Όπου η βαρύτητα είναι αδύναμη και οι γυμνές ιδιομορφίες είναι τρελό
Οι φυσικοί αναρωτιόντουσαν εδώ και δεκαετίες εάν τα απείρως πυκνά σημεία γνωστά ως ιδιομορφίες μπορούν ποτέ να υπάρχουν έξω από τις μαύρες τρύπες, κάτι που θα αποκάλυπτε τα μυστήρια της κβαντικής βαρύτητας για όλους. Οι ιδιομορφίες - εμπλοκές στον κατά τα άλλα ομαλό ιστό του χώρου και του χρόνου όπου καταρρέει η κλασική θεωρία βαρύτητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν και απαιτείται η άγνωστη κβαντική θεωρία της βαρύτητας - φαίνονται να καλύπτονται πάντα στο σκοτάδι, κρύβοντας πίσω από τους ορίζοντες γεγονότων των μαύρων τρυπών. Ο Βρετανός φυσικός και μαθηματικός Sir Roger Penrose υπέθεσε το 1969 ότι οι ορατές ή «γυμνές» μοναδικότητες στην πραγματικότητα απαγορεύεται να σχηματιστούν στη φύση, σε ένα είδος κοσμικής λογοκρισίας. Αλλά γιατί η κβαντική βαρύτητα να λογοκρίνει τον εαυτό της;
Τώρα, νέοι θεωρητικοί υπολογισμοί παρέχουν μια πιθανή εξήγηση για το γιατί δεν υπάρχουν γυμνές ιδιομορφίες — τουλάχιστον σε ένα συγκεκριμένο σύμπαν μοντέλου. Τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι μια δεύτερη, νεότερη εικασία για τη βαρύτητα, αν είναι αλήθεια, ενισχύει την εικασία κοσμικής λογοκρισίας του Penrose αποτρέποντας τη δημιουργία γυμνών ιδιομορφιών σε αυτό το πρότυπο σύμπαν. Ορισμένοι ειδικοί λένε ότι η αμοιβαία υποστηρικτική σχέση μεταξύ των δύο εικασιών αυξάνει τις πιθανότητες να είναι και οι δύο σωστές. Και ενώ αυτό θα σήμαινε ότι οι μοναδικότητες παραμένουν απογοητευτικά κρυμμένες, θα αποκάλυπτε επίσης ένα σημαντικό χαρακτηριστικό της θεωρίας της κβαντικής βαρύτητας που μας διαφεύγει.
«Είναι ευχάριστο ότι υπάρχει σύνδεση» μεταξύ των δύο εικασιών, είπε ο John Preskill του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, ο οποίος το 1991 στοιχημάτισε στον Stephen Hawking ότι η εικασία της κοσμικής λογοκρισίας θα αποτύγχανε (αν και στην πραγματικότητα πιστεύει ότι είναι μάλλον αλήθεια).
Η νέα εργασία, που αναφέρθηκε τον Μάιο στο Physical Review Letters από τον Χόρχε Σάντος και τον μαθητή του Τόμπι Κρίσφορντ στο Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ και βασιζόμενοι σε μια βασική γνώση του Cumrun Vafa του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, απροσδόκητα συνδέει την κοσμική λογοκρισία με την εικασία ασθενούς βαρύτητας του 2006, η οποία υποστηρίζει ότι η βαρύτητα πρέπει να είναι πάντα η πιο αδύναμη δύναμη σε οποιαδήποτε βιώσιμη σύμπαν, όπως είναι στο δικό μας. (Η βαρύτητα είναι μακράν η πιο αδύναμη από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις· δύο ηλεκτρόνια απωθούν ηλεκτρικά το ένα το άλλο 1 εκατομμύριο τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια φορές πιο ισχυρά από ό, τι έλκονται βαρυτικά το ένα το άλλο.) Ο Σάντος και ο Κρίσφορντ μπόρεσαν να προσομοιώσουν το σχηματισμό μιας γυμνής ιδιομορφίας σε τετραδιάστατο σύμπαν με διαφορετική χωροχρονική γεωμετρία από τη δική μας. Διαπίστωσαν όμως ότι εάν υπάρχει άλλη δύναμη σε αυτό το σύμπαν που επηρεάζει τα σωματίδια πιο έντονα από τη βαρύτητα, η ιδιομορφία καλύπτεται σε μια μαύρη τρύπα. Με άλλα λόγια, εκεί που διαφορετικά θα σχηματιζόταν μια διεστραμμένη καρφίτσα στο χωροχρονικό ύφασμα, γυμνή για να τη δει όλος ο κόσμος, η σχετική αδυναμία της βαρύτητας το εμποδίζει.
