Δυο δρόμοι προς την κβαντική βαρύτητα

BY PHYSICSGG on 25/06/2023 • ( 1 )

● Αν το σύμπαν ξεκίνησε από μια Μεγάλη Έκρηξη, πρέπει να αναθεωρήσουμε τον τρόπο που εφαρμόζουμε την φυσική στην αρχή του χρόνου

● Το μεγάλο ερώτημα είναι πώς; Οι προσπάθειες για την οικοδόμηση μιας θεωρίας που συνδέει την κβαντική φυσική και την σύγχρονη θεωρία της βαρύτητας (την γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν) έχουν μέχρι στιγμής αποτύχει.

● Ο μακρύς δρόμος προς τα εμπρός δεν έχει τελειώσει, αλλά έχει δημιουργήσει μερικές πολύ όμορφες ιδέες για την φύση της πραγματικότητας.

Κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα, μάθαμε ότι ο Γαλαξίας μας δεν είναι παρά ένας από τους ‘αμέτρητους’ γαλαξίες στο σύμπαν μας. Μάθαμε επίσης ότι αυτοί οι γαλαξίες απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο, μια συλλογική κοσμική διαστολή που την ερμηνεύσαμε ως αποτέλεσμα της διαστολής του χώρου. Αν φανταστούμε τον χρόνο να κινείται προς τα πίσω, αυτοί οι γαλαξίες θα πλησιάζουν όλο και πιο κοντά ο ένας στον άλλον μέχρι να καταλήξουν συμπιεσμένοι σε έναν μικροσκοπικό όγκο. Η θερμοκρασία εκεί είναι τεράστια και η ύλη διασπάται στα στοιχειώδη συστατικά της. Καθώς η συστολή συνεχίζεται, πλησιάζουμε στην αρχή των πάντων – την χρονική στιγμή t = 0 – στην γέννηση του σύμπαντος.

Ασφαλώς τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά. Καθώς η ύλη συμπιέζεται σε όλο και μικρότερους όγκους, πρέπει να εγκαταλείψουμε κάθε ελπίδα ότι οι κανόνες της κλασικής φυσικής μπορούν να περιγράψουν αυτό που συμβαίνει εκεί. Σε αυτό το σημείο αναζητούμε απαντήσεις στην κβαντική φυσική, την φυσική των πολύ μικρών. Τα πράγματα τώρα γίνονται ενδιαφέροντα, αλλά αρκετά πιο μυστηριώδη.

Για να ωθήσουμε τη φυσική στο πολύ πρώιμο σύμπαν, πρέπει να επεκτείνουμε τις τωρινές γνώσεις μας σε τομείς που παραμένουν άγνωστοι σε εμάς. Φυσικά, αυτό είναι πάντα ένα απαραίτητο βήμα για την προώθηση της γνώσης, αλλά υπάρχουν κίνδυνοι όταν τολμούμε προς το άγνωστο. Αν κάνουμε ένα λάθος βήμα μπορεί να χαθούμε. Η φυσική ακολουθούσε πάντα την επιστημονική μέθοδο που θέτει έναν σημαντικό περιορισμό: απορρίπτει τις υποθέσεις που δεν μπορούν να ελεγχθούν πειραματικά.

Αλλά η αδυναμία ερμηνείας του αρχέγονου σύμπαντος με την γνωστή φυσική αμφισβητεί την παλιά προσέγγιση και ωθεί την επιστημονική μεθοδολογία σε νέες κατευθύνσεις. Πίσω από την αλλαγή στον τρόπο λειτουργίας της θεωρητικής φυσικής κρύβονται δύο βασικοί υπαίτιοι: η κβάντωση της βαρύτητας και η πιθανότητα να ζούμε σε ένα πολυσύμπαν. Ας εξετάσουμε την πρώτη πρόκληση – την δύσκολη σχέση μεταξύ της βαρύτητας και της κβαντικής φυσικής.

Η κβαντική βαρύτητα βρόχων

Πώς θα αντιμετωπίσουμε την κβάντωση της βαρύτητας, δεδομένου ότι η βαρύτητα νοείται ως η καμπυλότητα του χωροχρόνου, που προκαλείται από την παρουσία της ύλης; Τα τελευταία 60 χρόνια, δύο προσεγγίσεις έχουν αναδειχθεί ως οι αγαπημένοι υποψήφιοι. Η κβαντική βαρύτητα βρόχων υποστηρίζει την ιδέα ότι αν θέλουμε να κβαντώσουμε τη βαρύτητα, πρέπει να κβαντώσουμε τον ίδιο τον ιστό του χωροχρόνου. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να σταματήσουμε να θεωρούμε τον χώρο και τον χρόνο ως συνεχείς οντότητες αλλά ως ένα σύνολο ‘κβάντων’. Πιο συγκεκριμένα, η θεωρία της κβαντικής βαρύτητας βρόχων (LQG – Loop Quantum Gravity) υποστηρίζει ότι η δομή του χωροχρόνου αποτελείται από μικροσκοπικούς βρόχους υφασμένους σε ένα είδος δικτύου, μια δομή σαν πάπλωμα σε τέσσερις διαστάσεις (μία για το χρόνο και τρεις για το χώρο). Συνδυάζοντας την γενική σχετικότητα με την κβαντική φυσική ο χωροχρόνος ορίζεται ως πλέγμα αδιαίρετων τμημάτων μεγέθους 10-35 μέτρων (0,00000000000000000000000000000000001 m).

