Η γάτα του Σρέντινγκερ όταν κανείς δεν κοιτάζει

Μερικά από τα πιο περίπλοκα θέματα στη φυσική περιστρέφονται γύρω από την κβαντική θεωρία. Το δίλημμα φαίνεται πιο διάσημο στην ερώτηση της γάτας του Schrödinger και στο ζήτημα της απώλειας πληροφοριών στην εξάτμιση της μαύρης τρύπας. Ο Ρίτσαρντ Φάινμαν είπε, «Νομίζω ότι μπορώ να πω με ασφάλεια ότι κανείς δεν καταλαβαίνει την κβαντική μηχανική». Οι περισσότεροι φυσικοί μόλις το έχουν συνηθίσει. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η κβαντική θεωρία είναι επιτυχής σε πρακτικό επίπεδο. Αλλά όταν το θεωρούμε κάτι περισσότερο από ένα εργαλείο για τον υπολογισμό των πιθανοτήτων για πιθανά αποτελέσματα πειραμάτων στο εργαστήριο και το λαμβάνουμε ως θεμελιώδη περιγραφή του «κόσμου εκεί έξω», αντιμετωπίζει σοβαρά εννοιολογικά προβλήματα.

Το βασικό πρόβλημα είναι ότι η κβαντική θεωρία φαίνεται να αφορά αυτό που μετράμε και όχι για τι υπάρχει στον κόσμο . Κάποιος μπορεί να σκεφτεί ότι αυτό είναι εντάξει, καθώς η θεωρία αντιπροσωπεύει απλώς τις «πληροφορίες μας» για τον κόσμο. Αλλά αυτό θα είχε νόημα μόνο αν υπήρχε κάτι για τον κόσμο για το οποίο μπορούμε να πληροφορηθούμε, το οποίο πρέπει, σε γενικές καταστάσεις, να προσδιορίζεται από τη θεωρία. Η κατανόηση του τρόπου αντιμετώπισης αυτού του εννοιολογικού προβλήματος απαιτεί να εξετάσουμε τη θεωρία με περισσότερες λεπτομέρειες.

Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, μια γενική κατάσταση ενός συστήματος (θέση ή ταχύτητα ενός σωματιδίου) δεν έχει καλά καθορισμένες τιμές. Αυτή η αοριστία είναι γνωστή ως «κβαντική αβεβαιότητα» και, δυστυχώς, επίσης ως «κβαντική διακύμανση». Η κβαντική θεωρία που παρουσιάζεται σε τυπικά εγχειρίδια περιλαμβάνει δύο διακριτούς κανόνες για την εξέλιξη της κατάστασης ενός φυσικού συστήματος. Ένα, στο οποίο αναφέρεται ο Roger Penrose, είναι η U-process. Αντιπροσωπεύεται από την εξίσωση Schrödinger, επιτρέποντας τον ακριβή προσδιορισμό της κατάστασης του συστήματος σε οποιαδήποτε μελλοντική στιγμή (ντετερμινιστική πρόβλεψη) ή χρόνο στο παρελθόν (πλήρης αναδρομή), δεδομένης της κατάστασης του συστήματος στο παρόν. Αλλά αυτός ο κανόνας ισχύει μόνο εφόσον το σύστημα δεν υπόκειται σε "παρατήρηση".

Ο δεύτερος κανόνας, ο οποίος τίθεται σε εφαρμογή όταν παρατηρείται ή μετράται κάποια ιδιότητα του συστήματος, είναι ένας στοχαστικός κανόνας, που αναφέρεται από τον Penrose ως η διαδικασία R. Σύμφωνα με αυτόν τον κανόνα, ως αποτέλεσμα της μέτρησης, η κατάσταση μεταβαίνει σε μία από τις καταστάσεις όπου το εν λόγω χαρακτηριστικό έχει μια καλά καθορισμένη τιμή. Αυτός ο κανόνας δεν επιτρέπει, γενικά, μια ακριβή πρόβλεψη της κατάστασης που θα ήταν αυτή, ούτε την αναδρομή της κατάστασης που προηγήθηκε της μέτρησης ή της παρατήρησης. Μπορεί κανείς να το χρησιμοποιήσει για να προβλέψει με ακρίβεια τις πιθανότητες και να προβλέψει τη μέση τιμή που θα προέκυπτε από μεγάλο αριθμό επαναλήψεων του πειράματος, καθώς και τη στατιστική διασπορά των αποτελεσμάτων, μια ποσότητα που συμπίπτει, σε αριθμητική τιμή, με το επίπεδο αοριστία που αναφέρθηκε παραπάνω.

