Ο χωροχρόνος

Βαρύτητα και Κβαντική Μηχανική

«Ο χωροχρόνος και η βαρύτητα πρέπει τελικά να προκύπτουν από κάτι άλλο», λέει ο φυσικός Brian Swingle . Διαφορετικά, είναι δύσκολο να δούμε πώς η βαρύτητα του Αϊνστάιν και τα μαθηματικά της κβαντικής μηχανικής μπορούν να συνδυάσουν τη μακροχρόνια ασυμβατότητά τους. Η άποψη του Einstein για τη βαρύτητα ως εκδήλωση της γεωμετρίας του χωροχρόνου υπήρξε μια τεράστια επιτυχία. Αλλά και η κβαντική μηχανική, η οποία περιγράφει τους μηχανισμούς της ύλης και της ενέργειας στην ατομική κλίμακα το πέτυχε με ακρίβεια. Ωστόσο, οι προσπάθειες εύρεσης συνεκτικών μαθηματικών που να ικανοποιούν την κβαντική παραξενιά με τη γεωμετρική βαρύτητα, έχουν συναντήσει τρομερά τεχνικά και εννοιολογικά οδοφράγματα.

 

Τουλάχιστον αυτό ίσχυε εδώ και καιρό στις απόπειρες κατανόησης του συνηθισμένου χωροχρόνου. Όμως, κάποιες ενδείξεις για πιθανή πορεία προς την πρόοδο έχουν προκύψει από τη θεωρητική μελέτη εναλλακτικών χωροχρονικών γεωμετριών, κατανοητών κατ’ αρχήν αλλά με ασυνήθιστες ιδιότητες. Μία τέτοια εναλλακτική, γνωστή ως χώρος anti de Sitter, είναι περίεργα καμπύλος και τείνει να καταρρεύσει από μόνος του, αντί να επεκτείνεται όπως το σύμπαν στο οποίο ζούμε. Δεν θα ήταν ωραίο μέρος για να ζήσεις εκεί μέσα. Αλλά σαν εργαστήριο για τη μελέτη των θεωριών της κβαντικής βαρύτητας, έχει πολλά να προσφέρει.

 

«Η κβαντική βαρύτητα είναι αρκετά πλούσια και προκαλεί σύγχυση, ακόμη και τα σύμπαντα των παιχνιδιών μπορούν να ρίξουν τεράστιο φως στη φυσική», γράφει ο Swingle.

 

Οι μελέτες του χώρου anti de Sitter υποδηλώνουν, για παράδειγμα, ότι τα μαθηματικά που περιγράφουν τη βαρύτητα (δηλαδή τη γεωμετρία χωροχρόνου) μπορούν να είναι ισοδύναμα με τα μαθηματικά της κβαντικής φυσικής σε ένα χώρο μιας μικρότερης διάστασης. Σκεφτείτε ένα ολόγραμμα, δηλαδή μια επίπεδη, δισδιάστατη επιφάνεια που ενσωματώνει μια τρισδιάστατη εικόνα. Με παρόμοιο τρόπο, η τετραδιάστατη γεωμετρία του χωροχρόνου ίσως θα μπορούσε να κωδικοποιηθεί στα μαθηματικά της κβαντικής φυσικής που λειτουργεί σε τρεις διαστάσεις. Ή ίσως να χρειάζεστε περισσότερες διαστάσεις, το πόσες διαστάσεις απαιτούνται είναι μέρος του προβλήματος που πρέπει να επιλυθεί.

 

Εν πάση περιπτώσει, οι έρευνες προς αυτή την κατεύθυνση έχουν αποκαλύψει μια απροσδόκητη πιθανότητα: Ο ίδιος ο χωροχρόνος μπορεί να δημιουργηθεί από την κβαντική φυσική, συγκεκριμένα από το περίπλοκο φαινόμενο που είναι γνωστό ως κβαντική διεμπλοκή. 

 

Η κβαντική διεμπλοκή είναι ένα περίεργο και αλλόκοτο φαινόμενο που συνδέει σωματίδια που βρίσκονται ακόμη και σε πολύ μεγάλες αποστάσεις. Εάν εκπέμπονται από μια κοινή πηγή, τέτοια σωματίδια παραμένουν πεπλεγμένα ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι το ένα από το άλλο. Εάν μετρήσετε μια ιδιότητα (όπως σπιν ή πόλωση) για ένα από αυτά, τότε ξέρετε ποιο θα ήταν το αποτέλεσμα της ίδιας μέτρησης για το άλλο. Πριν όμως από τη μέτρηση, αυτές οι ιδιότητες δεν έχουν ποτέ προσδιοριστεί, ένα παράλογο γεγονός που όμως έχει επαληθεύεται από πολλά πειράματα. Φαίνεται ότι η μέτρηση σε ένα μέρος καθορίζει ποια θα είναι η μέτρηση σε μια άλλη μακρινή τοποθεσία.

