Μια αναδιατύπωση της κβαντικής μηχανικής, που περιλαμβάνει τη βαρύτητα, θα μπορούσε τελικά να πετύχει έναν από τους μεγαλύτερους στόχους της φυσικής και να αποκαλύψει την ύστατη αβεβαιότητα του χρόνου.
Μερικές φορές, δουλεύεις ακατάπαυστα πάνω σε ένα πρόβλημα και στο τέλος συνειδητοποιείς ότι το αντιμετώπιζες από την ανάποδη. Σαν να προσπαθείς να περάσεις ένα ογκώδες, παλιό πιάνο από μια μικρή πόρτα. Έχεις δοκιμάσει τα πάντα: να το γυρίσεις, να βγάλεις τα πόδια, να το σπρώξεις με δύναμη. Και όμως, δεν χωράει. Κάποια στιγμή καταλαβαίνεις ότι είναι πιο εύκολο να χτίσεις ένα δωμάτιο γύρω από το πιάνο, εκεί όπου ήδη βρίσκεται.
Αυτό το είδος αναθεώρησης απασχολεί τώρα και ορισμένους φυσικούς. Εδώ και δεκαετίες, η καθιερωμένη πορεία προς μια τελική θεωρία των πάντων στηριζόταν στην προσπάθεια να ενταχθεί η καλύτερη θεωρία μας για τη βαρύτητα στο πλαίσιο της κβαντικής μηχανικής. Είναι μια λογική προσέγγιση, αφού η κβαντική θεωρία έχει εντυπωσιακή επιτυχία στην περιγραφή των άλλων τριών από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης. Ωστόσο, σχεδόν έναν αιώνα αργότερα, οι επιστήμονες δεν έχουν καταφέρει ακόμη να «χωρέσουν» τη βαρύτητα.
Γι’ αυτό και ορισμένοι επιστήμονες υποστηρίζουν μια εναλλακτική στρατηγική. Προτείνουν να τροποποιηθούν οι εξισώσεις της κβαντικής μηχανικής, ώστε να δημιουργηθεί ένα νέο «δωμάτιο» για τη βαρύτητα, και έτσι να εξηγηθεί πώς ο παράξενος κόσμος των σωματιδίων δίνει τη θέση του στην καθημερινή μας πραγματικότητα.
Διαφορετικές πειραματικές διαδρομές αρχίζουν τώρα να ανοίγουν για να εξεταστεί αυτή η προσέγγιση, με πειράματα που περιλαμβάνουν από διαμαντένια σωματίδια και λαμπερά μέταλλα μέχρι εκκρεμή και ρολόγια. Οι δοκιμές υπόσχονται να ρίξουν φως στον τρόπο λειτουργίας του κβαντικού κόσμου και να καθοδηγήσουν την αναζήτηση μιας πιο ολοκληρωμένης κατανόησης του σύμπαντος. «Είναι σαν να μπαίνεις στον ανοιχτό ωκεανό: δεν έχουμε ιδέα πού να πάμε», λέει ο Angelo Bassi, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Τεργέστης στην Ιταλία. «Αλλά ίσως… πηγαίνοντας προς τη λάθος κατεύθυνση, να ανακαλύψουμε το σωστό πράγμα».
Έχουμε ανακαλύψει μια πόρτα σε ένα κρυμμένο κομμάτι της πραγματικότητας — τι υπάρχει μέσα;
Ο κόσμος όπως τον ξέρουμε είναι συγκεκριμένος. Τα βιβλία σας ακουμπούν σταθερά στο ράφι, το ρολόι σας χτυπά αδιάκοπα και η γάτα σας είναι πράγματι ζωντανή. Στο πεδίο των ατόμων, όμως, τίποτα δεν είναι βέβαιο. Η κβαντική μηχανική μάς επιτρέπει να περιγράψουμε ορισμένες ιδιότητες των σωματιδίων, όπως τη θέση τους, μόνο με όρους πιθανότητας. Μπορείς να προβλέψεις —με μεγάλη επιτυχία— τις πιθανότητες να βρεθεί ένα σωματίδιο σε μία από πολλές θέσεις, αλλά το πού θα παρατηρηθεί σε μια συγκεκριμένη μέτρηση παραμένει εντελώς άγνωστο. Πριν γίνει αυτή η μέτρηση, το αντικείμενο υπάρχει μέσα σε μια κυματική θολούρα από όλες αυτές τις δυνατότητες ταυτόχρονα, κάτι που περιγράφουμε μαθηματικά με αυτό που ονομάζεται κυματοσυνάρτηση.
