Przestrzeń de Sittera: rozszerzający się wszechświat koszmarem fizyków

Kształt, który najlepiej opisuje nasz rozszerzający się wszechświat, jest najtrudniejszym do zrozumienia kształtem dla fizyków. Wyobraźmy sobie, że próbujmy zmierzyć rozmiar pokoju, w którym ściany uciekają od nas z dużą prędkością. Co gorsza, im dalej, tym bardziej wszystko wydaje się rozmazane, a samo spojrzenie zmienia to, co widzimy. Tak w skrócie wygląda problem, z którym mierzą się fizycy próbujący zrozumieć nasz wszechświat.

Choć brzmi to surrealistycznie, dla badaczy grawitacji kwantowej to codzienność. Jak donosi Quanta Magazine, nasz wszechświat – przestrzeń de Sittera – okazuje się najtrudniejszym do opisania miejscem w kosmosie.

Jak to wyjasnić w prosty sposób?

Najprościej mówiąc, przestrzeń de Sittera to model wszechświata, który jest niemal całkowicie pusty, ale za to puchnie w oczach. Aby to zrozumieć, zapomnij na chwilę o skomplikowanych wzorach i wyobraź sobie trzy proste scenariusze:

1. Metafora balonu

Wyobraź sobie, że wszechświat to powierzchnia gigantycznego balonu. W zwykłym wszechświecie (płaskim), jeśli narysujesz na nim dwie kropki, zostaną one w tej samej odległości od siebie. W przestrzeni de Sittera ktoś bez przerwy dmucha w ten balon. Kropki oddalają się od siebie coraz szybciej i szybciej. Nie dlatego, że „biegną”, ale dlatego, że gumy (czyli samej przestrzeni) między nimi przybywa.

2. Skąd bierze się ta „siła”?

W normalnym świecie grawitacja działa jak magnes – przyciąga rzeczy do siebie. Jednak w przestrzeni de Sittera występuje coś, co nazywamy dodatnią stałą kosmologiczną (zapisaną symbolem Λ>0).

Możesz o tym myśleć jak o „energii samej próżni”. Nawet jeśli z wszechświata wyrzucisz wszystkie gwiazdy, planety i atomy, ta energia zostanie. Działa ona jak anty-grawitacja: zamiast przyciągać, odpycha od siebie każdy punkt przestrzeni.

3. Dlaczego to jest dla nas ważne?

Choć przestrzeń de Sittera to model matematyczny, ma on ogromne znaczenie z dwóch powodów:

Nasza przeszłość: Naukowcy wierzą, że ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu nasz wszechświat przeszedł fazę gigantycznego „nadmuchania” (inflacji). Wtedy zachowywał się dokładnie jak przestrzeń de Sittera.

Nasza przyszłość: Ponieważ odkryliśmy, że nasz wszechświat rozszerza się coraz szybciej (dzięki ciemnej energii), za miliardy lat materia stanie się tak rzadka, że kosmos będzie wyglądał jak niemal idealna, pusta i wiecznie puchnąca przestrzeń de Sittera.

Co w tym jest takiego dziwnego? Horyzont

W przestrzeni de Sittera pojawia się zjawisko horyzontu. Ponieważ przestrzeń puchnie niezwykle szybko, światło z bardzo dalekich miejsc nigdy do nas nie dotrze – przestrzeń „ucieka” szybciej, niż światło jest w stanie przez nią biec.

To trochę tak, jak by biegacz biegł po bieżni, która przyspiesza do prędkości naddźwiękowej. Choćby nie wiem jak się starał, nigdy nie dotrze do jej początku.

W skrócie: przestrzeń de Sittera to matematyczny obraz wszechświata zdominowanego przez „puchnącą energię”, w którym wszystko, co nie jest ze sobą silnie związane, ostatecznie zniknie sobie z oczu za horyzontem.