 

Φαίνεται ότι τα πεπλεγμένα σωματίδια πρέπει να είναι σε θέση να επικοινωνούν γρηγορότερα από το φως, οι πρώτες μέχρι σήμερα μετρήσεις έχουν δείξει ότι η κβαντική διεμπλοκή πραγματοποιείτε με ταχύτητες μεγαλύτερες από 10.000 φορές αυτής του φωτός, διαφορετικά, είναι αδύνατο να φανταστούμε πώς ένα από αυτά θα μπορούσε να ξέρει τι συνέβαινε στον άλλο σε ένα τεράστιο χωροχρόνο.

 

Πώς λοιπόν τα πεπλεγμένα σωματίδια ξεπερνούν το χάσμα του χωροχρόνου που τα διαχωρίζει; Ίσως η απάντηση είναι να μην χρειάζεται η διεμπλοκή να συμβαίνει στο χωροχρόνο, ίσως η διεμπλοκή να δημιουργεί τον χωροχρόνο. 

 

Τουλάχιστον αυτή είναι η πρόταση που έχει εμπνεύσει μια νέα έρευνα στη θεωρία για τον κόσμο. «Η εμφάνιση του χωροχρόνου και της βαρύτητας είναι ένα μυστηριώδες φαινόμενο της κβαντικής φυσικής πολλών σωμάτων, που θα θέλαμε να κατανοήσουμε», προτείνει ο Swingle.

 

Η έντονη προσπάθεια πολλών κορυφαίων φυσικών έχει δημιουργήσει θεωρητικά στοιχεία ότι τα δίκτυα των πεπλεγμένων κβαντικών καταστάσεων υφαίνουν τον χωροχρονικό ιστό. Αυτές οι κβαντικές καταστάσεις περιγράφονται συχνά ως «qubits» δηλαδή κομμάτια κβαντικής πληροφορίας (όπως τα συνηθισμένα bit του υπολογιστή, αλλά υπάρχουν σε ένα συνδυασμό του 1 και του 0, όχι μόνο είτε 1 είτε 0). Τα πεπλεγμένα qubits δημιουργούν δίκτυα με γεωμετρία στον χώρο με μια επιπλέον διάσταση πέρα ​​από τον αριθμό των διαστάσεων στις οποίες ζουν τα qubits. Έτσι, η κβαντική φυσική των qubits μπορεί στη συνέχεια να εξομοιωθεί με τη γεωμετρία ενός χώρου με μια επιπλέον διάσταση.

 

Και το καλύτερο από όλα, η γεωμετρία που δημιουργήθηκε από τα πεπλεγμένα qubits μπορεί πολύ καλά να υπακούει στις εξισώσεις από τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν που περιγράφουν την κίνηση λόγω της βαρύτητας, τουλάχιστον αυτό λένε τα πιο πρόσφατα ερευνητικά σημεία προς αυτήν την κατεύθυνση. «Προφανώς, μια γεωμετρία με τις σωστές ιδιότητες που δημιουργήθηκαν από την διεμπλοκή πρέπει να υπακούει στις βαρυτικές εξισώσεις της κίνησης», γράφει ο Swingle. «Αυτό το αποτέλεσμα δικαιολογεί περαιτέρω τον ισχυρισμό ότι ο χωροχρόνος προκύπτει από την διεμπλοκή».

 

Βέβαια, απομένει να αποδειχθεί ότι οι ενδείξεις που βρέθηκαν με επιπλέον διαστάσεις θα οδηγήσουν στην αληθινή ιστορία για τον συνηθισμένο χωροχρόνο στον οποίο οι πραγματικοί φυσικοί βαδίζουν. Κανείς δεν ξέρει πραγματικά ποιες κβαντικές διαδικασίες στον πραγματικό κόσμο μας, θα είναι υπεύθυνες για την ύφανση του χωροχρόνου. Ίσως ορισμένες από τις παραδοχές που έγιναν στους υπολογισμούς μέχρι στιγμής να αποδειχθούν λανθασμένοι. Αλλά θα μπορούσαμε κάλλιστα να βρισκόμαστε στην αρχή μιας παρατήρησης βαθειά στα θεμέλια της φύσης, όσο ποτέ άλλοτε, που πιθανών να απαιτεί αρκετά συμπληρώματα στην υπάρχουσα σημερινή Φυσική.

«Πολυσύμπαν» όταν η πραγματικότητα υπερβαίνει την φαντασία

Την ύπαρξη αμέτρητων ασύνδετων μεταξύ τους συμπάντων έχουν προτείνει διάφορες θεωρίες όπως αυτή των χορδών αλλά και η κβαντομηχανική. Μια από τις ιδέες που έχουν πέσει στο τραπέζι του επιστημονικού διαλόγου είναι ότι οι ιδιότητες της κβαντομηχανικής που κανονικά επηρεάζουν μόνο τα μικρότερα σωματίδια παίζει κεντρικό ρόλο και στην εξέλιξη του χωροχρόνου. Σύμφωνα με αυτή την ιδέα ένα αποτέλεσμα αυτής της επιρροής της κβαντομηχανικής είναι ότι μπορούσε να αλλάξει τη κβαντική κατάσταση ενός μικρού «τεμαχίου» χωροχρόνου δημιουργώντας μια κοσμική φυσαλίδα.

