В рамките на квантовата гравитация негладката микроскопична структура на пространството води до нарушение на Лоренц инвариантността, поради което скоростта на фотоните и други частици със свръхвисока енергия се отличават от обичайната скорост на светлината.

Оказва се, че това не е единственият наблюдаван ефект от такива теории. Според нова статия в Physical Review Letters, дисперсията във вакуум трябва да води към ефективен „вискозитет на вакуума", който също ще влияе на движението на частиците.

Липсата на подобни ефекти в астрофизическите данни позволява да се наложат силни ограничения на този вискозитет.
Проверка на квантовите гравитационни ефекти

Един от най-впечатляващите примери за единство на фундаменталните физични изследвания е когато астрофизиката, изучаваща явления на космически мащаби, помага да се разбере нещо ново за свойствата на микрокосмоса.

Физиците смятат, че нови ефекти в микрокосмоса има, просто те стават силни на такива малки мащаби, които са недостъпни за съвременните ускорители. А на достъпни за пряко измерване мащаби, тоест до 10−19 м, те са прекалено слаби и затова засега остават неоткрити.

Но има два начина да се направят тези ефекти по-забележими: или да се почака много дълго – и тогава слабите ефекти се натрупват за продължително време на въздействието, или да се използват частици със свръхвисоки енергии, за които новите ефекти могат да бъдат много по-силни. И Вселената ни дава тези две възможности.

Вселената е запълнена с фотони, протони и други частици с най-различни енергии, включително и много високи, недостъпни за колайдерите. Освен това тези частици могат да летят през Космоса много дълго, милиони и милиарди години, докато не се сблъскат с някое плътно вещество, например със Земята.

Астрофизическите експерименти позволяват да се регистрират такива частици, да се измери тяхната енергия, потоци, посока и в резултат да се „прочете" запасената в тях информация. Сравнявайки тази астрофизическа информация с предсказанията на теориите, в които се издигат едни или други свойства на микрокосмоса, може да се проверят теориите и да се поставят ограничения на силата на хипотетичните ефекти.

Една от най-интригуващите възможности тук е проверката на това как изобщо е устроено самото пространство на микроскопични мащаби. За повечето явления пространството – или пространство-времето, ако става дума за релативистки явления – може да се смята просто за еднородно хранилище за всички частици и полета, които нямат свои динамични характеристики.

При описанието на явленията силната гравитация трябва да се отстрани от тази картина; в общата теория на относителността пространство-времето вече е динамична същност, може да се изкривява, разтяга, колебае. В рамките на квантовата теория може дори да се оперира с квантите на колебанията на пространство-времето – гравитоните, – поне докато техните енергии не са големи. Но във всички тези случаи пространство-времето, в локален смисъл, се смята за нещо гладко, безструктурно.

Но на свърхмалки разстояния, съпоставими с Планковата дължина ~ 10−35 м, ефектите на квантовата гравитация стават толкова силни, че тези описания престават да работят. На тези мащаби вече е правилно да се описва светът в някакви нови променливи със своите особени физически закони; а обичайното гладко пространство-време се получава само в резултат на усредняване на тези нови микроскопични променливи върху сравнително голяма площ.

Засега още е неизвестно как да се построи правилна – тоест математически непротиворечива, предсказателна и съгласуваща се с реалността – теория на пространство-време-гравитацията на такъв мащаб, макар, разбира се, усилията тук да са огромни. Но е ясно, че такова описание на пространството ще се отличава съществено от просто „хранилище" за частиците.

А това значи, че при движение на частиците в пространството ще възникнат нови ефекти, които не се предсказват нито от класическата механика, нито от теорията на относителността.

Теоретично на търсенето на такива ефекти в различни модели и тяхната експериментална проверка са посветени множество работи. Стандартната посока на дейността е предсказание на ефектите на нарушение на Лоренц инвариантността, тази симетричност на пространството на света, на която се опира цялата експериментално проверена физика.

Нарушението на Лоренц инвариантността може да доведе дотам фотоните или други частици със свръхвисоки енергии да се движат със скорост, различна от обичайната скорост на светлината. Освен това тази разлика зависи от енергията на частиците.

Затова, ако в някой много далечен космически взрив едновременно са се родили фотони с различна енергия, то те, изминавайки милиарди светлинни години с леко различаваща се скорост, попадат при нас в детектора в различни моменти от времето.

