Ακυρώνεται ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας;

Η φυσική συχνά προκαλεί σύγχυση, αλλά μια αρχή φαίνεται σταθερή:ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας. Ο κόσμος περιέχει αυτό το πράγμα που ονομάζεται «ενέργεια», του οποίου η ποσότητα δεν αλλάζει ποτέ. Μπορεί να αλλάξει μορφή ή να πάει από το ένα σώμα στο άλλο, αλλά η συνολική του ποσότητα παραμένει σταθερή. Από αυτόν τον νόμο εξαρτώνται τα πάντα, από το τόξο ενός καλοκοπημένου ποδοσφαίρου μέχρι το γουργούρισμα μιας μηχανής αυτοκινήτου. Κάνει την ενέργεια πολύτιμο αγαθό, μετρημένο, συσσωρευμένο και μαχόμενο.

Εμείς οι φυσικοί έχουμε μάθει ότι το σώμα μας δεν χρησιμοποιεί απλώς ενέργεια, αλλά αποτελείται από αυτήν. Ο τύπος του Αϊνστάιν E =mc προσδιορίζει τη μάζα ως μια μορφή ενέργειας, μια που μπορεί να μετατραπεί σε άλλες μορφές (από μια πυρηνική βόμβα, ας πούμε) ή να δημιουργηθεί από αυτές τις μορφές (σε έναν επιταχυντή σωματιδίων). Η φόρμουλα ενισχύει τη διαίσθησή μας ότι η ενέργεια είναι το βασικό υλικό από το οποίο φτιάχνονται τα πράγματα. Όταν κάποιος εμβαθύνει στη φυσική, μαθαίνει επίσης ότι οι νόμοι διατήρησης είναι στενά συνδεδεμένοι με συμμετρίες, όπως είχε εκτιμηθεί για πρώτη φορά από τον Γερμανό μαθηματικό Emmy Noether πριν από σχεδόν έναν αιώνα. Η ενέργεια διατηρείται επειδή οι νόμοι της φύσης είναι συμμετρικοί στο χρόνο—δεν αλλάζουν από στιγμή σε στιγμή.

Αλλά η φυσική δεν θα ήταν φυσική αν δεν αμφισβητούσε συνεχώς τον εαυτό της. Λίγο καιρό αφότου ο Αϊνστάιν εξήγαγε τη διάσημη φόρμουλα του, άρχισε να δημιουργεί μια θεωρία της βαρύτητας, τη γενική θεωρία της σχετικότητας. Η εξοικονόμηση ενέργειας έγινε κάπως ζοφερή. Αν και μεμονωμένοι παρατηρητές μπορούν να μετρήσουν την ενεργειακή πυκνότητα αμέσως γύρω τους και να επιβεβαιώσουν ότι η συνολική ενέργεια των εντοπισμένων συστημάτων παραμένει σταθερή, είναι αδύνατο να οριστεί μια συνολική ενέργεια που να διατηρείται αυστηρά. Μπορεί να ακούγεται παράξενο να μπορούμε να ορίσουμε μια τοπική ποσότητα ενέργειας και όχι μια παγκόσμια. Και είναι.

Το δικό μας διαστελλόμενο σύμπαν είναι ένα καλό παράδειγμα αυτής της παραξενιάς. Η ενεργειακή πυκνότητα της ύλης μειώνεται σε αντίστροφη αναλογία με τον όγκο του χώρου. Για παράδειγμα, οι γαλαξίες απομακρύνονται, έτσι ώστε να υπάρχουν λιγότεροι από αυτούς σε έναν δεδομένο όγκο, σύμφωνα με την εξοικονόμηση ενέργειας. Αλλά η ενεργειακή πυκνότητα του αστρικού φωτός και άλλων μορφών ακτινοβολίας μειώνεται με πιο απότομο ρυθμό. Η ενέργειά τους χάνεται. Δεν μπαίνει σε κάποια άλλη μορφή. Αυτό επιτρέπεται επειδή ένα διαστελλόμενο σύμπαν δεν είναι χρονικά συμμετρικό. Η ανάπτυξή του διαφοροποιεί το παρελθόν από το μέλλον. Έτσι, η γενική σχετικότητα δυσκολεύει τη διατήρηση της άποψης ότι η ενέργεια είναι θεμελιώδες υλικό από το οποίο παράγονται όλα τα άλλα.