Τέτοιες φυσαλίδες θα μπορούσαν να σχηματίζονται συνεχώς μέσα σε ένα νεαρό σύμπαν (σαν το δικό μας) που βρισκόταν σε κατάσταση διαστολής. Αυτές οι φυσαλίδες θα άρχιζαν να διαστέλλονται ανεξάρτητα σχηματίζοντας ένα νέο νεαρό σύμπαν και κάθε νέο νεαρό σύμπαν να γεννά εκ νέου τέτοιες φυσαλίδες που θα δημιουργούν νέα σύμπαντα δημιουργώντας τελικά αυτό που οι θιασώτες αυτής της ιδέας ονομάζουν «Πολυσύμπαν».

Θιασώτης αυτής της ιδέας είναι ο Αλεξ Βίλενκιν, κοσμολόγος του Πανεπιστημίου Tufts στη Μασαχουσέτη. Ο Βίλενκιν μαζί με μια ομάδα συνεργατών του αποφάσισαν να αναζητήσουν τα ίχνη του Πολυσύμπαντος. Σε πρώτη φάση έκαναν μαθηματικές αναλύσεις για να διερευνήσουν τι ακριβώς συμβαίνει με αυτές τις φυσαλίδες, τον σχηματισμό και την εξέλιξη τους. Οι ερευνητές κατέληξαν στο εξής συμπέρασμα. Ότι οι φυσαλίδες που δημιουργούνται στην αρχή αυτού του φαινομένου θα είναι μεγάλες και θα δημιουργούν μεγαλύτερες από εκείνες μαύρες τρύπες μέσα στις οποίες θα… κρύβονται.

Οι επόμενες γενιές φυσαλίδων θα είναι μικρότερες και θα καταρρέουν σχηματίζοντας τις συμβατικές μελανές οπές που γνωρίζουμε με τον περίφημο «ορίζοντα γεγονότων», το λεγόμενο «σημείο χωρίς επιστροφή», δηλαδή το σημείο στο οποίο η βαρυτική έλξη γίνεται τόσο δυνατή, ώστε κάθε διαφυγή να είναι αδύνατη. Με απλά λόγια οι ερευνητές αναφέρουν ότι οι κολοσσιαίες μελανές οπές, εκείνες που η μάζα τους είναι δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου είναι πιθανώς πύλες πίσω από τις οποίες βρίσκονται άλλα σύμπαντα. Η μελέτη που παρουσιάζεται στην διαδικτυακή υπηρεσία προδημοσιεύσεων arxiv έχει ήδη προκαλέσει πολλά θετικά σχόλια από επιστήμονες σε όλο τον κόσμο και σίγουρα αν μη τι άλλο εξάπτει την φαντασία.

Πληθωρισμός και Φυσαλίδες

Αν η θεωρία του πληθωρισμού στην κοσμολογία είναι σωστή, αυτό σημαίνει ότι το σύμπαν είναι πολύ μεγαλύτερο από ότι πιστεύαμε. Κατά πάσα πιθανότητα το σύμπαν είναι επίσης πολύ μεγαλύτερο και από την αναθεωρημένη άποψη, γιατί δεν έγινε μόνο ένα αλλά άπειρα big bang.

Η πληθωριστική θεωρία αναπτύχθηκε για να εξηγήσει παρατηρήσιμα χαρακτηριστικά του σύμπαντος, και είχε σημαντική επιτυχία. Ένα παράδειγμα είναι η φύση της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, που οι κοσμολόγοι ερμηνεύουν σαν το χρονικό της ακτινοβολίας που έμεινε από την θερμότητα του ίδιου του big bang.

Αστρονόμοι έχουν κάνει μετρήσεις υψηλής ακρίβειας αυτής της ακτινοβολίας και διαπίστωσαν ότι φθάνει στην Γη με την ίδια ένταση από όλες τις κατευθύνσεις, με εξαιρετική ακρίβεια περίπου 1/1000 του 1%. Ιχνηλατώντας την ιστορία αυτής της ακτινοβολίας πίσω στο χρόνο, οι κοσμολόγοι συμπέραναν ότι η θερμοκρασία και η πυκνότητα της ύλης στο Σύμπαν πρέπει να ήταν ομοιόμορφη με αυτή την ακρίβεια όταν η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου ελευθερώθηκε, περίπου 370.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Χωρίς τον πληθωρισμού, αυτή η ακραία ομοιογένεια του πρώιμου σύμπαντος έπρεπε να υποτεθεί σαν αξίωμα, δηλαδή δεν μπορούσε να εξηγηθεί. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι, χωρίς τον πληθωρισμό δεν θα υπήρχε αρκετός χρόνος για να γίνει αυτή η σχεδόν ομοιομορφία του Κόσμου, οπότε οι κοσμολόγοι είναι αναγκασμένοι να δεχτούν, χωρίς εξήγηση, ότι το σύμπαν ήταν ομοιόμορφο από την αρχή.

Η θεωρία του πληθωρισμού δέχεται  ότι στις απαρχές του σύμπαντος διογκώθηκε κατά ένα συντελεστή 1050. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με το αρχικό μοντέλο του big-bang, το οποίο λέει ότι το σύμπαν επεκτείνεται με όλο και μικρότερο ρυθμό καθώς η βαρύτητα προσπαθεί να τραβήξει όλη την ύλη πίσω. Ο πληθωρισμός σταμάτησε 10-30 δευτερόλεπτα μετά το Big Bang, και από τότε το σύμπαν έχει επεκταθεί ακριβώς όπως λέει το μοντέλο του big-bang.

