Γιατί μια παλιά θεωρία των πάντων αποκτά νέα ζωή
Είκοσι πέντε σωματίδια και τέσσερις δυνάμεις. Αυτή η περιγραφή - το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων - αποτελεί την καλύτερη τρέχουσα εξήγηση των φυσικών για τα πάντα. Είναι τακτοποιημένο και απλό, αλλά κανείς δεν είναι απόλυτα ευχαριστημένος με αυτό. Αυτό που εκνευρίζει περισσότερο τους φυσικούς είναι ότι μια από τις δυνάμεις - η βαρύτητα - προεξέχει σαν επώδυνος αντίχειρας σε ένα χέρι με τέσσερα δάχτυλα. Η βαρύτητα είναι διαφορετική.
Σε αντίθεση με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη και τις ισχυρές και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις, η βαρύτητα δεν είναι μια κβαντική θεωρία. Αυτό δεν είναι μόνο αισθητικά δυσάρεστο, είναι επίσης ένας μαθηματικός πονοκέφαλος. Γνωρίζουμε ότι τα σωματίδια έχουν και κβαντικές ιδιότητες και βαρυτικά πεδία, επομένως το βαρυτικό πεδίο θα πρέπει να έχει κβαντικές ιδιότητες όπως τα σωματίδια που το προκαλούν. Αλλά μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας ήταν δύσκολο να βρεθεί.
Στη δεκαετία του 1960, ο Richard Feynman και ο Bryce DeWitt ξεκίνησαν να κβαντίσουν τη βαρύτητα χρησιμοποιώντας τις ίδιες τεχνικές που είχαν μετατρέψει επιτυχώς τον ηλεκτρομαγνητισμό στην κβαντική θεωρία που ονομάζεται κβαντική ηλεκτροδυναμική. Δυστυχώς, όταν εφαρμόστηκαν στη βαρύτητα, οι γνωστές τεχνικές οδήγησαν σε μια θεωρία που, όταν προέκταση σε υψηλές ενέργειες, μαστιζόταν από έναν άπειρο αριθμό απείρων. Αυτή η κβαντοποίηση της βαρύτητας θεωρήθηκε αθεράπευτα άρρωστη, μια προσέγγιση χρήσιμη μόνο όταν η βαρύτητα είναι ασθενής.
Από τότε, οι φυσικοί έχουν κάνει πολλές άλλες προσπάθειες κβαντισμού της βαρύτητας με την ελπίδα να βρουν μια θεωρία που θα λειτουργούσε επίσης όταν η βαρύτητα είναι ισχυρή. Η θεωρία χορδών, η κβαντική βαρύτητα βρόχου, ο αιτιώδης δυναμικός τριγωνισμός και μερικά άλλα έχουν στοχεύσει προς αυτόν τον στόχο. Μέχρι στιγμής, καμία από αυτές τις θεωρίες δεν έχει πειραματικά στοιχεία που να το μιλούν. Καθένα έχει μαθηματικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, και δεν φαίνεται να υπάρχει σύγκλιση. Αλλά ενώ αυτές οι προσεγγίσεις συναγωνίζονταν για την προσοχή, ένας παλιός αντίπαλος έχει προλάβει.
Η θεωρία που ονομάζεται ασυμπτωτικά (as-em-TOT-ick-lee) ασφαλής βαρύτητα προτάθηκε το 1978 από τον Steven Weinberg. Ο Γουάινμπεργκ, ο οποίος μόλις ένα χρόνο αργότερα θα μοιραζόταν το Νόμπελ με τον Σέλντον Λι Γκλάσοου και τον Άμπντους Σαλάμ για την ενοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής και της αδύναμης πυρηνικής δύναμης, συνειδητοποίησε ότι τα προβλήματα με την αφελή κβαντοποίηση της βαρύτητας δεν αποτελούν θάνατο για τη θεωρία. Παρόλο που φαίνεται ότι η θεωρία καταρρέει όταν προεκταθεί σε υψηλές ενέργειες, αυτή η κατανομή μπορεί να μην πραγματοποιηθεί ποτέ. Αλλά για να μπορέσουν να πουν τι ακριβώς συμβαίνει, οι ερευνητές έπρεπε να περιμένουν νέες μαθηματικές μεθόδους που μόλις πρόσφατα έγιναν διαθέσιμες.
Στις κβαντικές θεωρίες, όλες οι αλληλεπιδράσεις εξαρτώνται από την ενέργεια στην οποία λαμβάνουν χώρα, πράγμα που σημαίνει ότι η θεωρία αλλάζει καθώς ορισμένες αλληλεπιδράσεις γίνονται πιο σχετικές, άλλες λιγότερο. Αυτή η αλλαγή μπορεί να ποσοτικοποιηθεί με τον υπολογισμό του τρόπου με τον οποίο οι αριθμοί που εισέρχονται στη θεωρία - που ονομάζονται συλλογικά «παράμετροι» - εξαρτώνται από την ενέργεια. Η ισχυρή πυρηνική δύναμη, για παράδειγμα, γίνεται αδύναμη σε υψηλές ενέργειες καθώς μια παράμετρος γνωστή ως σταθερά σύζευξης πλησιάζει το μηδέν. Αυτή η ιδιοκτησία είναι γνωστή ως «ασυμπτωτική ελευθερία» και άξιζε άλλο ένα βραβείο Νόμπελ, το 2004, στους Frank Wilczek, David Gross και David Politzer.