Αυτή είναι μόνο η αρχή. Σκεφτείτε την άλλη θεωρία που έφερε επανάσταση στη φυσική του 20ου αιώνα, την κβαντική μηχανική. Ο κβαντικός κόσμος είναι αβέβαιος. χαρακτηριστικά όπως η ενέργεια είναι ασαφή ή ασαφή. Ακόμη χειρότερα, η θεωρία έχει ένα πολύ σοβαρό εννοιολογικό ελάττωμα, το οποίο πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά την ανασκόπηση της τελικής μοίρας της διατήρησης της ενέργειας.

Δηλαδή, η κβαντομηχανική περιλαμβάνει δύο διακριτές και ασύμβατες συνταγές για να προσδιορίσει πώς ένα σωματίδιο ή ένα σύστημα σωματιδίων εξελίσσεται στο χρόνο. Το πρώτο ισχύει όταν το σύστημα δεν παρατηρείται, το δεύτερο όταν παρατηρείται. Η θεωρία είναι ασαφής σχετικά με το ποια συνταγή να χρησιμοποιήσετε. Τι ακριβώς συνιστά μέτρηση ή παρατήρηση; Χρειάζεστε μια συνειδητή ύπαρξη; Μπορεί ένας ψύλλος να κάνει μέτρηση; Ένας ιός; Αυτό το ζήτημα είναι γνωστό ως πρόβλημα μέτρησης, το οποίο, όπως έχουν επισημάνει διάφοροι κριτικοί, θα πρέπει να αναφέρεται ως το πρόβλημα της πραγματικότητας:Η θεωρία είναι ασαφές τι υπάρχει «εκεί έξω» ανεξάρτητα από τις αντιλήψεις μας.

Όπως έχει συζητήσει ο Tim Maudlin του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης, οι προσεγγίσεις για την αντιμετώπιση του προβλήματος διακρίνονται σε τρεις τύπους. Κάποιος προσθέτει τις λεγόμενες κρυφές μεταβλητές -συστατικά πέρα ​​από αυτά που παρέχει η συνηθισμένη κβαντική θεωρία- για να παρέχει μια πληρέστερη περιγραφή της κατάστασης ενός συστήματος. Το πιο γνωστό παράδειγμα είναι η θεωρία de Broglie-Bohm, η οποία υποθέτει ότι εκτός από την κυματική συνάρτηση υπάρχουν σωματίδια που έχουν καθορισμένες θέσεις που ο τυπικός κβαντικός φορμαλισμός δεν συλλαμβάνει. Η λειτουργία κύματος απλώς τους καθοδηγεί σαν πρόβατο.

Ένα δεύτερο είδος προσέγγισης υποθέτει μια τυχαία διαδικασία που καταρρέει την αβεβαιότητα του συστήματος και εξαλείφει τη ασάφειά του. Μια τρίτη λύση περιλαμβάνει μια πολλαπλότητα συμπάντων. Αυτό που ονομάζουμε μέτρηση αντιστοιχεί κατά κάποιο τρόπο σε μια διάσπαση του σύμπαντος μας σε πολλούς κλάδους, ένας που αντιστοιχεί σε κάθε πιθανό αποτέλεσμα. Όλες αυτές οι ιδέες απαλλάσσουν την προβληματική συνταγή μέτρησης. Κανένα δεν είναι χωρίς προβλήματα, αλλά αυτό είναι που υπάρχει.

Φέτος ο Maudlin, ο Elias Okon του Εθνικού Αυτόνομου Πανεπιστημίου του Μεξικού και εγώ ξεκινήσαμε να μελετήσουμε την τύχη των νόμων για τη διατήρηση σε αυτές τις τρεις προσεγγίσεις. Η ανάλυσή μας περιελάμβανε γενικές σκέψεις καθώς και διάφορα πειράματα σκέψης.

