Το 2023, ο Jonathan Oppenheim έκανε ένα στοίχημα με αποδόσεις 5000 προς 1. Αν το κερδίσει, μπορεί να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο βλέπουμε το σύμπαν. Ο φυσικός υποστηρίζει ότι ο χωροχρόνος και, κατ’ επέκταση, η βαρύτητα δεν υπακούουν στην κβαντική θεωρία. Η θέση αυτή έρχεται σε αντίθεση με τη mainstream φυσική, η οποία θεωρεί ότι η βαρύτητα, όπως και οι υπόλοιπες θεμελιώδεις δυνάμεις, πρέπει τελικά να είναι κβαντική, έστω κι αν δεν ξέρουμε ακόμη πώς.
Το στοίχημα είναι παιχνιδιάρικο, όμως το ερώτημα είναι σοβαρό και ίσως αποτελεί το πιο δύσκολο πρόβλημα της σύγχρονης φυσικής. Παρότι ο Oppenheim παραμένει προς το παρόν μειοψηφία με τη «μετακβαντική» θεωρία του για τη βαρύτητα, είναι όλο και πιο βέβαιος ότι οι συνάδελφοί του θα πρέπει να την πάρουν στα σοβαρά. Και αυτό, όπως λέει, συμβαίνει και επειδή οι εναλλακτικές είναι εξαιρετικά πολύπλοκες.
«Υπάρχουν όλοι αυτοί οι άνθρωποι που πιστεύουν ότι ζούμε σε 11 διαστάσεις και ότι υπάρχουν υπερχορδές και ότι ο χωροχρόνος είναι αναδυόμενος, και βλέπουν αυτή τη θεωρία και τη θεωρούν ριζοσπαστική», λέει. «Αλλά αν το δεις ψύχραιμα και αντικειμενικά, είναι μάλλον το αντίθετο — είναι η πιο συντηρητική θεωρία που μπορείς να έχεις».
Και δεν είναι μόνο αυτό. Αν γίνει δεκτή η ίσως πιο αμφιλεγόμενη καινοτομία του μοντέλου, οι υπολογισμοί του Oppenheim δείχνουν ότι θα μπορούσε να ρίξει φως και σε ένα ακόμη μεγάλο μυστήριο της σύγχρονης φυσικής: τη φύση της αόρατης σκοτεινής ύλης, η οποία φαίνεται να δίνει το μεγαλύτερο μέρος της βαρυτικής «δύναμης» στο σύμπαν. Μήπως τελικά κάτι έχει βρει;
Για δεκαετίες, οι επιστήμονες προσπαθούν να συμφιλιώσουν τους δύο πυλώνες της σύγχρονης φυσικής: την κβαντική θεωρία, που περιγράφει τη συμπεριφορά των σωματιδίων και των δυνάμεων σε μικρές κλίμακες, και τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, που περιγράφει τη βαρύτητα και καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί το σύμπαν στις μεγαλύτερες κλίμακες. Και οι δύο θεωρίες έχουν δοκιμαστεί εξαντλητικά και έχουν αντέξει. Ωστόσο, με βάση τη σημερινή μας κατανόηση, είναι θεμελιωδώς ασύμβατες.
Η κβαντική θεωρία εξηγεί τη λειτουργία τριών θεμελιωδών δυνάμεων —της ηλεκτρομαγνητικής, της ισχυρής και της ασθενούς πυρηνικής— μέσα από την ανταλλαγή κβαντικών σωματιδίων που συγκρατούν την ύλη με διαφορετικούς τρόπους. Αντίθετα, σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, τα μεγάλης μάζας αντικείμενα δεν δημιουργούν βαρύτητα μέσω ανταλλαγής κβαντικών σωματιδίων, αλλά καμπυλώνοντας τον χώρο και τον χρόνο γύρω τους, με αποτέλεσμα να «πέφτουν» το ένα προς το άλλο.
