Οι κανόνες που διέπουν τη βαρύτητα και τους υπόλοιπους νόμους της φύσης μοιάζουν με αιώνιες αλήθειες. Ο κοσμολόγος João Magueijo, όμως, αμφισβητούσε πάντα την προέλευσή τους. Τώρα, παρουσιάζει μια νέα, τολμηρή πρόταση.
Ράιαν Γουίλς για το New Scientist; HiddenCatch/Getty Images
Ρίξε ένα βοτσαλάκι σε μια λίμνη και, υπάκουα, θα βυθιστεί. Συγκρούσε σωματίδια και θα διαλυθούν με συγκεκριμένους τρόπους. Άναψε έναν διακόπτη και θα υπάρξει φως. Η πραγματικότητα, με όλο το μεγαλείο και τη δραματικότητά της, μοιάζει να λειτουργεί με σταθερό και προβλέψιμο τρόπο.
Φυσικοί όπως εγώ αποδίδουν συχνά αυτό το ευχάριστο γεγονός στους λεγόμενους νόμους της φύσης. Οι νόμοι αυτοί ισχύουν παντού με τον ίδιο τρόπο: η ίδια βαρυτική δύναμη που καμπυλώνει το φως από μακρινούς αστέρες κρατά και τα πόδια σου στο έδαφος. Επιπλέον, δεν αλλάζουν. Ισχύουν από τη Μεγάλη Έκρηξη μέχρι το «ζήσαν αυτοί καλά κι εμείς καλύτερα». Στη φυσική, αυτό θεωρείται τόσο δεδομένο, που λίγοι το αμφισβητούν.
Για να είμαστε δίκαιοι, υπάρχουν σοβαροί λόγοι γι’ αυτό. Το να ρωτά κανείς ωμά «Από πού προήλθαν οι νόμοι της φυσικής;» μπορεί να μοιάζει σαν να περνά τη φιλοσοφία μέσα στο εργαστήριο. Μπορεί επίσης να μας οδηγήσει σε επικίνδυνες περιοχές, όπου θα περιμέναμε τα άστρα να καίνε διαφορετικά ή τα άτομα να διαλύονται.
Πιστεύω όμως ότι η προέλευση των νόμων της φύσης είναι ένα ερώτημα που δεν μπορούμε να αγνοήσουμε. Είναι κάτι που με απασχολεί τα τελευταία χρόνια. Πολλές προηγούμενες προσπάθειες να εξηγηθεί πώς προέκυψαν αυτοί οι νόμοι απέτυχαν, γιατί κατέληγαν να εισάγουν βαθύτερους «μετα-νόμους» στη διαδρομή. Πλέον, όμως, θεωρώ πως έχω κάτι καλύτερο: ένα πλαίσιο που εξηγεί πώς οι κανόνες της επιστήμης μεταβάλλονταν έντονα στα πρώτα στάδια του σύμπαντος πριν σταθεροποιηθούν σε αυτό που βλέπουμε σήμερα. Αν έχω δίκιο, τότε οι «νόμοι της φύσης» μπορεί να μην είναι καθόλου θεμελιώδεις.
Έχουμε ανακαλύψει μια πόρτα σε ένα κρυφό κομμάτι της πραγματικότητας — τι υπάρχει μέσα;
Τι εννοώ όταν μιλάω για τους νόμους της φύσης; Μιλώ για τις βασικές εξισώσεις της φυσικής, όπως οι νόμοι της βαρύτητας του Isaac Newton, οι εξισώσεις του James Clerk Maxwell που διέπουν τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό, και οι πεδιακές εξισώσεις του Albert Einstein που εξηγούν τη λειτουργία του χωροχρόνου. Μαζί τους έρχονται αυτό που ονομάζουμε θεμελιώδεις σταθερές, αριθμοί ενσωματωμένοι στις εξισώσεις που περιγράφουν ιδιότητες του σύμπαντος όπως τις έχουμε παρατηρήσει — για παράδειγμα, την ισχύ της βαρύτητας ή το φορτίο ενός ηλεκτρονίου. Οι εξισώσεις και οι σταθερές δεν είναι απλώς χρήσιμες περιλήψεις της πραγματικότητας. Είναι οι φέροντες στύλοι που στηρίζουν ολόκληρο το θεωρητικό οικοδόμημα της φυσικής.
