Όταν η βαρύτητα καταρρέει
Η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν είναι πάνω από εκατό ετών, αλλά εξακολουθεί να προκαλεί πονοκεφάλους στους φυσικούς. Όχι μόνο οι εξισώσεις του Αϊνστάιν είναι τρομερά δύσκολο να λυθούν, αλλά επίσης έρχονται σε σύγκρουση με το άλλο πιο αγαπημένο επίτευγμα των φυσικών, την κβαντική θεωρία.
Το πρόβλημα είναι ότι τα σωματίδια έχουν κβαντικές ιδιότητες. Μπορούν, για παράδειγμα, να βρίσκονται σε δύο μέρη ταυτόχρονα. Αυτά τα σωματίδια έχουν επίσης μάζες και οι μάζες προκαλούν βαρύτητα. Αλλά επειδή η βαρύτητα δεν έχει κβαντικές ιδιότητες, κανείς δεν ξέρει πραγματικά ποια είναι η βαρυτική έλξη ενός σωματιδίου σε μια κβαντική υπέρθεση. Για να λύσουν αυτό το πρόβλημα, οι φυσικοί χρειάζονται μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας. Ή, εφόσον ο Αϊνστάιν μας δίδαξε ότι η βαρύτητα είναι πραγματικά η καμπυλότητα του χωροχρόνου, οι φυσικοί χρειάζονται μια θεωρία για τις κβαντικές ιδιότητες του χώρου και του χρόνου.
Είναι ένα δύσκολο πρόβλημα, ακόμη και για ανθρώπους με μεγάλο μυαλό, όπως οι θεωρητικοί φυσικοί. Γνωρίζουν από τη δεκαετία του 1930 ότι η κβαντική βαρύτητα είναι απαραίτητη για να φέρει τάξη στους νόμους της φύσης, αλλά 80 χρόνια μετά, μια λύση δεν φαίνεται πουθενά. Το κύριο εμπόδιο στην πορεία προς την πρόοδο είναι η έλλειψη πειραματικής καθοδήγησης. Τα αποτελέσματα της κβαντικής βαρύτητας είναι εξαιρετικά αδύναμα και δεν έχουν μετρηθεί ποτέ, επομένως οι φυσικοί έχουν μόνο μαθηματικά να βασιστούν. Και είναι εύκολο να χαθείτε στα μαθηματικά.
Ο λόγος που είναι δύσκολο να αποκτηθούν παρατηρητικές αποδείξεις για την κβαντική βαρύτητα είναι ότι όλα τα επί του παρόντος πιθανά πειράματα εμπίπτουν σε δύο κατηγορίες. Είτε μετράμε τα κβαντικά φαινόμενα - χρησιμοποιώντας μικρά και ελαφριά αντικείμενα - είτε μετράμε τα βαρυτικά αποτελέσματα - χρησιμοποιώντας μεγάλα και βαριά αντικείμενα. Και στις δύο περιπτώσεις, τα κβαντικά βαρυτικά φαινόμενα είναι μικροσκοπικά. Για να δείτε τα αποτελέσματα της κβαντικής βαρύτητας, θα χρειαστείτε πραγματικά ένα βαρύ αντικείμενο που να έχει έντονες κβαντικές ιδιότητες και αυτό είναι δύσκολο να το βρείτε.
Οι φυσικοί γνωρίζουν μερικές φυσικές καταστάσεις όπου η κβαντική βαρύτητα θα πρέπει να είναι σχετική. Αλλά δεν είναι σε μικρές αποστάσεις, αν και το ακούω συχνά. Η μη κβαντική βαρύτητα αποτυγχάνει πραγματικά σε καταστάσεις όπου οι ενεργειακές πυκνότητες γίνονται μεγάλες και η καμπυλότητα του χωροχρόνου γίνεται ισχυρή. Και επιτρέψτε μου να ξεκαθαρίσω ότι αυτό που οι αστροφυσικοί θεωρούν «ισχυρή» καμπυλότητα εξακολουθεί να είναι «ασθενής» καμπυλότητα για όσους εργάζονται στην κβαντική βαρύτητα. Συγκεκριμένα, η καμπυλότητα στον ορίζοντα μιας μαύρης τρύπας δεν είναι αρκετά ισχυρή ώστε να προκαλέσει αξιοσημείωτα κβαντικά βαρυτικά φαινόμενα.
