Οι φυσικοί έχουν εδώ και χρόνια την υποψία ότι κάτω από την κβαντική θεωρία υπάρχει ένα ακόμη βαθύτερο στρώμα φυσικής πραγματικότητας. Ένα νέο μαθηματικό μοντέλο δείχνει πόσο παράξενο θα μπορούσε να είναι.
Από την Karmela Padavic-Callaghan
Ίσως να υπάρχει ένα στρώμα πραγματικότητας ακόμη βαθύτερο από τον κβαντικό κόσμο.
Cappan/iStockphoto/Getty Images
Οι φυσικοί ανοίγουν νέο δρόμο στις μετα-κβαντικές θεωρίες, προσπαθώντας να καταλάβουν πώς μπορεί να μοιάζει η πραγματικότητα σε ένα επίπεδο βαθύτερο και πιο παράξενο από την ήδη διάσημα αλλόκοτη κβαντική θεωρία.
Τη δεκαετία του 1920, οι φυσικοί είχαν αρκετές πολύ χρήσιμες θεωρίες για το πώς λειτουργεί ο κόσμος. Ωστόσο, συνέχιζαν να βρίσκουν περιπτώσεις στις οποίες αυτές οι θεωρίες δεν έδιναν σωστές απαντήσεις. Μέσα από αυτά τα κενά της λεγόμενης κλασικής φυσικής, διέκριναν ένα βαθύτερο στρώμα του κόσμου που βρίσκεται πίσω από όλα: τον κβαντικό κόσμο. Τώρα, οι φυσικοί βιώνουν ένα είδος déjà vu. Η κβαντική θεωρία λειτουργεί εξαιρετικά καλά, όμως εμφανίζει και μεγάλα κενά όταν έρχεται αντιμέτωπη με κοσμικά μεγάλα αντικείμενα που ελέγχονται από τη βαρύτητα. Τι είδους μετα-κβαντικός κόσμος θα μπορούσε να αποκαλυφθεί μέσα από αυτό το κενό;
Ο James Hefford από το National Institute for Research in Digital Science and Technology και ο Matt Wilson από το Paris-Saclay University, και οι δύο στη Γαλλία, ανέπτυξαν τώρα ένα μαθηματικό σκίτσο για έναν πιθανό μετα-κβαντικό κόσμο, ίσως το βαθύτερο επίπεδο πραγματικότητας μέχρι σήμερα.
Οι κβαντικές μπαταρίες θα μπορούσαν να φορτίζονται αντιστρέφοντας τον χρόνο
«Η κβαντική θεωρία δεν περιγράφει ολόκληρο το σύμπαν», λέει ο Hefford. «Ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα στη φυσική είναι να βρεθεί μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας, μια θεωρία που να περιγράφει και την κβαντική θεωρία και τη βαρύτητα. Αυτό το πράγμα θα πρέπει, κατά κάποιον τρόπο, να ξεπερνά απλώς την κβαντική θεωρία».
Υπάρχουν πολλές προτάσεις για το πώς μπορεί να αναπτυχθεί μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας, όμως οι Wilson και Hefford εμπνεύστηκαν από τη σχέση ανάμεσα στην κβαντική και την κλασική φυσική. Συγκεκριμένα, δεν συναντάμε παράξενα κβαντικά φαινόμενα στην καθημερινή ζωή εξαιτίας μιας διαδικασίας που ονομάζεται αποσυνοχή, η οποία καταστρέφει την κβαντικότητα των περισσότερων αντικειμένων. Χάρη στην αποσυνοχή αναδύεται ο λογικός και απτός κόσμος μας από τον κβαντικό κόσμο, όπου οι γάτες μπορούν φαινομενικά να είναι ταυτόχρονα ζωντανές και νεκρές και τα σωματίδια να διαπερνούν τοίχους σαν φαντάσματα. Οι ερευνητές υπέθεσαν ότι μια ανάλογη διαδικασία, η «υπερ-αποσυνοχή», θα έπρεπε να κάνει την κβαντική θεωρία να αναδύεται από μια μετα-κβαντική.
Τα καλύτερα του New Scientist, με μεγάλα άρθρα, πολιτισμό, podcasts και ειδήσεις, κάθε εβδομάδα.
