Neįtikėtinai mažas ir fantastiškai keistas visatos bruožas yra pernelyg mikroskopiškas, kad jį būtų galima stebėti tiesiogiai, tad mokslininkų komanda ieškojo jo, tyrinėdami ryškiausias visatos galaktikas.

Šviesos kelionė į Žemę iš tolimų galaktikų gali būti ne tokia jau glotni. Teorinė visatos charakteristika „kvantų putos“ (KP) labai mažu masteliu gali sušiurkštinti erdvę ir laiką, bei padaryti juos chaotiškus. Kai kurie modeliai rodo, kad mokslininkai galėtų išvysti šių putų poveikį didelėje, labai toli keliavusių, fotonų grupėje.

Tyrėjų grupė nusprendė pabandyti įžvelgti KP ženklus galingais teleskopais ant žemės ir kosmose surinktoje šviesoje. Nors tiesioginių KP įrodymų nerasta, tyrėjai atmetė dvi galimas jų elgesio teorijas, ir nubrėžė naujas jų dydžio ribas.

Burbulinė visata

Mūsų regima visata sudaryta iš trijų erdvės ir vieno laiko matmenų, drauge sudarančių vieną audinį, kurį Albertas Einšteinas pavadino „erdvėlaikiu“. Tokiems dalykams, kaip žmonės, planetos ir bet kas, didesnio už atomą, erdvėlaikis yra glotnus. Dideli objektai juda juo kaip automobilis šviežiai nutiestu keliu.

Tuo tarpu labai labai (labai labai) mažu masteliu visata gali būti burbuliuojanti, putota ir nuolat kintanti. Tai teorinis visatos bruožas, vadinamosios kvantinės putos.

„Apie erdvėlaikio putas galima galvoti, įsivaizduojant, kad skrendate virš vandenyno lėktuvu – skrydis atrodo visiškai glotnus,“ sakė Ericas Perlmanas, fizikos ir kosmoso mokslų profesorius Floridos Technologijų institute ir naujojo tyrimo pagrindinis autorius, pranešime iš Chandra X-ray centro. „Tačiau jei nusigautumėte žemyn, išvystumėte bangas ir dar arčiau – putas su nuolat fluktuojančiais mažais burbuliukais.“

Vandenynu plaukianti valtis jokio juntamo putų poveikio neužfiksuotų, bet labai mažiems objektams jis pasireikšti gali. Perlmano ir kolegų naujas tyrimas buvo bandymas stebėti KP poveikį šviesos dalelėms.

Iškraipymų paveikslas

KP sukurti gumbeliai ir burbuliukai nėra kliūtys fotonų kelyje; jie tai pokyčiai realybės audinyje, per kurį sklinda fotonai. Jei KP neegzistuoja, tada du fotonai iš taško A gali keliauti tuo pačiu lygu keliu į tašką B. Bet jei KP egzistuoja, ir nuolat keičia realybės audinį, tada du fotonai iš esmės keliautų tarp šių dvejų taškų keliautų šiek tiek skirtingai, sakė Perlmanas interviu Space.com.

Kai kurie KP modeliai spėja, kad dėl šio poveikio fotonų fazės nebesutaptų, ir tai iš esmės gali iškreipti kosmoso objektų vaizdus stebėtojui Žemėje.

„Tai tas pats, lyg bandytumėte klausytis garsiakalbių, kurių fazės nesutampa, skleidžiamo garso. Girdėtumėte triukšmą,“ sakė Perlmanas.

Perlmanas su kolegomis ėmėsi ieškoti tokių iškraipymų labai tolimų galaktikų, vadinamų kvazarais vaizduose (kai kurie KP modeliai taip pat spėja, kad efektas turėtų būti tuo ryškesnis, kuo toliau nuskriejo šviesa). Šie kvazarai taip pat yra vieni iš ryškiausių visatos objektų. Kvazaro centre yra supermasyvi juodoji bedugnė (JB), apsupta daugybe dujų, dulkių ir kitos medžiagos. Į JB traukiama materija spinduliuoja daugiau šviesos, nei visos tos galaktikos žvaigždės.