Μια θεωρία που είναι ασυμπτωτικά ελεύθερη έχει καλή συμπεριφορά σε υψηλές ενέργειες. δεν κάνει κανένα πρόβλημα. Η κβαντοποίηση της βαρύτητας δεν είναι αυτού του τύπου, αλλά, όπως παρατήρησε ο Weinberg, ένα πιο αδύναμο κριτήριο θα έκανε:Για να λειτουργήσει η κβαντική βαρύτητα, οι ερευνητές πρέπει να μπορούν να περιγράψουν τη θεωρία σε υψηλές ενέργειες χρησιμοποιώντας μόνο έναν πεπερασμένο αριθμό παραμέτρων. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με την κατάσταση που αντιμετωπίζουν στην αφελή παρέκταση, η οποία απαιτεί έναν άπειρο αριθμό απροσδιόριστων παραμέτρων. Επιπλέον, καμία από τις παραμέτρους δεν πρέπει να γίνει άπειρη. Αυτές οι δύο απαιτήσεις — ο αριθμός των παραμέτρων να είναι πεπερασμένος και οι ίδιες οι παράμετροι πεπερασμένες — καθιστούν μια θεωρία "ασυμπτωτικά ασφαλή".
Με άλλα λόγια, η βαρύτητα θα ήταν ασυμπτωτικά ασφαλής εάν η θεωρία στις υψηλές ενέργειες παραμένει εξίσου καλή με τη θεωρία στις χαμηλές ενέργειες. Από μόνο του, αυτό δεν είναι και πολύ μια διορατικότητα. Η επίγνωση προέρχεται από τη συνειδητοποίηση ότι αυτή η καλή συμπεριφορά δεν έρχεται απαραίτητα σε αντίθεση με όσα ήδη γνωρίζουμε για τη θεωρία στις χαμηλές ενέργειες (από τα πρώτα έργα των DeWitt και Feynman).
Αν και η ιδέα ότι η βαρύτητα μπορεί να είναι ασυμπτωτικά ασφαλής υπήρχε εδώ και τέσσερις δεκαετίες, ήταν μόλις στα τέλη της δεκαετίας του 1990, μέσω έρευνας από τον Christof Wetterrich, φυσικό στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης, και τον Martin Reuter, φυσικό στο Πανεπιστήμιο του Mainz, ότι ασυμπτωτικά ασφαλής βαρύτητα έπιασε. Τα έργα των Wetterrich και Reuter παρείχαν τον μαθηματικό φορμαλισμό που ήταν απαραίτητος για τον υπολογισμό του τι συμβαίνει με την κβαντική θεωρία της βαρύτητας σε υψηλότερες ενέργειες. Η στρατηγική του προγράμματος ασυμπτωτικής ασφάλειας, λοιπόν, είναι να ξεκινήσει με τη θεωρία σε χαμηλές ενέργειες και να χρησιμοποιήσει τις νέες μαθηματικές μεθόδους για να διερευνήσει πώς να φτάσει στην ασυμπτωτική ασφάλεια.
Λοιπόν, είναι η βαρύτητα ασυμπτωτικά ασφαλής; Κανείς δεν το έχει αποδείξει, αλλά οι ερευνητές χρησιμοποιούν αρκετά ανεξάρτητα επιχειρήματα για να υποστηρίξουν την ιδέα. Πρώτον, οι μελέτες των θεωριών βαρύτητας σε χωροχρόνους χαμηλότερης διάστασης, οι οποίες είναι πολύ πιο απλές να γίνουν, διαπιστώνουν ότι σε αυτές τις περιπτώσεις, η βαρύτητα είναι ασυμπτωτικά ασφαλής. Δεύτερον, οι κατά προσέγγιση υπολογισμοί υποστηρίζουν την πιθανότητα. Τρίτον, οι ερευνητές εφάρμοσαν τη γενική μέθοδο σε μελέτες απλούστερων, μη βαρυτικών θεωριών και βρήκαν ότι είναι αξιόπιστη.
Το κύριο πρόβλημα με την προσέγγιση είναι ότι οι υπολογισμοί στον πλήρη (άπειρες διαστάσεις!) χώρο της θεωρίας δεν είναι δυνατοί. Για να κάνουν τους υπολογισμούς εφικτούς, οι ερευνητές μελετούν ένα μικρό μέρος του χώρου, αλλά τα αποτελέσματα που προέκυψαν αποδίδουν μόνο ένα περιορισμένο επίπεδο γνώσης. Επομένως, παρόλο που οι υπάρχοντες υπολογισμοί είναι συνεπείς με την ασυμπτωτική ασφάλεια, η κατάσταση παρέμεινε ασαφής. Και υπάρχει ένα άλλο ερώτημα που έχει μείνει ανοιχτό. Ακόμα κι αν η θεωρία είναι ασυμπτωτικά ασφαλής, μπορεί να γίνει σωματικά χωρίς νόημα σε υψηλές ενέργειες επειδή μπορεί να σπάσει ορισμένα βασικά στοιχεία της κβαντικής θεωρίας.
