The Physicist Who Slayed Gravity’s Ghosts

Από τότε που η γενική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν αναδιατύπωσε τη βαρύτητα ως καμπύλες στο χωροχρόνο, οι φυσικοί αναρωτήθηκαν αν το έργο του ήταν η τελευταία λέξη. Προκαλώντας και τροποποιώντας, προσπάθησαν να τροποποιήσουν ή ακόμα και να αντικαταστήσουν τη βαρύτητα του Αϊνστάιν, διατηρώντας ταυτόχρονα τα μοντέλα τους μέσα στα ολοένα στενότερα όρια παρατήρησης.

Πολλές από αυτές τις ιδέες προσπαθούν να αναδιατυπώσουν τη βαρύτητα στη γλώσσα της κβαντικής μηχανικής, όπου τα υποθετικά σωματίδια που ονομάζονται γκραβιτόνια φέρουν τη βαρυτική δύναμη. Αυτά τα γκραβιτόνια είναι χωρίς μάζα, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν, θεωρητικά, να διανύσουν μια άπειρη απόσταση, όπως ακριβώς τα φωτόνια (οι φορείς της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης) μας αφήνουν να δούμε μέχρι τις άκρες του σύμπαντος.

Αλλά υπάρχει μια άλλη πιθανότητα. Στη δεκαετία του 1930, ο Wolfgang Pauli και ο Markus Fierz πρότειναν ένα graviton με μάζα. Η ιδέα έγινε πιο εύλογη τη δεκαετία του 1970, αφού οι φυσικοί ανακάλυψαν ότι τα τεράστια σωματίδια φέρουν τις αδύναμες και ισχυρές δυνάμεις. Γιατί η δύναμη της βαρύτητας δεν μπορούσε να λειτουργήσει με τον ίδιο τρόπο;

Αλλά τα «φαντάσματα» μάστωσαν σύντομα αυτές τις θεωρίες της τεράστιας βαρύτητας.

Στον οικείο μας κόσμο, για να μετακινήσετε ένα αντικείμενο πρέπει να του δώσετε λίγη ενέργεια. Αλλά σε αυτά τα μοντέλα τεράστιας βαρύτητας, αν προσπαθήσετε να μετακινήσετε ένα αντικείμενο, λαμβάνετε ενέργεια πίσω. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με την αρχή της θεμελιώδους βάσης ότι η ενέργεια πρέπει να διατηρηθεί, και οδηγεί σε κάθε είδους προβλήματα. «Τίποτα δεν θα εμπόδιζε ολόκληρο το σύμπαν από το να τρελαθεί εντελώς γιατί θα σου κόστιζε όλο και λιγότερη ενέργεια για να γίνεσαι όλο και πιο τρελός», είπε η Claudia de Rham, θεωρητική φυσικός στο Imperial College του Λονδίνου. "Το ονομάζουμε φάντασμα γιατί είναι κάτι που απλά δεν μπορεί να συμβεί."

Αντιμέτωποι με ένα τόσο ουσιαστικό ελάττωμα, οι θεωρητικοί άρχισαν να χάνουν το ενδιαφέρον τους για την τεράστια βαρύτητα, μέχρι που ο de Rham - μαζί με τους Andrew Tolley και Gregory Gabadadze - δημοσίευσαν ένα ριζοσπαστικό έγγραφο το 2011 που ανέτρεψε το status quo. Προσθέτοντας επιπλέον διαστάσεις σε μοντέλα τεράστιας βαρύτητας, η de Rham και οι συνεργάτες της κατάφεραν να αποφύγουν τα φαντάσματα και να αναζωπυρώσουν την ελπίδα ενός αιώνα για μια μαθηματικά εύλογη θεωρία.

Αλλά γιατί να ασχοληθείτε καθόλου με την τεράστια βαρύτητα; Ο De Rham ελπίζει ότι η τροποποίηση της βαρύτητας θα μπορούσε να λύσει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της κοσμολογίας:τη σκοτεινή ενέργεια. Πριν από δύο δεκαετίες, οι κοσμολόγοι ανακάλυψαν ότι η διαστολή του σύμπαντος φαίνεται να επιταχύνεται. Από τότε, οι φυσικοί προβληματίζονται σχετικά με το ποια μπορεί να είναι η αιτία. Ένα τεράστιο βαρυτόνιο — ένα του οποίου η εμβέλεια δεν εξαπλώνεται αρκετά σε όλο το σύμπαν — μπορεί να είναι σε θέση να εξηγήσει γιατί το σύμπαν ενεργεί όπως κάνει.