Η καμπυλότητα αρκετά ισχυρή ώστε να προκαλέσει τη διάσπαση της γενικής σχετικότητας, πιστεύουμε ότι υπάρχει μόνο στο κέντρο των μαύρων τρυπών και κοντά στο Big Bang. Και στις δύο περιπτώσεις η ισχυρά συμπιεσμένη ύλη έχει υψηλή πυκνότητα και έντονη κβαντική συμπεριφορά που θα πρέπει να προκαλέσει κβαντικά βαρυτικά αποτελέσματα. Δυστυχώς, δεν μπορούμε να κοιτάξουμε μέσα σε μια μαύρη τρύπα και η ανασύσταση του τι συνέβη στη Μεγάλη Έκρηξη από τις σημερινές παρατηρήσεις, με τις τρέχουσες τεχνικές μέτρησης, δεν μπορεί να αποκαλύψει την κβαντική βαρυτική συμπεριφορά.
Το καθεστώς όπου η κβαντική βαρύτητα καθίσταται σχετική θα πρέπει επίσης να επιτευχθεί σε συγκρούσεις σωματιδίων σε εξαιρετικά υψηλό κέντρο μάζας ενέργειας. Εάν είχατε έναν επιταχυντή αρκετά μεγάλο - οι εκτιμήσεις λένε ότι με την τρέχουσα τεχνολογία θα ήταν περίπου στο μέγεθος του Γαλαξία - θα μπορούσατε να εστιάσετε αρκετή ενέργεια σε μια μικρή περιοχή του διαστήματος για να δημιουργήσετε αρκετά ισχυρή καμπυλότητα. Αλλά δεν πρόκειται να κατασκευάσουμε έναν τέτοιο επιταχυντή σύντομα.
Εκτός από την ισχυρή χωροχρονική καμπυλότητα, υπάρχει μια άλλη περίπτωση όπου τα κβαντικά φαινόμενα της βαρύτητας πρέπει να γίνουν μετρήσιμα που συχνά παραμελείται:Με τη δημιουργία κβαντικών υπερθέσεων βαρέων αντικειμένων. Αυτό προκαλεί την προσέγγιση κατά την οποία η ύλη έχει κβαντικές ιδιότητες, αλλά η βαρύτητα δεν (το «ημι-κλασικό όριο») να σπάσει, αποκαλύπτοντας πραγματικά κβαντικά αποτελέσματα της βαρύτητας. Μερικές πειραματικές ομάδες προσπαθούν επί του παρόντος να φτάσουν στο καθεστώς όπου μπορεί να γίνουν ευαίσθητες σε τέτοιες επιδράσεις. Έχουν ακόμα κάποιες τάξεις μεγέθους να φτάσουν, οπότε δεν είναι ακόμα αρκετά.
Γιατί ο φυσικός δεν μελετά αυτή την υπόθεση πιο κοντά; Όπως πάντα, είναι δύσκολο να πούμε γιατί οι επιστήμονες κάνουν ένα πράγμα και όχι κάτι άλλο. Μπορώ μόνο να υποθέσω ότι συμβαίνει επειδή, από θεωρητική σκοπιά, αυτή η υπόθεση δεν είναι τόσο ενδιαφέρουσα.
Ξέρω ότι είπα ότι οι φυσικοί δεν έχουν μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας, αλλά αυτό είναι μόνο εν μέρει σωστό. Η βαρύτητα μπορεί, και έχει κβαντιστεί, χρησιμοποιώντας τις συνήθεις μεθόδους κβαντισμού ήδη στη δεκαετία του 1960 από τους Richard Feynman και Bryce DeWitt. Ωστόσο, η θεωρία που αποκτά κανείς με αυτόν τον τρόπο («διαταραχή κβαντική βαρύτητα»), αναλύεται ακριβώς στο καθεστώς ισχυρής καμπυλότητας που θέλουν να τη χρησιμοποιήσουν οι φυσικοί («διαταρακτική μη επανακανονικοποιήσιμη»). Επομένως, αυτή η προσέγγιση θεωρείται σήμερα απλώς μια προσέγγιση χαμηλής ενέργειας («αποτελεσματική θεωρία») στην πλήρη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας που δεν έχει βρεθεί ακόμη («ολοκλήρωση UV»).
