Εντοπισμός κβαντικών μαύρων τρυπών στο εργαστήριο
Στη φυσική, ανακαλύπτουμε έναν νέο νόμο κάνοντας μια εικασία και, στη συνέχεια, συγκρίνοντας τις συνέπειες της εικασίας με πειραματικά αποτελέσματα. Όπως το έθεσε ο πάντα αναφερόμενος Richard Feynman:«Δεν έχει καμία διαφορά πόσο όμορφη είναι η εικασία σου. Δεν έχει καμία διαφορά πόσο έξυπνος είσαι… αν διαφωνεί με το πείραμα είναι λάθος.»
Αυτή είναι η ουσία αυτού που διαχωρίζει τη φυσική από, ας πούμε, τα μαθηματικά. Οι μαθηματικοί κάνουν επίσης εικασίες, και ο τελικός τους κριτής της αλήθειας είναι η αυστηρή απόδειξη. Οι φυσικοί μπορεί να χρησιμοποιούν ή ακόμα και να επινοούν εξελιγμένα μαθηματικά εργαλεία, αλλά ο στόχος τους είναι διαφορετικός:να εξηγήσουν το σύμπαν όπως είναι στην πραγματικότητα. Για αυτόν τον σκοπό, τα πειράματα είναι απαραίτητα.
Φυσικά, η πειραματική επικύρωση μπορεί να υστερεί πολύ πίσω από τις θεωρητικές μας εικασίες. Χρειάστηκαν 100 χρόνια για να ανιχνεύσουν οι επιστήμονες τα βαρυτικά κύματα στη Γη και 50 χρόνια για να ανακαλύψουν το μποζόνιο Higgs. Και τα δύο απαιτούσαν μεγάλη εφευρετικότητα, τεχνολογική ανάπτυξη και χρηματικές επενδύσεις. Και αυτές οι πειραματικές παρατηρήσεις όχι μόνο επιβεβαίωσαν θεωρητικές προβλέψεις, αλλά μας δίδαξαν και κάτι νέο, ανοίγοντας παράλληλα την πόρτα για περαιτέρω έρευνα. Περιμέναμε ότι οι αστροφυσικές πηγές θα μπορούσαν να παράγουν ανιχνεύσιμα βαρυτικά κύματα, αλλά δεν μπορούσαμε να γνωρίζουμε πόσο συνηθισμένες θα ήταν αυτές οι πηγές και είχαμε λόγους να πιστεύουμε ότι το μποζόνιο Higgs υπήρχε, αλλά δεν ήμασταν σίγουροι για τη μάζα του.
Η μελέτη της κβαντικής βαρύτητας είναι μια ακραία περίπτωση θεωρίας που μπαίνει μπροστά στο πείραμα. Έχουμε μια αρκετά ικανοποιητική κατανόηση της κβαντικής φυσικής στην κλίμακα των ατόμων και των υποπυρηνικών σωματιδίων, αλλά όχι πειραματικά επικυρωμένη κβαντική θεωρία που να εφαρμόζεται σε πολύ ισχυρές βαρυτικές δυνάμεις. Χωρίς μια τέτοια θεωρία δεν μπορούμε να καταλάβουμε τι συνέβη στο πρώιμο σύμπαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη ή να προβλέψουμε την ακριβή μοίρα ενός ατυχούς αστροναύτη συμπιεσμένου σε αφάνταστα υψηλή πυκνότητα μέσα σε μια μαύρη τρύπα. Χρειαζόμαστε πειράματα για να μας καθοδηγήσουν, αλλά είναι καταθλιπτικά άπιαστα.
Η ιστορία της σωματιδιακής φυσικής παρέχει έναν διδακτικό παραλληλισμό. Μέχρι τη δεκαετία του 1950, είχαμε μια θεωρία για την αδύναμη πυρηνική δύναμη που συμφωνούσε με το πείραμα. Αλλά για καθαρά θεωρητικούς λόγους, γνωρίζαμε ότι ήταν ελαττωματικό και ελλιπές. θα μπορούσαμε ακόμη να υπολογίσουμε ότι οι προβλέψεις της θεωρίας θα αποτύγχανε σε κλίμακες πολύ μικρής απόστασης, περίπου 10 μέτρα ή λιγότερο. Τελικά, επιταχυντές αρκετά ισχυροί για να εξερευνήσουν την ύλη σε αυτές τις μικροσκοπικές κλίμακες οδήγησαν στην ανακάλυψη νέων φαινομένων, όπως τα μποζόνια W και Z και το σωματίδιο Higgs, που δείχνουν προς μια πιο ολοκληρωμένη θεωρία.