Ο Santos και ο Crisford εκτελούν προσομοιώσεις τώρα για να ελέγξουν εάν η κοσμική λογοκρισία σώζεται ακριβώς στο όριο όπου η βαρύτητα γίνεται η πιο αδύναμη δύναμη στο σύμπαν του μοντέλου, όπως προτείνουν οι αρχικοί υπολογισμοί. Μια τέτοια συμμαχία με την καλύτερα εδραιωμένη εικασία κοσμικής λογοκρισίας θα αντανακλούσε πολύ καλά την εικασία ασθενούς βαρύτητας. Και αν η ασθενής βαρύτητα είναι σωστή, δείχνει μια βαθιά σχέση μεταξύ της βαρύτητας και των άλλων κβαντικών δυνάμεων, υποστηρίζοντας πιθανώς τη θεωρία χορδών σε σχέση με μια αντίπαλη θεωρία που ονομάζεται κβαντική βαρύτητα βρόχου. Η «ενοποίηση» των δυνάμεων συμβαίνει φυσικά στη θεωρία χορδών, όπου η βαρύτητα είναι ένας δονητικός τρόπος χορδών και δυνάμεις όπως ο ηλεκτρομαγνητισμός είναι άλλοι τρόποι. Αλλά η ενοποίηση είναι λιγότερο εμφανής στην κβαντική βαρύτητα βρόχου, όπου ο χωροχρόνος κβαντίζεται σε μικροσκοπικά ογκομετρικά πακέτα που δεν έχουν άμεση σύνδεση με τα άλλα σωματίδια και δυνάμεις. "Εάν η εικασία ασθενούς βαρύτητας είναι σωστή, η κβαντική βαρύτητα βρόχου είναι σίγουρα λάθος", δήλωσε ο Nima Arkani-Hamed, καθηγητής στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών που ανακάλυψε από κοινού την εικασία ασθενούς βαρύτητας.
Η νέα εργασία "μας λέει για την κβαντική βαρύτητα", δήλωσε ο Gary Horowitz, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα.
The Naked Singularities
Το 1991, ο Preskill και ο Kip Thorne, και οι δύο θεωρητικοί φυσικοί στο Caltech, επισκέφτηκαν τον Stephen Hawking στο Cambridge. Ο Χόκινγκ είχε περάσει δεκαετίες εξερευνώντας τις δυνατότητες που περιέχονται στην εξίσωση του Αϊνστάιν, η οποία ορίζει πώς ο χωροχρόνος κάμπτεται παρουσία ύλης, προκαλώντας τη βαρύτητα. Όπως ο Penrose και όλοι οι άλλοι, δεν είχε βρει ακόμα έναν μηχανισμό με τον οποίο θα μπορούσε να σχηματιστεί μια γυμνή ιδιομορφία σε ένα σύμπαν σαν το δικό μας. Πάντα, οι ιδιομορφίες βρίσκονταν στα κέντρα των μαύρων οπών - καταβόθρες στο χωροχρόνο που είναι τόσο απότομες που δεν μπορεί να αναρριχηθεί φως. Είπε στους επισκέπτες του ότι πίστευε στην κοσμική λογοκρισία. Ο Preskill και ο Thorne, και οι δύο ειδικοί στην κβαντική βαρύτητα και τις μαύρες τρύπες (ο Thorne ήταν ένας από τους τρεις φυσικούς που ίδρυσαν το πείραμα LIGO ανίχνευσης μαύρης τρύπας), είπαν ότι πιστεύουν ότι μπορεί να είναι δυνατό να ανιχνευθούν γυμνές ιδιομορφίες και φαινόμενα κβαντικής βαρύτητας. «Υπήρξε μια μεγάλη παύση», θυμάται ο Πρέσκιλ. «Τότε ο Στίβεν είπε:«Θες να στοιχηματίσεις;»