Komanda sukūrė kompiuterio simuliaciją, parodžiusią, kaip KP turėtų pakeisti kvazarų stebėjimus teleskopais Žemėje. Tada palygino šiuos duomenis su tikrais trijų galingų teleskopų vaizdais: Chandra X-ray observatorijos, Fermi Gamma-ray kosminio teleskopo, ir labai energingo spinduliavimo stebėjimo teleskopų masyvo (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System – VERITAS).

Teleskopais užfiksuotuose vaizduose nebuvo matyti tyrėjų tikrintų dviejų KP modelių numatomų iškraipymų ar išsiliejimo. Jie sako, kad tai rodo, jog modeliai yra klaidingi.

„Chandra duomenys atmetė vieną modelį, kuris, mūsų manymu, jau ir anksčiau neatrodė itin tikėtinas – [vadinamasis] atsitiktinio ėjimo modelis,“ sakė Perlmanas. „Fermi ir VERITAS duomenys atmetė kitą modelį, kuris mums neatrodė nepatikimas ir tai yra holografinis modelis.“

Tad nauji rezultatai rodo, kad erdvėlaikis glotnus bent jau didesniu, nei viena tūkstantoji protono diametro, masteliu (nors dauguma modelių prognozuoja, kad KP veikia daug mažesniu masteliu).

Yra dar vienas KP modelis. Pagal jį iškraipymo efektai, didėjant nuotoliui, nestiprėja, tai reiškia, kad žvalgymasis į tolimus kvazarus mokslininkams nepadės aptikti KP įrodymų. Kol kas tai atrodo vienintelis tebesilaikantis modelis, rašė Perlmanas Chandra X-ray observatorijos svetainės tinklaraštyje.

Tolimų kvazarų stebėjimas rentgeno spindulių ruože Chandra (viršutiniai šeši atvaizdai) ir gama spindulių teleskopais padeda mokslininkams tirti erdvėlaikio prigimtį itin mažu masteliu. Dailininko iliustracija (apačioje) vaizduoja, kaip gali atrodyti putota erdvėlaikio struktūra, nuolat fluktuojant mažiems, kvadrilijonus kartų už atomo branduolį mažesniems ir neišpasakytai trumpai gyvuojantiems burbuliukams.

Didelio ir mažo apjungimas

Giovanni Amelino-Camelia, fizikos teoretikas iš Sapienza universiteto Romoje, e. laiške rašė, kad KP ribų nustatymas yra „itin svarbus,“ ir kas Perlmanas su kolegomis yra „labai stipri grupė, kurios darbą labai vertinu.“

Tačiau jis įspėja, kad dėl įvairių apribojimų KP tyrimuose naudojami modeliai yra „grubūs“, tad gautus rezultatus reikėtų „interpretuoti labai atsargiai.“ (Tai pasakytina ir apie jo paties darbą su KP, pridėjo jis.)

KP idėja kilo, stengiantis išspręsti vieną iš didžiausių dabartinės fizikos mįslių: kaip apjungti bendrąjį reliatyvumą (gravitacijos teoriją) ir kvantų mechaniką.

„Tiek kvantų mechanikos, tiek ir bendrojo reliatyvumo teorijos labai sėkmingos. Tai du didžiausi modernios fizikos pasiekimai per pastarąjį šimtmetį,“ pabrėžė Perlmanas. „Tačiau dėl kažkokios nesuprantamos priežasties, bandyti aprašyti gravitaciją kvantų mechanikos kalba labai sunku. Kol kas to padaryti niekam nepavyko.“

Kvantų putos galėtų būti vienas iš trūkstamų dėlionės gabalėlių – sujungiantis didelius (gravitacija) ir mažus (kvantai). Bet kol kas neaišku, kaip mokslininkai galėtų įrodyti tokių neįtikėtinai mažų visatos bruožų egzistavimą.