Το πιο συναρπαστικό για τον de Rham είναι η πιθανότητα οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων να μπορούν να δοκιμάσουν τις θεωρίες της τεράστιας βαρύτητας έναντι πιο πεζών ιδεών. "Τα βαρυτικά κύματα είναι η ευκαιρία μας να δοκιμάσουμε διαφορετικές θεωρίες τροποποιημένης βαρύτητας", είπε ο de Rham, "και πρέπει να είμαστε έτοιμοι με προβλέψεις."

Quanta μίλησε με τον de Rham στο σπίτι του στο Λονδίνο μέσω βιντεοκλήσης κατά τη διάρκεια της πανδημίας COVID-19. Ήταν χαλαρή και χαμογελαστή, παρόλο που έπρεπε να κάνει μαθήματα κατ' οίκον στα τρία παιδιά της, ενώ συνέχιζε τις ερευνητικές και διδακτικές της υποχρεώσεις. Αναζήτησε καταφύγιο από τα παιδιά της στην κρεβατοκάμαρα και μιλήσαμε για δύο ώρες, με τις εκφραστικές και ενεργητικές χειρονομίες του de Rham να αρθρώνουν την εξέλιξη του σύμπαντος και περιστασιακά να συγκρούονται με την κάμερα web. Η συνέντευξη έχει συμπυκνωθεί και επεξεργαστεί για λόγους σαφήνειας.

Έχετε αφιερώσει την καριέρα σας στη μελέτη της βαρύτητας. Γιατί είναι τόσο σημαντικό;

Η βαρύτητα είναι η δύναμη που διέπει ολόκληρη την εξέλιξη του σύμπαντος. Οι νόμοι της βαρύτητας σας λένε πώς το σύμπαν ανταποκρίνεται στην ύλη και την ενέργεια - είναι πραγματικά γενικό. Αν είχαμε απενεργοποιήσει τη βαρύτητα στην αρχή του σύμπαντος, θα ήταν ακόμα μια μεγάλη, ζεστή σούπα από θεμελιώδη σωματίδια. Δεν θα υπήρχε καμία δομή:ούτε γαλαξίες, ούτε αστέρια, ούτε πλανήτες — τίποτα να σκεφτεί κανείς.

Στη συνέχεια, σε ένα θεμελιώδες επίπεδο, στη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, ολόκληρη η έννοια του χώρου και του χρόνου προέρχεται από τη βαρύτητα. Όλα είναι τελικά ενσωματωμένα στη βαρύτητα.

Σας γοήτευε πάντα ο κόσμος;

Όταν ήμουν παιδί, οι γονείς μου κυκλοφορούσαν πολύ. Πέρασα το μεγαλύτερο μέρος της παιδικής μου ηλικίας στη Μαδαγασκάρη, αλλά έζησα και στο Περού για λίγο, και μετά στη Ρουάντα. Εάν δεν έχετε πραγματικά σπίτι, έχετε περισσότερη ιδέα για τη Γη στο σύνολό της. Έτσι είχα ένα πάθος για τον ουρανό από αυτή την ιδέα ότι είμαστε πολύ μικρές οντότητες στη Γη και ότι η Γη είναι η ίδια μια πολύ μικρή οντότητα στο σύμπαν. Και μετά άρχισα να προσπαθώ να καταλάβω:Τι είναι αυτό το σύμπαν που με περιβάλλει;

Έχετε εκπαιδευτεί κάποτε ως πιλότος και περάσατε από διάφορα στάδια της διαδικασίας επιλογής αστροναυτών της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας. Βλέπετε τον εαυτό σας ως τυχοδιώκτη;

Θα μου άρεσε να ήμουν αστροναύτης. Το να είσαι αστροναύτης είναι η τελική ιδέα να δούμε τι μας περιβάλλει πηγαίνοντας εκεί. Έκανα επίσης καταδύσεις από μικρή ηλικία, και είναι η ίδια ιδέα:εξερευνάτε νέα πράγματα που είναι άγνωστα σε εσάς βάζοντας τον εαυτό σας σωματικά σε αυτά, αντί να εξερευνάτε μέσω δεδομένων και εικόνων. Παρατηρείτε πραγματικά — είστε μέρος του — και αυτό αλλάζει εντελώς την οπτική σας.

