Γιατί η βαρύτητα δεν είναι σαν τις άλλες δυνάμεις
Οι φυσικοί έχουν εντοπίσει τρεις από τις τέσσερις δυνάμεις της φύσης - την ηλεκτρομαγνητική δύναμη και τις ισχυρές και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις - στην προέλευσή τους στα κβαντικά σωματίδια. Αλλά η τέταρτη θεμελιώδης δύναμη, η βαρύτητα, είναι διαφορετική.
Το σημερινό μας πλαίσιο για την κατανόηση της βαρύτητας, που επινοήθηκε πριν από έναν αιώνα από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, μας λέει ότι τα μήλα πέφτουν από τα δέντρα και οι πλανήτες περιφέρονται γύρω από τα αστέρια επειδή κινούνται κατά μήκος καμπυλών στο χωροχρονικό συνεχές. Αυτές οι καμπύλες είναι η βαρύτητα. Σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, η βαρύτητα είναι χαρακτηριστικό του χωροχρονικού μέσου. οι άλλες δυνάμεις της φύσης παίζουν σε αυτή τη σκηνή.
Αλλά κοντά στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας ή στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος, οι εξισώσεις του Αϊνστάιν σπάνε. Οι φυσικοί χρειάζονται μια πιο αληθινή εικόνα της βαρύτητας για να περιγράψουν με ακρίβεια αυτά τα άκρα. Αυτή η πιο αληθινή θεωρία πρέπει να κάνει τις ίδιες προβλέψεις που κάνουν οι εξισώσεις του Αϊνστάιν οπουδήποτε αλλού.
Οι φυσικοί πιστεύουν ότι σε αυτήν την πιο αληθινή θεωρία, η βαρύτητα πρέπει να έχει μια κβαντική μορφή, όπως οι άλλες δυνάμεις της φύσης. Οι ερευνητές αναζήτησαν την κβαντική θεωρία της βαρύτητας από τη δεκαετία του 1930. Βρήκαν υποψήφιες ιδέες - κυρίως τη θεωρία χορδών, που λέει ότι η βαρύτητα και όλα τα άλλα φαινόμενα προκύπτουν από μικροσκοπικές δονούμενες χορδές - αλλά μέχρι στιγμής αυτές οι πιθανότητες παραμένουν εικασιακές και ατελώς κατανοητές. Μια λειτουργική κβαντική θεωρία της βαρύτητας είναι ίσως ο υψηλότερος στόχος στη φυσική σήμερα.
Τι είναι αυτό που κάνει τη βαρύτητα μοναδική; Τι διαφορετικό έχει η τέταρτη δύναμη που εμποδίζει τους ερευνητές να βρουν την υποκείμενη κβαντική περιγραφή της; Ρωτήσαμε τέσσερις διαφορετικούς ερευνητές κβαντικής βαρύτητας. Λάβαμε τέσσερις διαφορετικές απαντήσεις.
Η βαρύτητα αναπαράγει τις ιδιομορφίες
Claudia de Rham Ο , ένας θεωρητικός φυσικός στο Imperial College του Λονδίνου, έχει εργαστεί σε θεωρίες μαζικής βαρύτητας, οι οποίες υποστηρίζουν ότι οι κβαντισμένες μονάδες βαρύτητας είναι σωματίδια μάζας:
Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν περιγράφει σωστά τη συμπεριφορά της βαρύτητας σε περίπου 30 τάξεις μεγέθους, από κλίμακες υποχιλιοστών μέχρι τις κοσμολογικές αποστάσεις. Καμία άλλη δύναμη της φύσης δεν έχει περιγραφεί με τέτοια ακρίβεια και σε τέτοια ποικιλία κλίμακων. Με ένα τέτοιο επίπεδο άψογης συμφωνίας με πειράματα και παρατηρήσεις, η γενική σχετικότητα θα μπορούσε να φαίνεται ότι παρέχει την τελική περιγραφή της βαρύτητας. Ωστόσο, η γενική σχετικότητα είναι αξιοσημείωτη στο ότι προβλέπει τη δική της πτώση.