Με τη βαρύτητα, έχουμε και πάλι καλούς λόγους να πιστεύουμε ότι η τρέχουσα θεωρία είναι ελλιπής, και εδώ μπορούμε επίσης να εκτιμήσουμε την κλίμακα απόστασης στην οποία πρέπει να εμφανιστούν νέα φαινόμενα:περίπου 10 μέτρα. Δυστυχώς, η κατασκευή ενός επιταχυντή σωματιδίων που θα μπορούσε να ανιχνεύσει αυτή την κλίμακα χρησιμοποιώντας την υπάρχουσα τεχνολογία θα απαιτούσε μια μηχανή περίπου τόσο μεγάλη όσο ο γαλαξίας του Γαλαξία. Σαφώς, αυτό θα είναι πολύ απρόσιτο ακόμη και στο μακρινό μέλλον.
Εφόσον η διερεύνηση της κβαντικής βαρύτητας με «ωμή βία» δεν θα λειτουργήσει, θα πρέπει να βρούμε έναν πιο έξυπνο και λιγότερο άμεσο τρόπο για να σημειώσουμε πρόοδο. Και στην πραγματικότητα έχουμε διάφορες προτάσεις για την ανίχνευση της κβαντικής βαρύτητας στο εργαστήριο, όλες που απαιτούν ηρωικές -αλλά όχι απαραίτητα μάταιες- προσπάθειες από πειραματιστές. Θα ήθελα να συζητήσω μια συγκεκριμένη προσέγγιση που θεωρώ συναρπαστική.
Για να το καταλάβουμε, ας εστιάσουμε στον σχηματισμό και την τελική εξάτμιση μιας μαύρης τρύπας λόγω των κβαντικών επιδράσεων, του πεμπτουσίας φαινομένου που μελετάται στην κβαντική βαρύτητα. Στην αρχή μπορεί να φαίνεται αδύνατο, για να μην αναφέρουμε επικίνδυνο, να πραγματοποιηθούν σχετικά πειράματα στο εργαστήριο. Αλλά μπορεί να υπάρχει τρόπος.
Οι θεωρητικές έρευνες για την κβαντική βαρύτητα έχουν δημιουργήσει μια εκπληκτική ισοδυναμία μεταξύ δύο διαφορετικών συνθέσεων των ίδιων φυσικών φαινομένων. Χάρη σε αυτήν την ισοδυναμία, ο κύκλος ζωής μιας μαύρης τρύπας μπορεί να περιγραφεί σε μια εντελώς διαφορετική γλώσσα που δεν περιλαμβάνει καθόλου βαρύτητα. Αντίθετα, το «διπλό» κβαντικό σύστημα αποτελείται από πολλά σωματίδια που αλληλεπιδρούν έντονα μεταξύ τους. Ένας στόχος της τρέχουσας έρευνας είναι να εμπλουτίσει το λεξικό που μεταφράζει τη μία από αυτές τις γλώσσες στην άλλη.
Αυτή η ισοδυναμία δύο διαφορετικών περιγραφών της ίδιας υποκείμενης φυσικής μπορεί να φαίνεται σαν μια «απλώς» μαθηματική παρατήρηση, αλλά οι επιπτώσεις της στα πειράματα είναι βαθιές. Αποδεικνύεται ότι τα πειραματικά εργαλεία που απαιτούνται για τη μελέτη της μη βαρυτικής περιγραφής μιας μαύρης τρύπας είναι ακριβώς αυτά που οι φυσικοί έχουν ήδη αναπτύξει για εντελώς διαφορετικούς λόγους - για τη λειτουργία κβαντικών συσκευών που λύνουν πολύ δύσκολα υπολογιστικά προβλήματα. Αυτό συμβαίνει επειδή τόσο σε μια προσομοίωση κβαντικής βαρύτητας όσο και σε έναν κβαντικό υπολογισμό, πρέπει να αποθηκεύσουμε ένα σύνθετο σύστημα πολλών σωματιδίων και να ελέγξουμε με ακρίβεια τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούν.