Παρά το όνομα, η κλασική μορφή της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης δεν είναι στην πραγματικότητα καμιά θεωρία της Έκρηξης. Στην πραγματικότητα περιγράφει μόνο τι έγινε μετά την Έκρηξη. Περιγράφει πως το πρώιμο, καυτό, πυκνό σύμπαν επεκτάθηκε και ψύχθηκε. Περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο γεννήθηκαν τα ελαφρά χημικά στοιχεία κατά τη διάρκεια αυτής της διαστολής, και πως η ύλη συμπτύχτηκε για να σχηματιστούν οι γαλαξίες και τα άστρα. Δεν λέει όμως τίποτα τι ήταν αυτό που έκανε ή τι προκάλεσε την Έκρηξη, και ως εκ τούτου, δεν κάνει προβλέψεις για την ομοιομορφία του Σύμπαντος, λίγο μετά την Έκρηξη.

Ο πληθωρισμός, από την άλλη πλευρά, μπορεί να εξηγήσει την "έκρηξη" του big bang. Στηρίζεται σε μια πρόταση, με προέλευση τη σύγχρονη φυσική σωματιδίων, ότι εξαιρετικά υψηλές πυκνότητες μπορεί να οδηγήσουν σε μια μορφή ύλης που κάνουν τη βαρύτητα της απωστική και όχι ελκτική.

Για λόγους που δεν αναφέρεται εδώ, αυτή η μορφή της ύλης ονομάζεται "ψευδές κενό." Ο πληθωρισμός είναι η θεωρία ότι η διαστολή του Σύμπαντος που βλέπουμε σήμερα είναι το αποτέλεσμα της απωστικής βαρύτητας του ψευδούς κενού, που γέμιζε το σύμπαν στις απαρχές του, ένα απειροελάχιστο κλάσμα του δευτερολέπτου μετά το big bang.

Στην πληθωριστική θεωρία η ακραία ομοιομορφία του σύμπαντος έγινε πολύ νωρίς, προτού αρχίσει ο πληθωρισμός. Εκείνη την εποχή η περιοχή που σήμερα είναι το παρατηρήσιμο σύμπαν ήταν πολύ μικροσκοπικό, πάνω από ένα δισεκατομμύριο φορές μικρότερο από το μέγεθος ενός πρωτονίου. Για μια τόσο μικρή περιοχή, υπήρχε άφθονος αρκετός χρόνος για να προκύψει η ομοιομορφία, από τις ίδιες διαδικασίες με τις οποίες η ατμόσφαιρα σε ένα δωμάτιο διαδίδεται και καλύπτει ομοιόμορφα όλο τον όγκο του δωματίου. Αφού έγινε αυτή η ομοιομορφία, ο πληθωρισμός ανέλαβε να διασταλεί η περιοχή για να γίνει αρκετά μεγάλη, ώστε να συμπεριλαμβάνει όλα τα αστέρια και τους γαλαξίες που βλέπουμε σήμερα.

Και τα «σύμπαντα φυσαλίδες»

Ο πληθωρισμός δεν εξηγεί μόνο την ομοιομορφία που βλέπουμε στην κοσμική ακτινοβολία, αλλά εξηγεί και τις στατιστικές ιδιότητες της πολύ αμυδρής μη ομοιογενούς μικροκυματικής ακτινοβολίας που έχει παρατηρηθεί με πολύ ευαίσθητα όργανα, και τα οποία μπορούν να διακρίνουν διακυμάνσεις κάτω από το 1/1.000 του 1%.

Ενώ ο πληθωρισμός πρέπει να δοκιμαστεί και να κριθεί με βάση τα όσα αναφέρει σχετικά με τα παρατηρήσιμα χαρακτηριστικά του σύμπαντος, η περιέργεια οδηγεί τους κοσμολόγους να ρωτήσουν τι λέει ο πληθωρισμός για το σύμπαν ολόκληρο. Η απάντηση της είναι περίεργη.

Η βαρυτική απωστική δύναμη του ψευδούς κενού, που πιστεύεται ότι είναι η αιτία του πληθωρισμού, ήταν τόσο ισχυρή που θα είχε ξεκινήσει μια περίοδο εξαιρετικά ταχείας επέκτασης του μικροσκοπικού σύμπαντος. Το τότε σύμπαν λόγω της ταχύτατης διαστολής θα διπλασιαζόταν σε μέγεθος περίπου κάθε 10-37 του ενός δευτερολέπτου, φυσικά για όσο χρονικό διάστημα επέζησε το ψευδοκενό. Το ψευδές κενό όμως είναι ασταθές, κι έτσι κάποια στιγμή θα "διασπαστεί", μετατρέποντας την ενέργεια του σε μια καυτή σούπα των απλών σωματιδίων.

Από το σημείο αυτό και μετά το σενάριο συμπίπτει με την καθιερωμένη εικόνα του καυτού big bang. Η δραματική διαστολή, ωστόσο, υποδεικνύει ότι το Σύμπαν θα πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό που παρατηρείται σήμερα. Δηλαδή το παρατηρήσιμο σύμπαν θα είναι απλά μια κηλίδα σε ένα πολύ μεγαλύτερο χώρο.

