Το πρόβλημα με τις θεωρίες των πάντων
Κάθε φορά που λέτε οτιδήποτε για την καθημερινότητά σας, υπονοείται μια ζυγαριά. Δοκίμασέ το. Το "Είμαι πολύ απασχολημένος" λειτουργεί μόνο για μια υποτιθέμενη χρονική κλίμακα:σήμερα, για παράδειγμα, ή αυτήν την εβδομάδα. Όχι αυτόν τον αιώνα ή αυτό το νανοδευτερόλεπτο. Το "οι φόροι είναι επαχθή" έχει νόημα μόνο για ένα συγκεκριμένο εύρος εισοδήματος. Και ούτω καθεξής.
Σίγουρα ο ίδιος περιορισμός δεν ισχύει στην επιστήμη, θα πείτε. Εξάλλου, για αιώνες μετά την εισαγωγή της επιστημονικής μεθόδου, η συμβατική σοφία υποστήριζε ότι υπήρχαν θεωρίες που ίσχυαν απολύτως για όλες τις κλίμακες, ακόμα κι αν δεν μπορούσαμε ποτέ να είμαστε εμπειρικά βέβαιοι για αυτό εκ των προτέρων. Ο παγκόσμιος νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα, για παράδειγμα, ήταν τελικά παγκόσμιος! Εφαρμόστηκε σε μήλα που πέφτουν και πλανήτες που πέφτουν εξίσου, και αντιπροσώπευε κάθε σημαντική παρατήρηση που έγινε κάτω από τον ήλιο, αλλά και πάνω από αυτόν.
Με την έλευση της σχετικότητας, και της γενικής σχετικότητας ειδικότερα, κατέστη σαφές ότι ο νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα ήταν απλώς μια προσέγγιση μιας πιο θεμελιώδους θεωρίας. Αλλά η πιο θεμελιώδης θεωρία, η γενική σχετικότητα, ήταν τόσο μαθηματικά όμορφη που φαινόταν λογικό να υποθέσει κανείς ότι κωδικοποίησε τέλεια και πλήρως τη συμπεριφορά του χώρου και του χρόνου παρουσία μάζας και ενέργειας.
Η έλευση της κβαντικής μηχανικής άλλαξε τα πάντα. Όταν η κβαντική μηχανική συνδυάζεται με τη σχετικότητα, αποδεικνύεται, μάλλον απροσδόκητα στην πραγματικότητα, ότι η λεπτομερής φύση των φυσικών νόμων που διέπουν την ύλη και την ενέργεια στην πραγματικότητα εξαρτάται από τη φυσική κλίμακα στην οποία τις μετράτε. Αυτό οδήγησε στη μεγαλύτερη ίσως αφανή επιστημονική επανάσταση στον 20ο αιώνα:Δεν γνωρίζουμε καμία θεωρία που να έρχεται σε επαφή με τον εμπειρικό κόσμο και να είναι απολύτως και πάντα αληθινή. (Δεν οραματίζομαι αυτό να αλλάξει σύντομα, παρά τις ελπίδες των θεωρητικών χορδών.) Παρόλα αυτά, οι θεωρητικοί φυσικοί έχουν αφιερώσει σημαντική ενέργεια στο να κυνηγήσουν ακριβώς αυτό το είδος θεωρίας. Λοιπόν, τι συμβαίνει; Είναι μια καθολική θεωρία θεμιτός στόχος ή η επιστημονική αλήθεια θα εξαρτάται πάντα από την κλίμακα;
Ο συνδυασμός της κβαντικής μηχανικής και της σχετικότητας συνεπάγεται ένα άμεσο πρόβλημα κλιμάκωσης. Η περίφημη αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg, η οποία βρίσκεται στην καρδιά της κβαντικής μηχανικής, υπονοεί ότι σε μικρές κλίμακες, για σύντομο χρονικό διάστημα, είναι αδύνατο να περιοριστεί πλήρως η συμπεριφορά των στοιχειωδών σωματιδίων. Υπάρχει μια εγγενής αβεβαιότητα στην ενέργεια και τη ροπή που δεν μπορεί ποτέ να μειωθεί. Όταν αυτό το γεγονός συνδυάζεται με την ειδική σχετικότητα, το συμπέρασμα είναι ότι στην πραγματικότητα δεν μπορείτε να περιορίσετε τον αριθμό των σωματιδίων που υπάρχουν σε έναν μικρό όγκο για σύντομο χρονικό διάστημα. Τα λεγόμενα "εικονικά σωματίδια" μπορούν να εισέλθουν και να βγαίνουν από το κενό σε τόσο σύντομες χρονικές κλίμακες που δεν μπορείτε να μετρήσετε απευθείας την παρουσία τους.