Ενδιαφέρομαι βαθιά τόσο για τους κβαντικούς υπολογιστές όσο και για τις μαύρες τρύπες εδώ και πολλά χρόνια, οπότε για μένα αυτή η σύνδεση μεταξύ των δύο είναι συναρπαστική και ικανοποιητική. Σίγουρα, η τεχνολογία κβαντικών υπολογιστών είναι ακόμα ανώριμη, επομένως δεν θα μπορούμε να προσομοιώσουμε μια ρεαλιστική μαύρη τρύπα στο εργαστήριο σύντομα. Δεν πειράζει — θα αρκεστούμε στη μελέτη απλουστευμένων μοντέλων που καταγράφουν μερικά από τα ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά της κβαντικής βαρύτητας. Ακόμη και αυτά μπορεί να είναι διδακτικά, και καθώς η κβαντική τεχνολογία προχωρά, θα είμαστε σε θέση να κάνουμε όλο και πιο εξελιγμένα πειράματα.
Επιπλέον, η δυαδικότητα είναι αμφίδρομος. Όχι μόνο οι κβαντικοί υπολογιστές θα μας διδάξουν για την κβαντική βαρύτητα. Συσχετίζοντας τη συμπεριφορά πολλών σωματιδίων που αλληλεπιδρούν έντονα με βαρυτικά φαινόμενα, μπορούμε να κατανοήσουμε καλύτερα αυτή τη συμπεριφορά. Συνήθως, εάν αποτυπώσουμε κάποιες πληροφορίες σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία σε ένα σύστημα με ισχυρή αλληλεπίδραση, αυτές οι πληροφορίες εξαπλώνονται γρήγορα και σύντομα γίνονται εξαιρετικά δυσανάγνωστες. Ωστόσο, γνωρίζουμε μερικές ενδιαφέρουσες καταστάσεις όπου, για λόγους που δεν είναι προφανείς, οι πληροφορίες τελικά επικεντρώνονται ξανά και γίνονται εύκολα αναγνώσιμες σε διαφορετική τοποθεσία μακριά.
Όταν μεταφράζεται στη γλώσσα της διπλής βαρύτητας, αυτή η μυστηριώδης διαδικασία είναι πολύ πιο εύκολο να κατανοηθεί. Σε αυτό το πλαίσιο, μια σκουληκότρυπα συνδέει δύο απομακρυσμένα σημεία στο διάστημα. Οι αποτυπωμένες πληροφορίες εξαφανίζονται καθώς εισέρχονται στο ένα άκρο της σκουληκότρυπας και μετά επανεμφανίζονται καθώς αναδύονται από το άλλο. Οι φυσικοί λαχταρούν για τέτοιες διαισθητικές εξηγήσεις περίπλοκων φαινομένων και οι κοινές προσπάθειες πειραματιστών και θεωρητικών είναι βέβαιο ότι θα δώσουν περαιτέρω ιδέες του ίδιου είδους.
Μερικές φορές ανησυχούμε ότι καθώς η επιστήμη προχωρά, διασπάται συνεχώς σε στενότερες και στενότερες ειδικότητες που αλληλεπιδρούν όλο και λιγότερο μεταξύ τους. Αλλά με βάση τη δική μου εμπειρία, βλέπω μια πιο ισχυρή αντισταθμιστική τάση:Καθώς η γνώση προχωρά, οι επιστήμονες που εργάζονται σε διαφορετικούς τομείς διαπιστώνουν ότι έχουν όλο και περισσότερα να μάθουν ο ένας από τον άλλο. Η ευκαιρία να διερευνηθεί η κβαντική βαρύτητα στο εργαστήριο τροφοδοτείται από τις εικασίες των θεωρητικών υψηλής ενέργειας, αλλά αντλείται επίσης σε μεγάλο βαθμό από την τεχνογνωσία φυσικών συμπυκνωμένης ύλης, ατομικών φυσικών και επιστημόνων υπολογιστών. Αυτές οι συναρπαστικές και βαθύτερες συνδέσεις με κάνουν αισιόδοξο για το μέλλον.
