Lực hấp dẫn lượng tử cố gắng kết hợp lý thuyết tương đối tổng quát của Einstein với cơ học lượng tử. Hiệu chỉnh lượng tử cho trọng lực cổ điển được hình dung dưới dạng sơ đồ vòng lặp, như biểu đồ ở đây có màu trắng. Tín dụng hình ảnh: Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC.

10 bí ẩn không thời gian mà lực hấp dẫn lượng tử có thể giải quyết

Có rất nhiều câu hỏi mà chúng tôi không biết câu trả lời. Với lực hấp dẫn lượng tử, chúng có thể được giải quyết!

Bài viết này được viết bởi Sabine Hossenfelder. Sabine là một nhà vật lý lý thuyết chuyên về trọng lực lượng tử và vật lý năng lượng cao. Cô cũng tự do viết về khoa học.

Lý thuyết tương đối rộng của Einstein, trong đó lực hấp dẫn được gây ra bởi độ cong của không-thời gian, là tuyệt vời. Nó đã được xác nhận ở một mức độ chính xác đáng kinh ngạc, mở rộng đến mười lăm con số đáng kể trong một số trường hợp. Một trong những dự đoán đáng kinh ngạc nhất của nó là sự tồn tại của sóng hấp dẫn: những nhiễu loạn nhỏ trong không-thời gian di chuyển tự do. Những sóng này hiện được phát hiện thường xuyên bởi các thí nghiệm LIGO / VIRGO.

Nhưng chúng ta biết rằng thuyết tương đối rộng là không đầy đủ. Nó hoạt động tốt khi các hiệu ứng lượng tử của không-thời gian là nhỏ, điều này gần như luôn luôn như vậy. Nhưng khi các hiệu ứng lượng tử của không-thời gian trở nên lớn, chúng ta cần một lý thuyết tốt hơn: một lý thuyết về trọng lực lượng tử của Hồi.

Một minh họa về Vũ trụ sơ khai bao gồm bọt lượng tử, trong đó các dao động lượng tử là lớn, đa dạng và quan trọng trên quy mô nhỏ nhất. Tín dụng hình ảnh: NASA / CXC / M. WEiss.

Vì chúng ta chưa biết lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử, chúng ta không thực sự biết không gian và thời gian là gì. Chúng tôi có một số lý thuyết ứng cử viên cho lực hấp dẫn lượng tử, nhưng không có lý thuyết nào trong số chúng thường được chấp nhận. Tuy nhiên, dựa trên các phương pháp hiện có, chúng ta có thể suy đoán những gì có thể xảy ra với không gian và thời gian trong một lý thuyết về lực hấp dẫn lượng tử. Ở đây, tôi đã thu thập mười suy đoán khó hiểu nhất cho bạn:

1.) Trong lực hấp dẫn lượng tử, chúng tôi hy vọng rằng không-thời gian sẽ dao động mạnh mẽ ngay cả khi không có vật chất. Trong thế giới lượng tử, chân không không bao giờ nghỉ, và cũng không làm không gian và thời gian.

Ở quy mô lượng tử nhỏ nhất, Vũ trụ có thể chứa đầy những lỗ đen nhỏ, siêu nhỏ, khối lượng thấp. Những lỗ này có thể kết nối hoặc mở rộng vào bên trong trong thời trang rất thú vị. Tín dụng hình ảnh: NASA.

2.) Không gian thời gian lượng tử có thể đầy với các lỗ đen siêu nhỏ. Weirder vẫn còn, nó có thể có lỗ sâu đục hoặc làm phát sinh vũ trụ bé, đó là những bong bóng nhỏ nhô ra khỏi vũ trụ mẹ.

3.) Và vì đây là một lý thuyết lượng tử, không-thời gian có thể làm tất cả những điều này cùng một lúc! Nó có thể vừa tạo ra một vũ trụ trẻ con vừa không tạo ra một vũ trụ cùng một lúc.

Vải không thời gian có thể không phải là vải, nhưng có thể được làm từ các thành phần riêng biệt chỉ xuất hiện dưới dạng vải liên tục đối với chúng tôi ở quy mô vĩ mô lớn hơn.

4.) Trong hầu hết các phương pháp tiếp cận lực hấp dẫn lượng tử, không-thời gian không phải là cơ bản mà được tạo ra từ một thứ khác. Đó có thể là các chuỗi, vòng lặp, qbit hoặc một số biến thể của các nguyên tử không gian thời gian không gian xuất hiện trong các phương pháp tiếp cận dựa trên vật chất cô đọng. Tuy nhiên, các thành phần riêng lẻ chỉ có thể được giải quyết khi được thăm dò với năng lượng cực cao, vượt xa những gì chúng ta có thể đạt được trên Trái đất.