Ένα από τα προβλήματα είναι ότι η κβαντική θεωρία είναι ασαφής (το λιγότερο) σχετικά με το τι ισχυρίζεται για τη φύση του κόσμου όταν κανείς δεν κοιτάζει. Απαιτείται η εμπλοκή μιας συνείδησης για να έχει νόημα η θεωρία, και αν ναι, περιλαμβάνει αυτό ενός ποντικιού ή μιας μύγας; Ειδικότερα, η προδιαγραφή του τι συνιστά μέτρηση είναι ανεπανόρθωτα ασαφής. Ίσως το μόνο που χρειάζεται είναι μια αρκετά μεγάλη συσκευή. Αλλά τι είναι αρκετά μεγάλο; Και τι γίνεται στα όρια; Αυτά τα ζητήματα αναφέρονται ως πρόβλημα μέτρησης. Τέτοιες εννοιολογικές δυσκολίες συνήθως αγνοούνται από τους ασκούμενους φυσικούς.

Μια εξαίρεση παρέχεται από τον David Bohm, ο οποίος ανακάλυψε ξανά μια πρόταση (αρχικά θεωρήθηκε από τον Louis de Broglie) που δίνει έναν διαφορετικό χαρακτηρισμό της θεωρίας, με σημειακά σωματίδια που έχουν πάντα καθορισμένες θέσεις και ταχύτητες, ενώ η κβαντική κατάσταση απλώς τα καθοδηγεί στην χρονική τους εξέλιξη (και μια γάτα δεν είναι ποτέ ταυτόχρονα νεκρή και ζωντανή). Μια άλλη αξιοσημείωτη εξαίρεση παραδειγματίζεται από τους υποστηρικτές των τροποποιήσεων της θεωρίας που θα ενοποιούσαν τις διαδικασίες U και R σε έναν ενιαίο νόμο, αφαιρώντας την ανάγκη εισαγωγής της έννοιας της «μέτρησης» στο θεμελιώδες επίπεδο. Σε αυτήν την περίπτωση, το άτυχο κατοικίδιο του Σρέντινγκερ θα ήταν είτε νεκρό είτε ζωντανό, ακόμα κι αν κανείς δεν κοιτάζει.

Αυτή η προσέγγιση έχει αποτελέσει τη βάση των θεωριών της «αυθόρμητης κατάρρευσης», οι οποίες χαρακτηρίζονται από την επίκληση κάτι παρόμοιο με μια συλλογή μικροσκοπικών εκδόσεων της διαδικασίας R που εμφανίζεται αυθόρμητα σε όλα τα σωματίδια στον χώρο και τον χρόνο. χωρίς δηλαδή να χρειάζεται να γίνει μέτρηση. Πιο έξω είναι η θεωρία των πολλών κόσμων (που πρωτοστάτησε ο Hugh Everett), στην οποία κάθε μέτρηση συνδέεται με μια διχοτόμηση (ή πολυδιάσπαση) της πραγματικότητας σε κάτι σαν παράλληλους συνυπάρχοντες κόσμους.

Μια προσεκτική ανάλυση δείχνει ότι αυτές είναι ουσιαστικά οι τρεις λογικές οδοί που θα μπορούσαν να ληφθούν για την αντιμετώπιση του ζητήματος:Τροποποίηση της θεωρίας προσθέτοντας κάτι πέρα ​​από την κβαντική κατάσταση (η κρυφή διαδρομή μεταβλητής που παραδειγματίζεται από την προσέγγιση de-Brogile-Bohm), τροποποίηση κανόνων για την εξέλιξη στη θεωρία με το να συμβαίνουν συνεχώς γεγονότα που μοιάζουν με μετρήσεις (όπως στις θεωρίες αυθόρμητης κατάρρευσης) ή να αφαιρέσετε εντελώς τη διαδικασία R (που μας οδηγεί στο μονοπάτι των πολλών κόσμων).

Πολλοί κβαντικοί φυσικοί είναι πεπεισμένοι ότι το γενικότερο ζήτημα ή η προσέγγιση που μπορεί να ακολουθήσει κανείς σχετικά με αυτό, δεν έχει καμία σχέση με τις προκλήσεις στους τομείς τους. Εγώ, μεταξύ μιας μικρής ομάδας συναδέλφων, έχω μια δραματικά διαφορετική άποψη και υποστηρίζω ότι η αυθόρμητη κατάρρευση είναι η πιο πολλά υποσχόμενη οδός για την αντιμετώπιση ορισμένων από τις πιο σοβαρές δυσκολίες που αντιμετωπίζει η τρέχουσα κατανόησή μας για τους νόμους του σύμπαντος, και ειδικότερα αυτών των καταστάσεων όπου η βαρύτητα και η κβαντική θεωρία πρέπει να χρησιμοποιηθούν μαζί.