Η γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν φαίνεται να λειτουργεί τόσο καλά. Γιατί χρειάζεται να τροποποιήσουμε τη βαρύτητα;

Μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν επεκτάθηκε και ψύχθηκε. Και αναμένουμε ότι αυτή η διαστολή θα επιβραδυνθεί σταδιακά επειδή το σύμπαν έχει πράγματα όπως γαλαξίες μέσα του, και έλκονται ο ένας προς τον άλλον από τη βαρύτητα. Αλλά τα τελευταία 25 χρόνια περίπου, οι παρατηρήσεις έδειξαν ακριβώς το αντίθετο:Η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται. Επιταχύνεται. Αυτή είναι η έννοια της σκοτεινής ενέργειας και δείχνει κάτι που μας λείπει στην περιγραφή του σύμπαντος.

Η σκοτεινή ενέργεια μερικές φορές θεωρείται ως αυτή η μυστηριώδης, μαγική πηγή ενέργειας που επιταχύνει τη διαστολή του σύμπαντος. Αλλά αυτό δεν είναι πραγματικά ο πυρήνας του προβλήματος. Μπορούμε να μαγειρέψουμε κάτι για τη σκοτεινή ενέργεια - όπως ακριβώς κάνουμε για τη σκοτεινή ύλη - και ελπίζουμε ότι θα το εντοπίσουμε αργότερα. Δεν είναι ιδιαίτερα ικανοποιητικό, αλλά το κάνουμε αυτό, το έχουμε ξανακάνει. Πραγματικά, ο πυρήνας του προβλήματος είναι ότι υπάρχει μια πλήρης αναντιστοιχία στην ποσότητα της σκοτεινής ενέργειας που χρειαζόμαστε για να λύσουμε αυτό το πρόβλημα και σε ποια είναι η φυσική ποσότητα σκοτεινής ενέργειας.

Η ενεργειακή πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας είναι γελοία μικρή. Είναι τόσο μικρό που αν το αλλάξεις κατά ένα μικρό ποσό, κάνει μια τεράστια αλλαγή στο πώς θα είχε εξελιχθεί το σύμπαν, σε σημείο που δεν θα είχε σχηματιστεί καμία δομή και δεν θα υπήρχαμε. Με κάνει πολύ ανήσυχο να σκέφτομαι ότι εξαρτόμαστε τόσο από έναν τόσο ακριβή συντονισμό — σε περίπου 120 δεκαδικά ψηφία. Είναι άνευ προηγουμένου στην ιστορία της επιστήμης.

Καταλήγουμε σε μια τόσο γελοία απάντηση που πραγματικά μας αναγκάζει να διερευνήσουμε εκ νέου κάθε υπόθεση που κάναμε στην πορεία για να φτάσουμε εκεί.

Όπως;

Μπορείτε να σκεφτείτε να αλλάξετε τις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν με δύο τρόπους. Η δεξιά πλευρά των εξισώσεων περιγράφει τα περιεχόμενα του σύμπαντος - οτιδήποτε έχει μάζα και ενέργεια. Στην αριστερή πλευρά έχετε αυτό που ονομάζεται μετρικός τανυστής, ο οποίος περιγράφει την καμπυλότητα του χωροχρόνου.

Όταν σκέφτεστε τη σκοτεινή ενέργεια, προσθέτετε νέα πράγματα στη δεξιά πλευρά, αλλά αυτό απλώς περιγράφει μαθηματικά την έλλειψη γνώσης σας. Δεν προσθέτετε πραγματικά νέα στοιχεία.

Όταν τροποποιείτε τη βαρύτητα, προσπαθείτε να επιστρέψετε στις ρίζες του τι είναι ο χωροχρόνος - η αριστερή πλευρά - και να δείτε αν υπάρχει κάποια τροποποίηση που έχει νόημα. Εξερευνάτε ποια είναι η φύση της βαρύτητας, βαθιά μέσα σας.

Τι είδους τροποποιήσεις έχουν νόημα;

Είναι χρήσιμο να κάνουμε μια αναλογία με τον ηλεκτρομαγνητισμό, τον οποίο θεωρούμε ως μια δύναμη που διαμεσολαβείται από ένα σωματίδιο που ονομάζεται φωτόνιο. Το φωτόνιο είναι χωρίς μάζα, και έτσι ο ηλεκτρομαγνητισμός έχει άπειρο εύρος. Αυτό δεν σημαίνει ότι αν βρίσκεστε σε άπειρη απόσταση, θα νιώσετε αυτές τις δυνάμεις - εξακολουθούν να εξαφανίζονται - αλλά δεν υπάρχει απότομη αποκοπή. Είναι απλώς μια σταδιακή αποσύνθεση.

