Varför rymdtid på den minsta skalan kan vara tvådimensionell

1973 publicerade George Ellis och Stephen Hawking en bok som heter The Large Scale Structure of Spacetime. Deras mål, sa de, var att förstå rumtiden på en skala från 10^(-13)cm till 10^28cm eller, med andra ord, från storleken på elementarpartiklar till universums radie.

Det kan låta ambitiöst, men nästan 40 år senare har kosmologer ganska mycket lyckats, säger Steve Carlip, en teoretisk fysiker vid University of California, Davis. Efter bästa förmåga att mäta en sådan sak beter sig den som ett jämnt (3+1)-dimensionellt Riemann-grenrör.

Det är därför som teoretiska fysiker har riktat sin uppmärksamhet mot rumtidens struktur på ännu mindre skalor. Det finns dock ett problem här. För det mesta har vi varken direkta observationer eller ett allmänt accepterat teoretiskt ramverk för att beskriva rymdtidens mycket småskaliga struktur, säger Carlip. Faktum är att ingen är helt säker på om termerna 'rum' och 'tid' har någon rimlig betydelse i denna skala.

Idag skisserar Carlip sin egen fascinerande syn på problemet som är att rumtid på minsta skala kan vara tvådimensionell. Även om det kan verka lite kontraintuitivt, säger han att det finns ett växande antal indikatorer (bevis är ett för starkt ord) som pekar på den slutsatsen.

Carlip säger att de senaste arbetena inom loopkvantgravitation, högtemperatursträngteori, renormaliseringsgruppanalys tillämpad på allmän relativitet och andra områden av kvantgravitationsforskning, alla antyder en tvådimensionell rumtid i minsta skala. I de flesta av dessa fall kollapsar antalet dimensioner helt enkelt i en process som kallas spontan dimensionsreduktion när skalan minskar.

En uppenbar fråga är att om bara två dimensioner finns på denna skala, vilka två är de då? Carlip räknar ut att de måste vara en av tid och en av rum. Vid varje punkt väljer dynamiken ut en föredragen rumslig riktning, vilket leder till ungefär (1+1)-dimensionell lokal fysik, säger han.

Han flyttar sedan in på intressant territorium med påståendet att denna föredragna riktning måste bestämmas klassiskt och sedan randomiseras av de fysiska processerna som arbetar på dessa skalor. Det låter lockande som en gömd variabel teori av det slag som kan glädja åtminstone en nobelprisbelönt fysiker.

Miljonfrågan är om Carlips syn på ämnet är korrekt. Han medger glatt att idén fortfarande är väldigt spekulativ. Det skiljer den inte på något betydande sätt från mycket av resten av modern kosmologi.

Men till skillnad från många kvantgravitationsteoretiker, antyder Carlip vilken typ av experiment som kan visa honom rätt. Processen jag har beskrivit bryter Lorentz-invariansen på Planck-skalan, och även små kränkningar i den skalan kan förstoras och leda till observerbara effekter i stor skala, säger han.

Det är en intressant tanke. Vad han säger är att fysikens lagar i denna skala borde ändras beroende på i vilken riktning du reser. Och även om de ständigt kommer att variera på ett slumpmässigt sätt, kan det fortfarande vara mätbart i ett tillräckligt smart experiment.

Dags för experimentalisterna att få på sig sina tankemössor.

Ref: arxiv.org/abs/1009.1136 : Rumtidens småskaliga struktur

Dölj