Teleskopi MAGIC nametnuli novo ograničenje eventualnoj teoriji kvantne gravitacije

Navodno nema glupih pitanja. Barem ih nema za politički korektne predavače. Ima zanimljivih i manje zanimljivih pitanja. No, postoji jedna kategorija pitanja od koje se mnogim znanstvenicima zacakle oči i ubrza puls. To su velika pitanja. Primjerice: što je stvarnost, što je život, što je svijest. U knjizi Brief Answers to the Big Questions (koja će uskoro izaći i u hrvatskom prijevodu) Hawking je odgovorio na deset velikih pitanja. Ta pitanja većinom ili jesu fizika ili se svode na fiziku, a potom dođu do granice poznatog koja nas često podsjeti da još na pravi način ne znamo povezati svijet maloga i svijet velikoga.

Svijet maloga – atomsko i subatomsko područje – izvrsno opisujemo kvantnom teorijom. A svijet velikoga – zvijezde, galaksije i svemir u cjelini – izvrsno opisujemo općom teorijom relativnosti, koja je zapravo teorija gravitacije. No, postoje važni fenomeni koji su izvan dosega tih postojećih teorija, temeljnih stupova moderne fizike, fenomeni za čije bi nam objašnjenje trebala zasad još nepostojeća teorija koja na pravi način objedinjuje kvantnu fiziku i teoriju relativnosti. Bila bi to teorija kvantne gravitacije.

Postoji naziv, u prenesenom smislu, za ono što svi traže, a što još nitko nije vidio ni našao: sveti gral. Zato za teoriju kvantne gravitacije često kažemo da je sveti gral teorijske fizike. Doduše, teorija u fizici nije mitski predmet kojega traže Indiana Jones ili Monty Pythonovci. Teorija se postepeno gradi. Razvijaju se matematički modeli za opis nekog segmenta priče. Razni modeli imaju neka svoja predviđanja, a ta predviđanja se, načelno, mogu testirati eksperimentom ili na temelju opažanja. Nakon svakog takvog testiranja obično znamo malo više, suzimo područje potrage. Dakle, radimo kao gorska služba spašavanja, kako eliminiramo već pretražene teritorije u kojima nestalih nema, tako smo malo bliže cilju da ih eventualno nađemo. Postoji još jedna sličnost: garancije pronalaska nema.

Kvantizirano prostrovrijeme kao prizma za rasap gama-zračenja

Nekoliko modela kvantne gravitacije predviđa da bi fotoni, čestice svjetlosti, u vakuumu trebali imati brzinu ovisnu o energiji. Za teoriju relativnosti to je ravno herezi. U teoriji relativnosti brzina svjetlosti u vakuumu je konstantna, neovisna je o relativnoj brzini izvora i opažača (to je drugi postulat specijalne teorije relativnosti) i neovisna o energiji fotona. Ali teorija relativnosti je, kao i svaka teorija u fizici, ograničena. Ima svoje pretpostavke i svoje dosege. Konkretno, prostor u teoriji relativnosti ima začuđujuća svojstva. Može biti blago zakrivljen ili skroz izobličen, ali je u svakom slučaju kontinuiran. Nema zrnatost ili diskretnost ili, jezikom kvantne fizike, nije kvantiziran.

E sad, prostor u teoriji relativnosti nije kvantiziran, no to ne znači da prostor u stvarnosti nije kvantiziran. Možda jest. To za većinu fenomena uopće nije važno pa teorija relativnosti daje zasad najbolji mogući opis stvarnosti. Međutim, mogli bi postojati fenomeni u kojima kvantiziranost prostora jest važna. I tu bi onda teorija relativnosti bila narušena.

Zašto bi kvantiziranost prostora utjecala na brzinu svjetlosti? Zamislite ovakvu situaciju: imamo savršeno glatku ravnu cestu duljine d. Po toj cesti gibaju se slon i mrav, obojica istom brzinom c. Mrav je analogija za foton male valne duljine, a slon za foton velike valne duljine. S obzirom da je cesta savršeno ravna, obojica će dionicu duljine d prijeći za isto vrijeme t = d/c. So far so good. Postavimo sad naše trkače na drugu cestu, opet ravnu i opet duljine d, ali cestu koja više nije savršeno glatka. Neka to bude asfaltna cesta koja je slonu jednaka kao i ona prva. Ali mravu nije. Mrav sad ima mala brda i doline. Zato je njegov put efektivno dulji, više nije d nego n·d, gdje je n neki faktor produljenja. Mrav se opet giba brzinom c, kao i slon, ali sad mu treba više vremena da prođe istu dionicu. Treba mu n·d/c, što se može napisati i kao d/(c/n), a to pak znači da mu efektivna brzina više nije c nego c/n.