Μετά τη δεκαετία του 1960, σχεδόν όλες οι ερευνητικές προσπάθειες στην κβαντική βαρύτητα επικεντρώθηκαν στην ανάπτυξη αυτής της πλήρους θεωρίας. Οι πιο γνωστές προσεγγίσεις είναι η θεωρία χορδών, η κβαντική βαρύτητα βρόχου, η ασυμπτωτική ασφάλεια και η αιτιακή δυναμική τριγωνοποίηση. Η προαναφερθείσα περίπτωση με βαριά αντικείμενα σε κβαντικές υπερθέσεις, ωστόσο, δεν προκαλεί ισχυρή καμπυλότητα και ως εκ τούτου εμπίπτει στη σφαίρα της βαρετής και υποτίθεται καλά κατανοητής θεωρίας από τη δεκαετία του 1960. Κατά ειρωνικό τρόπο, για αυτόν τον λόγο δεν υπάρχουν σχεδόν θεωρητικές προβλέψεις για ένα τέτοιο πείραμα από καμία από τις κύριες προσεγγίσεις της πλήρους θεωρίας της κβαντικής βαρύτητας.
Οι περισσότεροι άνθρωποι στο πεδίο αυτή τη στιγμή πιστεύουν ότι η διαταρακτική κβαντική βαρύτητα πρέπει να είναι το σωστό όριο χαμηλής ενέργειας οποιασδήποτε θεωρίας κβαντικής βαρύτητας. Ωστόσο, μια μειοψηφία υποστηρίζει ότι αυτό δεν είναι έτσι και τα μέλη αυτής της λέσχης συνήθως αναφέρουν έναν ή και τους δύο από τους παρακάτω λόγους.
Η πρώτη ένσταση είναι φιλοσοφική. Δεν έχει πολύ νόημα εννοιολογικά να αντλήσουμε μια υποτιθέμενη πιο θεμελιώδη θεωρία (κβαντική βαρύτητα) από μια λιγότερο θεμελιώδη (μη κβαντική βαρύτητα) επειδή εξ ορισμού η παραγόμενη θεωρία είναι η λιγότερο θεμελιώδης. Πράγματι, η διαδικασία κβαντοποίησης για τις θεωρίες Yang-Mills είναι ένας λογικός εφιάλτης. Ξεκινάτε με μια μη κβαντική θεωρία, κάνετε πιο περίπλοκο να αποκτήσετε μια άλλη θεωρία, αν και αυτό δεν είναι αυστηρά μια παραγωγή, και αν στη συνέχεια λάβετε το κλασικό όριο, θα έχετε μια θεωρία που δεν έχει καμία απολύτως καλή ερμηνεία. Γιατί λοιπόν ξεκινήσατε από αυτό για να ξεκινήσετε με αυτό;
Λοιπόν, η προφανής απάντηση είναι:Το κάνουμε επειδή λειτουργεί, και το κάνουμε με αυτόν τον τρόπο λόγω ιστορικού ατυχήματος και όχι επειδή έχει πολύ νόημα. Δεν υπάρχει τίποτα κακό με αυτό για έναν πραγματιστή σαν εμένα, αλλά ούτε και επιτακτικός λόγος για να επιμείνουμε ότι η ίδια μέθοδος θα πρέπει να ισχύει για τη βαρύτητα.
Το δεύτερο συχνά ονομαζόμενο επιχείρημα κατά της διαταρακτικής κβαντοποίησης είναι ότι δεν παίρνετε την ατομική φυσική με την κβαντοποίηση του νερού. Έτσι, εάν πιστεύετε ότι η βαρύτητα δεν είναι μια θεμελιώδης αλληλεπίδραση, αλλά προέρχεται από τη συλλογική συμπεριφορά ενός μεγάλου αριθμού μικροσκοπικών συστατικών (σκεφτείτε «άτομα του χωροχρόνου»), τότε η κβαντοποίηση της γενικής σχετικότητας είναι απλώς το λάθος.
