Πώς το Σύμπαν θυμάται τις πληροφορίες

Ήταν μια από τις μεγάλες χαμένες συνδέσεις της φυσικής. Το 1965 ένας θεωρητικός των σωματιδίων εξήγαγε έναν τύπο για τη σύγκρουση στοιχειωδών σωματιδίων. Είκοσι χρόνια αργότερα, δύο θεωρητικοί της βαρύτητας, χρησιμοποιώντας εντελώς διαφορετικές τεχνικές, έβγαλαν έναν τύπο για τη σύγκρουση άστρων ή μαύρων τρυπών. Και ήταν η ίδια φόρμουλα. Η μόνη διαφορά ήταν ότι το πρώτο χρησιμοποιούσε «p " για να δηλώσει ορμή και το δεύτερο χρησιμοποιούσε "P ". Ο φυσικός του Χάρβαρντ Άντι Στρόμινγκερ αστειεύεται ότι «ένα 6χρονο παιδί θα μπορούσε να δει αυτά τα δύο έγγραφα» και να εντοπίσει την ομοιότητα. Αλλά προφανώς κανένα 6χρονο δεν το έκανε, οπότε η ομοιότητά τους πέρασε απαρατήρητη μέχρι που ο Στρόμινγκερ το συνειδητοποίησε το 2014.

Το κοινό χαρακτηριστικό των τύπων είναι ότι αφορούν τον τρόπο δράσης της βαρύτητας και άλλων δυνάμεων σε μεγάλες κλίμακες. Ο Στρόμινγκερ και οι συνεργάτες του διερεύνησαν πώς μπορούν να προσφέρουν μια νέα και ασυνήθιστη πορεία για την ενοποίηση των νόμων της φυσικής. Η μεγάλης κλίμακας συμπεριφορά των δυνάμεων αποδεικνύεται ότι επιφυλάσσει τόσες εκπλήξεις όσες και η μικρής κλίμακας συμπεριφορά στην οποία επικεντρώνονται παραδοσιακά οι φυσικοί. Η προσέγγιση άνοιξε επίσης μια νέα γραμμή επίθεσης σε ένα περιβόητο παράδοξο σχετικά με την τύχη των πληροφοριών σχετικά με αντικείμενα που καταπίνονται από μαύρες τρύπες, που εντοπίστηκε για πρώτη φορά από τον Stephen Hawking τη δεκαετία του 1970. «Το έργο του Andy είναι πολύ σημαντικό και τελικά θα έχει μεγάλο αντίκτυπο σε πολλούς τομείς της φυσικής», λέει η Éanna Flanagan του Πανεπιστημίου Cornell.

Η βαρυτική πλευρά του έργου του Στρόμινγκερ πηγαίνει πίσω σε μια περίπλοκη ανακάλυψη το 1962 από τους θεωρητικούς της βαρύτητας Hermann Bondi, M.G. van der Burg και A.W. Ο Kenneth Metzner και, χωριστά, ο Rainer Sachs. Προσπάθησαν να εντοπίσουν τι κάνει την ειδική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν τόσο ιδιαίτερη. Η θεωρία διευκρινίζει πώς διαφορετικοί παρατηρητές που κινούνται με σταθερή ταχύτητα μεταξύ τους μπορούν να διαφωνούν για το μήκος των αντικειμένων και το χρόνο μεταξύ των γεγονότων. Η πλήρης γενική θεωρία της σχετικότητας, εν τω μεταξύ, επεκτείνει αυτή την αρχή σε παρατηρητές που κινούνται με μεταβαλλόμενες ταχύτητες. Καθορίζει πώς ο χώρος και ο χρόνος υφαίνονται μαζί για να σχηματίσουν ένα τετραδιάστατο χωροχρόνο ύφασμα που κάμπτεται και στρεβλώνεται γύρω από τεράστια βαρυτικά σώματα. Τα σχολικά βιβλία λένε ότι η γενική θεωρία μειώνεται στην ειδική σχετικότητα όταν πηγαίνετε μακριά —ιδανικά, απείρως μακριά— από έναν πλανήτη, ένα αστέρι ή άλλο βαρυτικό σώμα. Από εκεί έξω, η βαρύτητα εξασθενεί στο τίποτα και το συνήθως δισκέτα χωροχρονικό συνεχές θα πρέπει να σκληραίνει σε ένα άκαμπτο πλαίσιο. Επειδή η βαρύτητα μειώνεται με την απόσταση, οι πλανήτες και τα αστέρια είναι σχεδόν ανεξάρτητα μεταξύ τους και αυτό που συμβαίνει στο ηλιακό μας σύστημα εξαρτάται πολύ λίγο από τον υπόλοιπο γαλαξία.