Ako mislite da je to samo glupi akademski primjer koji nema veze sa stvarnošću, varate se. Takvim mehanizmom nastaje nebeska duga ili, ako ste skloniji laboratorijskim primjerima, rasap svjetlosti na prizmi. Dakle, svjetlost koja prolazi kroz transparentni medij, recimo staklo, ne giba se više brzinom c nego manjom brzinom, c/n, kao mravac po asfaltu. Samo taj n više ne odgovara faktoru produljenja ceste iz perspektive mrava nego odgovara bezdimenzijskoj veličini koju nazivamo indeks loma. Nadalje, kod rasapa svijetlosti na prizmi nemamo samo dva “trkača”. Bijela svjetlost sastoji se od fotona različitih valnih duljina, a indeks loma ovisi o valnoj duljini. Drugim riječima fotoni različitih valnih duljina, što mi percipiramo kao različite boje, gibaju se kroz medij različitim brzinama. Konkretno, crvena svjetlost je malo brža od plave. Kad priču začinimo s malo matematike (s trigonometrijom) i s još malo fizike (načelom najmanjeg djelovanja) dobijemo Snellov zakon loma odnosno potpuno objašnjenje rasapa svjetlosti na prizmi. Ako dodate još i totalnu refleksiju na kapljicama vode imate i objašnjenje duge.

Gama-zračenje iz izvora GRB 190114C – idealna prilika za provjeru modela

Dakle, već nam nebeska duga govori da se fotoni različitih valnih duljina (što znači i različitih energija) gibaju različitim brzinama. Doduše, kroz transparantni medij, ne kroz vakuum. I sad nam fali samo mali korak do nove fizike, fizike iza Einsteina. Prazni prostor ili vakuum, koji je u općoj teoriji relativnosti kontinuiran, zamijenimo s kvantiziranim prostorom, prostorvremenskim tkivom koje ima unutrašnju strukturu na jako maloj skali. I kao što unutrašnja (atomska) struktura vode ili stakla uzrokuje ovisnost brzine svjetlosti o energiji tako i unutrašnja (kvantna) struktura vakuuma uzrokuje ovisnost brzine svjetlosti o energiji. Ali to je samo okvirna priča. Modeli kvantne gravitacije imaju još jako puno detalja i jako puno zahtjevne matematike. No, poanta je ista: brzina svjetlosti u vakuumu ovisi o energiji svjetlosti.

Doduše, efekti su sićušni i opazivi tek za fotone jako velikih energija. U laboratoriju se tako nešto ne može provjeriti. No, postoje astrofizički fenomeni koji bi mogli biti povoljni za testiranje takvih predviđanja. Jedan takav fenomen je provala gama-zračenja (gamma-ray burst, GRB). Detekciju gama-zračenja vrlo visokih energija iz izvora GRB 190114C, kao najveće otkriće teleskopa MAGIC, bio sam već opisao za Bug. Dio kolaboracije MAGIC, predvođen Tomislavom Terzićem s Odjela za fiziku Sveučilišta u Rijeci, napravio je dodatnu analizu podataka iz opažanja GRB 190114C kako bi testirao konkretna predviđanja ovisnosti brzina svjetlosti u vakuumu o energiji. Na dostupnim energijama, do 0,2 TeV (što je 200 milijardi puta veća energija od energije fotona vidljive svjetlosti) predviđanja nisu potvrđena, ali su zato postavljena nova ograničenja za modela kvantne gravitacije. Studija je objavljena prije dva dana, 9. srpnja, u renomiranom časopisu Physical Review Letters.

Dario Hrupec docent je na Odjelu za fiziku Sveučilišta u Osijeku. Bavi se visokoenergijskom gama-astronomijom. Član je međunarodnih kolaboracija MAGIC i CTA. Autor je brojnih udžbenika iz fizike te znanstveno-popularizacijskih knjiga “Protiv nadnaravnoga” i “Ažurirani svemir”.