Το ερώτημα για το πώς αλληλεπιδρά η βαρύτητα με τον κβαντικό κόσμο έχει απασχολήσει εδώ και χρόνια τους φυσικούς, όμως μια μη κβαντική θεωρία του χωροχρόνου ίσως δώσει την απάντηση.
Ο χρόνος μπορεί να είναι πιο ασταθής απ’ όσο πιστεύαμε.
Το πιο δύσκολο ερώτημα στη φυσική σήμερα είναι πώς η γενική σχετικότητα —οι νόμοι που διέπουν τη βαρύτητα και τον χωροχρόνο σε μεγάλες κλίμακες— συνδυάζεται με την κβαντική μηχανική, δηλαδή τους νόμους που περιγράφουν τις πολύ μικρές κλίμακες. Υπάρχουν πολλές πιθανές λύσεις, καμία όμως δεν έχει αποδειχθεί, και μέχρι τώρα ελάχιστες έχουν αποκλειστεί οριστικά ή ακόμη και μελετηθεί με αυστηρό τρόπο. Τώρα, όμως, πλησιάζει η στιγμή που μία από αυτές τις ιδέες θα μπορούσε να δοκιμαστεί. Αν αντέξει στον έλεγχο, θα μπορούσε να αλλάξει δραστικά την εικόνα μας για τον χρόνο.
Οι περισσότερες προτάσεις που επιχειρούν να συνδυάσουν τη σχετικότητα με την κβαντική μηχανική ονομάζονται θεωρίες κβαντικής βαρύτητας, όμως ο δημιουργός αυτής της εναλλακτικής θεωρίας, ο Jonathan Oppenheim από το University College London, τη χαρακτηρίζει post-quantum gravity. Σε αντίθεση με τις άλλες, η δική του ιδέα δεν προσπαθεί να κάνει κβαντικό τον χωροχρόνο και, κατά συνέπεια, τη βαρύτητα.
Η διαδικασία να γίνει μια θεωρία κβαντική, ή να κβαντιστεί, σημαίνει ότι αναλύεται στα θεμελιώδη συστατικά της, δηλαδή στα κβάντα. Το φως είναι κβαντικό —τα κβάντα του είναι τα φωτόνια— και δύο από τις άλλες τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις είναι επίσης σίγουρα κβαντικές. Η βαρύτητα είναι η μόνη που δεν έχει αποδειχθεί ότι είναι κβαντική, και ο Oppenheim με τους συνεργάτες του προτείνουν ότι ίσως δεν είναι.
Η ιδιαιτερότητα των νετρίνων θα μπορούσε να ξαναγράψει εντελώς τη σωματιδιακή φυσική
Η διαμόρφωση της post-quantum gravity στηρίζεται στην υπόθεση ότι ο χωροχρόνος και η βαρύτητα δεν είναι κβαντικά, αλλά συνεχόμενα και θεμελιώδη, χωρίς δομικά συστατικά. Από εκεί και πέρα, ακολουθεί μια μακριά αλυσίδα σύνθετων μαθηματικών υπολογισμών και προσομοιώσεων για το πώς αυτός ο μη κβαντικός χωροχρόνος θα αλληλεπιδρούσε με τις κανονικά κβαντικές δυνάμεις, τα σωματίδια και τα πεδία που περιέχονται μέσα του.
Ανάμεσα στα αποτελέσματα αυτών των υπολογισμών εμφανίζεται μια παράξενη τυχαιότητα στον χωροχρόνο. Όταν σκεφτόμαστε τον χρόνο, ίσως φανταζόμαστε ένα ρολόι που χτυπά κανονικά, με κάθε χτύπο να ακολουθεί τον προηγούμενο σε ίσα χρονικά διαστήματα. Στην post-quantum gravity, θα υπήρχαν μικρές, τυχαίες διακυμάνσεις σε αυτά τα «χτυπήματα». Θα εκδηλώνονταν σε κλίμακες πολύ μικρές για να τις αντιληφθούμε, όμως ο χρόνος θα γινόταν πιο «ασταθής», ρέοντας με απρόβλεπτο τρόπο προς τα εμπρός.
Αυτές οι διακυμάνσεις είναι μέρος όσων επιτρέπουν στη θεωρία του Oppenheim να συνδεθεί με την κβαντική μηχανική. Όταν ενσωματώνονται σε ορισμένους βασικούς κβαντομηχανικούς υπολογισμούς, προκύπτουν αρκετές θεμελιώδεις συμπεριφορές που παρατηρούνται στα κβαντικά συστήματα, μεταξύ των οποίων και οι κανόνες για το πώς ένα κβαντικό σύστημα φαίνεται να μετατρέπεται σε κλασικό όταν παρατηρείται — ο ίδιος κανόνας που λέει ότι, όσο το γατί του Schrödinger μπορεί να είναι ταυτόχρονα ζωντανό και νεκρό πριν ανοίξει το κουτί, όταν ανοίξεις το κουτί και κοιτάξεις μέσα, το γατί θα είναι μόνο το ένα ή το άλλο.