Ο Geoffrey Compère του Université Libre de Bruxelles, στο Βέλγιο, παρομοιάζει τη δομή του «επίπεδου χωροχρόνου» που περιγράφει η ειδική σχετικότητα με έναν κρύσταλλο. Έχει μόνο περιορισμένο βαθμό συμμετρίας, εξηγεί:Φαίνεται το ίδιο αν κάνετε τρία βήματα προς τα δεξιά (μια αλλαγή θέσης, γνωστή ως «μετάφραση») ή αν επιβιβαστείτε σε ένα τρένο που κινείται με σταθερή ταχύτητα, για παράδειγμα.

Ωστόσο, μετά από προσεκτική εξέταση, ο Bondi και οι συνάδελφοί του ανακάλυψαν ότι, ακόμη και όταν εκμηδένισαν τη βαρύτητα, ο χωροχρόνος παρέμενε δισκέτα αντί να γίνει άκαμπτα επίπεδος. Με άλλα λόγια, ακόμα και εκεί που δεν υπάρχει βαρύτητα, εξακολουθεί να υπάρχει βαρύτητα. ένα υπόλειμμα παραμένει πάντα. Οι μακρινοί πλανήτες και τα αστέρια δεν είναι τελικά ανεξάρτητοι μεταξύ τους. Η εικόνα του σχολικού βιβλίου, λοιπόν, είναι λανθασμένη, αλλά δεν υπήρχε διαισθητικός τρόπος να καταλάβουμε γιατί ή τι σημαίνει στην πράξη. "Η γενική σχετικότητα δεν κατέληξε να είναι το ίδιο πράγμα με την ειδική σχετικότητα ακόμη και σε πολύ, πολύ μεγάλες αποστάσεις", λέει ο Στρόμινγκερ.

Υπερμεταφράσεις

Σε αυτές τις αποστάσεις, αυτό που μένει δεν είναι μόνο οι συμμετρίες της ειδικής σχετικότητας, αλλά ένας άπειρος αριθμός άλλων συμμετριών που ονομάζονται υπερμεταφράσεις. Πρόκειται για μεταφράσεις που εξαρτώνται από τη γωνία που συνδέουν σημεία απείρως μακριά από ένα βαρυτικό σώμα. Αυτή η αφθονία συμμετριών, γνωστή ως ομάδα BMS, δίνει στον κενό χωρόχρονο μια τεράστια λανθάνουσα πολυπλοκότητα. Με απλά λόγια, υπάρχουν άπειροι τρόποι για να είναι ο χωροχρόνος κενός. Οι υπερμεταφράσεις δεν είναι τόσο εύκολο να οπτικοποιηθούν όσο το να κάνεις τρία βήματα προς τα δεξιά — και για δεκαετίες αντιστέκονταν στην απλή εξήγηση. Πολλοί φυσικοί βρήκαν τους ισχυρισμούς συγκεχυμένους και υποβάθμισαν τη σημασία των υπερμεταφράσεων και τις συνέπειές τους για τη γενική σχετικότητα. (Αποδείχθηκε επίσης ότι το BMS είχε χάσει μερικές -καλά, απείρως πολλές- συμμετρίες που ονομάζονται «υπερστροφές».) «Η βιβλιογραφία είναι απλώς γεμάτη λάθη, επειδή δεν έγινε κατανοητό το σωστό πλαίσιο», λέει ο Στρόμινγκερ. "Νομίζω ότι οι άνθρωποι δεν το πίστευαν πραγματικά και συνέχισαν να προσπαθούν να βρουν κάποιον τρόπο να το σκοτώσουν."

Αλλά τα τελευταία χρόνια, ο Στρόμινγκερ έχει ξεκαθαρίσει τι είναι οι υπερμεταφράσεις και η εικόνα του θα μπορούσε να έχει βαθιές επιπτώσεις στην κατανόησή μας για το κενό και τις μαύρες τρύπες. Εμπνεύστηκε από ένα φαινομενικά ανεξάρτητο, αλλά εξίσου περίπλοκο, αίνιγμα στη σωματιδιακή φυσική. Στη δεκαετία του 1930, οι Felix Bloch και Arnold Nordsieck υπολόγισαν ότι αν συγκρούσεις δύο φωτόνια που έχουν μηδενική ενέργεια—είναι «μαλακά σωματίδια», στη γλώσσα— η πιθανότητα ενός δεδομένου αποτελέσματος είναι ανεξάρτητη από τον αριθμό των σωματιδίων που παράγονται και άλλες λεπτομέρειες. . Οι φυσικοί αργότερα έδειξαν ότι το ίδιο ισχύει και για άλλους τύπους σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένου του graviton, του υποθετικού σωματιδίου που θα λειτουργούσε ως φορέας της βαρύτητας. Στην πραγματικότητα, όλα τα σωματίδια φαίνονται ίδια με χαμηλή ενέργεια.