Κάθε θεωρία λειτουργεί εξαιρετικά καλά στο πεδίο της: οι κβαντικές δυνάμεις εξηγούν πώς συγκρατείται η ύλη που σχηματίζει την καρέκλα στην οποία καθόμαστε, ενώ η βαρύτητα εξηγεί γιατί το σώμα μας πέφτει με κρότο στο πάτωμα, αν αστοχήσουμε όταν πάμε να καθίσουμε. Όμως αυτή η συνύπαρξη καταρρέει εκεί όπου συναντιούνται οι μεγάλες κλίμακες με τις μικρές, όπως όταν κβαντικά σωματίδια περνούν τον ορίζοντα γεγονότων μιας μεγάλης μαύρης τρύπας ή στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη μεγάλη έκρηξη, όταν το γνωστό μας σύμπαν ξεκίνησε ως ένα απειροελάχιστο σημείο μάζας και ενέργειας.
Η συντριπτική πλειονότητα των φυσικών θεωρεί ότι η πιθανότερη λύση είναι κάποια μορφή κβαντικής βαρύτητας, όπου η βαρύτητα αποτελείται από μικροσκοπικά κβαντικά «κομμάτια», όπως και οι άλλες δυνάμεις. Σε εξαιρετικά μικρές κλίμακες, ο ομαλός χωροχρόνος της θεωρίας του Αϊνστάιν θα κατέρρεε και θα έμοιαζε με εικόνα που μεγεθύνεται υπερβολικά, αποκτώντας ψηφίδες.
Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τρόποι για να κβαντοποιηθεί η βαρύτητα και ο χωροχρόνος. Ίσως ο πιο γνωστός είναι η θεωρία χορδών, που προτείνει την ύπαρξη μικροσκοπικών επιπλέον διαστάσεων κουλουριασμένων πάνω τους. Άλλος βασικός διεκδικητής είναι η βαρύτητα βρόχων, η οποία περιγράφει έναν ομαλό χωροχρόνο που αναδύεται από ένα βαθύτερο θεμελιώδες δίκτυο γεωμετρικών «κόκκων».
Ο Oppenheim, φυσικός στο University College London, δεν πείθεται από όλα αυτά. «Στην κβαντική βαρύτητα, η ιδέα ότι η βαρύτητα περιγράφεται με όρους χωροχρόνου καταρρέει, αλλά όλοι εξακολουθούν να πιστεύουν ότι είναι κβαντική και όχι μια θεωρία του χωροχρόνου», λέει. Θεωρεί ότι, αν μια διάδοχη θεωρία πρόκειται να αναπαράγει τις επιτυχίες της γενικής σχετικότητας, είναι κρίσιμο να διατηρεί την εικόνα της βαρύτητας ως δύναμης που δρα μεταξύ μαζών σε έναν συνεχόμενο, αδιαίρετο χωροχρόνο. Η μετακβαντική βαρύτητα κάνει ακριβώς αυτό. «Αν πιστεύεις ότι, σε θεμελιώδες επίπεδο, η βαρύτητα είναι μια θεωρία του χωροχρόνου, αυτή είναι η θεωρία για σένα», λέει ο Oppenheim.
Το μοντέλο και τα μαθηματικά του είναι σύνθετα, όμως ο στόχος του είναι απλός: να ξεκινήσει από όσα γνωρίζουμε με βεβαιότητα για τα διάφορα κβαντικά πεδία, να μην κβαντοποιήσει τον χωροχρόνο και μετά να δει τι προκύπτει. Έπειτα από χρόνια επίμονης δουλειάς, ο Oppenheim λέει ότι φαίνεται να περιγράφει την πραγματικότητα εκπληκτικά καλά, μέχρι στιγμής. Το βασικό είναι ότι η βαρύτητα συμφωνεί με την κβαντομηχανική στις μικρές κλίμακες και συμπεριφέρεται όπως προβλέπει η γενική σχετικότητα στις μεγαλύτερες.
Στην πιο πρόσφατη μελέτη του, που δημοσιεύτηκε τον Ιούλιο, ο Oppenheim και ο Zachary Weller-Davies από το Perimeter Institute στον Καναδά διαπίστωσαν ότι ορισμένες συμμετρίες του χωροχρόνου, που αποτελούν κρίσιμα χαρακτηριστικά της γενικής σχετικότητας, μπορούν επίσης να εφαρμοστούν στη μετακβαντική βαρύτητα.