Αν όμως θέλουμε να ρωτήσουμε από πού προέρχονται οι νόμοι της φύσης, πρέπει να δεχτούμε μια πιο ανησυχητική πιθανότητα: ότι κάποτε δεν υπήρχαν καθόλου νόμοι. Υπήρχε μια περίοδος πριν από τα σωματίδια, πριν από τη γεωμετρία, πριν ακόμα και από την έννοια του χρόνου. Η πραγματικότητα θα ήταν ένα χαοτικό χάος.
Ο οραματιστής φυσικός John Wheeler αποκαλούσε αυτή την κατάσταση άναρχης ασυδοσίας «higgledy-piggledy». Δεν ήταν μια τυχαία ατάκα. Όταν πρωτοδιάβασα τη φράση του Wheeler, τα αγγλικά μου δεν έφταναν ακριβώς μέχρι το higgledy-piggledy, οπότε το έψαξα. Ένα συνώνυμο ήταν το «helter-skelter», που το συνέδεσα με το τραγούδι των Beatles με αυτόν τον τίτλο. Μου φάνηκε εύστοχο: ένα βουερό σύμπαν, με κιθάρες εντελώς ξεκούρδιστες, χωρίς συμφωνία στον ρυθμό ή στον τόνο.
Πολλοί πολιτισμοί έχουν αποτυπώσει το άμορφο χάος που θεωρείται ότι προϋπήρχε της δημιουργίας της ύλης. Αυτό το σχέδιο του 16ου αιώνα στην εκκλησία Santa Maria Maggiore στο Μπέργκαμο της Ιταλίας δείχνει ένα παράξενο πλάσμα τυλιγμένο στις φλόγες. Lorenzo Lotto, Giovan Francesco Capoferri
Την εποχή εκείνη, ήμουν κοσμολόγος ανάμεσα σε συμμορφωμένους επιστημονικούς «παρατάξεις» — τον πληθωρισμό, τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια, τα οποία οι θεωρητικοί συγκεντρώνουν στο λεγόμενο μοντέλο λ-CDM του σύμπαντός μας. Αυτό δεν επιχειρεί να εξηγήσει γιατί έχουμε τους νόμους που έχουμε. Λέει απλώς ότι έτσι είναι και έτσι ήταν πάντα. Ίσως ως αντίδραση σε αυτό, προσπαθούσα να χαράξω εναλλακτικές διαδρομές, όπως κοσμολογικές θεωρίες που επιτρέπουν η ταχύτητα του φωτός να μεταβάλλεται στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος. Όσο πιο τολμηρή ήταν η ιδέα, τόσο το καλύτερο.
Η ιδέα του Wheeler για το higgledy-piggledy με γοήτευσε, αλλά ταυτόχρονα με ανησύχησε. Αν οι ίδιοι οι νόμοι της φυσικής μπορούν να αλλάζουν, ακόμη και χαοτικά, τότε τι είναι αυτό που στηρίζει την πραγματικότητα; Είναι καν ένα ερώτημα που μπορεί να απαντήσει η φυσική ή πρόκειται απλώς για φιλοσοφία ντυμένη με λευκή μπλούζα;
Οι περισσότεροι φυσικοί προτιμούν να μην το ρωτούν. Όμως, με έναν τρόπο, δεν έχουμε αυτή την πολυτέλεια. Η φυσική, στον πυρήνα της, είναι η προσπάθεια να εξηγήσει γιατί το σύμπαν είναι όπως είναι και όχι διαφορετικό. Και αυτό το εγχείρημα μένει ανολοκλήρωτο αν δεχτούμε απλώς τους ίδιους τους νόμους ως δεδομένους. Αν πιέσεις αυτή τη γραμμή σκέψης αρκετά, καταλήγεις κάπου πιο ριζοσπαστικά: σε μια εποχή όπου δεν υπήρχαν καθόλου νόμοι.