Όμως η όλη ιστορία των απαρχών του Κόσμου είναι πολύ πιο σύνθετη. Το ψευδές κενό είναι ασταθές, αλλά στις περισσότερες εκδόσεις της θεωρίας αυτό διασπάται σαν μια ραδιενεργή ουσία, όπως το ράδιο. Η διάσπαση περιγράφεται από ένα χρόνο ημιζωής ή υποδιπλασιασμού: το μισό του ψευδοκενούς θα παραμείνει μετά από ένα χρόνο ημιζωής, το 1/4 θα παραμείνει μετά από δύο υποδιπλασιασμούς κ.λπ.

Ωστόσο, σε αντίθεση με το ραδιενεργό υλικό, το ψευδοκενό θα επεκτείνεται καθώς αυτό θα διασπάται, και η διαστολή θα είναι ταχύτερη από τη διάσπαση. Αν και μόνο το ήμισυ της ψευδούς κενού θα παραμείνει μετά από ένα χρόνο ημιζωής, θα ήταν μεγαλύτερο από την αρχική περιοχή! Το ψευδές κενό ποτέ δεν θα εξαφανιστεί, αλλά αντίθετα θα συνεχίσει να αυξάνεται σε όγκο επ' αόριστον. Τμήματα της περιοχής του ψευδούς κενού θα διασπάται τυχαία παράγοντας νέα σύμπαντα "φυσαλίδα" με ένα διαρκώς αυξανόμενο ρυθμό. Το σύμπαν μας θα είναι έτσι μόνο ένα από τα σύμπαντα σε αυτό το απέραντο δέντρο των φυσαλίδων.

Το διάγραμμα δεξιά δείχνει μια απλουστευμένη εικόνα του τρόπου με τον οποίο θα λειτουργούσε αυτή η εξέλιξη. Στην αρχή έχουμε μια περιοχή του ψευδοκενού. Μετά φτιάχνεται μια φυσαλίδα-σύμπαν και τη μισή περιοχή του ψευδοκενούς κοκ. Κάθε φορά από μια περιοχή ψευδοκενού παράγεται κι ένα σύμπαν φυσαλίδα. Κάθε μία περιοχή του ψευδούς κενού είναι τόσο μεγάλη όσο και η αρχική περιοχή λόγω διαστολής. Η διαδικασία αυτή θα πρέπει να συνεχίζεται επ' αόριστον.

Οι φυσαλίδες θα συγκρούονται τόσο σπάνια, ώστε κάθε παρατηρητής θα είχε μια αμελητέα πιθανότητα να δούμε ένα σημάδι ύπαρξης των άλλων φυσαλίδων. Παρόλα αυτά,  φαίνεται να είναι απαραίτητη η κατανόηση της δομής του δέντρου με τα άπειρα κλαδιά σύμπαντα, προκειμένου να γίνουν στατιστικές προβλέψεις για τις ιδιότητες του δικού μας Σύμπαντος, το οποίο υποτίθεται ότι είναι ένα τυπικό "κλαδί" του δέντρου.

Μελετώντας ένα σενάριο, όπως αυτό, οι κοσμολόγοι γενικά υποθέτουν ότι οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι σε όλες αυτές τις πολυφυσαλίδες σύμπαντα. Στην πραγματικότητα, δεν έχουμε καμία δυνατότητα να το γνωρίζουμε, αλλά ο στόχος μας είναι να καταλάβουμε τις συνέπειες των νόμων της φυσικής όπως τις ξέρουμε, και να μην μείνουμε σε εικασίες για άλλους μυθικούς κόσμους.

Παρόλα αυτά, υπάρχει μια πιθανότητα ότι οι άλλες φυσαλίδες σύμπαντα θα μπορούσαν να είναι πολύ διαφορετικές από τη δική μας φυσαλίδα. Ενώ ο άδειος χώρος φαίνεται να στερείται ιδιότητες, ο κενός χώρος της σύγχρονης σωματιδιακής φυσικής είναι μία εξαιρετικά περίπλοκη ουσία.

Από το πουθενά εμφανίζονται και εξαφανίζονται αδιάκοπα ζεύγη σωματιδίων-αντισωματιδίων, και το διάστημα το ίδιο πιστεύεται πως διασπάται στον κβαντικό αφρό (μια έννοια που είναι λίγο κατανοητή) όταν μεγεθυνθεί αρκετά, έτσι ώστε αποστάσεις 10-33 εκατοστών να γίνονται ορατές.

Λόγω αυτής της πολυπλοκότητας, οι φυσικοί δεν γνωρίζουν εάν ένα μόνο είδος κενού χώρου είναι σταθερό, ή αν υπάρχουν πολλά είδη. Άλλες μορφές του χώρου μπορεί να μην είναι τρισδιάστατες, και αυτές πιθανόν να αλλάζουν τη μάζα των στοιχειωδών σωματιδίων, ή τις δυνάμεις που διέπουν τη συμπεριφορά τους. Αν υπάρχουν πολλά είδη χώρου, τότε το άπειρο δέντρο των φυσαλίδων συμπάντων θα έχει δείγματα όλων των πιθανοτήτων. 