Υπάρχει όμως ένα κόστος. Αν το μοντέλο του Oppenheim θέλει να συμβαδίσει με την κβαντομηχανική, πρέπει να υιοθετήσει ορισμένα χαρακτηριστικά της. Ειδικά, πρέπει να επιτρέπει σε όλα τα αντικείμενα να βρίσκονται ταυτόχρονα σε υπέρθεση δύο καταστάσεων, και να καταλήγουν σε μία μόνο κατάσταση όταν οι κβαντικές κυματοσυναρτήσεις που τα περιγράφουν «καταρρέουν» κατά τη μέτρηση.
Οι καταστάσεις αυτές περιλαμβάνουν τη θέση του αντικειμένου. Εδώ όμως βρίσκεται η δυσκολία. Αν ένα αντικείμενο που βρίσκεται ταυτόχρονα σε δύο θέσεις ασκεί βαρυτική έλξη και από τις δύο, αυτό θα έδειχνε ότι η βαρύτητα είναι θεμελιωδώς κβαντική. Αν όμως η έλξη προέρχεται μόνο από μία θέση, τότε θα σήμαινε ότι η βαρύτητα «ξέρει» σε ποια θέση θα καταλήξει το αντικείμενο, μόλις καταρρεύσει η κυματοσυνάρτησή του. Αυτό θα παραβίαζε την αρχή της αβεβαιότητας, μια βασική και ευρέως αποδεκτή αρχή της κβαντομηχανικής.
Η μόνη λύση, σύμφωνα με τον Oppenheim, είναι να εισαχθεί ένας βαθμός τυχαιότητας με τη μορφή διακυμάνσεων στις συντεταγμένες του χωροχρόνου. Το αποτέλεσμα είναι μικρό, αλλά οι συνέπειες σημαντικές: θα σήμαινε ότι, τουλάχιστον σε πολύ μικρές κλίμακες, τόσο ο χώρος όσο και ο χρόνος είναι απρόβλεπτα. Τα «τικ» ενός ρολογιού, για παράδειγμα, δεν θα συνέπιπταν πλέον ακριβώς σε ίσα διαστήματα, αλλά θα παρουσίαζαν ελαφρές ταλαντώσεις. Με άλλα λόγια, ένα είδος «σφάλματος» στον χωροχρόνο.
Το να πειράξεις ειδικά τη φύση του χρόνου δεν είναι κάτι που γίνεται ελαφρά τη καρδία. «Όταν περιγράφουμε ένα σύστημα, περιγράφουμε πώς εξελίσσεται στον χρόνο, άρα η φύση του χρόνου είναι μεγάλο ερώτημα», λέει ο Oppenheim. Το να γίνεται ο χρόνος τυχαίος, έστω και σε μικρό βαθμό, κάνει εξαιρετικά δύσκολο το πώς πρέπει να περιγράψουμε την εξέλιξη των συστημάτων και μπορεί να ανατρέψει τη λειτουργία της ίδιας της φυσικής.
Το ότι αυτή η τυχαιότητα δεν έχει γνωστή φυσική πηγή προβληματίζει ορισμένους ερευνητές. «Νομίζω ότι παρακάμπτει το βασικό ζήτημα, που είναι μια εξήγηση για το γιατί είναι [τυχαίο]», λέει η Ivette Fuentes από το Πανεπιστήμιο του Southampton στη Βρετανία.
Ο Oppenheim, πάντως, συμφωνεί ότι αυτό είναι αδύναμο σημείο. «Δεν μου αρέσει το γεγονός ότι υπάρχουν αυτές οι απρόβλεπτες διακυμάνσεις», λέει. «Έρχεται σε σύγκρουση με την ιδέα ότι τα πάντα πρέπει να έχουν αιτία και ότι πρέπει να μπορούμε να περιγράφουμε φυσικά τον κόσμο». Όμως, όπως υποστηρίζει, κάτι πρέπει να υποχωρήσει αν θέλουμε να συμφιλιώσουμε την κβαντομηχανική με τη βαρύτητα. «Έχουμε δοκιμάσει όλες τις πιο εύκολες προσεγγίσεις και τίποτα δεν λειτούργησε, άρα υπάρχει ένα τίμημα που πρέπει να πληρώσουμε».