Οι θεμελιώδεις νόμοι της φύσης
Οι περισσότεροι φυσικοί αισθάνονται ένα σχεδόν Παβλοφικό ηλεκτροσόκ όταν έρχονται αντιμέτωποι με την ιδέα ενός σύμπαντος χωρίς νόμους. Υπάρχουν όμως σοβαροί λόγοι γι’ αυτό. Όπως είπα ήδη, αυτοί οι νόμοι είναι αναπόσπαστο μέρος της δομής της σύγχρονης φυσικής. Από εκεί προέρχεται και η εντύπωση ότι πρέπει να είναι αιώνιοι, τέλειοι, αμετάβλητοι. Υποψιάζομαι επίσης ότι αυτό ανάγεται σε μια εποχή κατά την οποία η επιστήμη και η θρησκεία ήταν στενά δεμένες, και οι ιδέες για τους φυσικούς νόμους αντηχούσαν τον θεϊκό νόμο: διαχρονικό, καθολικό και όχι διαπραγματεύσιμο. Ακόμη κι όταν η επιστήμη εκκοσμικεύτηκε, ο σεβασμός έμεινε.
Υπάρχει όμως και κάτι ακόμη πιο σημαντικό: η συμμετρία. Στη γεωμετρία, ένα σχήμα έχει συμμετρία αν μπορείς να κάνεις μια ενέργεια, όπως μια περιστροφή, και να φαίνεται το ίδιο. Η φυσική έχει μια αντίστοιχη μορφή συμμετρίας. Αν κάνεις ένα πείραμα εδώ ή εκεί, σήμερα ή αύριο, κοιτώντας προς βορρά ή προς νότο, το αποτέλεσμα είναι το ίδιο — ή, τουλάχιστον, αυτό υποθέτουμε.
Οι συνέπειες αυτής της υπόθεσης είναι τεράστιες. Φάνηκαν για πρώτη φορά καθαρά το 1918 από την Emmy Noether, μια μαθηματικό της οποίας το έργο αναμόρφωσε οριστικά τη θεωρητική φυσική, παρότι η σταδιοδρομία της εμποδίστηκε για χρόνια από τον θεσμικό σεξισμό. Η Noether έδειξε ότι κάθε συνεχής συμμετρία —μια συμμετρία που ισχύει κάτω από μια ομαλή μετατόπιση, όπως η κίνηση στον χώρο ή στον χρόνο— συνοδεύεται από ένα διατηρούμενο μέγεθος. Έδειξε μαθηματικά ότι αν οι νόμοι της φυσικής είναι ίδιοι παντού, αυτό σημαίνει λογικά πως η ορμή πρέπει να διατηρείται. Δηλαδή, η συνολική ορμή που μοιράζονται όλα τα αντικείμενα —για παράδειγμα, οι μπάλες σε ένα παιχνίδι μπιλιάρδου— δεν αλλάζει. Τα διατηρούμενα μεγέθη μπορούν να ανταλλάσσονται μεταξύ αντικειμένων, για παράδειγμα σε μια σύγκρουση, αλλά το άθροισμα μένει σταθερό.
Μία συμμετρία, όμως, παίζει ιδιαίτερο ρόλο. Αν οι νόμοι της φυσικής είναι ίδιοι από τη μια χρονική στιγμή στην άλλη —αν δηλαδή υπακούν σε χρονική μεταθετική αμεταβλητότητα— αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί. Από μόνη της, αυτή η ιδέα δεν είναι πρόβλημα. Το πρόβλημα είναι ότι ισχύει και το αντίστροφο. Αν πιστεύεις ότι οι νόμοι της φυσικής μπορούν να αλλάζουν με τον χρόνο, τότε παραβιάζεται η διατήρηση της ενέργειας. Αν σπάσεις το ένα, διαρρέει και το άλλο. Αυτό είναι μεγάλο πρόβλημα για πολλούς συναδέλφους μου, γιατί, από πλευράς αρχών της φυσικής, η διατήρηση της ενέργειας είναι σχεδόν ιερή.