Αυτό αφήνει δύο μεγάλα αινίγματα στον πυρήνα της κβαντικής θεωρίας. Πρώτον, δεν είναι σαφές πώς και πότε ο θολός κβαντικός κόσμος γεννά τη κλασική απτή πραγματικότητα. Το δεύτερο πρόβλημα είναι ότι αυτή η πιθανοκρατική περιγραφή συγκρούεται με την κλασική κατανόηση της βαρύτητας από τον Albert Einstein. Οι προσπάθειες να μεταφραστεί το έργο του Einstein για τη βαρύτητα στη γλώσσα των δυνάμεων και των σωματιδίων έχουν οδηγήσει σε κατασκευές όπως η θεωρία χορδών, που είναι περίπλοκες και πρακτικά αδύνατο να ελεγχθούν πειραματικά.
Η μακροχρόνια παραδοχή ήταν ότι, σε βάθος, τα πάντα είναι κβαντικά. Όμως, έναν αιώνα μετά την εμφάνιση της κβαντικής μηχανικής, οι φυσικοί εξακολουθούν να δυσκολεύονται να σχηματίσουν μια συνεκτική εικόνα. «Πρέπει να συμβαίνει κάτι άλλο, και πρέπει να καταλάβουμε τι είναι», λέει ο Bassi. «Το σημαντικό βήμα είναι να οδηγήσουμε την κβαντική μηχανική στα όριά της».
Ένας δρόμος για να βρεθούν αυτά τα όρια περνά από μία από τις πολλές παράξενες ιδιότητες της κβαντικής μηχανικής: την αρχή της υπέρθεσης. Σήμερα, οι επιστήμονες βάζουν συστηματικά ένα μόνο σωματίδιο σε κατάσταση να βρίσκεται ταυτόχρονα σε δύο διαφορετικές θέσεις, ένα τεχνικό επίτευγμα που μπορούν να επιβεβαιώσουν μέσω των προτύπων συμβολής που προκύπτουν από αυτές τις αλληλεπιδρώσες δυνατότητες. Όταν όμως μετρήσουν πού βρίσκεται το σωματίδιο, αυτό καταρρέει σε μία και μόνο οριστική κατάσταση: αριστερά ή δεξιά, για παράδειγμα.
Υπάρχουν πολλές πιθανές εξηγήσεις για το τι συμβαίνει όταν γίνεται μια μέτρηση, όπως δείχνει η ποικιλία των ερμηνειών της κβαντικής μηχανικής. Η ερμηνεία των πολλών κόσμων λέει ότι κάθε πιθανό σενάριο εκτυλίσσεται σε διαφορετικό κλάδο της πραγματικότητας, ενώ η ερμηνεία της Κοπεγχάγης λέει, ουσιαστικά, να εμπιστευόμαστε τα μαθηματικά.
Ορισμένοι φυσικοί θέλουν να προσαρμόσουν την κβαντική μηχανική ώστε να ενσωματώνει την κλασική δύναμη της βαρύτητας.