Και ίσως υπάρχουν λόγοι για να μην απορρίψει κανείς τόσο εύκολα την ύπαρξη αυτών των διακυμάνσεων. Ένας από αυτούς είναι μια θεμελιώδης αρχή της κβαντομηχανικής, γνωστή ως κανόνας του Born. Πρόκειται για έναν τύπο που δίνει την πιθανότητα να προκύψει μια συγκεκριμένη τιμή για την κατάσταση ενός κβαντικού συστήματος κατά τη μέτρηση και είναι κεντρικός για να λειτουργεί μαθηματικά η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης. Ο κανόνας αυτός έχει αντέξει έναν αιώνα ελέγχου, όμως ακόμη δεν ξέρουμε από πού προέρχεται. Στο μοντέλο του Oppenheim, προκύπτει αμέσως μόλις εισαχθούν οι χρονικές διακυμάνσεις, παρότι δεν είχε τεθεί ως προϋπόθεση του μοντέλου.
Επιπλέον, σε εργασία που δημοσιεύτηκε τον Μάιο, ο Oppenheim και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι η μετακβαντική βαρύτητα μπορεί να αναπαράγει ορισμένα από τα βαρυτικά φαινόμενα που αποδίδονται σήμερα στη σκοτεινή ύλη. Οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι η σκοτεινή ύλη ξεπερνά τη συνηθισμένη ορατή ύλη στο σύμπαν κατά 5 προς 1, όμως δεν ξέρουμε τι ακριβώς είναι.
Η «φάντασμα» σκοτεινή ύλη που προκαλούν οι διακυμάνσεις του χωροχρόνου ίσως παρακάμπτει αυτό το τεράστιο πρόβλημα. Αυτό το κομμάτι του μοντέλου βρίσκεται ακόμη στα πρώτα του βήματα, λέει ο Oppenheim. «Ξέρουμε ότι υπάρχει ένα φαινόμενο που μοιάζει με σκοτεινή ύλη, αλλά δεν ξέρουμε αν είναι αρκετά μεγάλο για να εξηγήσει οτιδήποτε ή αν έχει τις σωστές ιδιότητες», λέει. Τώρα εργάζεται για να αποσαφηνίσει πιο αναλυτικά αυτή την πιθανή σύνδεση.
Οι συνάδελφοί του, πάντως, παραμένουν σε μεγάλο βαθμό αμετακίνητοι. Ο Carlo Rovelli, από το Aix-Marseille University στη Γαλλία, είναι ένας από τους θεμελιωτές και κορυφαίους υποστηρικτές της βαρύτητας βρόχων. Μαζί με τον θεωρητικό των χορδών Geoff Penington, από το University of California, Berkeley, έβαλε το στοίχημα με τον Oppenheim το 2023. Οι ακριβείς όροι είναι οι εξής: αν αποδειχθεί ότι η βαρύτητα είναι κβαντισμένη, ο Oppenheim θα πρέπει να αγοράσει στον Rovelli και τον Penington κάτι αξίας 20 πενών· αν αποδειχθεί ότι δεν είναι κβαντισμένη, εκείνοι θα του χρωστάνε ένα αντικείμενο αξίας 1000 λιρών.
Ο Rovelli λέει ότι το μοντέλο παραβιάζει τόσο την κβαντομηχανική όσο και τη γενική σχετικότητα. «Γιατί η πρόοδος να σημαίνει ότι κάνουμε πίσω σε όσα έχουμε κατανοήσει;» λέει. «Είναι σαν να προτείνεις θεωρίες στις οποίες η Γη δεν περιστρέφεται γύρω από τον Ήλιο».
Όχι, απαντά ο Oppenheim. Το μοντέλο συμβαδίζει απολύτως με τη γενική σχετικότητα και, προτείνοντας μια φυσική προέλευση για τον κανόνα του Born, δίνει στην κβαντομηχανική μια απαραίτητη ανανέωση. «Δεν είναι ότι τη σπάει· στην πραγματικότητα λύνει ένα από τα πιο βασανιστικά ζητήματα που ταλανίζουν την κβαντομηχανική από τη γέννησή της», λέει.