Δαμάζοντας ένα σύμπαν χωρίς νόμους
Κάποιοι φυσικοί, ωστόσο, δεν πτοήθηκαν. Πρωτοπόρος αυτής της εξέγερσης ήταν ο Paul Dirac, γνωστός κυρίως για την ενοποίηση της κβαντομηχανικής με την ειδική σχετικότητα. Ο Dirac ήταν περίφημα εκκεντρικός και, πιστός στον χαρακτήρα του, έγραψε μία από τις πιο ριζοσπαστικές εργασίες της καριέρας του κατά τη διάρκεια του μήνα του μέλιτος στο Μπράιτον της Βρετανίας, το 1937.
Στην εργασία εκείνη, ο Dirac πρότεινε με θάρρος ότι οι σταθερές της φύσης, αυτοί οι σημαντικοί αριθμοί που εμφανίζονται στους θεμελιώδεις νόμους μας, αντανακλούν στην πραγματικότητα την ηλικία του σύμπαντος. Αν αυτό ίσχυε, τότε οι σταθερές δεν θα ήταν καθόλου «σταθερές», αλλά θα εξελίσσονταν με τον χρόνο. Με αυτή την έννοια, οι νόμοι της φυσικής δεν θα ήταν πια διαχρονικοί.
Δεκαετίες αργότερα, ο φίλος μου Lee Smolin πήγε την ιδέα των εξελισσόμενων νόμων πολύ πιο πέρα. Η πρότασή του, γνωστή ως κοσμολογική φυσική επιλογή, ξεκινά από μια απλή ανορθοδοξία: οι μαύρες τρύπες ίσως να μην είναι κοσμικά αδιέξοδα. Αντίθετα, κάθε μαύρη τρύπα μπορεί να γεννά ένα νέο διαστελλόμενο σύμπαν στην άλλη πλευρά του ορίζοντά της, ένα είδος κοσμικού απογόνου. Η ιδέα δεν είναι καθαρή φαντασία. Η γενική σχετικότητα επιτρέπει ακραίες αναδιατάξεις του χωροχρόνου μέσα στις μαύρες τρύπες, και ορισμένες λύσεις μπορούν να διαβαστούν ως γέφυρες προς νέες περιοχές.
Κρίσιμο είναι ότι ο Smolin υποστήριξε πως οι νόμοι και οι σταθερές δεν αντιγράφονται τέλεια σε αυτή τη διαδικασία. Κάθε νέο σύμπαν κληρονομεί ελαφρώς μεταλλαγμένες σταθερές, μικροσκοπικές αλλαγές στις μάζες των σωματιδίων ή στις ισχύς των δυνάμεων. Κάποια σύμπαντα είναι καλύτερα από άλλα στο να δημιουργούν μαύρες τρύπες και, άρα, καλύτερα στο να μεταδίδουν τις σταθερές τους. Με πολλές γενιές, τα σύμπαντα με «επιτυχημένες» σταθερές κυριαρχούν. Όσο παράξενο κι αν ακούγεται αρχικά, αυτή η ιδέα εξακολουθεί να μένει πιο κοντά από τη συνολική άναρχη εικόνα του Wheeler. Στο όραμα του Wheeler, δεν εξελίσσονται μόνο οι σταθερές που μπαίνουν στις εξισώσεις. Σε κίνηση βρίσκονται και οι ίδιες οι εξισώσεις — αν βέβαια έχει νόημα να μιλάμε καν για εξισώσεις.
Αλλά τι γίνεται με το μεγάλο εμπόδιο που στεκόταν μπροστά μας από την εποχή της Noether; Με την ιδέα ότι, αν επιτρέψεις στους νόμους της φύσης να αλλάζουν, εγκαταλείπεις τη διατήρηση της ενέργειας; Για πολύ καιρό, αυτό θεωρούνταν λόγος να μην ακολουθηθούν οι εξελισσόμενοι νόμοι. Τα τελευταία δύο χρόνια, όμως, συνειδητοποίησα τελικά ότι ισχύει ακριβώς το αντίθετο. Είδα μια τεράστια ευκαιρία να ανοίγεται μπροστά μου.