Hans Berggren/Getty Images
Μια άλλη ομάδα εξηγήσεων αναζητά μια φυσική λύση. Στη δεκαετία του 1980, οι φυσικοί Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini και Tullio Weber πρότειναν ότι κάποια αόρατη διεργασία παρεμβαίνει στα κβαντικά κύματα, προκαλώντας απότομη κατάρρευση. Τα επόμενα χρόνια, ο φυσικός Lajos Diósi στο Wigner Research Centre for Physics στην Ουγγαρία και ο μαθηματικός Roger Penrose στο University of Oxford πρότειναν ότι η βαρύτητα θα μπορούσε να είναι ο ένοχος αυτής της μυστηριώδους διεργασίας. Ουσιαστικά, το μοντέλο Diósi-Penrose υποστηρίζει ότι, στη σύγκρουση κβαντικού κόσμου και βαρύτητας, πρώτα ραγίζει η κβαντική πλευρά. Η βασική υπόθεση που έθεσαν οι δύο επιστήμονες ήταν ότι, αν βάλεις μια μεγάλη μάζα σε υπέρθεση, ο χωροχρόνος θα αναγκαζόταν να καμπυλωθεί με δύο διαφορετικούς τρόπους — κάτι που δεν μπορεί να επιτρέψει. Πρότειναν λοιπόν ότι η ακεραιότητα του χωροχρόνου υπερισχύει και προκαλεί την κατάρρευση των κβαντικών κυμάτων.
Αν ισχύει αυτό, οι υπερθέσεις θα έχουν διάρκεια αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της μάζας τους. Τα κβαντικά αντικείμενα θα μπορούσαν να παραμένουν σε υπέρθεση για πολύ μεγάλα χρονικά διαστήματα, αλλά όσο μεγαλύτερο είναι το αντικείμενο, τόσο πιο γρήγορα θα κατέρρεε. Αυτό θα εξηγούσε γιατί δεν βλέπουμε ποτέ μεγαλύτερα αντικείμενα σε υπέρθεση, αφού η σημαντική βαρυτική έλξη τους θα εξανάγκαζε αμέσως την κατάρρευση. Επίσης, αντιμετωπίζει το δύσκολο πρόβλημα της μέτρησης, γιατί κάθε όργανο αρκετά μεγάλο ώστε να ανιχνεύσει και να μεταδώσει πληροφορία για ένα κβαντικό σύστημα θα γινόταν μέρος του συστήματος και θα το επηρέαζε βαρυτικά. Η ιδέα αυτή μετατόπισε τη συζήτηση από την απλή ερμηνεία της κβαντικής θεωρίας προς την αναθεώρησή της.
Όλο και μεγαλύτερες υπερθέσεις
Τα τελευταία 20 χρόνια, οι φυσικοί άρχισαν να δημιουργούν όλο και μεγαλύτερες υπερθέσεις, ελπίζοντας να επιβεβαιώσουν —ή να διαψεύσουν— αυτές τις προβλέψεις. Η πρόοδος στις τεχνικές συμβολομετρίας, που αξιοποιούν τη διττή σωματιδιακή και κυματική φύση της κβαντικής ύλης, επέτρεψε μεγάλα άλματα στο μέγεθος των αντικειμένων που μπορούν να οδηγηθούν σε υπέρθεση. Νωρίτερα φέτος, φυσικοί σημείωσαν νέο ρεκόρ χρησιμοποιώντας νανοσωματίδια νατρίου με περισσότερα από 7000 άτομα — μεγαλύτερα από ορισμένους ιούς.
Η πειραματική διάταξη που πρόσφατα έσπασε το ρεκόρ για το μέγεθος ενός αντικειμένου σε υπέρθεση.
S. Pedalino/QNP/University of Vienna
Ένα πρόσφατο πείραμα από τον Penrose και τους συνεργάτες του δείχνει ότι τέτοιες δοκιμές μπορούν, καταρχήν, να ελέγξουν την πρόταση περί κατάρρευσης. Σε εργασία που δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από ομοτίμους και αναρτήθηκε στο διαδίκτυο τον Δεκέμβριο του 2025, ομάδα με επικεφαλής τον Ron Folman από το Ben-Gurion University of the Negev στο Ισραήλ έβαλε ένα άτομο ρουβιδίου σε υπέρθεση δύο καταστάσεων: στη μία αιωρούνταν και στην άλλη έπεφτε ελεύθερα υπό τη βαρύτητα. Παρατηρώντας το πρότυπο συμβολής που προέκυψε, οι ερευνητές μπόρεσαν να μετρήσουν πώς άλλαξε η κβαντική κατάσταση του ατόμου ως αποτέλεσμα αυτής της αλληλεπίδρασης. Το ίχνος που εντόπισαν ταίριαζε με μια πρόβλεψη ενός αιώνα πριν, επιβεβαιώνοντας ότι —τουλάχιστον σε αυτή τη μικροσκοπική κλίμακα— η αρχή της υπέρθεσης είναι συμβατή με τη γενική σχετικότητα.