Κβαντομηχανική και «πολυσύμπαν»

Ο David Deutsch στο πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και οι συνάδελφοι του έχουν δείξει ότι οι βασικές εξισώσεις της κβαντομηχανικής προκύπτουν από τα μαθηματικά των παράλληλων συμπάντων. "Αυτή η εργασία είναι μία από τις σημαντικότερες εξελίξεις στην ιστορία της επιστήμης", λέει ο Andy Albrecht, ένας φυσικός στο πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Νταίηβις. Σε ένα παράλληλο σύμπαν, τουλάχιστον, θα είναι πολύ σπουδαία - αν είναι και σε μας θα περιμένουμε να φανεί.

Η ερμηνεία των "πολλών συμπάντων" των κβαντομηχανικής προτάθηκε πριν 50 χρόνια από τον Hugh Everett, ένα μεταπτυχιακό σπουδαστή στο πανεπιστήμιο του Princeton. Από το να εφαρμόσετε ένα σύνολο κανόνων στον υποατομικό κβαντικό σύμπαν και ένα άλλο στο μεγαλύτερης κλίμακας καθημερινό σύμπαν, όπως οι φυσικοί τείνουν να κάνουν, ο Everett ήθελε να εφαρμόσει τις κβαντομηχανικές εξισώσεις σε όλα τα επίπεδα. Αυτό βεβαίως είχε μερικές τρομακτικές συνέπειες. 

Σύμφωνα με τους κβαντομηχανικούς, τα σωματίδια δεν έχουν αμετάβλητες ιδιότητες προτού να παρατηρηθούν. Αντιθέτως, τα σωματίδια περιγράφονται από "κυματοσυναρτήσεις" που αντιπροσωπεύουν πολλές - αμοιβαία αντιφατικές - ιδιότητες. Και μόνο όταν ένας παρατηρητής μετρά μια ιδιότητα το σωματίδιο 'κατασταλάζει' κάπως σε μία από αυτές τις πολλαπλές επιλογές. Το παράδοξο εξηγείται από τη γάτα του Schrödinger - το διάσημο νοητικό πείραμα στο οποίο μια γάτα μέσα σε ένα κιβώτιο μπορεί να ειπωθεί πως είναι και ζωντανή και νεκρή. Παραδοσιακά θεωρείται ότι η πράξη της παρατήρησης, όταν ανοίγουμε το κιβώτιο για να ελέγξουμε τη γάτα, είναι αυτή που την αναγκάζει να μπει σε μια κατάσταση, ζωντανή ή νεκρή.

Εάν, όπως υποστήριξε ο Everett, η κβαντομηχανική απευθύνεται σε ολόκληρο το σύμπαν, τότε πρέπει αυτή να υπάρχει, επίσης, σε ένα πλήθος ξεχωριστών καταστάσεων. Θα υπήρχε ένα "πολυσύμπαν" από παράλληλα σύμπαντα - ένα για κάθε φυσική δυνατότητα. Έτσι όταν ανοίγετε το κιβώτιο να δείτε τη γάτα του Schrödinger, το σύμπαν χωρίζεται, σχηματίζοντας δύο νέα "δικά σας" σύμπαντα - ένα του οποίου το μέλλον περιλαμβάνει την παρακολούθηση της ζωντανής γάτας και ένα άλλο που βλέπει τη νεκρή γάτα.

Η θεωρία αυτή δεν είχε τύχει της επιστημονικής καθιέρωσης σαν γελοίο για δεκαετίες, όμως τώρα το σενάριο του πολύ-σύμπαντος μπορεί επιτέλους να βγει από την ψύξη χάρις στην εργασία του Deutsch.

Η μεγαλύτερη κριτική που ισοπέδωσε τη θεωρία του πολυσύμπαντος ήταν όταν φάνηκε να χειροτερεύει τις εκβάσεις των κβαντικών πειραμάτων. Οι φυσικοί μπορούν να προβλέψουν την πιθανότητα να δουν μια ορισμένη έκβαση από ένα κβαντικό πείραμα από το τετράγωνο της κυματοσυνάρτησης του, σύμφωνα με το κανόνα του Born. Κανένας δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί αυτός ο κανόνας του Born, ταιριάζει απλά με τις πειραματικές παρατηρήσεις. Το πρόβλημα που αναδύθηκε αργότερα ήταν ότι ο κανόνας του Born φαινόταν να μην έχει καμία θέση στο πολυσύμπαν. Στην πραγματικότητα, δεν φάνηκε να υπάρχει κανένας χώρος για οποιεσδήποτε πιθανότητες, αναφέρει ο Deutsch. "Πετάτε ένα νόμισμα, αλλά τι σημαίνει ότι η πιθανότητα να έρθουν γράμματα είναι 50 τοις εκατό;" ρωτά ο Deutsch. "Σύμφωνα με τον Everett, και οι δύο εκβάσεις πρέπει να συμβούν."