Ένα εντυπωσιακό αποτέλεσμα αυτού είναι ότι όταν μετράμε τη δύναμη μεταξύ των ηλεκτρονίων, ας πούμε, το πραγματικό μετρούμενο φορτίο στο ηλεκτρόνιο - αυτό που καθορίζει πόσο ισχυρή είναι η ηλεκτρική δύναμη - εξαρτάται από την κλίμακα σε ποια κλίμακα τη μετράτε. Όσο πιο κοντά πλησιάζετε στο ηλεκτρόνιο, τόσο πιο βαθιά διεισδύετε μέσα στο «σύννεφο» των εικονικών σωματιδίων που περιβάλλουν το ηλεκτρόνιο. Εφόσον τα θετικά εικονικά σωματίδια έλκονται από το ηλεκτρόνιο, όσο πιο βαθιά διεισδύετε στο νέφος, τόσο λιγότερο το θετικό νέφος και περισσότερο το αρνητικό φορτίο στο ηλεκτρόνιο βλέπετε.
Στη συνέχεια, όταν ξεκινήσετε να υπολογίσετε τη δύναμη μεταξύ δύο σωματιδίων, θα πρέπει να συμπεριλάβετε τα αποτελέσματα όλων των πιθανών εικονικών σωματιδίων που θα μπορούσαν να βγουν από τον κενό χώρο κατά την περίοδο μέτρησης της δύναμης. Αυτό περιλαμβάνει σωματίδια με αυθαίρετα μεγάλες ποσότητες μάζας και ενέργειας, που εμφανίζονται για αυθαίρετα μικρά χρονικά διαστήματα. Όταν συμπεριλαμβάνετε τέτοια εφέ, η υπολογιζόμενη δύναμη είναι άπειρη.
Ο Ρίτσαρντ Φάινμαν μοιράστηκε το βραβείο Νόμπελ επειδή κατέληξε σε μια μέθοδο για τον σταθερό υπολογισμό μιας πεπερασμένης υπολειπόμενης δύναμης μετά την εξαγωγή ποικίλων κατά τα άλλα διφορούμενων απείρων. Ως αποτέλεσμα, μπορούμε τώρα να υπολογίσουμε, από θεμελιώδεις αρχές, ποσότητες όπως η μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου σε 10 σημαντικά ψηφία, συγκρίνοντάς την με πειράματα σε επίπεδο που δεν μπορεί να επιτευχθεί σε κανέναν άλλο τομέα της επιστήμης.
Αλλά ο Φάινμαν ήταν τελικά απογοητευμένος με ό,τι είχε καταφέρει - κάτι που είναι ξεκάθαρο από τη διάλεξή του για το Νόμπελ το 1965, όπου είπε:«Νομίζω ότι η θεωρία της επανακανονικοποίησης είναι απλώς ένας τρόπος να σαρώσει τις δυσκολίες των αποκλίσεων της ηλεκτροδυναμικής κάτω από το χαλί». Σκέφτηκε ότι καμία λογική ολοκληρωμένη θεωρία δεν θα έπρεπε να παράγει άπειρα εξαρχής και ότι τα μαθηματικά κόλπα που είχαν αναπτύξει ο ίδιος και άλλοι ήταν τελικά ένα είδος χαζούρας.
Τώρα, όμως, καταλαβαίνουμε τα πράγματα διαφορετικά. Οι ανησυχίες του Φάινμαν ήταν, κατά μία έννοια, άστοχες. Το πρόβλημα δεν ήταν με τη θεωρία, αλλά με την προσπάθεια να προωθηθεί η θεωρία πέρα από την κλίμακα όπου παρέχει τη σωστή περιγραφή της φύσης.
Υπάρχει λόγος που τα άπειρα που παράγονται από εικονικά σωματίδια με αυθαίρετα μεγάλες μάζες και ενέργειες δεν είναι φυσικά σχετικά:Βασίζονται στην εσφαλμένη υπόθεση ότι η θεωρία είναι πλήρης. Ή, με άλλο τρόπο, ότι η θεωρία περιγράφει τη φυσική σε όλες τις κλίμακες, ακόμη και σε αυθαίρετα μικρές κλίμακες απόστασης και χρόνου. Αλλά αν περιμένουμε ότι οι θεωρίες μας θα είναι πλήρεις, αυτό σημαίνει ότι πριν μπορέσουμε να έχουμε μια θεωρία για το οτιδήποτε , θα έπρεπε πρώτα να έχουμε μια θεωρία για τα όλα —μια θεωρία που περιλάμβανε τα αποτελέσματα όλων των στοιχειωδών σωματιδίων που έχουμε ήδη ανακαλύψει, συν όλα τα σωματίδια που δεν έχουμε ανακαλύψει ακόμη! Αυτό δεν είναι πρακτικό στην καλύτερη περίπτωση και αδύνατο στη χειρότερη.