Το συμπέρασμα είναι ότι η ίδια πειραματική διάταξη θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να εξεταστεί πότε αυτή η συμβατότητα καταρρέει. Ο Penrose πιστεύει ότι η επανάληψη του τεστ με μεγαλύτερες μάζες θα δώσει διαφορετικό αποτέλεσμα. Στην περίπτωση του πειράματος του Folman και της ομάδας του, η βαρυτική δύναμη που ασκούσε το ελεύθερα κινούμενο αντικείμενο προερχόταν από τη Γη. Αν όμως το αντικείμενο σε υπέρθεση είναι αρκετά μεγάλο, η βαρυτική έλξη θα μπορούσε να προέρχεται από τις δύο καταστάσεις του ίδιου του αντικειμένου. Αν το αντικείμενο είναι ταυτόχρονα εδώ και εκεί, θεωρητικά θα αισθανόταν την έλξη της ίδιας του της βαρύτητας. Σε αυτή την περίπτωση, προβλέπει ο Penrose, το πρότυπο συμβολής στο πείραμα θα έπρεπε να εξαφανιστεί. Αυτό θα έδειχνε ότι η υπέρθεση κατέρρευσε εξαιτίας της βαρυτικής αυτοαλληλεπίδρασης του αντικειμένου.
Η Cătălina Curceanu, φυσικός στο National Institute for Nuclear Physics στο Frascati της Ιταλίας, εντυπωσιάζεται από την τεχνολογική αρτιότητα που επέδειξε το πείραμα. «Είναι απολύτως συναρπαστικό», λέει. Αν φανταστεί κανείς ότι αυτό κλιμακώνεται, «τελικά η κβαντικότητα χάνεται μπροστά στα μάτια σου».
Αν καταφέρουν να δημιουργήσουν υπέρθεση σε αυτά τα διαμάντια και να τα χωρίσουν κατά 2 μικρόμετρα, προέβλεψαν ότι η βαρυτικά προκαλούμενη κατάρρευση θα συμβεί σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο.
Άλλοι είναι λιγότερο αισιόδοξοι για το χρονοδιάγραμμα. «Προς το παρόν, τα μόρια δεν είναι αρκετά μεγάλα ώστε να αποτελούν πραγματικό τεστ για οποιαδήποτε από αυτές τις ιδέες περί κατάρρευσης», λέει ο Bassi. «Θα έρθει η μέρα, αλλά θα είναι μακρύς ο δρόμος».
Ενώ κάποιοι φυσικοί προσπαθούν να μεγαλώσουν όλο και περισσότερο τις κβαντικές υπερθέσεις, άλλοι στρέφονται στην άλλη άκρη του φάσματος: στο τι συμβαίνει στη βαρύτητα στις μικρότερες κλίμακες.
Για δεκαετίες, οι φυσικοί προσπαθούν να καταλάβουν πώς η κβαντική μηχανική —που μιλά μόνο με πιθανότητες— θα μπορούσε να ενωθεί με τη γενική σχετικότητα, η οποία αποδίδει ακριβείς τιμές σε κάθε σημείο του χώρου και του χρόνου. Τώρα, κάποιοι αρχίζουν να συγκλίνουν σε μια τολμηρή λύση: να γίνει η βαρύτητα τυχαία. Αν ο χωροχρόνος είναι θεμελιωδώς θορυβώδης, τότε τα αντικείμενα δεν θα κινούνταν σε ευθείες υπό την επίδραση της βαρύτητας, αλλά θα είχαν μια εγγενή, απρόβλεπτη ταλάντωση στις τροχιές τους. Αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει πώς τα μικροσκοπικά αντικείμενα μπορούν να υπάρχουν σε υπέρθεση χωρίς να παραβιάζουν τον χωροχρόνο και γιατί οι μετρήσεις κβαντικών συστημάτων καταλήγουν τυχαία σε μία από τις πιθανές εκβάσεις τους.