Balon, pudełko i wielka nicość

W 1915 roku Einstein stworzył ogólną teorię względności, ale to holenderski fizyk Willem de Sitter rok później zauważył, że wszechświat może przyjmować różne kształty w zależności od tzw. stałej kosmologicznej (λ). Fizycy teoretyczni szczególnie polubili trzy modele:

• Przestrzeń płaska: Nudna, nieskończona i stabilna.
• Przestrzeń anty-de Sittera (AdS): Działa jak gigantyczne pudełko. Grawitacja ściąga wszystko do środka, a na „ściankach” tego pudełka fizyka kwantowa działa idealnie. To tu powstały najpiękniejsze teorie ostatnich dekad.
• Przestrzeń de Sittera (dS): To nasz świat. Dodatnia stała kosmologiczna (ciemna energia) sprawia, że wszechświat nadyma się jak balon.

Problem polega na tym, że o ile w „pudełku” (AdS) fizycy czują się jak w laboratorium, o tyle na powierzchni „balonu” (dS) panuje totalny chaos.

Gdzie podział się obserwator?

W mechanice kwantowej fundamentem jest pomiar. Musi istnieć układ kwantowy (np. atom) oraz „wielki obserwator”, który stoi z boku i obserwuje.

W naszym rozszerzającym się wszechświecie nie ma jednak „zewnątrz”. Ekspansja zachodzi tak szybko, że tworzy horyzonty. Jeśli ktoś odsunie się od nas wystarczająco daleko, przestrzeń między nami będzie rosła szybciej niż światło, nigdy więcej go zatem nie zobaczymy.

– W przestrzeni de Sittera nie ma miejsca, w którym można by się schować przed fluktuacjami kwantowymi – mówi Daniel Green z UC San Diego.

Obserwator jest uwięziony wewnątrz eksperymentu, który sam próbuje zmierzyć. To tak, jak by próbować zważyć wagę, na której stoimy, podczas gdy ona leci w dół, w przepaść. Aparat matematyczny, którego używamy od 100 lat, po prostu zaczyna trzeszczeć w szwach.

Foton, który „przytył”

Najdziwniejsze rzeczy dzieją się jednak z samymi cząstkami. W płaskiej przestrzeni foton to foton – nie ma masy i pędzi z prędkością światła. Ale w przestrzeni de Sittera, gdzie energia jest dosłownie „pompowana” w próżnię przez jej rozszerzanie, zasady gry się zmieniają.

Badacze João Penedones i Manuel Loparco wykazali niedawno, że w takim wszechświecie fotony mogą zachowywać się tak, jakby miały masę. Co więcej, mogą one spontanicznie rozpadać się na inne cząstki materii, a potem znów zamieniać się w światło. Nasza intuicja, że cząstka jest czymś trwałym i stabilnym, w rozszerzającej się czasoprzestrzeni po prostu ląduje w koszu.

Czarna dziura jako koło ratunkowe

Skoro przestrzeń de Sittera jest tak trudna, fizycy szukają pomocy u czarnych dziur. Dlaczego? Bo czarna dziura też ma horyzont – granicę, zza której nic nie wraca, nawet światlo.

Naukowcy mają nadzieję, że jeśli uda nam się zrozumieć, jak informacja kwantowa jest zapisywana na powierzchni czarnej dziury (tzw. holografia), będziemy mogli zastosować to samo do całego wszechświata. Na razie jednak wyniki są frustrujące. Kiedy próbujemy przełożyć matematykę czarnych dziur na wszechświat de Sittera, równania często krzyczą: „Ten wszechświat jest pusty!”.

Po co to wszystko?

Można by zapytać: po co łamać sobie głowę teoriami, które opisują rzeczy niemal niemożliwe do zmierzenia? Odpowiedź jest prosta: mieszkamy w tym balonie.

Nasz wszechświat w dalekiej przeszłości (podczas inflacji) był niemal czystą przestrzenią de Sittera. W dalekiej przyszłości, gdy gwiazdy zgasną, a materia się rozrzedzi, znów nią będzie. Jeśli chcemy wiedzieć, skąd przyszliśmy i dokąd zmierzamy, musimy zrozumieć mechanikę kwantową w świecie, który nie chce przestać rosnąć. Warto badać przestrzeń de Sittera.

Źródło: https://www.quantamagazine.org/in-expanding-de-sitter-space-quantum-mechanics-gets-even-more-elusive-20260330/