Έτσι, οι θεωρίες που έχουν νόημα δεν πρέπει να είναι ευαίσθητες, στις κλίμακες που μπορούμε να μετρήσουμε στο εργαστήριο, στα αποτελέσματα πιθανής νέας φυσικής σε πολύ μικρότερες κλίμακες αποστάσεων (ή λιγότερο πιθανό, σε πολύ μεγαλύτερες κλίμακες). Αυτό δεν είναι απλώς μια πρακτική λύση ενός προσωρινού προβλήματος, το οποίο αναμένουμε ότι θα εξαφανιστεί καθώς προχωράμε προς όλο και καλύτερες περιγραφές της φύσης. Δεδομένου ότι η εμπειρική μας γνώση είναι πιθανό να είναι πάντα εν μέρει ελλιπής, οι θεωρίες που εργάζονται για να εξηγήσουν αυτό το μέρος του σύμπαντος που μπορούμε να διερευνήσουμε θα είναι, από πρακτική ανάγκη, μη ευαίσθητες σε πιθανή νέα φυσική σε κλίμακες πέρα από την τρέχουσα εμβέλειά μας. Είναι ένα χαρακτηριστικό της επιστημολογίας μας και κάτι που δεν εκτιμούσαμε πλήρως προτού αρχίσουμε να εξερευνούμε τις ακραίες κλίμακες όπου η κβαντική μηχανική και η σχετικότητα γίνονται τόσο σημαντικές.
Αυτό ισχύει ακόμη και για την καλύτερη φυσική θεωρία που έχουμε στη φύση:την κβαντική ηλεκτροδυναμική, η οποία περιγράφει τις κβαντικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρονίων και φωτός. Ο λόγος που μπορούμε, ακολουθώντας το παράδειγμα του Feynman, να πετάξουμε ατιμώρητα τα άπειρα που παράγει η θεωρία είναι ότι είναι τεχνητά. Αντιστοιχούν στην παρέκταση της θεωρίας σε τομείς όπου πιθανώς δεν ισχύει πλέον. Ο Φάινμαν έκανε λάθος που απογοητεύτηκε με τη δική του επιτυχία στους ελιγμούς γύρω από αυτά τα άπειρα - αυτό είναι το καλύτερο που θα μπορούσε να κάνει χωρίς να κατανοήσει τη νέα φυσική σε κλίμακες πολύ μικρότερες από ό,τι θα μπορούσε να είχε ερευνηθεί εκείνη την εποχή. Ακόμη και σήμερα, μισό αιώνα αργότερα, η θεωρία που κυριαρχεί στις κλίμακες όπου η κβαντική ηλεκτροδυναμική δεν είναι πλέον η σωστή περιγραφή αναμένεται να καταρρεύσει σε ακόμη μικρότερες κλίμακες.
Υπάρχει μια εναλλακτική αφήγηση στην ιστορία της κλίμακας στη φυσική θεωρία. Αντί να διαχωρίζονται νομίμως οι θεωρίες στους μεμονωμένους τομείς τους, εκτός των οποίων είναι αναποτελεσματικές, τα επιχειρήματα κλιμάκωσης έχουν αποκαλύψει κρυφές συνδέσεις μεταξύ των θεωριών και έχουν δείξει τον δρόμο για νέες ενοποιημένες θεωρίες που καλύπτουν τις αρχικές θεωρίες και ισχύουν οι ίδιες σε ευρύτερη κλίμακα. /P>
Για παράδειγμα, όλο το hoopla τα τελευταία χρόνια που σχετίζεται με την ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs οφειλόταν στο γεγονός ότι ήταν ο τελευταίος κρίκος που έλειπε σε μια θεωρία που ενοποιεί την κβαντική ηλεκτροδυναμική με μια άλλη δύναμη, που ονομάζεται ασθενής αλληλεπίδραση. Αυτές είναι δύο από τις τέσσερις γνωστές δυνάμεις στη φύση, και στην επιφάνεια φαίνονται πολύ διαφορετικές. Αλλά τώρα καταλαβαίνουμε ότι σε πολύ μικρές κλίμακες και πολύ υψηλές ενέργειες, οι δύο δυνάμεις μπορούν να γίνουν κατανοητές ως διαφορετικές εκδηλώσεις της ίδιας υποκείμενης δύναμης, που ονομάζεται ηλεκτροαδύναμη δύναμη.
