziemy badać tory fotonów przybywających do nas od galaktyk ,oddalonych o miliardy lat świetlnych, gdyż to oznacza długi czas przebywania fotonów w siatce spinowej.

 

Tym samym Amelino-Camelia robi z całego wszechświata laboratorium fizyczne. Trzeba przyznać ,że jego pomysł wpisuje się , w nowy i bardzo cenny trend badań doświadczalnych : weryfikować fizykę ekstremalnych energii bez laboratoryjnego wytwarzania takich energii[ bo niby jak uzyskać takie energie??].

Możliwe ,że sam wszechświat pokaże nam nową fizykę w hiper wysokich energiach ,czego by nie zrobił żaden LHC .

　

　

　

Literatura

[1] J.Lukierski, Nowe koncepcje przestrzeni i czasu w opisie mikroświata

[2] Rudiger Vaas: Jensits von Raum und Zeit,Bild der Wissenschaft,no.12,pp.50-56,2003

[3] C.Rovelli,Quantum Gravity,Cambridge Press,2004

[4] A.Ashtekar,J.Lewandowski,Quntum Gravity and its Applications,Cambridge,2005