Το στοίχημα έπρεπε να διευθετηθεί με βάση μια τεχνική και να επαναδιαπραγματευτεί το 1997, αφού εμφανίστηκε η πρώτη διφορούμενη εξαίρεση. Ο Matt Choptuik, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας που χρησιμοποιεί αριθμητικές προσομοιώσεις για να μελετήσει τη θεωρία του Αϊνστάιν, έδειξε ότι μια γυμνή ιδιομορφία μπορεί να σχηματιστεί σε ένα τετραδιάστατο σύμπαν όπως το δικό μας, όταν ρυθμίσετε τέλεια τις αρχικές συνθήκες. Σπρώξτε τα αρχικά δεδομένα με οποιοδήποτε ποσό και θα τα χάσετε — μια μαύρη τρύπα σχηματίζεται γύρω από τη μοναδικότητα, λογοκρίνοντας τη σκηνή. Αυτή η εξαιρετική περίπτωση δεν καταρρίπτει την κοσμική λογοκρισία όπως την εννοούσε ο Penrose, επειδή δεν υποδηλώνει ότι μπορεί στην πραγματικότητα να σχηματιστούν γυμνές ιδιομορφίες. Ωστόσο, ο Χόκινγκ παραχώρησε το αρχικό στοίχημα και πλήρωσε το χρέος του σύμφωνα με τους όρους, «με ρούχα για να καλύψει τη γύμνια του νικητή». Έφερε σε δύσκολη θέση τον Preskill βάζοντάς τον να φορέσει ένα μπλουζάκι με μια σχεδόν γυμνή κυρία ενώ μιλούσε σε 1.000 άτομα στο Caltech. Τα ρούχα υποτίθεται ότι ήταν «κεντημένα με ένα κατάλληλο μήνυμα παραχώρησης», αλλά ο Χόκινγκ είπε σαν πρόκληση:«Η φύση απεχθάνεται μια γυμνή ιδιομορφία».
Οι φυσικοί δημοσίευσαν ένα νέο στοίχημα στο Διαδίκτυο, με γλώσσα για να διευκρινιστεί ότι μόνο τα μη εξαιρετικά αντιπαραδείγματα της κοσμικής λογοκρισίας θα μετρούσαν. Και αυτή τη φορά, συμφώνησαν, «Τα ρούχα πρέπει να είναι κεντημένα με ένα κατάλληλο, πραγματικά ευνοϊκό μήνυμα».
Το στοίχημα εξακολουθεί να ισχύει 20 χρόνια μετά, αλλά όχι χωρίς να απειληθεί. Το 2010, οι φυσικοί Frans Pretorius και Luis Lehner ανακάλυψαν έναν μηχανισμό για την παραγωγή γυμνών ιδιομορφιών σε υποθετικά σύμπαντα με πέντε ή περισσότερες διαστάσεις. Και στην εργασία τους του Μαΐου, οι Santos και Crisford ανέφεραν μια γυμνή ιδιομορφία σε ένα κλασικό σύμπαν με τέσσερις χωροχρονικές διαστάσεις, όπως η δική μας, αλλά με μια ριζικά διαφορετική γεωμετρία. Αυτό το τελευταίο βρίσκεται «μεταξύ του «τεχνικού» αντιπαραδείγματος της δεκαετίας του 1990 και ενός αληθινού αντιπαραδείγματος», είπε ο Horowitz. Ο Preskill συμφωνεί ότι δεν διευθετεί το στοίχημα. Αλλά αλλάζει την ιστορία.
Το σύμπαν του Tin Can
Η νέα ανακάλυψη άρχισε να ξετυλίγεται το 2014, όταν οι Horowitz, Santos και Benson Way διαπίστωσαν ότι οι γυμνές ιδιομορφίες θα μπορούσαν να υπάρχουν σε ένα προσποιούμενο 4-D σύμπαν που ονομάζεται χώρος "anti-de Sitter" (AdS), του οποίου η χωροχρονική γεωμετρία έχει σχήμα κασσίτερου. μπορώ. Αυτό το σύμπαν έχει ένα όριο - την πλευρά του κουτιού - που το καθιστά ένα βολικό πεδίο δοκιμών για ιδέες σχετικά με την κβαντική βαρύτητα:Οι φυσικοί μπορούν να μεταχειριστούν τον καμπυλωτό χωροχρόνο στο εσωτερικό του κουτιού σαν ένα ολόγραμμα που προβάλλει από την επιφάνεια του κουτιού, όπου δεν υπάρχει βαρύτητα . Σε σύμπαντα σαν το δικό μας, που είναι πιο κοντά σε μια γεωμετρία «de Sitter» (dS), το μόνο όριο είναι το άπειρο μέλλον, ουσιαστικά το τέλος του χρόνου. Το διαχρονικό άπειρο δεν είναι μια πολύ καλή επιφάνεια για την προβολή ενός ολογράμματος ενός ζωντανού σύμπαντος που αναπνέει.