Πώς δημιουργείται ένα σύμπαν
Το ζήτημα είναι το εξής: σε ορισμένες συνθήκες, το ότι η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί γίνεται προβληματικό. Πάρε για παράδειγμα την ίδια τη Μεγάλη Έκρηξη. Σήμερα, οι φυσικοί αναγκάζονται να πιστεύουν ότι όλη η ύλη και η ενέργεια που βλέπουμε σήμερα έπρεπε να υπήρχαν ήδη στην αρχή του σύμπαντος, κάτι που το οδηγεί σε σημείο άπειρης πυκνότητας. Όμως δεν ξέρουμε πώς να ερμηνεύσουμε τι σημαίνει αυτό πραγματικά, και τα άπειρα καταρρίπτουν τις εξισώσεις μας. Αν, όμως, χαλαρώσουμε αυτή την προϋπόθεση, τότε η δημιουργία της ύλης στο σύμπαν μπορεί να πάψει να είναι ένα στιγμιαίο γεγονός και να γίνει διαδικασία: κάτι εκτεταμένο, εξαρτημένο από τις συνθήκες, ατελές.
Κατ’ αρχήν, αυτό λύνει ένα μεγάλο πρόβλημα. Υπάρχει όμως και η άλλη πλευρά της ιστορίας. Αν η ύλη και η ενέργεια μπορούν να δημιουργηθούν, μπορούν επίσης και να καταστραφούν. Ο ίδιος μηχανισμός που δίνει με το ένα χέρι, μπορεί να παίρνει με το άλλο. Χρειαζόμαστε λοιπόν έναν τρόπο να εξηγήσουμε πώς αυτή η διαδικασία αφήνει κάτι πίσω της —το σύμπαν που βλέπουμε γύρω μας— και όχι το τίποτα.
Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε πέρυσι, ο υποψήφιος διδάκτοράς μου Paolo Bassani κι εγώ δανειστήκαμε εργαλεία από την εξελικτική βιολογία και τα χρηματοοικονομικά μαθηματικά, δύο πεδία που μελετούν συστήματα τα οποία ποτέ δεν μένουν ακίνητα και επιτρέπουν γνήσια τυχαιότητα μέσα σε εξελισσόμενους νόμους. Στο δικό μας μοντέλο, τίποτα δεν είναι αξιόπιστο στο αρχικό στάδιο του σύμπαντος, πριν εμφανιστούν σταθεροί νόμοι. Οι σταθερές κυμαίνονται άγρια. Οι νόμοι διατήρησης καταρρέουν απροκάλυπτα. Η ύλη δημιουργείται, αλλά και καταστρέφεται, τυχαία. Η θετική ενέργεια είναι το ίδιο πιθανή όσο και η αρνητική, η δημιουργία όσο και η εξαΰλωση. Κάθε ύλη που κερδίζεις σε ένα ρίξιμο των ζαριών μπορεί να χαθεί στο αμέσως επόμενο.
Οι δυνάμεις που βιώνουμε σήμερα, όπως η βαρύτητα, μπορεί να είχαν κυματιστεί έντονα κοντά στη γέννηση της πραγματικότητας NASA
Το σύμπαν, ουσιαστικά, παίζει στοίχημα. Ίσως χτίζει ένα πλεόνασμα σε μια καλή σειρά, πριν το χάσει το ίδιο γρήγορα. Όσο οι νόμοι συνεχίζουν να μεταλλάσσονται, ό,τι κέρδος προκύπτει με τη μορφή ύλης δεν είναι ποτέ ασφαλές. Μια μόνο κακή διακύμανση μπορεί να τα σβήσει όλα. Για να παραμείνει κάτι, χρειάζεται ένας τρόπος ώστε η διαδικασία να σταματήσει και ό,τι έχει κερδίσει το σύμπαν να «κλειδώσει».
Ευτυχώς, τυχαία συστήματα όπως το χαοτικό σύμπαν μας —αλλά και όπως…