Това е един от примерите как астрофизическите наблюдения могат да разкажат за свойствата на микросвета. Разбира се, когато преди три години се появи сензационното съобщение на колаборацията OPERA за свръхсветлинно движение на неутриното, тази област от дейността изпита внезапен, но кратковременен подем.
„Вискозитетът на вакуума"

В статия в сп Physical Review Letters се обсъжда още един наблюдаван ефект, към който може да доведе нарушението на Лоренц инвариантността – дисипация (разсейване, разпръскване) при движението на частиците с висока енергия. Подчертаваме: дисипация при движението през вакуум.

Аргументацията на авторите започва с напомняне на известния ефект на класическата електродинамика. Ако светлината се движи през някаква среда с дисперсия (тоест коефициентът на пречупване зависи от честотата на светлината), то тази среда трябва да притежава дисипация – да води до постепенно затихване на движещата се в нея светлина.

Тази връзка е много тясна, тя не изисква информация за каквито и да било свойства на самата среда, а се опира на най-фундаменталните закони, например на причинността на физичните явления (средата не може да започне да реагира на светлината, преди светлината да попадне в нея).

Нещо аналогично може да протече и в теориите с нарушена Лоренц инвариантност, в които гладкото пространство се явява не първично, а странично, усреднено явление. Независимо че още не знаем каква е квантовата природа на гравитацията и как новите микроскопични степени на свобода се натрупват в гладкото пространство, можем да строим такива теории по аналогия с известните модели на класическата физика, надявайки се, че тези аналози на гравитацията се обхванат някоя реална ситуация.

Такива паралели между гравитацията и други физически системи са доста разпространени. Те са особено популярни при изучаването на черните дупки.

Авторите на статията изучили как при такъв описателен подход се съотнасят помежду си дисперсията и дисипацията. Вариантите са различни, но един от най-естествените е възникването във вакуума на вискозитет. Този вискозитет може да се проявява различно – частиците със свръхвисоки енергии могат просто да се забавят при движение във вакуум, а може и изобщо да изчезнат. Малко уточнение: така тези ефекти ще изглеждат в нашия, достъпен за физически наблюдения, свят.

В пълната теория, в която наред с обичайните частици се отчитат и новите динамични степени на свобода, не протича никакво изчезване на енергията; обичайната частица просто възбужда недостъпни за наблюдение степени на свобода.

Както и в случая с отклонението на скоростта от общоприетата скорост на светлината, тук се предсказва, че ефектите на дисипацията са силно забележими само за частиците с недостижимо високи енергии и са силно отслабени за умерено енергийните частици. Но важно тук е това, че това отслабване се проявява много по-силно за дисперсията, отколкото за дисипацията.

При умерено големи енергии ефектите на дисипацията може да са забележими, но дисперсията вече става пренебрежимо малка. Затова се открива нова експериментална възможност – да се открие нарушение на Лоренц инвариантността не чрез непостоянство на скоростта на частиците с високи енергии, както досега, а чрез откриване на „вискозно триене на вакуума".

Астрофизическите наблюдения не сочат за никакви подобни ефекти, нито в космическите лъчи със свръхвисока енергия, нито в спектъра на фотоните с тераелектронволтовите енергии от далечни квазари. Това позволява да се наложи горна граница на величината на визкозитета на вакуума.

Традиционно всички величини, отнасящи се към квантовите ефекти на гравитацията, се изразяват в естествени Планкови единици. Те се строят от фундаментални физически константи – гравитационната константа G, скоростта на светлината c и константата на Планк h или установената им комбинация: Планкова дължина, Планково време и т.н.

За кинематичния вискозитет, който се измерва в квадратни метри на секунда, естествената Планкова единица се явява Lпл·c. Изчисленията на авторите показали, че по астрофизически наблюдения вискозитетът на вакуума не може да превишава 10−30 от тази единица, което е с повече от 50 порядъка по-малко от вискозитета на въздуха.

За съжаление без конкретна квантова теория на гравитацията това описателно ограничение не може просто така да се превърне в ограничение на физическите свойства на тези нови степени на свобода, от които при усредняване се образува гладкото пространство.

Но ако някой теоретичен модел може да изчисли тази величина в рамките на своите предположения, резултатите от тази статия ще покажат как тези предсказания да се свържат с реалните наблюдения.