Когда белый свет проходит через призму, радуга на другом конце демонстрирует богатую палитру цветов. Теоретики физического факультета Варшавского университета показали, что в моделях Вселенной, использующих любую квантовую теорию гравитации, должны быть также своего рода «радуги», состоящие из разных версий пространства-времени. Этот механизм предсказывает, что вместо единого и общего пространства-времени частицы различных энергий должны ощущать слегка измененные его версии.
Мы все, наверное, видели эксперимент: когда белый свет проходит через призму, он распадается с образованием радуги. Это происходит, потому что белый свет является смесью фотонов различных энергий, и чем выше энергия фотона, тем больше он отклоняется призмой. Таким образом, мы можем сказать, что радуга возникает, потому что фотоны различных энергий ощущают одну и ту же призму как имеющую разные свойства. На протяжении многих лет ученые подозревали, что частицы различных энергий в моделях квантовой Вселенной по существу ощущают различные структуры пространства-времени.
Варшавские физики использовали космологическую модель, содержащую всего два компонента: гравитацию и один тип материи. В рамках общей теории относительности гравитационное поле описывается деформациями пространства-времени, тогда как материя представлена скалярным полем (простейшим типом поля, в котором каждой точке пространства присуще лишь одно значение).
«Сегодня существует много конкурирующих теорий квантовой гравитации. Поэтому мы сформулировали нашу модель в самых общих терминах, чтобы ее можно было применить к любой из них. Кто-то может предположить один тип гравитационного поля — который на практике означает пространство-время — предложенное одной квантовой теорией, другой может предположить другое. Изменятся некоторые математические операторы в модели, но не характер явлений, в них происходящих», — говорит аспирант Варшавского университета Андреа Дапор.
«Этот результат просто удивительный. Мы начинаем с нечеткого мира квантовой геометрии, где даже трудно сказать, что такое время, а что такое пространство, но явления, происходящие в нашей космологической модели, кажутся происходящими в обычном пространстве-времени», — говорит другой аспирант Мехди Ассаниусси.
Все стало еще интереснее, когда физики взглянули на возбуждения скалярного поля, которые интерпретировались как частицы. Расчеты показали, что в этой модели частицы, различающиеся с точки зрения энергии, взаимодействуют с квантовым пространством-временем по-другому — как фотоны с разной энергией по-разному взаимодействуют с призмой. Это значит, что даже эффективная структура классического пространства-времени по-разному воспринимается отдельными частицами в зависимости от их энергии.
Появление обычной радуги можно описать в терминах показателя преломления, величина которого зависит от длины волны света. В случае с аналогичной радугой пространства-времени, предложены похожие отношения: бета-функция, мера степени различия восприятия классического пространства-времени разными частицами.
Эта функция отражает степень не-классичности квантового пространства-времени: в условиях, близких к классическим, она стремится к нулю, тогда как в истинно квантовых условиях она стремится к единице. Сейчас Вселенная находится в классико-подобном состоянии, так что значение беты близко к нулю, физики оценивают ее как не превышающую 0,01. Такое малое значение бета-функции означает, что радуга пространства-времени в настоящее время очень узкая и не может быть обнаружена экспериментально.
Исследование физиков-теоретиков Варшавского университета, проведенное за счет грантов Национального научного центра Польши, привело к еще одному интересному выводу. Радуга пространства-времени является результатом квантовой гравитации. Физики в целом сходятся во мнении, что эффекты такого плана будут видимы лишь при гигантских энергиях близко к энергии Планка, в миллионы или миллиарды раз превышающих энергию частиц, до которой сейчас разгоняет Большой адронный коллайдер.
Однако значение бета-функции зависит от времени, и в моменты, близкие Большому Взрыву, оно могло быть намного выше. Когда бета близится к нулю, пространственно-временная радуга существенно увеличивается. В результате при таких условиях радужный эффект квантовой гравитации можно потенциально наблюдать даже при энергиях частиц, в сотни раз меньших, чем энергия протонов на современном БАКе.