Στα μέσα της δεκαετίας του '90, ο Deutsch ανέλαβε να βάλει την αβεβαιότητα που βλέπουμε στα πειράματα της κβαντομηχανικής πίσω στο σενάριο των πολλών συμπάντων. Τώρα δε, με την πρόσθετη εργασία από τους Simon Saunders και David Wallace, που ανήκουν επίσης στην Οξφόρδη, ο ίδιος θεωρεί ότι έχουν πετύχει τον στόχο τους. Το τέχνασμα τους είναι να εξετάσουν ένα κβαντικό πείραμα αποκλείοντας τη θεωρία της πιθανότητας και αποδεχόμενοι την ερμηνεία του πολυ-σύμπαντος.

Το πολυσύμπαν δημιουργεί μια διακλαδιζόμενη δομή, που δημιουργείται καθώς το σύμπαν διασπάται σε παράλληλες εκδόσεις του. Το πάχος των κλάδων μπορεί να υπολογιστεί απλώς χρησιμοποιώντας τις αιτιοκρατικές εξισώσεις, απομακρύνοντας τις αβεβαιότητες που συνδέονται συνήθως με την κβαντική φυσική. Αυτό που βρήκε η παρέα της Οξφόρδης είναι ότι η διακλαδιζόμενη δομή αναπαράγει ακριβώς τις ιδιαίτερες πιθανότητες που προβλέπονται από τον κανόνα του Born.

Η διακλάδωση δίνει επίσης την παραίσθηση των πιθανολογικών εκβάσεων στις μετρήσεις.

Ο Deutsch θεωρεί ότι αυτό λύνει το πρόβλημα της προέλευσης της κβαντικής πιθανότητας μια για πάντα. "Οι πιθανότητες θεωρήθηκαν ως το μεγαλύτερο πρόβλημα για τον Everett, αλλά κατά ειρωνικό τρόπο, είναι τώρα η ισχυρότερη επιτυχία του", λέει.

"Έχουμε ξεκαθαρίσει τα σκοτάδια και λύσαμε το πρόβλημα με μια μια καθαρή απόφαση ότι η θεωρία του Everett δουλεύει", λέει ο Saunders, που παρουσίασε την εργασία του με τον Wallace στο Ίδρυμα για τη θεωρητική φυσική στο Βατερλώ του Καναδά, πριν λίγες μέρες. "Είναι μια δραματική ανακύκλωση και αυτό σημαίνει ότι οι άνθρωποι πρέπει τώρα να συζητήσουν τον Everett σοβαρά."

Ο Albrecht συμφωνεί ότι η εργασία αυτή θα ανακατέψει τους κόσμους των φυσικών. "Πολλοί άνθρωποι ανησυχούν για τις πιθανότητες στην καρδιά της κβαντομηχανικής και προσπαθούν να ξεφορτωθούν την κβαντομηχανική εξ αιτίας τους", διευκρινίζει. "Αλλά αυτό ενισχύει αρκετά τη θεμελιώδη θέση της κβαντομηχανικής για την κατανόηση του φυσικού σύμπαντος."

Ο David Papineau, ένας φιλόσοφος της φυσικής στο Βασιλικό Κολέγιο του Λονδίνου, λέει ότι ο ίδιος μεταστράφηκε από σκεπτικιστής για τα πολλά σύμπαντα σε πιστός της θεωρίας αυτής, που βασίζεται στην δυνατότητά της μια ημέρα να λύσει αυτόν τον γρίφο των κβαντικών πιθανοτήτων. Προσθέτει, εν τούτοις, ότι η εργασία από τους Deutsch, Wallace και Saunders θα πρέπει να διερευνηθεί τώρα. "Είναι ένα φιλόδοξο ζήτημα και γι αυτό πρέπει να είμαστε προσεκτικοί", λέει. Για τον Papineau, το πρόβλημα είναι εάν η πίστη στους παράλληλους κόσμους θα έχει επιπτώσεις στον τρόπο που ζούμε την καθημερινή ζωή μας.

Ο γνωστός Max Tegmark στο Τεχνολογικό Ίδρυμα της Μασαχουσέτης είναι από καιρό ένας φαν του πολυσύμπαντος σεναρίου. Αλλά ενώ πιστεύει ότι η νέα εργασία για την πιθανότητα πρέπει να πείσει τους φυσικούς για τον ρεαλισμό της, δεν θα είναι ποτέ αρκετή για να κερδίσει τους αδιάλλακτους σκεπτικιστές. "Η κριτική των πολλών συμπάντων απλά μετατοπίζεται από το "δεν έχει κανένα νόημα και τη μισώ" στο "τη μισώ", εξηγεί. 

Ο David Albert, φιλόσοφος κι αυτός της φυσικής στο πανεπιστήμιο Κολούμπια στη Νέα Υόρκη, είναι δύσπιστος. Υποστηρίζει ότι υπάρχει λόγος να είναι προσεκτικός κανείς. "Όταν ακούτε αρχικά για αυτό το ζήτημα αισθάνεστε πλήρης ευφορίας", αναφέρει. "Αλλά έπειτα σκέφτεστε, ίσως αυτό είναι πάρα πολύ καλό για να είναι αληθινό." Ο ίδιος θεωρεί ότι είναι άσχετο ότι ο Deutsch και οι συνάδελφοί του μπορούν να δείξουν ότι τα διακλαδιζόμενα σύμπαντα δίνουν την παραίσθηση των πιθανολογικών εκβάσεων στις μετρήσεις. Αυτό που θέλουμε πραγματικά να ξέρουμε, λέει ο David Albert, είναι γιατί συμβαίνει αρχικά αυτή η διακλάδωση. "Έχουν απαντήσει σε μια ερώτηση, αλλά νομίζω ότι είναι η λανθασμένη ερώτηση," λέει.