Ένα κεντρικό χαρακτηριστικό της κοσμολογίας, όπως συνηθίζουμε να το καταλαβαίνουμε, είναι μια εποχή γνωστή ως πληθωρισμός, που πιστεύεται ότι έλαβε χώρα στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά την εποχή του Πλανκ, που η ίδια είναι ένα μυστηριώδες καθεστώς. Στην εποχή Planck, η κβαντική βαρύτητα θα έπρεπε να κυριαρχεί και οι έννοιες του ίδιου του χωροχρόνου πιθανότατα θα έπαυαν να είναι σχετικές ή χρήσιμες. (Η κβαντική βαρύτητα αναφέρεται σε μια θεωρία που θα συνδύαζε αρμονικά τις βασικές αρχές της γενικής σχετικότητας, την καλύτερη θεωρία της βαρύτητας και την κβαντική θεωρία.) Σε αυτό το πληθωριστικό καθεστώς, οι συνήθεις έννοιες του χωροχρόνου υποτίθεται ότι είναι επαρκείς. Αλλά επιπλέον, η βαρύτητα θεωρείται ότι περιγράφεται καλά από τη γενική σχετικότητα και η ύλη εξηγείται από τον ίδιο τύπο θεωριών που χρησιμοποιούμε σε συνήθεις καταστάσεις φυσικής σωματιδίων (όπως αυτές που εξερευνήθηκαν εμπειρικά σε μέρη όπως το CERN ή στις μελέτες κοσμικών ακτίνων υψηλής ενέργειας ).

Η κύρια διαφορά είναι ότι ο τύπος της ύλης που πιστεύεται ότι είναι κυρίαρχος στην εποχή του πληθωρισμού είναι ένα πεδίο γνωστό ως inflaton. Αυτό μοιάζει λίγο με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, αλλά πολύ πιο απλό, επειδή δεν έχει εγγενή κατευθυντικότητα ή σπιν. Το κύριο χαρακτηριστικό αυτής της εποχής είναι ότι το σύμπαν διαστέλλεται, ως αποτέλεσμα των βαρυτικών επιδράσεων του πεδίου φουσκώματος, με εξαιρετικά γρήγορο και επιταχυνόμενο τρόπο (με συνολικό συντελεστή διαστολής τουλάχιστον ένα εκατομμύριο τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια φορές, δηλ. από 10). Ως αποτέλεσμα, η χωρική καμπυλότητα του σύμπαντος οδηγείται στο μηδέν και όλες οι αποκλίσεις από την τέλεια ομοιογένεια και την ισοτροπία αραιώνονται πλήρως (οι υπόλοιπες αποκλίσεις της τάξης του 10, τόσο μικρές, που για λόγους απλότητας, θα τις εκλάβω ως μηδέν) .

Η πληθωριστική εποχή τελειώνει όταν το πεδίο του φουσκώματος αποσυντίθεται, γεμίζοντας το σύμπαν με όλη την ύλη που βρίσκουμε σε αυτό σήμερα:τη συνηθισμένη ύλη από την οποία είστε φτιαγμένοι εσείς, η καρέκλα στην οποία κάθεστε και το ηλιακό σύστημα. τον ελαφρώς πιο εξωτικό τύπο ύλης που μπορούμε να παράγουμε για κλάσματα του δευτερολέπτου με ισχυρούς επιταχυντές σωματιδίων όπως του CERN. και ακόμη και η άπιαστη σκοτεινή ύλη που φαίνεται να αποτελεί το συντριπτικό μέρος των γαλαξιών και των γαλαξιακών σμηνών. Με άλλα λόγια, το τέλος της πληθωριστικής εποχής υποτίθεται ότι θα οδηγήσει στο καθεστώς που περιγράφεται από την παλαιότερη, παραδοσιακή και εμπειρικά επιτυχημένη κοσμολογία του Big Bang, που περιγράφει ένα διαστελλόμενο σύμπαν γεμάτο με εξαιρετικά καυτό πλάσμα που αποτελείται από όλη την ποικιλία των σωματιδίων με τα αντίστοιχα αφθονίες που βασικά διέπονται από θερμοδυναμικές εκτιμήσεις. Ένα σύμπαν που ψύχθηκε καθώς επεκτεινόταν, οδηγώντας στο σχηματισμό ελαφρών πυρήνων (όταν η θερμοκρασία έπεσε σε περίπου ένα δισεκατομμύριο βαθμούς Κέλβιν) και πολύ αργότερα, στο σχηματισμό των πρώτων ατόμων (περίπου 3.000 βαθμούς Κέλβιν). Αυτό το τελευταίο στάδιο είναι εκείνο στο οποίο εκπέμπονται τα φωτόνια που αντιστοιχούν στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων.