Σκεφτείτε ένα τυπικό πείραμα στο οποίο ένα κβαντικό σύστημα - που αποτελείται, για παράδειγμα, από λίγα φωτόνια - εξελίσσεται σε αυτόν τον χαρακτηριστικό κβαντικό τύπο συνδυασμού που είναι γνωστός ως «υπέρθεση» δύο μονοπατιών. Αυτά οδηγούν σε καταστάσεις που, στο κλασικό επίπεδο, αντιστοιχούν σε διαφορετικές τιμές της ενέργειας. Ένα μονοπάτι οδηγεί τα φωτόνια σε έναν μακρινό γαλαξία και πίσω, με αποτέλεσμα να χάνουν ενέργεια λόγω της κοσμικής διαστολής. Το άλλο μονοπάτι δεν περιλαμβάνει καμία αλλαγή στην αρχική τους ενέργεια. Σύμφωνα με ένα κεντρικό δόγμα της κβαντικής θεωρίας, κάθε φωτόνιο ακολουθεί και τα δύο μονοπάτια.

Η τυπική ιστορία στην κβαντική φυσική είναι ότι οποιαδήποτε μη διατήρηση μπορεί να εξηγηθεί λαμβάνοντας υπόψη την ενέργεια που παρέχεται ή απορροφάται από τη συσκευή μέτρησης. Καταργούμε αυτήν την επιλογή χρησιμοποιώντας ένα άλλο κβαντικό εφέ, τη διαπλοκή, για να κάνουμε τη μέτρηση από απόσταση.

Οι τρεις ερμηνευτικές προσεγγίσεις προσφέρουν διαφορετικές αφηγήσεις για το τι συμβαίνει στην ενέργεια. Στις θεωρίες αυθόρμητης κατάρρευσης, το σύστημα, μετά από αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα, υφίσταται μια ξαφνική κατάρρευση σε μία από τις ενεργειακές τιμές, που οδηγεί σε μη διατήρηση της ενέργειας. Στην προσέγγιση de Broglie-Bohm, οποιαδήποτε έννοια ενέργειας με οποιαδήποτε πιθανότητα γενικής διατήρησης πρέπει να περιλαμβάνει τόσο τα σωματίδια όσο και τη συνάρτηση του καθοδηγητικού κύματος. Η κυματική συνάρτηση διασπάται και αργότερα επανενώνεται στο εργαστήριο, και η παρεμβολή που συμβαίνει στην επανένωση κάνει τα φωτόνια να συμπεριφέρονται με τέτοιο τρόπο ώστε η ενέργεια να μην διατηρείται. Στο περιβάλλον των πολλών κόσμων, η μέση ενέργεια όλων των κλάδων στους οποίους χωρίζεται ο κόσμος μπορεί να διατηρηθεί, αλλά σε κάθε κλάδο η ενέργεια δεν θα διατηρηθεί. Από την άποψη κάθε κλάδου, αυτό που συμβαίνει είναι ακριβώς το ίδιο όπως στις θεωρίες κατάρρευσης.

Εν ολίγοις, καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι κανένα σχέδιο δεν προσφέρει έναν εύλογο ορισμό της παγκόσμιας ενέργειας ενός συστήματος που διατηρείται αυστηρά. Κανένα δεν προσέφερε την έννοια της τοπικής εξοικονόμησης ενέργειας—κάτι που είναι κακό, επειδή η γενική σχετικότητα απαιτεί η τοπική εξοικονόμηση ενέργειας να είναι εσωτερικά συνεπής.

Για να συμφιλιωθούν η κβαντική μηχανική και η γενική σχετικότητα θα χρειαστεί μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας. Οι φυσικοί διαφωνούν έντονα για το πώς θα μοιάζει μια τέτοια θεωρία, αλλά οι περισσότεροι συμφωνούν σε ένα πράγμα:Η έννοια του χωροχρόνου θα εξαφανιστεί στο θεμελιώδες επίπεδο κβαντικής βαρύτητας. Σε αυτή την περίπτωση, οι νόμοι για τη διατήρηση χάνουν εντελώς τη συνάφειά τους. Πώς μπορείτε να πείτε ότι μια συγκεκριμένη ποσότητα δεν αλλάζει με το χρόνο εάν δεν υπάρχει χρόνος στο θεμελιώδες επίπεδο;