Η αιτία, πάντως, για το γιατί ο χρόνος γίνεται ασταθής παραμένει άγνωστη. Το φαινόμενο προκύπτει από τις εξισώσεις, όμως ο Oppenheim και οι συνεργάτες του δεν έχουν ακόμη συνδέσει αυτή την τυχαιότητα με κάποια συγκεκριμένη πηγή. «Υπάρχει κάτι, κάποιο συγκεκριμένο φυσικό φαινόμενο, που το προκαλεί και το κάνει να ρέει με απρόβλεπτο τρόπο; Ίσως, αλλά αυτό είναι ένα βαθύτερο επίπεδο και προς το παρόν δεν νομίζω ότι είμαστε έτοιμοι να πάμε εκεί — ούτε επιστημονικά ούτε φιλοσοφικά», λέει ο Oppenheim. «Αλλά αν δεν πρόκειται να κβαντίσουμε τον χωροχρόνο, τότε αναγκαστικά πρέπει να γίνει έτσι».
Ο Oppenheim παραδέχεται ότι η συνολική ιδέα είναι ιδιαίτερα αμφιλεγόμενη στους φυσικούς. «Δεν ξέρω κανέναν που να πιστεύει ότι είναι πιο πιθανό να είναι αληθινή παρά όχι —νομίζω ότι είμαι μάλλον μόνος μου σε αυτό— αλλά πιστεύω ότι υπάρχουν πολλοί που θεωρούν πως πρέπει να τη δοκιμάσουμε», λέει.
Ευτυχώς, οι πρώτες δοκιμές αρχίζουν πλέον να είναι δυνατές. Πολλές θεωρίες που επιδιώκουν να ενώσουν τη βαρύτητα και τη γενική σχετικότητα είναι δύσκολο ή και αδύνατο να επιβεβαιωθούν ή να διαψευστούν. Το γεγονός ότι η post-quantum gravity μπορεί να ελεγχθεί της προσδίδει μια αίσθηση σοβαρότητας και επιστημονικής προοπτικής που, όπως λέει ο Giuseppe Fabiano από το Lawrence Berkeley National Laboratory στην Καλιφόρνια, λείπει από κάποιες άλλες ιδέες. Ο Fabiano συμμετέχει σε ομάδα που αναπτύσσει παραμέτρους για τον έλεγχο θεωριών της βαρύτητας. «Είμαι κάπως αδιάφορος για την ίδια τη θεωρία, αλλά όσο μου δίνει προβλέψεις που μπορώ να ελέγξω στο εργαστήριο, είναι μια χρήσιμη θεωρία».
Τα πειράματα που έχουν προτείνει ο Oppenheim και άλλοι αφορούν τη μέτρηση των ιδιοτήτων της βαρύτητας ανάμεσα σε ζεύγη αντικειμένων. Επειδή η γενική σχετικότητα συνδέει άρρηκτα τον χώρο με τον χρόνο και υποστηρίζει ότι η καμπυλότητα του χωροχρόνου είναι η πηγή της βαρύτητας, οποιαδήποτε μεταβολή στις ιδιότητες του χώρου και του χρόνου θα αλλάζει αναγκαστικά και την ένταση της βαρύτητας. «Αν η ροή του χρόνου έχει αυτή την απρόβλεπτη συμπεριφορά, τότε όταν μετράς τη βαρύτητα θα δεις αυτή την απρόβλεπτη συμπεριφορά», λέει ο Oppenheim.
Αυτά τα πειράματα ήδη κατασκευάζονται, αν και ίσως χρειαστούν δεκαετίες μέχρι να φτάσουν στο επίπεδο ακρίβειας που απαιτείται για να δοκιμαστεί πραγματικά η post-quantum gravity. Μόλις τώρα αποδείχθηκε ότι οι έλεγχοι αυτοί είναι καν εφικτοί — η ανάπτυξη των αισθητήρων και ο υπολογισμός των παραμέτρων που χρειάζονται για να πραγματοποιηθούν θα είναι ένα ακόμη τεράστιο έργο. Όμως, παρότι η ίδια η θεωρία προκαλεί αντιδράσεις, πολλοί ερευνητές συμφωνούν με τον Oppenheim ότι αξίζει να γίνουν οι δοκιμές.
Ένα τεχνητό σύμπαν δείχνει ότι ο χρόνος μπορεί να είναι κβαντική ψευδαίσθηση
«Αν βρίσκαμε κάποια πειραματική επιβεβαίωση ότι η post-quantum gravity είναι σωστή, θα ήταν πολύ σημαντικό, πρωτίστως επειδή θα ήταν πολύ διαφορετική από όλες τις άλλες αλληλεπιδράσεις που έχουμε αναλύσει τον τελευταίο αιώνα», λέει ο Fabiano. Η βαρύτητα πάντα διέφερε σε ορισμένα σημεία από τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις — για παράδειγμα, είναι πολύ ασθενέστερη από τις υπόλοιπες — όμως η ιδέα ότι η μορφή της είναι τόσο ριζικά διαφορετική από τη δική τους θα αποτελούσε μια τεράστια απόκλιση από την ευρύτερα αποδεκτή ορθοδοξία.
Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς πόσο εκτεταμένες θα ήταν οι συνέπειες μιας επιβεβαίωσης της post-quantum gravity για την κατανόησή μας στη φυσική. Κάποια προβλήματα, όπως ο συνδυασμός της γενικής σχετικότητας με την κβαντική μηχανική, θα λύνονταν, όμως αναμφίβολα θα γεννιούνταν πολλά ακόμη ερωτήματα. Αν ο χρόνος είναι πράγματι ασταθής, τότε μπορεί να αλλάξει ριζικά τον τρόπο που βλέπουμε ολόκληρο το σύμπαν.
Physical Review X DOI: 10.1103/2rcd-dzcf