Στις μικρές παραλλαγές των μοτίβων θερμοκρασίας της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μικροκυμάτων, μπορούμε να δούμε το αποτύπωμα των αρχέγονων αποκλίσεων από την ομοιογένεια και την ισοτροπία που θα συνέχιζαν να αναπτύσσονται μέχρι σήμερα για να συνθέσουν τους γαλαξίες, τα αστέρια και τους πλανήτες που κατοικούν στο σημερινό μας σύμπαν . Το θέμα είναι ότι το σύμπαν δεν είναι, και δεν ήταν, ομοιογενές και ισότροπο εδώ και αρκετό καιρό. Από την άλλη πλευρά, σύμφωνα με τον πληθωρισμό, η βίαιη διαστολή του σύμπαντος αραίωσε πλήρως όλες τις ανομοιογένειες (διαφορές στις συνθήκες μεταξύ διαφορετικών τόπων) και ανισοτροπίες (διαφορές μεταξύ διαφορετικών κατευθύνσεων). Αυτή η κατάσταση περιγράφεται με όρους χωροχρόνου και πεδίου φουσκώματος σε καταστάσεις που είναι εντελώς ομοιογενείς και ισότροπες.

Από πού προέρχονται οι ανομοιογένειες που οδήγησαν στο σχηματισμό όλης της κοσμικής δομής και των οποίων το αποτύπωμα βλέπουμε στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο; Σύμφωνα με την τρέχουσα κοσμολογική ορθοδοξία, προέκυψαν από «κβαντικές διακυμάνσεις» του πληθωρισμού και της χωροχρονικής μετρικής κατά τη διάρκεια της πληθωριστικής εποχής. Στην πραγματικότητα, ο πληθωρισμός συνδυάζεται με μια συνταγή για την κβαντική κατάσταση των πεδίων στην πληθωριστική εποχή, το λεγόμενο κενό Bunch-Davies. Αυτή η κατάσταση, ακριβώς όπως η κατάσταση κενού στον επίπεδο χωρόχρονο, έχει την ιδιότητα να είναι 100 τοις εκατό ομοιογενής και ισότροπη, και ωστόσο κατά κάποιο τρόπο θα πρέπει να θεωρήσουμε ότι στις κβαντικές της αβεβαιότητες βρίσκονται οι σπόροι των σημερινών κοσμικών ανομοιογενειών.

Οι περισσότεροι κοσμολόγοι δεν βλέπουν κανένα πρόβλημα εδώ επειδή ανταλλάσσουν εύκολα την «κβαντική αοριστία» και τις «στατιστικές διασπορές» (ένα εννοιολογικό λάθος που συχνά συγκαλύπτεται από το γεγονός ότι η λέξη διακύμανση χρησιμοποιείται και στα δύο πλαίσια). Αλλά αυτή η άποψη δικαιολογείται μόνο εάν υπήρχε μέτρηση. Το θέμα είναι ότι μια μέτρηση μπορεί πράγματι να αλλάξει την κατάσταση του συστήματος, σύμφωνα με τη διαδικασία R, οδηγώντας σε μια κατάσταση που δεν είναι πλέον ομοιογενής και ισότροπη όπως η αρχική.

Αλλά τι θα μπορούσε να θεωρηθεί ως μέτρηση στο πρώιμο σύμπαν, πολύ πριν σχηματιστούν οι γαλαξίες, οι πλανήτες και τα συνειδητά όντα; Κάποιοι κοσμολόγοι θα απαντούσαν ότι, σήμερα, με τους δορυφόρους μας, κάνουμε τις απαιτούμενες μετρήσεις. Ο στοχασμός μιας στιγμής δείχνει πόσο προβληματική είναι μια τέτοια στάση:Εμείς, με τις συσκευές μέτρησής μας, είμαστε υπεύθυνοι για την κατάρρευση της τέλειας ομοιογένειας που επικρατούσε στο πρώιμο σύμπαν, μια αλλαγή που οδήγησε στο σχηματισμό κοσμικής δομής, συμπεριλαμβανομένων γαλαξιών, αστεριών και πλανητών , που με τη σειρά του ήταν απαραίτητο για την ανάδυση των συνθηκών όπου θα ήταν δυνατή η ζωή και τα (αυτοαποκαλούμενα «ευφυή») πλάσματα σαν εμάς! Θα ήμασταν, εν μέρει, η αιτία της ύπαρξής μας! Δεν μπορώ παρά να θυμηθώ το παλιό τραγούδι της κάντρι, "I'm my own grandpa."