Το Scale έχει επίσης παρακινήσει τους φυσικούς να προσπαθήσουν να ενοποιήσουν μια άλλη από τις βασικές δυνάμεις της φύσης, την ισχυρή δύναμη, σε μια ευρύτερη θεωρία. Η ισχυρή δύναμη, που δρα στα κουάρκ που αποτελούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια, αντιστάθηκε στην κατανόηση μέχρι το 1973. Εκείνη τη χρονιά, τρεις θεωρητικοί, ο David Gross, ο Frank Wilczek και ο David Politzer, απέδειξαν κάτι εντελώς απροσδόκητο και αξιοσημείωτο. Έδειξαν ότι μια υποψήφια θεωρία για να περιγράψει αυτή τη δύναμη, που ονομάζεται κβαντική χρωμοδυναμική —σε αναλογία με την κβαντική ηλεκτροδυναμική— διέθετε μια ιδιότητα που ονόμασαν «Ασυμπτωτική Ελευθερία».
Η Ασυμπτωτική Ελευθερία κάνει την ισχυρή δύναμη μεταξύ των κουάρκ να εξασθενεί καθώς τα κουάρκ έρχονται πιο κοντά μεταξύ τους. Αυτό εξήγησε όχι μόνο ένα πειραματικό φαινόμενο που είχε γίνει γνωστό ως «κλιμάκωση» -όπου τα κουάρκ μέσα σε πρωτόνια φαινόταν να συμπεριφέρονται σαν να ήταν ανεξάρτητα μη αλληλεπιδρώντα σωματίδια σε υψηλές ενέργειες και μικρές αποστάσεις- αλλά επίσης πρόσφερε τη δυνατότητα να εξηγηθεί γιατί δεν υπάρχει δωρεάν τα κουάρκ παρατηρούνται στη φύση. Εάν η ισχυρή δύναμη γίνει πιο αδύναμη σε μικρές αποστάσεις, πιθανώς μπορεί να είναι αρκετά ισχυρή σε μεγάλες αποστάσεις για να διασφαλίσει ότι δεν θα διαφύγουν ποτέ ελεύθερα κουάρκ από τους συντρόφους τους.
Η ανακάλυψη ότι η ισχυρή δύναμη γίνεται πιο αδύναμη σε μικρές αποστάσεις, ενώ ο ηλεκτρομαγνητισμός, που ενώνεται με την ασθενή δύναμη, γίνεται ισχυρότερος σε μικρές αποστάσεις, οδήγησε τους θεωρητικούς στη δεκαετία του 1970 να προτείνουν ότι σε αρκετά μικρές κλίμακες, ίσως 15 τάξεις μεγέθους μικρότερες από μέγεθος ενός πρωτονίου, και οι τρεις δυνάμεις (ισχυρές, αδύναμες και ηλεκτρομαγνητικές) ενοποιούνται μαζί ως μια ενιαία δύναμη σε αυτό που έχει γίνει γνωστό ως Μεγάλη Ενοποιημένη Θεωρία. Τα τελευταία 40 χρόνια ψάχναμε για άμεσες αποδείξεις γι' αυτό - στην πραγματικότητα ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων μόλις τώρα ψάχνει για ένα ολόκληρο σύνολο νέων στοιχειωδών σωματιδίων που φαίνεται να είναι απαραίτητα για να είναι σωστή η κλιμάκωση των τριών δυνάμεων. Ωστόσο, ενώ υπάρχουν έμμεσα στοιχεία, δεν έχει βρεθεί ακόμη όπλο άμεσου καπνίσματος.
Φυσικά, οι προσπάθειες για ενοποίηση τριών από τις τέσσερις γνωστές δυνάμεις οδήγησαν σε περαιτέρω προσπάθειες για την ενσωμάτωση της τέταρτης δύναμης, της βαρύτητας, στο μείγμα. Για να γίνει αυτό, έχουν γίνει προτάσεις ότι η ίδια η βαρύτητα είναι απλώς μια αποτελεσματική θεωρία και σε αρκετά μικρές κλίμακες συγχωνεύεται με τις άλλες δυνάμεις, αλλά μόνο εάν υπάρχει μια σειρά από επιπλέον χωρικές διαστάσεις στη φύση που δεν παρατηρούμε. Αυτή η θεωρία, που συχνά αποκαλείται θεωρία υπερχορδών, προκάλεσε μεγάλο ενθουσιασμό μεταξύ των θεωρητικών στις δεκαετίες του 1980 και του 1990, αλλά μέχρι σήμερα δεν υπάρχει καμία απόδειξη ότι περιγράφει πραγματικά το σύμπαν στο οποίο ζούμε.