Η ιδέα είχε μελετηθεί και παλιότερα, όμως ένα συγκεκριμένο θεώρημα του 2018 είχε δείξει ότι είναι μαθηματικά αδύνατο να υπάρξει μια λογική και εσωτερικά συνεπής διαδικασία υπερ-αποσυνοχής που να αναπαράγει σωστά την κβαντική θεωρία. Οι Hefford και Wilson εξέτασαν προσεκτικά τις παραδοχές πάνω στις οποίες στηριζόταν αυτό το θεώρημα και βρήκαν μια παράκαμψη. Το τίμημα ήταν ότι κατέληξαν σε έναν πολύ παράξενο μετα-κβαντικό κόσμο: μια θεωρία που ονομάζεται QBox.
Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά της είναι ότι κάμπτει την κλασική ιδέα της αιτιότητας. Συνήθως, είτε το γεγονός Α προκαλεί το γεγονός Β είτε το αντίστροφο. Στην QBox, όμως, επιτρέπονται μίγματα του «το Α προκαλεί το Β» και του «το Β προκαλεί το Α», όπου είναι αδύνατο να φανεί ποιο από τα δύο είναι ξεκάθαρα σωστό.
«Αυτό είναι αιτιακή αοριστία. Θα πρέπει να μας ενδιαφέρει αν θέλουμε να προχωρήσουμε προς μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας», λέει ο Carlo Maria Scandolo από το University of Calgary στον Καναδά, ο οποίος δεν συμμετείχε στο έργο. Και αυτό γιατί η καλύτερη θεωρία μας για τη βαρύτητα, η γενική σχετικότητα του Albert Einstein, επιβάλλει διαφορετικές σειρές αιτίας και αποτελέσματος σε διαφορετικά σημεία του χωροχρόνου, σημειώνει.
Το κβαντικό μπέρδεμα μπορεί να μετρηθεί σε στερεά για πρώτη φορά
Αυτό εκδηλώνεται, για παράδειγμα, σε νοητικά πειράματα όπου άνθρωποι που ταξιδεύουν σε διαφορετικά διαστημόπλοια και παρακολουθούν το ίδιο σύνολο γεγονότων δεν συμφωνούν για τη σειρά με την οποία συνέβησαν.
Οι δύο φυσικοί έπρεπε επίσης να βεβαιωθούν ότι η υπερ-αποσυνοχή καταλήγει σωστά από την QBox στην κβαντική θεωρία. Για παράδειγμα, έπρεπε να εξασφαλίσουν ότι ένα δεδομένο αντικείμενο για το οποίο μπορούμε στην QBox να έχουμε μόνο κατά προσέγγιση γνώση δεν γίνεται πιο σαφές αφού περάσει από υπερ-αποσυνοχή. Ο Wilson λέει ότι η διαδικασία θυμίζει το ότι υπάρχουν διαστάσεις που ένας παράγοντας μέσα στην περιοχή της QBox -κάποιος που μπορεί να αλληλεπιδρά με τα αντικείμενα εκεί- μπορεί να προσπελάσει, αλλά οι οποίες κρύβονται από εμάς που έχουμε πρόσβαση μόνο στον κβαντικό ή τον κλασικό κόσμο.
Οι δύο ερευνητές εξακολουθούν να δουλεύουν τις λεπτομέρειες για το πώς πρέπει να νοηθεί αυτές οι διαστάσεις και τι ακριβώς θα αντιλαμβανόταν ένας τέτοιος παράγοντας. Ωστόσο, οι διαστάσεις που φαίνεται να γίνονται απρόσιτες είναι χρονικές και όχι χωρικές, με την υπερ-αποσυνοχή να κόβει την πρόσβαση σε διαδικασίες που συμβαίνουν προς τα πίσω, δηλαδή προς το παρελθόν και όχι προς το μέλλον.