Ο Στρόμινγκερ λέει ότι οι ερευνητές έλαβαν αυτή τη συμπεριφορά ως ενσωματωμένο χαρακτηριστικό της κβαντικής θεωρίας πεδίου, έχοντας τη δύναμη των μαθηματικών θεωρημάτων και δεν είδαν την ανάγκη να αναζητήσουν μια βαθύτερη εξήγηση. Αλλά συνδέοντας αυτό το περίεργο χαρακτηριστικό που είναι κοινό σε όλα τα σωματίδια μηδενικής ενέργειας με την ομάδα BMS, βρήκε έναν τρόπο να δώσει στις υπερμεταφράσεις ένα συγκεκριμένο νόημα:Μια υπερμετάφραση, λέει, προσθέτει μαλακά σωματίδια στον χωροχρόνο.

Αυτή η συνειδητοποίηση, με τη σειρά της, παρέχει μια σαφέστερη εικόνα του πώς ένας φαινομενικά κενός χωροχρόνος που απέχει πολύ από οποιαδήποτε βαρυτικά σώματα μπορεί να διατηρήσει ένα υπόλειμμα των επιπτώσεων της βαρύτητας. Βάλτε ένα μαλακό σωματίδιο στο κενό και, αν και δεν προσθέτει ενέργεια, συνεισφέρει στη γωνιακή του ορμή και άλλες ιδιότητές του, φέρνοντας έτσι το κενό σε μια νέα εκδοχή του εαυτού του. Ο Στρόμινγκερ συνειδητοποίησε ότι εάν το κενό μπορεί να λάβει πολλές μορφές, θα διατηρήσει ένα σχεδόν ομοιοπαθητικό αποτύπωμα του τι περνά μέσα από αυτό.

Ο θεωρητικός της βαρύτητας Abhay Ashtekar του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια, στο State College, του οποίου η εργασία στη δεκαετία του 1980 έθεσε τις βάσεις για αυτή τη νέα κατανόηση των επιδράσεων μεγάλης εμβέλειας της βαρύτητας, αποκαλεί τη σύνδεση του Strominger μεταξύ της φυσικής του κενού χωροχρόνου και των μαλακών θεωρημάτων της σωματιδιακής φυσικής «σπερματική .» Ο θεωρητικός Nima Arkani-Hamed του Ινστιτούτου Προηγμένων Μελετών, στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ, θαυμάζει επίσης την προσέγγιση του Στρόμινγκερ. «Ο Στρόμινγκερ και οι συν-συγγραφείς του έχουν ερμηνεύσει όμορφα αυτά τα κλασικά γεγονότα σε μια γλώσσα συμμετρίας», λέει. "Είναι πολύ όμορφο."

Αλλά δεν είναι όλοι τόσο ερωτευμένοι με τη διαισθητική εικόνα του Στρόμινγκερ για τις συμμετρίες στο κενό. Οι φιλόσοφοι, που ειδικεύονται στην εξέταση των ερμηνειών που προσφέρουν οι επιστήμονες, φαίνονται ιδιαίτερα αμφίβολοι. «Είμαι βαθιά δύσπιστος για τις περισσότερες από αυτές τις προσπάθειες να δοθούν στα φορτία BMS μια ουσιαστική φυσική ερμηνεία», λέει ο Erik Curiel από το Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilians, στο Μόναχο της Γερμανίας. Υποψιάζεται ότι οι υποτιθέμενες συμμετρίες είναι τεχνουργήματα των εξιδανικεύσεων που χρησιμοποιούνται στην ανάλυση και δεν πρέπει να λαμβάνονται υπερβολικά κυριολεκτικά. Ο James Owen Weatherall από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine, συμφωνεί:«Είναι καθαρά μαθηματικά». (Τόσο ο Curiel όσο και ο Weatherall έχουν υπόβαθρο στη σχετική φυσική.)

Εφέ μνήμης

Ωστόσο, οι φυσικοί αναζητούν στοιχεία για ένα παρατηρήσιμο «φαινόμενο μνήμης» που άφησε πίσω του η βαρύτητα, το οποίο θα μπορούσε σύντομα να εντοπιστεί σε ένα εργαστήριο. Στη δεκαετία του 1970, οι Σοβιετικοί φυσικοί Yakov Zel'dovich και Alexander Polnarev πρότειναν ότι τα βαρυτικά κύματα δεν θα προκαλούσαν μόνο μια φευγαλέα ταλάντωση σε έναν ανιχνευτή, όπως αυτές που συλλαμβάνονται από τους καθρέφτες του συστήματος LIGO, αλλά θα άφηναν επίσης μια μόνιμη μετατόπιση. . "Οι καθρέφτες ταλαντεύονται και, αφού περάσει το κύμα, δεν επιστρέφουν στην αρχική τους θέση", λέει ο Στρόμινγκερ.