Μια τρίτη άποψη είναι ότι, για να φτιάξεις ομελέτα, πρέπει να σπάσεις μερικά αυγά. «Όταν κβαντοποιείς τη βαρύτητα και τον χωροχρόνο, σπας επίσης και τη γενική σχετικότητα», λέει η Fuentes. «Νομίζω ότι πρέπει να σπάσεις και τη σχετικότητα και την κβαντομηχανική για να τις ενοποιήσεις».
Η πραγματικότητα θα είναι τελικά ο κριτής. Τα μοντέλα μη κβαντικοποιημένης βαρύτητας δεν είναι πολλά, και τα περιθώρια στενεύουν ακόμη περισσότερο αν αποκλειστούν όσα δεν μπορούν να ελεγχθούν πειραματικά. Αυτό κάνει τη θεωρία του Oppenheim αξιοσημείωτη, λέει ο Daniel Carney από το Lawrence Berkeley National Laboratory στην Καλιφόρνια, επειδή υπάρχουν τρόποι να ελεγχθούν οι προβλέψεις της. «Αυτό το μοντέλο, κατά τη γνώμη μου, είναι κυρίως χρήσιμο ως δοκιμαστικό πεδίο — λέει, τι γίνεται αν κάνουμε λάθος; Ναι, η βαρύτητα είναι πιθανότατα κβαντισμένη όπως ο ηλεκτρομαγνητισμός, αλλά το τι άλλο θα μπορούσε να συμβεί είναι ένα τρομερά δύσκολο ερώτημα», λέει ο Carney. «Γι’ αυτό είναι εξαιρετικά πολύτιμο».
Ήδη οι παρατηρήσεις θέτουν ορισμένους περιορισμούς στο μοντέλο. Για παράδειγμα, αν είναι σωστό, θα πρέπει να υπάρχουν τυχαία βαρυτικά κύματα, σε συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων και ισχύος, που διαπερνούν ολόκληρο το σύμπαν και προέρχονται από τυχαίες διακυμάνσεις του χωροχρόνου στην πρώιμη κοσμική ιστορία. Τα παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων, όπως το αμερικανικό Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, μετρούν κυματισμούς στον χωροχρόνο που προκαλούνται από την κίνηση εξαιρετικά μαζικών αντικειμένων, όπως οι μαύρες τρύπες, και έχουν αρχίσει επίσης να καταγράφουν αυτό το ασθενέστερο «στατιστικό υπόβαθρο» βαρυτικών κυμάτων.
Τα αποτελέσματα μέχρι στιγμής έχουν περιορίσει σημαντικά τις πιθανές ιδιότητες αυτού του σήματος, και μαζί και τις δυνατότητες της μετακβαντικής βαρύτητας. Παράλληλα, εργαστηριακά πειράματα με υπέρψυχρα άτομα που μετρούν τη βαρύτητα βάζουν περιορισμούς στο μοντέλο σε μικρότερες κλίμακες. «Δεν υπάρχει πολύ περιθώριο ελιγμών, ούτε πολλές δυνατότητες να κρυφτεί κανείς αν υπάρχουν προβλήματα», λέει ο Oppenheim.
Τελικά, αυτό που χρειάζεται είναι πιο άμεσες πειραματικές δοκιμές. Και οι πρόσφατες βελτιώσεις στη θεωρία και στις τεχνολογίες κβαντικής ανίχνευσης σημαίνουν ότι ίσως βρίσκονται στον ορίζοντα. Η πρώτη τέτοια δοκιμή θα ήταν να τοποθετηθεί μια μικροσκοπική μάζα, όπως ένας κρυστάλλος νανοκλίμακας, σε κβαντική υπέρθεση δύο θέσεων ταυτόχρονα. Οι ερευνητές θα προσπαθούσαν στη συνέχεια να τη μπερδέψουν κβαντικά με έναν δεύτερο κρύσταλλο, ώστε η μέτρηση του πρώτου να επηρεάσει τον δεύτερο.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