Ακόμη και ακόμα, οι φυσικοί μπορούν ήδη να δοκιμάσουν τις ιδέες πίσω από την ασυμπτωτική ασφάλεια. Εάν η βαρύτητα είναι ασυμπτωτικά ασφαλής - δηλαδή, εάν η θεωρία συμπεριφέρεται καλά σε υψηλές ενέργειες - τότε αυτό περιορίζει τον αριθμό των θεμελιωδών σωματιδίων που μπορούν να υπάρχουν. Αυτός ο περιορισμός θέτει την ασυμπτωτικά ασφαλή βαρύτητα σε αντίθεση με ορισμένες από τις επιδιωκόμενες προσεγγίσεις για τη μεγάλη ενοποίηση. Για παράδειγμα, η απλούστερη εκδοχή της υπερσυμμετρίας - μια πολύ δημοφιλής θεωρία που προβλέπει ένα αδελφό σωματίδιο για κάθε γνωστό σωματίδιο - δεν είναι ασυμπτωτικά ασφαλής. Η απλούστερη εκδοχή της υπερσυμμετρίας έχει εν τω μεταξύ αποκλειστεί από πειράματα στο LHC, όπως και μερικές άλλες προτεινόμενες επεκτάσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου. Αν όμως οι φυσικοί είχαν μελετήσει εκ των προτέρων την ασυμπτωτική συμπεριφορά, θα μπορούσαν να καταλήξουν στο συμπέρασμα ότι αυτές οι ιδέες δεν ήταν ελπιδοφόρες.
Μια άλλη μελέτη έδειξε πρόσφατα ότι η ασυμπτωτική ασφάλεια περιορίζει επίσης τις μάζες των σωματιδίων. Υπονοεί ότι η διαφορά μάζας μεταξύ του πάνω και του κάτω κουάρκ δεν πρέπει να είναι μεγαλύτερη από μια ορισμένη τιμή. Εάν δεν είχαμε ήδη μετρήσει τη μάζα του κορυφαίου κουάρκ, αυτό θα μπορούσε να είχε χρησιμοποιηθεί ως πρόβλεψη.
Αυτοί οι υπολογισμοί βασίζονται σε προσεγγίσεις που μπορεί να αποδειχθούν ότι δεν είναι απολύτως δικαιολογημένες, αλλά τα αποτελέσματα δείχνουν τη δύναμη της μεθόδου. Το πιο σημαντικό συμπέρασμα είναι ότι η φυσική σε ενέργειες όπου οι δυνάμεις μπορεί να είναι ενοποιημένες - συνήθως θεωρείται ότι είναι απελπιστικά απρόσιτες - σχετίζεται περίπλοκα με τη φυσική στις χαμηλές ενέργειες. Η απαίτηση της ασυμπτωτικής ασφάλειας τους συνδέει.
Κάθε φορά που μιλάω με συναδέλφους που δεν εργάζονται οι ίδιοι σε ασυμπτωτικά ασφαλή βαρύτητα, αναφέρονται στην προσέγγιση ως «απογοητευτική». Αυτό το σχόλιο, πιστεύω, γεννιέται από τη σκέψη ότι η ασυμπτωτική ασφάλεια σημαίνει ότι δεν υπάρχει τίποτα νέο να μάθουμε από την κβαντική βαρύτητα, ότι είναι η ίδια ιστορία μέχρι κάτω, απλώς περισσότερη κβαντική θεωρία πεδίου, όπως συνήθως.
Αλλά όχι μόνο η ασυμπτωτική ασφάλεια παρέχει μια σύνδεση μεταξύ των ελεγχόμενων χαμηλών ενεργειών και των απρόσιτων υψηλών ενεργειών - όπως δείχνουν τα παραπάνω παραδείγματα - η προσέγγιση επίσης δεν έρχεται σε σύγκρουση με άλλους τρόπους κβαντισμού της βαρύτητας. Αυτό συμβαίνει επειδή η κεντρική προέκταση για την ασυμπτωτική ασφάλεια δεν αποκλείει ότι μια πιο θεμελιώδης περιγραφή του χωροχρόνου - για παράδειγμα, με χορδές ή δίκτυα - προκύπτει σε υψηλές ενέργειες. Χωρίς να είναι απογοητευτική, η ασυμπτωτική ασφάλεια μπορεί να μας επιτρέψει να συνδέσουμε τελικά το γνωστό σύμπαν με την κβαντική συμπεριφορά του χωροχρόνου.
Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο Wired.com.