Το 2023, ο Jonathan Oppenheim στο University College London κωδικοποίησε αυτή την ιδέα σε αυτό που ονομάζει «μετακβαντική» θεωρία, ένα υβριδικό πλαίσιο που επιτρέπει στα μικροσκοπικά και μακροσκοπικά μεγέθη να λειτουργούν διαφορετικά, αλλά να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. «Υπάρχει ένα μόνο αξίωμα: το βαρυτικό πεδίο είναι κλασικό», λέει. «Όλα τα υπόλοιπα προκύπτουν».
Η θεωρία βασίζεται σε δουλειά των Diósi και Antoine Tilloy στο PSL University στη Γαλλία το 2016, η οποία έδειξε έναν μαθηματικά συνεπή τρόπο ώστε η βαρύτητα να είναι τυχαία. Τώρα, ο Oppenheim υποστηρίζει ότι ένα βαρυτικό πεδίο που είναι κλασικό και τυχαίο αρκεί για να διαταράξει τις κβαντικές υπερθέσεις, χωρίς να χρειάζεται καμία αναφορά σε μέτρηση ή σε πρόσθετο μηχανισμό κατάρρευσης. Και σε αντίθεση με προηγούμενα υβριδικά μοντέλα που προσπαθούν να κρατήσουν τον χωροχρόνο κλασικό, η πρότασή του ταιριάζει επίσης με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Einstein, ενισχύοντας περαιτέρω την αξιοπιστία της. Ο Oppenheim και οι συνεργάτες του έχουν επίσης περιγράψει ένα πείραμα για να δοκιμαστούν αυτές οι ιδέες, παρακολουθώντας με εξαιρετική ακρίβεια τη μάζα ενός αντικειμένου που υπόκειται στη βαρύτητα.
Δεν αρέσει σε όλους, όμως, η ιδέα της τυχαιοποίησης της βαρύτητας. Η Ivette Fuentes στο University of Southampton, στο Ηνωμένο Βασίλειο, στενή συνεργάτιδα του Penrose, θεωρεί ότι το να υποθέτει κανείς ένα μεταβαλλόμενο βαρυτικό πεδίο χωρίς να εξηγεί από πού προέρχεται η τυχαιότητα σημαίνει ότι το πρόβλημα απλώς κρύβεται. «Παρόλο που διαφωνώ με αυτό που κάνει, μου αρέσει πολύ», λέει. «Βρίσκει έναν εναλλακτικό δρόμο και προτείνει ένα πείραμα για να τον δοκιμάσει».
Από πού προήλθαν οι νόμοι της φυσικής; Νομίζω ότι βρήκα την απάντηση
Επιπλέον, η μετακβαντική βαρύτητα βοηθά πλέον να διερευνηθούν ευρύτερα μοντέλα βαρυτικής κατάρρευσης. Πρόσφατα, φυσικοί εξέτασαν τις συνέπειες ενός κλασικού βαρυτικού πεδίου που αλληλεπιδρά με κβαντική ύλη. Κατέληξαν στο ότι, αν η βαρύτητα είναι κλασική, πρέπει να καταρρέει τυχαία τα κβαντικά κύματα κάθε φορά που αλληλεπιδρούν, κάτι που θα προκαλούσε τότε κάποιο βαθμό ταλάντωσης στην κυματοσυνάρτηση που περιγράφει τις κβαντικές καταστάσεις. Τον τελευταίο χρόνο, ξεχωριστές μελέτες υπό την καθοδήγηση του Bassi και του Daniel Carney στο Lawrence Berkeley National Laboratory στην Καλιφόρνια υπολόγισαν το ελάχιστο μέγεθος αυτών των διακυμάνσεων. Οι αναλύσεις τους προπαθ…