Όσοι έχουν αυτήν την άποψη, ότι η βαρύτητα είναι πραγματικά μια θεωρία όγκου για ορισμένα άγνωστα μικροσκοπικά συστατικά, ακολουθούν μια προσέγγιση που ονομάζεται «αναδυόμενη βαρύτητα». Υποστηρίζεται από τις (ανεξάρτητες) παρατηρήσεις των Ted Jacobson, Thanu Padmanabhan και Erik Verlinde, ότι οι νόμοι της βαρύτητας μπορούν να ξαναγραφτούν έτσι ώστε να φαίνονται σαν θερμοδυναμικοί νόμοι. Η άποψή μου σχετικά με αυτήν την σαγιονάρα έρχεται σε αντίθεση με την "πιο καταπληκτική γνώση όλων των εποχών" και την "περίεργη εκτός από μικρή συνάφεια", μερικές φορές πολλές φορές την ημέρα.
Όπως και να έχει, αν πιστεύετε ότι η αναδυόμενη βαρύτητα είναι η σωστή προσέγγιση για την κβαντική βαρύτητα, τότε το ερώτημα πού καταρρέει η βαρύτητα -όπως-ξέρουμε-και-όπως-όπως- γίνεται πολύπλοκο. Θα πρέπει να εξακολουθήσει να διασπάται σε υψηλή καμπυλότητα, αλλά μπορεί να υπάρχουν και άλλες περιπτώσεις όπου θα μπορούσατε να δείτε αποκλίσεις από τη γενική σχετικότητα.
Ο Verlinde, για παράδειγμα, ερμηνεύει τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια ως λείψανα κβαντικής βαρύτητας. Αν το πιστεύετε αυτό, έχουμε ήδη στοιχεία για την κβαντική βαρύτητα! Άλλοι έχουν προτείνει ότι εάν ο χωροχρόνος αποτελείται από μικροσκοπικά συστατικά, τότε μπορεί να έχει ιδιότητες όγκου όπως το ιξώδες ή να έχει ως αποτέλεσμα φαινόμενα που συνήθως συνδέονται με κρυστάλλους όπως η διπλή διάθλαση ή η διασπορά του φωτός.
Συνοπτικά, η προσδοκία ότι τα κβαντικά φαινόμενα της βαρύτητας θα πρέπει να γίνουν σημαντικά για την ισχυρή καμπυλότητα του χωροχρόνου βασίζεται σε μια αδιαμφισβήτητη παρέκταση και σχεδόν όλοι στο πεδίο συμφωνούν σε αυτήν.* Σε ορισμένες προσεγγίσεις της κβαντικής βαρύτητας, οι αποκλίσεις από τη γενική σχετικότητα θα μπορούσαν επίσης γίνονται σχετικές σε μεγάλες αποστάσεις, χαμηλή επιτάχυνση ή χαμηλές ενέργειες. Μια συχνά παραμελημένη δυνατότητα είναι να διερευνηθούν τα αποτελέσματα της κβαντικής βαρύτητας με κβαντικές υπερθέσεις βαρέων αντικειμένων.
Ελπίζω να δω πειραματικά στοιχεία για την κβαντική βαρύτητα στη ζωή μου.
Η Sabine Hossenfelder είναι Ερευνητής στο Ινστιτούτο Προηγμένων Σπουδών της Φρανκφούρτης όπου εργάζεται στη φυσική πέρα από το τυπικό μοντέλο, τη φαινομενολογική κβαντική βαρύτητα και τις τροποποιήσεις της γενικής σχετικότητας. Αν θέλετε να μάθετε περισσότερα για το τι πάει στραβά με τα θεμέλια της φυσικής, διαβάστε το βιβλίο της Lost in Math:How Beauty Leads Physics Aways.
* Εκτός από εμένα, μερικές φορές.
ΠΡΟΣΟΧΗ:Μπορούμε να ενοποιήσουμε τις μεγάλες θεωρίες της φυσικής.
Αυτή η ανάρτηση δημοσιεύτηκε αρχικά στο BackRe(Action), το ιστολόγιο του Hossenfelder και ανατυπώθηκε με άδεια.