Στη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, νομίζετε ότι το βαρυτόνιο είναι ένα σωματίδιο χωρίς μάζα, και έτσι η δύναμη της βαρύτητας έχει επίσης άπειρο εύρος. Οποιαδήποτε τροποποίηση της βαρύτητας σημαίνει ότι σε κάποιο σημείο, συμβαίνει μια μετάβαση. Ουσιαστικά, η δύναμη της βαρύτητας απενεργοποιείται σε πολύ μεγάλες αποστάσεις. Επομένως, δεν υπάρχει πλέον λόγος να περιμένετε ότι η διαστολή του σύμπαντος θα επιβραδυνθεί.

Περνάς το χρόνο σου απορροφημένος στις εξισώσεις του Αϊνστάιν. Τι σας ελκύει στη γενική σχετικότητα;

Όσο περισσότερο μελετώ αυτές τις εξισώσεις, τόσο περισσότερο αντιλαμβάνομαι την ομορφιά και το βάθος τους. Ο Αϊνστάιν έχτισε τη γενική σχετικότητα σε μερικούς πυλώνες που ονομάζονται αρχές του Αϊνστάιν. Η μία είναι η αρχή της ισοδυναμίας:Οι νόμοι της φυσικής σίγουρα δεν πρέπει να εξαρτώνται από το ποιος παρατηρεί αυτή τη φυσική. Σωστά? Ακούγεται σαν κάτι που θα θέλαμε στη θεωρία μας, αλλά είναι μια μεγάλη υπόθεση που έχει τεθεί από την αρχή.

Τώρα συνειδητοποιούμε πόσο πιο θεμελιώδεις είναι αυτές οι αρχές. Όταν αρχίζετε να σκέφτεστε τη βαρύτητα με όρους γκραβιτόνια, διαπιστώνετε ότι όλοι αυτοί οι πυλώνες αναδύονται στην πραγματικότητα απλώς και μόνο απαιτώντας η θεωρία να είναι σταθερή. Για να έχετε δομή στο σύμπαν, για να υπάρχουμε, πρέπει επίσης να έχετε αυτήν την όμορφη συμμετρία — ότι δεν υπάρχει ειδικός παρατηρητής.

Ένα άλλο πράγμα που βρίσκω εκπληκτικό σχετικά με τη γενική σχετικότητα είναι ότι σας λέει ακριβώς πότε σταματά να λειτουργεί. Από τους νόμους της γενικής σχετικότητας προέρχονται οι μαύρες τρύπες. Από έξω, θεωρούμε ότι μια μαύρη τρύπα είναι ένα αντικείμενο που είναι τόσο τεράστιο που ακόμη και το φως δεν μπορεί να διαφύγει. Στη συνέχεια, αν πάτε μέσα στη μαύρη τρύπα, θα φτάσετε σε ένα σημείο όπου ο χωροχρόνος έχει άπειρη καμπυλότητα - που ονομάζεται ιδιομορφία. Εδώ η γενική σχετικότητα καταρρέει. Είναι το ίδιο πράγμα και για τη μοναδικότητα του Big Bang. Αν γυρίσεις τον χρόνο πίσω φτάνεις σε ένα σημείο όπου η καμπυλότητα του σύμπαντος είναι άπειρη. Και αυτό είναι απλώς η γενική σχετικότητα που μας λέει:«Εντάξει, μην με εμπιστεύεσαι πια. Είμαι εκτός ελέγχου». Ξέρουμε λοιπόν ότι η γενική σχετικότητα αναδύεται από κάτι πιο θεμελιώδες.

Ωστόσο, η γενική σχετικότητα φαίνεται να περιγράφει το υπόλοιπο σύμπαν αρκετά καλά, σωστά;

Θέλετε να τροποποιήσετε τη βαρύτητα με τέτοιο τρόπο ώστε να μην χαλάτε όλες τις προβλέψεις και τις αντίστοιχες παρατηρήσεις που έχει επιτύχει μέχρι τώρα η γενική σχετικότητα.

Λοιπόν, οποιαδήποτε αλλαγή πρέπει να είναι μικρή;

Σωστά. Για παράδειγμα, εάν το γκραβιτόνιο έχει μάζα, θα πρέπει να είναι πολύ μικρό — πολύ μικρότερο από το νετρίνο, το ελαφρύτερο σωματίδιο με μάζα που γνωρίζουμε.