Εάν το κάνει, τότε θα διαθέτει ένα μοναδικό και νέο χαρακτηριστικό. Η θεωρία υπερχορδών μπορεί τελικά να μην παράγει καθόλου άπειρα. Ως εκ τούτου, έχει τη δυνατότητα εφαρμογής σε όλες τις κλίμακες απόστασης, όσο μικρή κι αν είναι. Για το λόγο αυτό έχει γίνει γνωστό σε ορισμένους ως «θεωρία των πάντων» — αν και, στην πραγματικότητα, η κλίμακα όπου όλα τα εξωτικά στοιχεία της θεωρίας θα εμφανίζονταν στην πραγματικότητα είναι τόσο μικρή ώστε να είναι ουσιαστικά σωματικά άσχετη όσο θα μπορούσαν να προβλεφθούν πειραματικές μετρήσεις ανησυχείτε.
Η αναγνώριση της εξάρτησης της κλίμακας της κατανόησής μας της φυσικής πραγματικότητας μας οδήγησε, με την πάροδο του χρόνου, σε μια προτεινόμενη θεωρία - τη θεωρία χορδών - για την οποία αυτός ο περιορισμός εξαφανίζεται. Είναι αυτή η προσπάθεια αντανάκλαση ενός άστοχου θράσους από θεωρητικούς φυσικούς που είναι συνηθισμένοι στην επιτυχία μετά την επιτυχία στην κατανόηση της πραγματικότητας σε όλο και μικρότερη κλίμακα;
Αν και δεν γνωρίζουμε τις απαντήσεις σε αυτή την ερώτηση, θα πρέπει, τουλάχιστον, να είμαστε δύσπιστοι. Δεν υπάρχει μέχρι στιγμής παράδειγμα όπου μια τόσο μεγάλη παρέκταση όσο αυτή που σχετίζεται με τη θεωρία χορδών, που δεν βασίζεται σε άμεσα πειραματικά ή παρατηρητικά αποτελέσματα, να έχει παράσχει ένα επιτυχημένο μοντέλο της φύσης. Επιπλέον, όσο περισσότερα μαθαίνουμε για τη θεωρία χορδών, τόσο πιο περίπλοκη φαίνεται να είναι και πολλές πρώτες προσδοκίες για την οικουμενικότητα της μπορεί να ήταν αισιόδοξες.
Τουλάχιστον εξίσου πιθανή είναι η πιθανότητα ότι η φύση, όπως υπέθεσε κάποτε ο Feynman, θα μπορούσε να είναι σαν ένα κρεμμύδι, με έναν τεράστιο αριθμό στρωμάτων. Καθώς ξεφλουδίζουμε κάθε στρώμα, μπορεί να διαπιστώσουμε ότι οι όμορφες υπάρχουσες θεωρίες μας εντάσσονται σε ένα νέο και μεγαλύτερο πλαίσιο. Έτσι, θα υπήρχε πάντα νέα φυσική προς ανακάλυψη και δεν θα υπήρχε ποτέ μια τελική, καθολική θεωρία που να ισχύει για όλες τις κλίμακες του χώρου και του χρόνου, χωρίς τροποποίηση.
Ποιος δρόμος είναι ο πραγματικός δρόμος προς την πραγματικότητα είναι προς όφελος. Αν γνωρίζαμε τη σωστή διαδρομή προς την ανακάλυψη, δεν θα ήταν ανακάλυψη. Ίσως η δική μου προτίμηση να βασίζεται απλώς σε μια άστοχη ελπίδα για συνεχή ασφάλεια εργασίας για τους φυσικούς! Αλλά μου αρέσει επίσης η πιθανότητα να υπάρχουν για πάντα μυστήρια προς επίλυση. Γιατί η ζωή χωρίς μυστήριο μπορεί να γίνει πολύ βαρετή, σε οποιαδήποτε κλίμακα.
Ο Lawrence M. Krauss είναι θεωρητικός φυσικός και κοσμολόγος, Διευθυντής του Προγράμματος Origins και Καθηγητής Ιδρύματος στη Σχολή Εξερεύνησης της Γης και του Διαστήματος στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. Είναι επίσης συγγραφέας βιβλίων με μπεστ σέλερ συμπεριλαμβανομένων Ένα Σύμπαν από το Τίποτα και The Physics of Star Trek.