Αφού εξετάσαμε τα υπάρχοντα μονοπάτια για την αντιμετώπιση του προβλήματος του παππού, ο Alejandro Perez, ο Hanno Sahlmman και προτείναμε την προσθήκη ενός νέου συστατικού στο μείγμα:την αυθόρμητη κατάρρευση της κβαντικής κατάστασης του πεδίου inflaton. Αυτή είναι μια έκδοση της διαδικασίας R, που λαμβάνει χώρα συνεχώς, η οποία γενικά προκαλεί μικρές και τυχαίες αλλαγές στην κβαντική κατάσταση του πεδίου. Η τυχαιότητα μιας τέτοιας διαδικασίας θα μπορούσε να εξηγήσει τη διάσπαση της ομοιογένειας και της ισοτροπίας στο πρώιμο σύμπαν, χωρίς να χρειάζεται να επικαλεστεί κανείς παρατηρητή ή συσκευή μέτρησης. Επιπλέον, εάν η αυθόρμητη κατάρρευση ικανοποιούσε ορισμένες απλές απαιτήσεις, οι προκύπτουσες προβλέψεις σχετικά με αυτές τις ανομοιογένειες θα μπορούσαν να αναπαράγουν τα χαρακτηριστικά της κατανομής των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας που φαίνονται στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων.

Αρχικά, η νέα προσέγγιση δεν φαινόταν να οδηγεί σε σημαντικές αποκλίσεις από τις τυπικές προβλέψεις. Αλλά υπάρχει τουλάχιστον μια πτυχή της ιστορίας στην οποία οι προβλέψεις διαφέρουν δραματικά. Αποδεικνύεται ότι, σύμφωνα με την τυπική επεξεργασία, οι προβλέψεις για τη δημιουργία ανομοιογενειών στην πυκνότητα της ύλης στο σύμπαν συνδέονται άρρηκτα με παρόμοιες προβλέψεις για τη δημιουργία των λεγόμενων αρχέγονων κυμάτων βαρύτητας. Αυτά θα ήταν παρόμοια με εκείνα τα κύματα βαρύτητας που έχουν εντοπιστεί τόσο θεαματικά ως αποτέλεσμα των συγκρούσεων μαύρων οπών ή/και άστρων νετρονίων από τους ανιχνευτές LIGO και VIRGO. Αλλά σε αντίθεση με αυτά, τα αρχέγονα θα ήταν τόσο αδύναμα τώρα, που η παρουσία τους αναμένεται να είναι ανιχνεύσιμη μόνο σε έναν συγκεκριμένο τύπο ανισοτροπιών στην πόλωση της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μικροκυμάτων.

Η αναζήτηση αυτών ήταν έντονη, καθώς θεωρούνται ως η κύρια πιθανή επιβεβαίωση της ορθότητας του πληθωρισμού. Το γεγονός ότι μέχρι στιγμής δεν έχουν εντοπιστεί θεωρείται σοβαρό πρόβλημα στην πληθωριστική κοσμολογία, με τα πιο απλά και ελκυστικά μοντέλα να έχουν ήδη αποκλειστεί λόγω της αποτυχίας της αναμενόμενης ανίχνευσής τους. Όταν ακολουθούμε την προσέγγισή μας, οι προβλέψεις σχετικά με τη δημιουργία αρχέγονων κυμάτων βαρύτητας μειώνονται τόσο δραματικά που θα ήταν μη ανιχνεύσιμες από τις τρέχουσες μεθόδους και τις ευαισθησίες των ανιχνευτών. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι μπορεί να είναι ανιχνεύσιμα μόνο με σημαντικά βελτιωμένες ευαισθησίες και με αλλαγή εστίασης από τις πολύ μικρές στις πολύ μεγάλες γωνιακές κλίμακες στον ουρανό (δύο δυστυχώς μάλλον δύσκολα πράγματα να γίνουν). Έτσι, εντελώς απροσδόκητα, και ως αποτέλεσμα του είδους των εννοιολογικών εκτιμήσεων που θέλαμε να αντιμετωπίσουμε, μια συγκεκριμένη πρόβλεψη για την πληθωριστική κοσμολογία άλλαξε δραματικά, με τη νέα να συμφωνεί καλύτερα με τα υπάρχοντα εμπειρικά στοιχεία.

Οι εννοιολογικές δυσκολίες της κβαντικής θεωρίας συνδέονται επίσης με το θέμα των μαύρων τρυπών. Η θεωρία της γενικής σχετικότητας προβλέπει ότι μόλις σχηματιστούν οι μαύρες τρύπες, μια ιδιομορφία - μια περιοχή όπου τα γεωμετρικά μεγέθη θα αποκτούσαν ονομαστικά την τιμή άπειρο - θα αναπτυχθεί στο εσωτερικό τους, με την καμπυλότητα να αποκλίνει καθώς προσεγγίζεται αυτή η περιοχή. Η φύση μιας τέτοιας μοναδικότητας έχει προκαλέσει άγριες εικασίες, συμπεριλαμβανομένης της ιδέας ότι αντιπροσωπεύουν την εμφάνιση ακόμη πιο εξωτικών αντικειμένων ή ακόμα και πυλών σε άλλα σύμπαντα. Αλλά αυτό που πραγματικά υποδηλώνουν είναι η παρουσία ενός καθεστώτος όπου η θεωρία της γενικής σχετικότητας αποτυγχάνει να εφαρμοστεί. (Όχι πολύ συναρπαστικό, συγγνώμη παιδιά!)