Σε πρακτικό επίπεδο, οι αποκλίσεις από την αυστηρή διατήρηση αναμένεται να είναι ελάχιστες και δεν θα βοηθήσουν στα συγκεκριμένα προβλήματα που αντιμετωπίζουμε εμείς οι άνθρωποι με την ενέργεια. Αλλά για πολλούς θεωρητικούς, οποιαδήποτε παραβίαση είναι βλάσφημη. Ωστόσο, ενδέχεται να υπάρξει αποζημίωση.

Ο Thibaut Josset και ο Alejandro Perez του Πανεπιστημίου της Μασσαλίας, ο James Bjorken του Πανεπιστημίου Stanford και εγώ δείξαμε ότι μια τροποποίηση στη γενική σχετικότητα (αρχικά θεωρήθηκε από τον ίδιο τον Αϊνστάιν) επιτρέπει μικρές αποκλίσεις από την τοπική διατήρηση της ενέργειας. Και μια τέτοια θεωρία μπορεί να προσφέρει έναν δρόμο για την επίλυση ενός από τα μεγαλύτερα μυστήρια στη σύγχρονη επιστήμη:τη σκοτεινή ενέργεια.

Η σκοτεινή ενέργεια είναι το μυστηριώδες συστατικό του σύμπαντος - περίπου το 70 τοις εκατό του συνολικού περιεχομένου του - που προκαλεί την επιτάχυνση της διαστολής του. Σύμφωνα με την ανάλυσή μας, η σκοτεινή ενέργεια είναι ένα είδος αθροιστικής μνήμης όλων των παραβιάσεων της τοπικής διατήρησης ενέργειας που έχουν λάβει χώρα στην ιστορία του σύμπαντος. Σε ένα από τα συγκεκριμένα μοντέλα που εξετάστηκαν, η προβλεπόμενη τιμή ταιριάζει με τις παρατηρήσεις με εντελώς φυσικό τρόπο.

Φυσικά, η κατάσταση απέχει πολύ από το να διευθετηθεί. Η διερεύνηση αυτών και των συναφών θεμάτων βρίσκεται ακόμη σε αρχικό στάδιο. Αλλά όταν κοιτάξουμε εκ νέου μια αρχή που θεωρούσαμε δεδομένη, περιμένουμε να συνεχίσουμε να εκπλαγούμε από τις επιπτώσεις της.

Ο Daniel Sudarksy είναι θεωρητικός φυσικός στο Εθνικό Αυτόνομο Πανεπιστήμιο του Μεξικού στην Πόλη του Μεξικού. Εστιάζει στην αλληλεπίδραση της γενικής θεωρίας του Αϊνστάιν, της σχετικότητας και της κβαντικής φυσικής, αναζητώντας ενδείξεις σχετικά με μια βαθύτερη θεωρία που θα ανακαλυφθεί εστιάζοντας στα σημεία τριβής.

Αναφορές

1. Maudlin, T. Τρία προβλήματα μέτρησης. Τόποι 14 , 7-15 (1995).

2. Maudlin, T., Okon, E., &Sudarsky, D. On the status of conservation laws in physics:Implications for semiclassical gravity. arXiv:1910.06473 (2019).

3. Josset, T., Perez , A., &Sudarsky, D. Σκοτεινή ενέργεια από παραβίαση της διατήρησης ενέργειας. Επιστολές φυσικής ανασκόπησης 118 , 021102 (2017).

4. Perez, A., Sudarsky, D., &Bjorken, J.D. Ένα μικροσκοπικό μοντέλο για μια αναδυόμενη κοσμολογική σταθερά. International Journal of Modern Physics D 27 , 1846002 (2018).

5. Perez, A. &Sudarsky, D. Σκοτεινή ενέργεια από τη διακριτικότητα της κβαντικής βαρύτητας. Επιστολές φυσικής ανασκόπησης 122 , 221302 (2019).

Εικόνα επικεφαλής:patpitchaya / Shutterstock