Σωματίδια που εμφανίζονται από το κενό χώρο για πρώτη φορά
«Υπήρξαν [παλαιότερα] μερικές δοκιμαστικές θεωρίες που θα στήριζαν έννοιες αόριστης αιτιακής σειράς και παρόμοια, αλλά το να καταφέρουν στη συνέχεια να αναπαράγουν όλη την κβαντομηχανική ήταν κάτι δύσκολο που κανείς δεν φαίνεται να το είχε πετύχει πραγματικά», λέει ο Ciarán Gilligan-Lee από το Causal Inference Research Lab της Spotify, ο οποίος είχε συνυπογράψει το θεώρημα του 2018 που έθετε επιχείρημα κατά της υπερ-αποσυνοχής. Όπως σημειώνει, ισχυρό σημείο της νέας δουλειάς είναι ότι πρόκειται για μια συγκεκριμένη θεωρία και ταυτόχρονα αρκετά λιτή μαθηματικά. Παρά τις ιδιορρυθμίες της, η QBox δεν απαιτεί να επινοηθεί ένας εντελώς νέος κόσμος αντικειμένων, όπως οι κοσμικές χορδές, για να φτάσουμε σε μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας, λέει.
Ένα σημαντικό επόμενο βήμα είναι να αποσαφηνιστούν οι φυσικές λεπτομέρειες της υπερ-αποσυνοχής, πέρα από το να αποδειχθεί ότι μπορεί να υπάρξει ως μαθηματική συνάρτηση, λέει ο John Selby από το University of Gdańsk στην Πολωνία, ο οποίος ήταν ο άλλος συνυπογράφων του θεωρήματος του 2018. «Θα πρέπει να υπάρχει μια αφήγηση, μια ιστορία που να λέει γιατί στα τωρινά πειράματά μας συμβαίνει αυτό», σημειώνει. Κατά τη γνώμη του, ακόμη κι αν η QBox δεν αποδειχθεί ακριβώς η μορφή που έχει το μετα-κβαντικό στρώμα της πραγματικότητας, η μαθηματική δουλειά των Hefford και Wilson αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη αφετηρία.
Οι φυσικοί λύνουν ένα μακροχρόνιο αίνιγμα για το μέγεθος του πρωτονίου
Δύο εξαιρετικά ακριβή πειράματα συμφωνούν με μια παλαιότερα αιφνιδιαστική μέτρηση για το πόσο μεγάλο είναι το πρωτόνιο, κάτι που μπορεί να βοηθήσει στις μελλοντικές αναζητήσεις για νέα σωματίδια
Οι Gilligan-Lee και Selby έχουν επίσης διατυπώσει ένα νέο και διαφορετικό θεώρημα, το οποίο δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από άλλους φυσικούς, αλλά μπορεί να θέτει πιο αυστηρούς περιορισμούς στο τι θα σήμαινε να «αποσυνεχθεί» ουσιαστικά μια θεωρία όπως η QBox προς την κβαντική θεωρία.
Τέτοιες προκλήσεις είναι καλοδεχούμενες, ακόμη κι αν σημαίνουν ότι η QBox καταλήξει να είναι απλώς ένα ενδιάμεσο βήμα προς μια καλύτερη λίστα επιθυμιών για το πώς θα έπρεπε να είναι μια μετα-κβαντική θεωρία, λέει ο Wilson. Εντυπωσιακά, στο μέλλον ίσως να είναι δυνατές και πειραματικές δοκιμές της QBox, επειδή η θεωρία θα μπορούσε να έχει συγκεκριμένες συνέπειες σε ορισμένα πειράματα όπου τα κβαντικά κύματα αλληλεπικαλύπτονται.
Και αν η QBox επιβιώσει από τα μελλοντικά μαθηματικά και πειραματικά τεστ, θα προκύψει ένα ακόμη πιο συναρπαστικό ερώτημα. «Μπορείς να έχεις ολόκληρους πύργους θεωριών που αποσυνεχονται η μία μέσα στην άλλη μέσω παρόμοιων μηχανισμών [αποσυνοχής];» λέει ο Hefford. Η αναζήτηση για το βαθύτερο στρώμα της πραγματικότητας ίσως απαιτήσει τελικά και άλλο μαθηματικό σκάψιμο.
Physical Review A DOI: 10.1103/kmmy-3dy3
Λάβετε κάθε εβδομάδα μια δόση ανακάλυψης στο inbox σας. Θα σας κρατάμε επίσης ενήμερους για τις εκδηλώσεις και τις ειδικές προσφορές του New Scientist.