Δηλαδή, αν θέλουμε να βασιστούμε στη θεωρία της γενικής σχετικότητας, πρέπει να το κάνουμε μόνο μέχρι κάποιο όριο που αποκλείει την περιοχή στην οποία υποτίθεται ότι εμφανίζονται αυτές οι ιδιομορφίες.

Οι φυσικοί είναι γενικά πεπεισμένοι ότι η τρέχουσα θεωρία μας πρέπει να αντικατασταθεί από μια βαθύτερη, η οποία περιλαμβάνει τόσο τη γενική σχετικότητα όσο και την κβαντική μηχανική, ενωμένα με ομαλό και αυτοσυνεπή τρόπο:μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας. Μια τέτοια κβαντική βαρύτητα αναμένεται να «θεραπεύσει» αυτές τις ιδιομορφίες και να αφαιρέσει την ανάγκη να συμπεριληφθεί ένα όριο στις συζητήσεις που αφορούν τις μαύρες τρύπες. Οι λιγότερο εικασιακές έννοιες δεν περιλαμβάνουν τίποτα όπως πύλες σε άλλα σύμπαντα ή εξωτικά αντικείμενα που εμφανίζονται στη θέση τους.

Ένα χαρακτηριστικό τους, που σημείωσε για πρώτη φορά ο φυσικός Jacob Beckenstein, που λαμβάνεται ως θεμελιώδης ένδειξη, είναι ότι οι ανταλλαγές ενέργειας τους με το εξωτερικό διέπονται από νόμους που φαίνονται πανομοιότυποι με αυτούς της θερμοδυναμικής. Συγκεκριμένα, και όπως έδειξε ο Stephen Hawking, χάνουν ενέργεια μέσω της εκπομπής θερμικής ακτινοβολίας και έχουν μια εντροπία που δίνεται από τη σταθερά Boltzmann (πανταχού παρούσα σε όλη τη θερμοδυναμική) για κάθε «πλακίδιο» της πλευράς μήκους του Planck, που απαιτείται για την κάλυψη της περιοχής. της μαύρης τρύπας. Αυτό έχει προσελκύσει έντονο ενδιαφέρον τις τελευταίες δεκαετίες, καθώς οι φυσικοί άρχισαν να εξετάζουν μια ποικιλία προσεγγίσεων για την κατασκευή μιας θεωρίας κβαντικής βαρύτητας. Σίγουρα, μια τέτοια θεωρία θα μπορούσε να εξηγήσει την έκφραση για την εντροπία της μαύρης τρύπας. Και αρκετά εύκολα, σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα, και μέσα σε ελαφρώς διαφορετικά, αλλά πάντα μάλλον περιορισμένα πλαίσια, οι υποστηρικτές της κβαντικής βαρύτητας βρήκαν αναφορές που κατέληξαν στη σωστή απάντηση.

Αλλά το γεγονός ότι αυτή η ανάλυση, ξεκινώντας από την ανακάλυψη του Χόκινγκ, περιλαμβάνει την κβαντική θεωρία, έχει εγείρει ένα άλλο ερώτημα που συνεχίζει να μπερδεύει τους φυσικούς. Είναι το επίκεντρο έντονων συζητήσεων και διαφωνιών και ονομάζεται «παράδοξο» των πληροφοριών της Μαύρης Τρύπας.

Ο συνηθισμένος απολογισμός έχει ως εξής:Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, η κβαντική κατάσταση ενός απομονωμένου φυσικού συστήματος παρέχει μια πλήρη περιγραφή ενός τέτοιου συστήματος. Αυτή η κατάσταση εξελίσσεται σύμφωνα με έναν εξελικτικό νόμο που επιτρέπει την ακριβή πρόβλεψη της αντίστοιχης κατάστασης σε οποιαδήποτε άλλη στιγμή στο μέλλον ή την αναδρομή της κατάστασης του συστήματος στο παρελθόν. Από την άλλη πλευρά, μια μαύρη τρύπα ορισμένης μάζας και γωνιακής ορμής θα μπορούσε να έχει σχηματιστεί με πολλούς τρόπους. Εάν η μαύρη τρύπα εξατμιστεί εντελώς, αφήνοντας μόνο τη θερμική ακτινοβολία, η οποία χαρακτηρίζεται πλήρως με πολύ απλούς τρόπους, δεν φαίνεται να υπάρχει τρόπος με τον οποίο θα μπορούσε να κωδικοποιήσει όλες τις πληροφορίες που χρειάζονται για να αναδρομήσει, με ακρίβεια, η ακριβής κβαντική κατάσταση της ύλης που οδήγησε στην αρχή της μαύρης τρύπας. Έτσι, από τις λεπτομέρειες της τελικής κατάστασης, θα ήταν αδύνατο να ανατρέξουμε τη λεπτομερή κατάσταση από την οποία σχηματίστηκε αρχικά η μαύρη τρύπα, σε αντίθεση με το αναμενόμενο, δεδομένων των χαρακτηριστικών των εξελικτικών νόμων της κβαντικής θεωρίας. Αυτό, για πολλούς ανθρώπους, δείχνει ότι αντιμετωπίζουμε ένα «παράδοξο».