Πώς δοκιμάζετε τη γενική σχετικότητα έναντι των θεωριών της τροποποιημένης βαρύτητας;

Πρώτα μπορούμε να σκεφτούμε πώς οι μικρές τροποποιήσεις της βαρύτητας θα επηρεάσουν την κίνηση των πλανητών στο ηλιακό σύστημα. Μερικοί από τους ισχυρότερους περιορισμούς που έχετε σε αυτά τα μοντέλα είναι εντός του ηλιακού συστήματος, επειδή εδώ καταλαβαίνουμε πολύ καλά τη βαρύτητα.

Τι γίνεται με τα βαρυτικά κύματα;

Μόλις από την πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων στο LIGO — το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ — θα μπορούσαμε ήδη να βάλουμε ένα όριο στο πόσο ελαφρύ πρέπει να είναι το βαρυτόνιο.

Όταν δύο μαύρες τρύπες ή αστέρια νετρονίων συγχωνεύονται, περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο όλο και πιο γρήγορα, πλησιάζοντας όλο και πιο κοντά μεταξύ τους. Και δημιουργούν βαρυτικά κύματα των οποίων η συχνότητα σχετίζεται με το πόσο γρήγορα κινούνται τα δύο αντικείμενα, έτσι ώστε η συχνότητα να αυξάνεται λίγο όσο συγχωνεύονται.

Στη γενική σχετικότητα, τα κύματα πρέπει να ταξιδεύουν με την ίδια ταχύτητα ανεξάρτητα από τη συχνότητα. Ενώ για τη μαζική βαρύτητα, η ταχύτητα του βαρυτικού κύματος εξαρτάται από τη συχνότητα. Είναι ένα πολύ μικρό φαινόμενο, αλλά τα βαρυτικά κύματα έχουν παρατηρηθεί με τόσο υψηλή ακρίβεια που μπορούμε ήδη να πούμε ότι η μάζα του βαρυτονίου πρέπει να είναι μικρότερη από 10 ηλεκτρον βολτ. [Σημείωση του συντάκτη:Αυτό είναι περίπου 26 τάξεις μεγέθους ελαφρύτερο από ένα ηλεκτρόνιο. ] Αυτό είναι απίστευτο! Είναι πολύ πιο ακριβές από το δεσμευμένο στη μάζα του φωτονίου — και μελετάμε το φως για εκατοντάδες χρόνια.

Καθώς αποκλείονται περισσότερα μοντέλα, η γενική σχετικότητα φαίνεται πιο ελκυστική;

Τα τελευταία 20 χρόνια, έμαθα ότι η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν είναι πιθανώς η σωστή περιγραφή του σύμπαντος σε χαμηλές ενέργειες — και επομένως ίσως δεν θα έπρεπε να την τροποποιήσουμε.

Αλλά αν θέλουμε να το δηλώσουμε αυτό, πρέπει να έχουμε εναλλακτικές για να συγκρίνουμε τη γενική σχετικότητα. Αυτή είναι απλώς η επιστημονική προσέγγιση. Δεν μπορούμε να ισχυριστούμε ότι η γενική σχετικότητα είναι η σωστή περιγραφή του τι συμβαίνει χωρίς να το φανταστούμε σε μια μεγαλύτερη κατηγορία μοντέλων. Μόνο τότε θα μπορούμε να πούμε ότι κατανοούμε πραγματικά τη γενική σχετικότητα, ότι γνωρίζουμε ότι είναι μοναδική και ότι είναι η σωστή περιγραφή.

Σημείωση του συντάκτη:Λίγες εβδομάδες μετά από αυτή τη συνέντευξη, η Claudia de Rham ήταν ονομάστηκε ως ερευνητής του Simons από το Simons Foundation, τον οργανισμό που χρηματοδοτεί επίσης αυτό το εκδοτικά ανεξάρτητο περιοδικό. Οι αποφάσεις χρηματοδότησης του Simons Foundation δεν έχουν καμία σχέση με την κάλυψή μας. Παρακαλώ δείτε αυτήν τη σελίδα για περισσότερες λεπτομέρειες.

Διόρθωση :20 Αυγούστου 2020
Μια σημείωση σε αυτό το Q&A αρχικά ανέφερε ότι το βαριτόνιο πρέπει να είναι τουλάχιστον 10 τάξεις μεγέθους ελαφρύτερο από το ηλεκτρόνιο. Είναι ελαφρύ, αλλά όχι τόσο ελαφρύ:Ο σωστός αριθμός είναι 26 τάξεις μεγέθους.