Παρά τις διαφορές τους, το εσωτερικό του σύμπαντος AdS και dS υπακούει στην κλασική θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν - δηλαδή παντού έξω από τις ιδιομορφίες. Εάν η κοσμική λογοκρισία ισχύει σε μία από τις δύο αρένες, ορισμένοι ειδικοί λένε ότι μπορεί να περιμένετε ότι θα αντέξει και στις δύο.
Οι Horowitz, Santos και Way μελετούσαν τι συμβαίνει όταν ένα ηλεκτρικό πεδίο και ένα βαρυτικό πεδίο συνυπάρχουν σε ένα σύμπαν AdS. Οι υπολογισμοί τους πρότειναν ότι η εκτόξευση της ενέργειας του ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια του σύμπαντος του κασσίτερου θα αναγκάσει τον χωρόχρονο να καμπυλωθεί όλο και πιο έντονα γύρω από ένα αντίστοιχο σημείο μέσα, σχηματίζοντας τελικά μια γυμνή ιδιομορφία. Στην πρόσφατη εργασία τους, οι Santos και Crisford επαλήθευσαν τους προηγούμενους υπολογισμούς με αριθμητικές προσομοιώσεις.
Αλλά γιατί να υπάρχουν γυμνές ιδιομορφίες σε 5-D και σε 4-D όταν αλλάζετε τη γεωμετρία, αλλά ποτέ σε ένα επίπεδο 4-D σύμπαν όπως το δικό μας; «Είναι σαν, τι στο καλό!» είπε ο Σάντος. «Είναι τόσο περίεργο που πρέπει να το δουλέψεις, σωστά; Κάτι πρέπει να υπάρχει εδώ."
Ασθενής βαρύτητα για τη διάσωση
Το 2015, ο Horowitz ανέφερε τα στοιχεία για μια γυμνή ιδιομορφία στον χώρο 4-D AdS στον Cumrun Vafa, έναν θεωρητικό χορδών του Χάρβαρντ και θεωρητικό της κβαντικής βαρύτητας που σταμάτησε στο γραφείο του Horowitz. Ο Βάφα εργαζόταν για να αποκλείσει μεγάλες επιφάνειες από τα 10 διαφορετικά πιθανά σύμπαντα που αφελώς επιτρέπει η θεωρία χορδών. Το έκανε αυτό εντοπίζοντας «βάλτους»:αποτυχημένα σύμπαντα που είναι πολύ λογικά ασυνεπή για να υπάρχουν. Κατανοώντας τα μοτίβα της γης και του βάλτου, ήλπιζε να αποκτήσει μια συνολική εικόνα της κβαντικής βαρύτητας.
Δουλεύοντας με τους Arkani-Hamed, Luboš Motl και Alberto Nicolis το 2006, ο Vafa πρότεινε την εικασία ασθενούς βαρύτητας ως τεστ σε βαλτότοπους. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα σύμπαντα έμοιαζαν να έχουν νόημα μόνο όταν τα σωματίδια επηρεάζονταν από τη βαρύτητα λιγότερο από ό,τι ήταν από τουλάχιστον μια άλλη δύναμη. Κλείστε υπερβολικά τις άλλες δυνάμεις της φύσης και προκύπτουν παραβιάσεις της αιτιότητας και άλλα προβλήματα. «Τα πράγματα πήγαιναν στραβά τη στιγμή που αρχίσατε να παραβιάζετε τη βαρύτητα ως την πιο αδύναμη δύναμη», είπε ο Arkani-Hamed. Η απαίτηση ασθενούς βαρύτητας πνίγει τεράστιες περιοχές του τοπίου της κβαντικής βαρύτητας σε βαλτότοπους.
Η ασθενής βαρύτητα και η κοσμική λογοκρισία φαίνεται να περιγράφουν διαφορετικά πράγματα, αλλά μιλώντας με τον Χόροβιτς εκείνη την ημέρα του 2015, ο Βάφα συνειδητοποίησε ότι μπορεί να συνδέονται. Ο Χόροβιτς είχε εξηγήσει την προσομοιωμένη γυμνή ιδιομορφία του Σάντος και του Κρίσφορντ:Όταν οι ερευνητές αύξησαν την ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου στα όρια του σύμπαντος του κασσίτερου τους, υπέθεσαν ότι το εσωτερικό ήταν κλασικό — απόλυτα ομαλό, χωρίς κβαντικά σωματίδια που κυμαίνονταν μηχανικά και εκτός ύπαρξης. Αλλά ο Βάφα σκέφτηκε ότι, εάν υπήρχαν τέτοια σωματίδια και εάν, σύμφωνα με την εικασία ασθενούς βαρύτητας, ήταν πιο έντονα συζευγμένα με το ηλεκτρικό πεδίο παρά με τη βαρύτητα, τότε η άνοδος του ηλεκτρικού πεδίου στο όριο του AdS θα προκαλούσε επαρκή αριθμό σωματιδίων. να προκύψει στην αντίστοιχη περιοχή στο εσωτερικό για να καταρρεύσει βαρυτικά η περιοχή σε μια μαύρη τρύπα, αποτρέποντας τη γυμνή ιδιομορφία.