Μια πιο προσεκτική ματιά στο πρόβλημα αποκαλύπτει ότι τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά (και εξηγεί γιατί έβαλα τη λέξη παράδοξο σε εισαγωγικά). Το θέμα είναι ότι ο ισχυρισμός ότι σύμφωνα με την κβαντική θεωρία θα πρέπει να είμαστε σε θέση να ανατρέξουμε τη λεπτομερή κατάσταση από την οποία σχηματίστηκε αρχικά η μαύρη τρύπα είναι απλώς ψευδής. Ένα τέτοιο συμπέρασμα θα ακολουθούσε μόνο εάν κάποιος επικεντρωθεί στη διαδικασία U και αγνοήσει εντελώς τη διαδικασία R. Επομένως, είναι φυσικό να συνδέσουμε την εξέταση των ζητημάτων που προκύπτουν σε σχέση με την εξάτμιση της μαύρης τρύπας και την τύχη των πληροφοριών με τις λύσεις του προβλήματος μέτρησης.

Μία από τις πιο ελκυστικές λύσεις στο πρόβλημα μέτρησης παρέχεται από την αυθόρμητη κατάρρευση. Ξεκινώντας από το 2015, οι συνεργάτες μου και εγώ έχουμε εξετάσει και αναλύσει λεπτομερώς, με τη βοήθεια απλοποιημένων μοντέλων, εάν η χρήση τέτοιων θεωριών, στο πλαίσιο της εξάτμισης της μαύρης τρύπας, θα μπορούσε να αντιμετωπίσει πλήρως το ζήτημα. Η ανάλυσή μας μέχρι στιγμής δείχνει ότι η απάντηση είναι ναι, υπό την προϋπόθεση ότι ο ρυθμός αυθόρμητης κατάρρευσης αυξάνεται με την καμπυλότητα του χωροχρόνου. Εάν συμβαίνει αυτό, τότε το μικρό επίπεδο διαγραφής πληροφοριών που συνήθως σχετίζεται με την αυθόρμητη κατάρρευση γίνεται αρκετά αποτελεσματικό, λόγω της αυξανόμενης καμπυλότητας στο βαθύ εσωτερικό της μαύρης τρύπας, ώστε να λαμβάνεται υπόψη όλες οι πληροφορίες που φαίνεται να διαγράφονται. όταν εξατμιστεί τελείως.

Η εργασία πρέπει να συνεχιστεί για να διευθετηθούν τα ανοιχτά ζητήματα και οι λεπτομέρειες της ακριβούς μορφής της θεωρίας και να βρεθούν άλλες καταστάσεις όπου αυτές οι ιδέες θα μπορούσαν να τεθούν σε δοκιμασία. Παρόλο που τα πράγματα δεν έχουν ακόμη διευθετηθεί, υπάρχει η πιθανότητα μια συλλογική επίλυση προβλημάτων τόσο διαφορετικών όπως αυτή της γάτας του Σρέντινγκερ, το ζήτημα της πληροφορίας για τη μαύρη τρύπα και οι αινιγματικές πτυχές της πληθωριστικής κοσμολογίας, να προκύψουν από την εξέταση της αυθόρμητης κατάρρευσης. Πρόσφατα βρήκαμε άλλα ζητήματα στα οποία αυτή η προσέγγιση μπορεί να βοηθήσει, συμπεριλαμβανομένης της δυνατότητας να ληφθεί υπόψη η πολύ χαμηλή εντροπία της αρχικής κατάστασης του σύμπαντος και μια διαδρομή για την κατανόηση της φύσης και του μεγέθους της σκοτεινής ενέργειας. Η χρήση θεωριών αυθόρμητης κατάρρευσης σε καταστάσεις που περιλαμβάνουν βαρύτητα φαίνεται να είναι πράγματι μια πολλά υποσχόμενη και συναρπαστική ερευνητική διαδρομή.