Ο Wojciech Zurek στο Εθνικό Εργαστήριο του Los Alamos στο New Mexico θεωρεί ότι ο κανόνας του Born είναι ακριβώς η σωστή ερώτηση. Εντούτοις, θεωρεί ότι μπορεί να απαντηθεί χωρίς προσφυγή στους παράλληλους Κόσμους. Ο Zurek επισημαίνει ότι ο Everett δεν χρησιμοποίησε ποτέ τον όρο "πολλά σύμπαντα" στις εργασίες του, και λέει ότι η εργασία του μπορεί να ερμηνευθεί με λιγότερο αμφισβητούμενους τρόπους.

Ο Zurek εμπνέεται επίσης από τις ιδέες του Everett, ιδιαίτερα την διορατικότητά του ότι οι κβαντομηχανικοί πρέπει να απευθύνονται σε ολόκληρο το σύμπαν παρά σε μια περιορισμένη κβαντική σφαίρα. Ερμηνεύει αυτό για να δείξει ότι η κβαντική διεμπλοκή - η διαδικασία στην οποία τα κβαντικά σωματίδια μπορούν να γίνουν περίπλοκα συνδεδεμένα και να ενεργούν σε συμφωνία ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι - είναι ένα θεμελιώδες συστατικό της κβαντικής φυσικής. Ο Zurek ήδη έχει χρησιμοποιήσει αυτήν την ιδιότητα για να εξηγήσει γιατί βλέπουμε μια ενιαία αντικειμενική πραγματικότητα όταν κάνουμε μια μέτρηση μιας κβαντικής κατάστασης. Ο Zurek ισχυρίζεται ότι η διεμπλοκή μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να παραγάγει τον κανόνα του Born. 

Geronimo

Η διπλή κβαντική μεταφορά

Η διπλή κβαντική μεταφορά ψηφίστηκε σημαντικότερη ανακάλυψη στη φυσική το 2015.

Η ταυτόχρονη κβαντική τηλεμεταφορά δύο ιδιοτήτων ενός θεμελιώδους σωματιδίου, του φωτονίου, ανακηρύχθηκε «ανακάλυψη της χρονιάς» από το περιοδικό "Physics World" (Κόσμος της Φυσικής) του Ινστιτούτου Φυσικής με έδρα το Λονδίνο.

Το 1993 είχε για πρώτη φορά δειχθεί θεωρητικά ότι είναι δυνατή η τηλεμεταφορά μιας κβαντικής κατάστασης. Έκτοτε, όλο και περισσότερες ερευνητικές ομάδες ανακοινώνουν νέες επιτυχίες κβαντικής τηλεμεταφοράς σε ολοένα μεγαλύτερες αποστάσεις.

Όμως οι Γιαν-Γουέι Παν και Τσαογιάνγκ Λου του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας, ήσαν οι πρώτοι που κατάφεραν να πετύχουν διπλή τηλεμεταφορά, τόσο της πόλωσης, όσο και της τροχιακής στροφορμής ενός φωτονίου σε ένα άλλο μακρινό φωτόνιο. Το επόμενο βήμα θα είναι η τριπλή ή ακόμη και η πολλαπλή κβαντική τηλεμεταφορά. Ίσως κάποτε η ολική τηλεμεταφορά ενός ανθρώπου ή αντικειμένου αλά «Σταρ Τρεκ» περάσει απο την επιστημονική φαντασία στην πραγματικότητα.

Η κορυφαία δεκάδα ανακαλύψεων στη Φυσική, εκτός της διπλής κβαντικής μεταφοράς, το 2015 περιλαμβάνει επίσης και:

1/  τη μέτρηση για πρώτη φορά της ακτινοβολίας κυκλότρου από ένα μόνο ηλεκτρόνιο.
2/  την παρατήρηση για πρώτη φορά των φερμιονίων Weyl.
3/  την πιο πειστική έως τώρα πειραματική επιβεβαίωση του φαινομένου της κβαντικής διεμπλοκής.

4/  την πρώτη άμεση ανίχνευση φωτός από έναν εξωπλανήτη.
5/  την ανακάλυψη δύο πενταπλών κουάρκ (pentaquarks) από τον επιταχυντή του CERN.
6/  την ανακάλυψη του πρώτου υλικού (σουλφιδίου του υδρογόνου) που εμφανίζει «ζεστή» υπεραγωγιμότητα.
7/  τη δημιουργία της πρώτης φορητής συσκευής μαγνητικής απεικόνισης (MRI).
8/  την κατασκευή του πρώτου φερμιονικού μικροσκοπίου και τέλος
9/  τη δημιουργία της πρώτης κβαντικής λογικής πύλης από πυρίτιο.