Η γενική σχετικότητα δίνει τις προβλέψεις για τις μαύρες τρύπες και τη Μεγάλη Έκρηξη στην αρχή του σύμπαντος μας. Ωστόσο, οι «ιδιαιτερότητες» σε αυτά τα μέρη, μυστηριώδη σημεία όπου η καμπυλότητα του χωροχρόνου φαίνεται να γίνεται άπειρη, λειτουργούν ως σημαίες που σηματοδοτούν την κατάρρευση της γενικής σχετικότητας. Καθώς πλησιάζει κανείς τη μοναδικότητα στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας ή τη μοναδικότητα του Big Bang, οι προβλέψεις που συνάγονται από τη γενική σχετικότητα παύουν να παρέχουν τις σωστές απαντήσεις. Μια πιο θεμελιώδης, υποκείμενη περιγραφή του χώρου και του χρόνου πρέπει να κυριαρχήσει. Εάν αποκαλύψουμε αυτό το νέο επίπεδο φυσικής, ίσως μπορέσουμε να επιτύχουμε μια νέα κατανόηση του ίδιου του χώρου και του χρόνου.
Εάν η βαρύτητα ήταν οποιαδήποτε άλλη δύναμη της φύσης, θα μπορούσαμε να ελπίζουμε ότι θα τη διερευνήσουμε βαθύτερα με πειράματα μηχανικής ικανά να φτάσουν σε όλο και μεγαλύτερες ενέργειες και μικρότερες αποστάσεις. Αλλά η βαρύτητα δεν είναι μια συνηθισμένη δύναμη. Προσπαθήστε να το σπρώξετε να αποκαλύψει τα μυστικά του πέρα από ένα ορισμένο σημείο και η ίδια η πειραματική συσκευή θα καταρρεύσει σε μια μαύρη τρύπα.
Η βαρύτητα οδηγεί σε μαύρες τρύπες
Ντάνιελ Χάρλοου Ο , θεωρητικός της κβαντικής βαρύτητας στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, είναι γνωστός για την εφαρμογή της θεωρίας της κβαντικής πληροφορίας στη μελέτη της βαρύτητας και των μαύρων οπών:
Οι μαύρες τρύπες είναι ο λόγος που είναι δύσκολο να συνδυαστεί η βαρύτητα με την κβαντομηχανική. Οι μαύρες τρύπες μπορούν να είναι μόνο συνέπεια της βαρύτητας επειδή η βαρύτητα είναι η μόνη δύναμη που γίνεται αισθητή από όλα τα είδη ύλης. Εάν υπήρχε οποιοσδήποτε τύπος σωματιδίου που δεν αισθανόταν τη βαρύτητα, θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε αυτό το σωματίδιο για να στείλουμε ένα μήνυμα από το εσωτερικό της μαύρης τρύπας, οπότε δεν θα ήταν πραγματικά μαύρο.
Το γεγονός ότι όλη η ύλη αισθάνεται τη βαρύτητα εισάγει έναν περιορισμό στα είδη πειραμάτων που είναι δυνατά:Όποια συσκευή και αν κατασκευάζετε, ανεξάρτητα από το από τι αποτελείται, δεν μπορεί να είναι πολύ βαριά ή θα καταρρεύσει απαραίτητα βαρυτικά σε μια μαύρη τρύπα. Αυτός ο περιορισμός δεν είναι σχετικός σε καθημερινές καταστάσεις, αλλά καθίσταται ουσιαστικός εάν προσπαθήσετε να κατασκευάσετε ένα πείραμα για να μετρήσετε τις κβαντομηχανικές ιδιότητες της βαρύτητας.
Η κατανόησή μας για τις άλλες δυνάμεις της φύσης βασίζεται στην αρχή της τοπικότητας, η οποία λέει ότι οι μεταβλητές που περιγράφουν τι συμβαίνει σε κάθε σημείο του χώρου - όπως η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου εκεί - μπορούν όλες να αλλάξουν ανεξάρτητα. Επιπλέον, αυτές οι μεταβλητές, τις οποίες ονομάζουμε «βαθμοί ελευθερίας», μπορούν να επηρεάσουν μόνο άμεσα τους άμεσους γείτονές τους. Η τοπικότητα είναι σημαντική για τον τρόπο που περιγράφουμε επί του παρόντος τα σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους, επειδή διατηρεί τις αιτιακές σχέσεις:Εάν οι βαθμοί ελευθερίας εδώ στο Κέιμπριτζ της Μασαχουσέτης εξαρτιόνταν από τους βαθμούς ελευθερίας στο Σαν Φρανσίσκο, ίσως μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτήν την εξάρτηση για να επιτύχουμε στιγμιαία επικοινωνία μεταξύ των δύο πόλεων ή ακόμη και αποστολή πληροφοριών προς τα πίσω στο χρόνο, οδηγώντας σε πιθανές παραβιάσεις της αιτιότητας.