5.) Trong một số phương pháp dựa trên vật chất ngưng tụ, không-thời gian có các tính chất như chất rắn hoặc chất lỏng để nó có thể đàn hồi hoặc có độ nhớt. Nếu đó là như vậy, điều này có thể dẫn đến hậu quả quan sát được. Các nhà vật lý hiện đang tìm kiếm các hiệu ứng như vậy bằng cách nghiên cứu các hạt sứ giả, ví dụ, ánh sáng hoặc điện tử, tiếp cận chúng ta từ rất xa trong vũ trụ.

Sơ đồ hoạt hình của một chùm ánh sáng liên tục bị phân tán bởi một lăng kính. Trong một số ý tưởng có liên quan đến lực hấp dẫn lượng tử, bản thân không gian có thể hoạt động như một môi trường phân tán cho các bước sóng ánh sáng khác nhau. Tín dụng hình ảnh: LucasVB / Wikimedia Commons.

6.) Không-thời gian có thể ảnh hưởng đến cách ánh sáng đi qua nó. Nó có thể không hoàn toàn trong suốt hoặc ánh sáng của các màu khác nhau có thể truyền đi ở các tốc độ khác nhau, một hiệu ứng được gọi là tán sắc. Nếu thời gian không gian lượng tử ảnh hưởng đến sự lan rộng của ánh sáng, thì điều này cũng có thể quan sát được trong các thí nghiệm trong tương lai.

7.) Biến động không-thời gian có thể phá hủy khả năng ánh sáng từ các nguồn ở xa để tạo ra các mẫu giao thoa. Hiệu ứng này đã được tìm kiếm và không tìm thấy, ít nhất là không quá xa và không nằm trong phạm vi có thể nhìn thấy.

Ánh sáng, cho dù đi qua hai khe dày (trên cùng), hai khe mỏng (giữa) hoặc một khe dày (dưới), hiển thị bằng chứng nhiễu, chỉ vào bản chất giống như sóng. Nhưng trong lực hấp dẫn lượng tử, một số tính chất giao thoa dự kiến ​​có thể là không thể. Tín dụng hình ảnh: Benjamin Crowell.

8.) Ở những vùng có độ cong mạnh, thời gian có thể biến thành không gian. Điều này có thể xảy ra, ví dụ, bên trong các lỗ đen hoặc tại vụ nổ lớn. Trong trường hợp như vậy, cái mà chúng ta biết bây giờ là không gian thời gian với ba chiều không gian và một chiều thời gian có thể biến thành không gian bốn chiều Euclidean.

Kết nối hai vị trí riêng biệt trong không gian hoặc thời gian thông qua lỗ sâu đục chỉ là một ý tưởng lý thuyết, nhưng là một khả năng hấp dẫn có thể không chỉ quan trọng, mà có thể là không thể tránh khỏi trong lực hấp dẫn lượng tử. Tín dụng hình ảnh: Wikimedia Commons người dùng Kes47.

9.) Không-thời gian có thể được kết nối không cục bộ với các phím tắt nhỏ kéo dài trong vũ trụ. Các kết nối không cục bộ như vậy nên tồn tại trong tất cả các phương pháp tiếp cận có cấu trúc cơ bản là phi hình học, chẳng hạn như biểu đồ hoặc mạng. Điều này là do trong những trường hợp như vậy, khái niệm về gần đó không phải là cơ bản mà chỉ có nguồn gốc và nó không hoàn hảo để đôi khi, những nơi rất xa được kết nối một cách tình cờ.

Four Qubit Square Circuit của IBM, một tiến bộ tiên phong trong tính toán, có thể dẫn đến các máy tính đủ mạnh để mô phỏng toàn bộ Vũ trụ. Nhưng lĩnh vực tính toán lượng tử vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Tín dụng hình ảnh: nghiên cứu của IBM.

10.) Có thể là để kết hợp lý thuyết lượng tử với lực hấp dẫn, chúng ta không phải cập nhật lực hấp dẫn, mà chính là lý thuyết lượng tử. Nếu đó là như vậy, hậu quả có thể là sâu rộng. Bởi vì lý thuyết lượng tử làm nền tảng cho tất cả các thiết bị điện tử và nếu phải thay đổi, điều này có thể mở ra những khả năng hoàn toàn mới.

Mặc dù lực hấp dẫn lượng tử thường được xem là một ý tưởng lý thuyết từ xa, có rất nhiều con đường khả thi để đưa nó vào một thử nghiệm quan sát hoặc thử nghiệm. Đã có một số hạn chế quan trọng đã được lượm lặt từ việc thực hiện những quan sát và đo lường rất giống nhau. Tất cả chúng ta du hành xuyên thời gian mỗi ngày. Hiểu nó có thể thay đổi cuộc sống của chúng tôi.

Starts With A Bang hiện đã có mặt trên Forbes và được tái bản trên Medium nhờ những người ủng hộ Patreon của chúng tôi. Ethan đã là tác giả của hai cuốn sách, Beyond The Galaxy, andTreknology: The Science of Star Trek from Tricnings to Warp Drive.