Οι μετέπειτα υπολογισμοί των Santos και Crisford υποστήριξαν την προαίσθηση του Vafa. οι προσομοιώσεις που εκτελούν τώρα θα μπορούσαν να επαληθεύσουν ότι οι γυμνές ιδιομορφίες καλύπτονται από μαύρες τρύπες ακριβώς στο σημείο όπου η βαρύτητα γίνεται η πιο αδύναμη δύναμη. «Δεν ξέρουμε ακριβώς γιατί, αλλά φαίνεται να είναι αλήθεια», είπε η Βάφα. "Αυτά τα δύο ενισχύουν το ένα το άλλο."
Κβαντική βαρύτητα
Οι πλήρεις επιπτώσεις του νέου έργου, και των δύο εικασιών, θα χρειαστούν χρόνο για να βυθιστούν. Η κοσμική λογοκρισία επιβάλλει μια περίεργη αποσύνδεση μεταξύ της κβαντικής βαρύτητας στα κέντρα των μαύρων οπών και της κλασικής βαρύτητας σε όλο το υπόλοιπο σύμπαν. Η ασθενής βαρύτητα φαίνεται να γεφυρώνει το χάσμα, συνδέοντας την κβαντική βαρύτητα με τις άλλες κβαντικές δυνάμεις που διέπουν τα σωματίδια στο σύμπαν, και πιθανώς ευνοώντας μια αυστηρή προσέγγιση έναντι μιας βρόχου. Ο Preskill είπε, "Νομίζω ότι είναι κάτι που θα έβαζες στη λίστα με τα επιχειρήματά σου ή τους λόγους για να πιστεύεις στην ενοποίηση των δυνάμεων."
Ωστόσο, ο Lee Smolin του Ινστιτούτου Perimeter, ένας από τους δημιουργούς της κβαντικής βαρύτητας βρόχου, έχει ωθήσει προς τα πίσω, υποστηρίζοντας ότι εάν η ασθενής βαρύτητα είναι αληθινή, μπορεί να υπάρχει ένας παράξενος λόγος για αυτό. Και υποστηρίζει ότι υπάρχει ένας δρόμος προς την ενοποίηση των δυνάμεων μέσα στη θεωρία του - ένα μονοπάτι που θα έπρεπε να ακολουθηθεί ακόμη πιο δυναμικά εάν ισχύει η εικασία ασθενούς βαρύτητας.
Δεδομένης της φαινομενικής απουσίας γυμνών ιδιομορφιών στο σύμπαν μας, οι φυσικοί θα πάρουν υποδείξεις για την κβαντική βαρύτητα όπου μπορούν να τις βρουν. Είναι τόσο χαμένοι τώρα στο ατελείωτο τοπίο των πιθανών θεωριών κβαντικής βαρύτητας όσο ήταν στη δεκαετία του 1990, χωρίς προοπτικές για τον προσδιορισμό μέσω πειραμάτων για το ποια η υποκείμενη θεωρία περιγράφει τον κόσμο μας. «Είναι λοιπόν υψίστης σημασίας να βρούμε γενικές ιδιότητες που πρέπει να έχουν τέτοιες θεωρίες κβαντικής βαρύτητας για να είναι βιώσιμες», είπε ο Σάντος, επαναλαμβάνοντας τη φιλοσοφία των ελών.
Η ασθενής βαρύτητα μπορεί να είναι μια τέτοια ιδιότητα - απαραίτητη προϋπόθεση για τη συνοχή της κβαντικής βαρύτητας που διαχέεται και επηρεάζει τον κόσμο πέρα από τις μαύρες τρύπες. Αυτές μπορεί να είναι μερικές από τις μόνες διαθέσιμες ενδείξεις για να βοηθήσουν τους ερευνητές να νιώσουν το δρόμο τους στο σκοτάδι.