Η υπόθεση της τοπικότητας έχει δοκιμαστεί πολύ καλά σε συνηθισμένες ρυθμίσεις και μπορεί να φαίνεται φυσικό να υποθέσουμε ότι εκτείνεται στις πολύ μικρές αποστάσεις που σχετίζονται με την κβαντική βαρύτητα (αυτές οι αποστάσεις είναι μικρές επειδή η βαρύτητα είναι πολύ πιο αδύναμη από τις άλλες δυνάμεις) . Για να επιβεβαιώσουμε ότι η τοποθεσία παραμένει σε αυτές τις κλίμακες απόστασης, πρέπει να κατασκευάσουμε μια συσκευή ικανή να ελέγξει την ανεξαρτησία των βαθμών ελευθερίας που χωρίζονται από τόσο μικρές αποστάσεις. Ένας απλός υπολογισμός δείχνει, ωστόσο, ότι μια συσκευή που είναι αρκετά βαριά για να αποφύγει μεγάλες κβαντικές διακυμάνσεις στη θέση της, που θα κατέστρεφαν το πείραμα, θα είναι επίσης απαραίτητα αρκετά βαριά ώστε να καταρρεύσει σε μια μαύρη τρύπα! Επομένως, τα πειράματα που επιβεβαιώνουν την εντοπιότητα σε αυτήν την κλίμακα δεν είναι δυνατά. Και επομένως η κβαντική βαρύτητα δεν χρειάζεται να σέβεται την εντοπιότητα σε τέτοιες κλίμακες μήκους.
Πράγματι, η κατανόησή μας για τις μαύρες τρύπες μέχρι στιγμής υποδηλώνει ότι οποιαδήποτε θεωρία της κβαντικής βαρύτητας θα πρέπει να έχει σημαντικά λιγότερους βαθμούς ελευθερίας από ό,τι θα περιμέναμε με βάση την εμπειρία με τις άλλες δυνάμεις. Αυτή η ιδέα κωδικοποιείται στην «ολογραφική αρχή», η οποία λέει, σε γενικές γραμμές, ότι ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας σε μια χωρική περιοχή είναι ανάλογος με το εμβαδόν της επιφάνειάς της αντί του όγκου της.
Η βαρύτητα δημιουργεί κάτι από το τίποτα
Χουάν Μαλντασένα Ο , θεωρητικός της κβαντικής βαρύτητας στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ, είναι περισσότερο γνωστός για την ανακάλυψη μιας σχέσης που μοιάζει με ολόγραμμα μεταξύ της βαρύτητας και της κβαντικής μηχανικής:
Τα σωματίδια μπορούν να εμφανίσουν πολλά ενδιαφέροντα και εκπληκτικά φαινόμενα. Μπορούμε να έχουμε αυθόρμητη δημιουργία σωματιδίων, εμπλοκή μεταξύ των καταστάσεων των σωματιδίων που απέχουν πολύ μεταξύ τους και σωματιδίων σε μια υπέρθεση ύπαρξης σε πολλαπλές θέσεις.
Στην κβαντική βαρύτητα, ο ίδιος ο χωροχρόνος συμπεριφέρεται με νέους τρόπους. Αντί για τη δημιουργία σωματιδίων, έχουμε τη δημιουργία συμπάντων. Η διαπλοκή θεωρείται ότι δημιουργεί συνδέσεις μεταξύ μακρινών περιοχών του χωροχρόνου. Έχουμε υπερθέσεις συμπάντων με διαφορετικές χωροχρονικές γεωμετρίες.
Επιπλέον, από την άποψη της σωματιδιακής φυσικής, το κενό του χώρου είναι ένα πολύπλοκο αντικείμενο. Μπορούμε να απεικονίσουμε πολλές οντότητες που ονομάζονται πεδία που τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο και εκτείνονται σε όλο το διάστημα. Η αξία κάθε πεδίου κυμαίνεται συνεχώς σε μικρές αποστάσεις. Από αυτά τα κυμαινόμενα πεδία και τις αλληλεπιδράσεις τους, προκύπτει η κατάσταση κενού. Τα σωματίδια είναι διαταραχές σε αυτή την κατάσταση κενού. Μπορούμε να τα φανταστούμε ως μικρά ελαττώματα στη δομή του κενού.