Η κβαντική βαρύτητα βρόχων βασίζεται, ουσιαστικά, στην «ατομικοποίηση» του χώρου. Όσον αφορά την κοσμολογία, η θεωρία φτάνοντας στην στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης δεν υπάρχει ιδιομορφία και αντί γι αυτήν προκύπτει μια «κβαντική γέφυρα» που οδηγεί σε ένα παλαιότερο σύμπαν. Αυτή είναι η βάση για την θεωρία της «Μεγάλης Αναπήδησης» της προέλευσης του σύμπαντος μας. Μπορεί να ακούγεται περίεργο, αλλά η κβαντική βαρύτητα βρόχων καθώς εφαρμόζεται για να εκφράσει την κβαντοποίηση του χώρου και του χρόνου παραμένει πιστή σε μερικές από τις βασικές αρχές της φυσικής.

Η θεωρία υπερχορδών

Η άλλη προσέγγιση της κβαντικής βαρύτητας είναι η θεωρία των υπερχορδών – ένα πραγματικά επαναστατικό Παράδειγμα. Οι υπερχορδές απαιτούν μια ριζική επανεξέταση του ποια είναι τα βασικά δομικά στοιχεία της υλικής πραγματικότητας, απομακρύνοντας την ατομικιστική λογική που κυριαρχεί σε μεγάλο μέρος της σύγχρονης φυσικής. Οι υπερχορδές είναι εξαιρετικά μικροσκοπικοί δονούμενοι σωλήνες. Όπως οι χορδές κιθάρας που μπορούν να δονούνται για να παράγουν ήχους διαφορετικών συχνοτήτων, έτσι και οι υπερχορδές μπορούν να παράγουν ή να γίνουν διαφορετικά σωματίδια.

Αυτό που περιπλέκει την ιστορία είναι ότι για να έρθουν σε επαφή με τα γνωστά σωματίδια της φύσης, οι υπερχορδές πρέπει να ζουν σε έναν δεκαδιάστατο χωροχρόνο – μια διάσταση για το χρόνο και εννέα για το χώρο. Απαιτούν επίσης μια νέα συμμετρία της φύσης που ονομάζεται υπερσυμμετρία. Αυτή η συμμετρία συσχετίζει τα σωματίδια της ύλης όπως τα ηλεκτρόνια και τα κουάρκ με τα σωματίδια που μεταδίδουν τις δυνάμεις μεταξύ τους, όπως το φωτόνιο (που μεταφέρει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη) και το γλοιόνιο (που μεταφέρει την ισχυρή πυρηνική δύναμη). Η θεωρία είναι τόσο μαθηματικά όμορφη όσο και πολύπλοκη. Και η ίδια η πολυπλοκότητά της έχει επιβραδύνει την ανάπτυξη της θεωρίας, η οποία έχει τις ρίζες της στη δεκαετία του 1970 και έκανε τις μεγαλύτερες προόδους της στην δεκαετία του 1980.

Και η πειραματική επιβεβαίωση;

Η πειραματική επαλήθευση των παραπάνω θεωριών είναι περίπλοκη. Η κβαντική βαρύτητα βρόχων προβλέπει μια συγκεκριμένη εξέλιξη της κοσμικής ιστορίας που μπορεί να είναι ή να μην είναι σωστή. Ακόμα δεν γνωρίζουμε αν υπήρξε αναπήδηση στην αρχή του χρόνου ή αν η δομή του χωροχρόνου είναι ένα δίκτυο αλληλένδετων βρόχων. Η θεωρία χορδών απαιτεί ένα ακόμη μεγαλύτερο άλμα πίστης. Απαιτεί επιπλέον διαστάσεις χώρου καθώς και την υπερσυμμετρία, που μέχρι σήμερα δεν επληθεύονται πειραματικά. Στην πραγματικότητα, η υπερσυμμετρία, ακόμα κι αν ανιχνευόταν με τη μορφή ενός νέου σωματιδίου, θα παρείχε μόνο έμμεση υποστήριξη της θεωρίας των χορδών. Αλλά μια τέτοια δραματική αλλαγή επιστημονικού Παραδείγματος απαιτεί πολύ περισσότερα.

Σαράντα χρόνια μετά την πρώτη εμφάνιση αυτών των ιδεών, πολλοί φυσικοί εξακολουθούν να εργάζονται σκληρά, προσπαθώντας να τις εξελίξουν. Ο δρόμος ήταν ανώμαλος αλλά και αρκετά θεαματικός, καθώς προτείνονται εντυπωσιακές ιδέες για να προχωρήσουν και οι δύο θεωρητικές προσεγγίσεις. Μερικές φορές, ακριβώς όπως όταν ανεβαίνουμε σε ένα βουνό, η καλύτερη θέα δεν φαίνεται από την κορυφή. Την απολαμβάνουμε κατά διάρκεια της ανάβασης.

ΑΠΟ ΤΟ PHYSICSGG    26/6/2023