Ο Ντάνιελ Σουντάρσκι κατείχε επισκέψεις στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, στο Πανεπιστήμιο Penn State, στο Πανεπιστήμιο του Μπουένος Άιρες στην Αργεντινή, στο Πανεπιστήμιο της Μασσαλίας στη Γαλλία και στο NYU. Αυτή τη στιγμή είναι μέλος του Διοικητικού Συμβουλίου του Ινστιτούτου John Bell για τα Θεμέλια της Φυσικής και καθηγητής στο Ινστιτούτο Πυρηνικών Επιστημών του Εθνικού Αυτόνομου Πανεπιστημίου του Μεξικού.

Αναφορές

1. Ghirardi, G.C., Rimini, A., &Weber, T. Unified dynamics for microscopic and macroscopic systems. Φυσική ανασκόπηση Δ 34 470-491 (1986); Pearle, P. Συνδυάζοντας τη στοχαστική δυναμική μείωση της κατάστασης-διανύσματος με τον αυθόρμητο εντοπισμό. Φυσική ανασκόπηση Α 39 2277-2289 (1989); για μια σχετικά πρόσφατη ανασκόπηση βλέπε Bassi, A. &Ghirardi, G. Δυναμικά μοντέλα μείωσης. Αναφορές φυσικής 379 , 257-426 (2003).

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

3. A. Perez, A., Sahlmman, H., &Sudarsky, D. Σχετικά με την κβαντομηχανική προέλευση των σπόρων της κοσμικής δομής. Κλασική και κβαντική βαρύτητα 23 , 2317-2354 (2006).

4. Planck Collaboration (Akrami, Y., et al. ) Αποτελέσματα Planck 2018. Χ. Περιορισμοί στον πληθωρισμό. arXiv:1807.06211 (2019).

5. León, G., Kraiselburd, L., &Landau, S.J. Τα αρχέγονα βαρυτικά κύματα και η κατάρρευση της κυματικής συνάρτησης. Φυσική ανασκόπηση Δ 92 , 083516 (2015); Majhi, A. Okón, E., &Sudarsky, D. Επαναξιολόγηση της σχέσης μεταξύ των B-modes και του πληθωρισμού. Φυσική ανασκόπηση Δ 96 , 101301 (2017); León, G., Majhi, A., Okón, E., &Sudarsky, D. Προσδοκία αρχέγονων κυμάτων βαρύτητας που δημιουργούνται κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού. Φυσική ανασκόπηση Δ 98 , 023512 (2018).

6. Σε αυτό, έχουμε επηρεαστεί έντονα από σκέψεις σχετικά με αυτό που έγιναν πριν από 3 δεκαετίες από έργα όπως το Penrose, το R. Time asymmetry και η κβαντική βαρύτητα. Στο Isham, C.J., Penrose, R., &Sciama, D.W. (Επιμ.) Quantum Gravity II (1981); Wald, R.M. Κβαντική βαρύτητα και αντιστρεψιμότητα χρόνου. Φυσική ανασκόπηση Δ 21 , 2742 (1980).

7. Okón, E. &Sudarsky, D. «The black hole information paradox and the collapse of the wave function. Θεμέλια της Φυσικής 45 , 461-470 (2015); Okón, E. &Sudarsky, D. Χάνοντας πράγματα σε μια μαύρη τρύπα. Θεμέλια της Φυσικής 48 , 411 (2018).

8. Modak, S., Ortiz, L., Peña, I. &Sudarsky, D. Μη παράδοξη απώλεια πληροφοριών στην εξάτμιση της μαύρης τρύπας στις θεωρίες κατάρρευσης. Φυσική ανασκόπηση Δ 91 , 124009 (2015); Bedingham, D., Modak, S.K., &Sudarsky, D. Σχετικιστική δυναμική κατάρρευσης και απώλεια πληροφοριών μαύρης τρύπας. Φυσική ανασκόπηση Δ 94 , 045009 (2016).

9. Okón, E. &Sudarsky, D. Μια (όχι έτσι;) νέα εξήγηση για την πολύ ιδιαίτερη αρχική κατάσταση του σύμπαντος. Κλασική και κβαντική βαρύτητα 33 (2016).

10. Josset, T., Perez, A. &Sudarsky, D. Η σκοτεινή ενέργεια ως το βάρος της παραβίασης της διατήρησης της ενέργειας. Επιστολές φυσικής ανασκόπησης 118 , 021102 (2017); Perez, A. &Sudarsky, D. Σκοτεινή ενέργεια από διακριτικότητα κβαντικής βαρύτητας. Επιστολές φυσικής ανασκόπησης 122 , 221302 (2019).

Εικόνα επικεφαλής:local_doctor / Shutterstock