Όταν εξετάζουμε τη βαρύτητα, διαπιστώνουμε ότι η διαστολή του σύμπαντος φαίνεται να παράγει περισσότερο από αυτό το υλικό κενού από το τίποτα. Όταν δημιουργείται ο χωροχρόνος, τυχαίνει να βρίσκεται στην κατάσταση που αντιστοιχεί στο κενό χωρίς κανένα ελάττωμα. Το πώς εμφανίζεται το κενό με τη σωστή διάταξη είναι ένα από τα κύρια ερωτήματα που πρέπει να απαντήσουμε για να αποκτήσουμε μια συνεπή κβαντική περιγραφή των μαύρων οπών και της κοσμολογίας. Και στις δύο αυτές περιπτώσεις υπάρχει ένα είδος τάνυσης του χωροχρόνου που έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία περισσότερης ουσίας κενού.
Η βαρύτητα δεν μπορεί να υπολογιστεί
Sera Cremonini Ο , θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Lehigh, εργάζεται στη θεωρία χορδών, την κβαντική βαρύτητα και την κοσμολογία:
Υπάρχουν πολλοί λόγοι για τους οποίους η βαρύτητα είναι ιδιαίτερη. Επιτρέψτε μου να εστιάσω σε μια πτυχή, την ιδέα ότι η κβαντική εκδοχή της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν είναι «μη επανακανονικοποιήσιμη». Αυτό έχει συνέπειες για τη συμπεριφορά της βαρύτητας σε υψηλές ενέργειες.
Στις κβαντικές θεωρίες, άπειροι όροι εμφανίζονται όταν προσπαθείτε να υπολογίσετε πόσο πολύ ενεργητικά σωματίδια διασκορπίζονται το ένα από το άλλο και αλληλεπιδρούν. Σε θεωρίες που είναι επανακανονικοποιήσιμες - οι οποίες περιλαμβάνουν τις θεωρίες που περιγράφουν όλες τις δυνάμεις της φύσης εκτός από τη βαρύτητα - μπορούμε να αφαιρέσουμε αυτά τα άπειρα με αυστηρό τρόπο προσθέτοντας κατάλληλα άλλες ποσότητες που ουσιαστικά τις ακυρώνουν, τους λεγόμενους αντιόρους. Αυτή η διαδικασία επανακανονικοποίησης οδηγεί σε σωματικά λογικές απαντήσεις που συμφωνούν με τα πειράματα σε πολύ υψηλό βαθμό ακρίβειας.
Το πρόβλημα με μια κβαντική εκδοχή της γενικής σχετικότητας είναι ότι οι υπολογισμοί που θα περιέγραφαν τις αλληλεπιδράσεις πολύ ενεργητικών βαρυτονίων - οι κβαντισμένες μονάδες βαρύτητας - θα είχαν άπειρους άπειρους όρους. Θα χρειαστεί να προσθέσετε άπειρους αντιόρους σε μια ατέρμονη διαδικασία. Η επανομαλοποίηση θα αποτύγχανε. Εξαιτίας αυτού, μια κβαντική εκδοχή της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν δεν είναι μια καλή περιγραφή της βαρύτητας σε πολύ υψηλές ενέργειες. Πρέπει να λείπουν ορισμένα από τα βασικά χαρακτηριστικά και συστατικά της βαρύτητας.
Ωστόσο, μπορούμε ακόμα να έχουμε μια τέλεια κατά προσέγγιση περιγραφή της βαρύτητας σε χαμηλότερες ενέργειες χρησιμοποιώντας τις τυπικές κβαντικές τεχνικές που λειτουργούν για τις άλλες αλληλεπιδράσεις στη φύση. Το κρίσιμο σημείο είναι ότι αυτή η κατά προσέγγιση περιγραφή της βαρύτητας θα καταρρεύσει σε κάποια ενεργειακή κλίμακα — ή ισοδύναμα, κάτω από κάποιο μήκος.
Πάνω από αυτήν την ενεργειακή κλίμακα, ή κάτω από τη σχετική κλίμακα μήκους, αναμένουμε να βρούμε νέους βαθμούς ελευθερίας και νέες συμμετρίες. Για να συλλάβουμε αυτά τα χαρακτηριστικά με ακρίβεια χρειαζόμαστε ένα νέο θεωρητικό πλαίσιο. Εδώ ακριβώς μπαίνει η θεωρία χορδών ή κάποια κατάλληλη γενίκευση:Σύμφωνα με τη θεωρία χορδών, σε πολύ μικρές αποστάσεις, θα βλέπαμε ότι τα γκραβιτόνια και άλλα σωματίδια είναι εκτεταμένα αντικείμενα, που ονομάζονται χορδές. Η μελέτη αυτής της δυνατότητας μπορεί να μας διδάξει πολύτιμα μαθήματα σχετικά με την κβαντική συμπεριφορά της βαρύτητας.
