Nawet zdolniejszy maturzysta wie ,że Albert Einstein pozbył się sił grawitacyjnych i przyciąganie dużych mas astronomicznych zastąpił zakrzywieniem przez te ciała otaczającej je przestrzeni. Krzywizna przestrzeni wywołana obecnością materii prowadzi do tego [między innymi ] ,że nie istnieje w niej  trójkąt, w którym suma kątów będzie równa 180 stopni, lub że nie istnieją w niej dwie proste równoległe nie przecinające się nigdzie. Inaczej pisząc: modelem matematycznym przestrzeni z krzywizną nie może być geometria Euklidesa. Istotą odkrycia Alberta Einsteina jest dostrzeżenie analogii między fizyką grawitacji i modelem matematycznym czasoprzestrzeni zwanym rozmaitością różniczkową Riemanna.

Tymczasem mechanika kwantowa coraz silnie i pewniej operuje hipotezą ziarnistej struktury czasoprzestrzeni w skali mikro, rzędu 10^(-33)m. Próbuje się więc opisać przestrzeń o strukturze dyskretnej, ”atomowej”, w której nie ma dowolnie małej odległości, dowolnie małego pola powierzchni , oraz dowolnie małej objętości przestrzeni. Jeśli najmniejszą odległością jest 10^(-33)m, to najmniejszym polem powierzchni jest „atomowy „ kwadracik 10^(-66)m^2,a objętością najmniejszą jest kubik 10^(-99)m^3

 Wobec tego kwantowość, nieciągłość czasoprzestrzeni połączona z ideą Einsteina ,że grawitacja to krzywizna czasoprzestrzeni, musi prowadzić do kwantowej grawitacji. Szkopuł w tym ,że modeli kwantowej grawitacji jest bez liku. Angielska wiki rejestruje i omawia ponad dwadzieścia modeli kwantowej grawitacji.

Na szczęście (lub nieszczęście) większość z nich nie ma żadnych referentów empirycznych, żadnych wskazań jak zweryfikować eksperymentalnie hipotezę istnienia kwantów czasoprzestrzeni/grawitacji. Poza tzw. pętlową kwantową grawitacją [Loop Quantum Gravity – LQG ],wspólnym dziełem Lee Smolina,Abhay Ashtekara,Carla Rovelliego i   Rogera Penrose.

W teorii tej przestrzeń traktuje się, jako sieć skończonych pętli[„oczek”],których kształt jest bez znaczenia ,natomiast relacje topologiczne przeciwnie. I tak, każdej krawędzi przypisany jest spin cząstki[moment pędu], pole powierzchni określone jest przez liczbę krawędzi ,które ją przecinają, a objętość przestrzeni przez liczbę wierzchołków. Sieci te noszą nazwę ”spin network”- sieci spinowe.

 Ewolucja tej sieci spinowej w czasie, jej dynamika, zmienność, prowadzą do zjawiska „piany spinowej”, lub „piany wirowania” [ „spin foam” ].Przestrzeń i czas pojawiają się jako skutek istnienia spin network.

"We have calculated Newton's law starting from a world with no space and no time." – szokująco oznajmił Carlo Rovelli.

Formalizm pętlowej kwantowej grawitacji jest najpełniej przedstawiony w trudno dostępnej u nas pozycji Rovelliego[1],jego zarys u Penrose[2],a najlepsze popularne ujęcie mamy u Smolina[3].

fragment spinowej sieci [foto;wikimedia,ang.]

Kiedy bada się problematykę niezmienniczości wobec transformacji układów współrzędnych w pętlowej kwantowej grawitacji, to okazuje się że powinna być naruszona niezmienniczość Lorentza ,ale to naruszenie ma tak znikomą wartość [zachodzi na poziomie pojedynczych pętli sieci spinowej],że nie widać nadziei na eksperymentalne jego wykrycie.

 Natomiast inny efekt, wywołany spin foam [czyli potwierdzający operacyjność loop quantum gravity ]prawdopodobnie został odkryty w misji BICEP-2 [zobacz 4].