Αυτό το φαινόμενο μνήμης έχει νόημα όταν σκέφτεστε την εικόνα του χωροχρόνου του Compère ως κρύσταλλο. Η διέλευση ενός βαρυτικού κύματος είναι σαν μια εξάρθρωση στον κρύσταλλο - μια μετατόπιση στο πλέγμα. «Το αποτέλεσμα αυτής της εξάρθρωσης είναι ότι δύο παρατηρητές αρχικά σε ηρεμία και χωρισμένοι κατά κάποια απόσταση, θα μετατοπιστούν, αφού περάσει το κύμα, κατά ένα πεπερασμένο ποσό», λέει ο Compère. Σύμφωνα με τον Yuri Levin του Πανεπιστημίου Columbia, το μέγεθος της μετατόπισης είναι περίπου το 5 τοις εκατό του πλάτους της ταλάντωσης και μπορεί να φανεί από μια μελλοντική ενημέρωση LIGO. Άλλοι πειραματιστές σχεδιάζουν να αναζητήσουν τα ανάλογα αποτελέσματα μνήμης για ηλεκτρομαγνητικές και πυρηνικές δυνάμεις.

Παράδοξο πληροφοριών

Η αρχή της μνήμης θα μπορούσε ακόμη και να λύσει το παράδοξο πληροφοριών της μαύρης τρύπας που ανακάλυψε ο Χόκινγκ τη δεκαετία του 1970. Στη συνήθη ανάλυση, οι μαύρες τρύπες είναι παθολογικά ξεχασμένες. Το μόνο αρχείο που κρατούν για την ύλη που πέφτει είναι η μάζα, το σπιν και το ηλεκτρικό της φορτίο. Με την πάροδο του χρόνου, οι μαύρες τρύπες σταδιακά απομακρύνουν τα σωματίδια - με τη μορφή της ακτινοβολίας Hawking - τελικά συρρικνώνονται εντελώς. Οι πιο λεπτές λεπτομέρειες του καταπιμένου περιεχομένου τους χάνονται και θεωρείται ότι έχουν καταστραφεί. Το παράδοξο προκύπτει επειδή τέτοια πλήρης αμνησία δεν υποτίθεται ότι συμβαίνει ποτέ στη φυσική. Αλλά το 2016, σε συνεργασία με τον θεωρητικό του Hawking και του Cambridge, Malcolm Perry, ο Strominger πρότεινε ότι το κενό της γενικής σχετικότητας μπορεί να παρέχει μια μήτρα μνήμης που διατηρεί αυτές τις πληροφορίες στο σύμπαν, πέρα ​​από το θάνατο της μαύρης τρύπας. Μια μαύρη τρύπα σχηματίζεται σε μια άδεια περιοχή του χωροχρόνου. αφού εξατμιστεί, αυτή η περιοχή είναι άδεια για άλλη μια φορά. Αλλά είναι ένα διαφορετικό κενό.

Είναι λογικό κατ' αρχήν, αλλά για ορισμένους φυσικούς οι λεπτομέρειες για το πώς ακριβώς διαφεύγουν οι πληροφορίες από τη μαύρη τρύπα είναι πρόχειρες. «Η πραγματική δημοσίευση των Hawking-Perry-Strominger δεν λέει τίποτα για το πώς οι υπερμεταφράσεις μπορούν να αντλήσουν πληροφορίες», λέει ο Samir Mathur του Ohio State University.

Όποια και αν είναι η λύση τελικά, είναι λογικό ότι η καλύτερη κατανόηση της γενικής σχετικότητας μπορεί μόνο να βοηθήσει τους φυσικούς να αναπτύξουν μια θεωρία διαδόχου χωρίς παράδοξα. Τώρα που έχουν καταγράψει πλήρως τις συμμετρίες του χωροχρόνου, ο Στρόμινγκερ και άλλοι μπορούν να αναζητήσουν τρόπους που θα μπορούσε να προκύψει από ένα πιο θεμελιώδες σύστημα. Έτσι, την επόμενη φορά που θα δείτε δύο τύπους που φαίνονται σχεδόν ίδιοι, εκτός από κάποια περίεργη κεφαλαιοποίηση, δώστε προσοχή. Μπορείτε επίσης να βρείτε μια βαθιά σύνδεση που είχε κρυφτεί σε κοινή θέα.

Ο George Musser είναι επιστημονικός συγγραφέας και εκδότης και συγγραφέας δύο βιβλίων, The Complete Idiot’s Guide to String Theory and Απόκοσμη δράση από απόσταση. Είναι επί του παρόντος Επισκέπτης Διευθυντή στο Ινστιτούτο Προηγμένων Σπουδών στο Πρίνστον, Νιου Τζέρι

Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε αρχικά στον κοινοτικό ιστότοπο του FQXi (Foundational Questions Institute).