Przypomnę, już w roku 1997  Marc Kamionkowski   sformułował hipotezę i wykazał teoretycznie jej racjonalne podstawy, że “Primordial Gravitational Waves”[pierwotne fale grawitacyjne z fazy inflacyjnej ewolucji wszechświata] musiały zniekształcić -w ściśle określony sposób - polaryzację promieniowanie reliktowego CMB.

Hipotezę tą podjęli dwaj super-kwantowcy L.Krauss i F.Wilczek  i wykazali, że wpływ Primordial Gravitational Waves na postać polaryzacji CMB może mieć naturę oddziaływania grawitonów na fotony promieniowania tła. Tym samym BICEP-2 wykrywając to zniekształcenie [mod-B] potwierdził istnienie [ co najmniej w fazie początkowej ewolucji wszechświat] kwantowej grawitacji. Jednak odkrycie to w ostatnim czasie jest podważane.

Trzecim pomysłem weryfikacji hipotezy Loop Quantum Gravity jest możliwy wpływ zaburzeń spinowej pianki czasoprzestrzeni na dekoherncję  promieniowania wysoko energetycznego nadbiegającego od określonych źródeł astronomicznych. W dwóch pracach niezależnych od siebie [5],[6] analizuje się wpływ fluktuacji spinowej pianki czasoprzestrzeni na powierzchnie falowe promieniowania X lub Gamma nadbiegającego z bardzo odległych galaktyk, które traktuje się jako prawie punktowe żródła[„ pointlike” ].Symulacje komputerowe dają podstawy do powiedzenia ,że kwantowa natura czasoprzestrzeni powinna dawać  nam rozmyte obrazy obiektów astronomicznych znajdujących się w odległych głębinach kosmosu.

Zespół astronomów pod kierunkiem Erica Perlmana z Florida Institute of Technology, przeprowadził porównanie   symulacji komputerowych rozmycia obiektów pointlike pod wpływem  pianki kwantowej czasoprzestrzeni,  z danymi obserwacyjnymi uzyskanymi przy pomocy   Chandra X-ray Observatory . Wyniki tego porównania nie są korzystne dla  układu równań uzyskanych przez Steinbringa.

Ale ten broni swojego modelu uzyskanego drogą symulacji komputerowych, przywołując efekt zacierania obrazów optycznych galaktyk uzyskanych z teleskopu kosmicznego Hubblea w roku  2003 przez Richarda Lieu z University of Alabama w Huntsville. Sytuacja wzbudza zainteresowanie dlatego, że LQG ma za sobą już długi okres tolerancji dla braku jej empirycznej weryfikacji i wskazany test astrofizyczny [wpływ fluktuacji spin foam na promieniowanie X lub Gamma od źródeł pointlike ] może ją uratować przed losem jaki spotkał teorię strun [strings theory-ST].Nie jest bowiem tak – jak to życzeniowo wyraził tutaj, niedawno pewien bloger /astronom – by fizyka miała się stać li tylko  zbiorem spekulatywnych i fantasmograficznych hipotez i tym samym zastępować science fiction. Jej teoriopoznawcza i praktyczna wartość, wywodzi się bowiem i spoczywa na racjonalnej, empirycznej i obiektywnej weryfikacji każdej hipotezy.

Literatura

[1] C.Rovelli, "Quantum Gravity", Cambridge University Press , 2004

[2] R.Penrose,Droga do rzeczywistości,Wydawnictwo Prószyński i S-ka,Warszawa,2007,str.898-921

[3]L.Smolin,Trzy drogi do kwantowej grawitacji,Wydawnictwo CIS,Warszawa,2001,str.127-166

[4] www.autodafe.salon24.pl/576489,triumf-posmiertny-alberta-einsteina

[5] E.Steinbring,Detectability of Planck-Scale Induced Blurring with Gamma-Ray Bursts,arxiv.org/abs/1502.03745

[6] E.S.Perlman,New Constraints on Quantum Gravity from X-ray and Gamma-Ray Observations,arxiv.org/abs/1411.7262