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.

Η σταθερά «λ»!

Η γεφύρωση κβαντικής μηχανικής και γενικής σχετικότητας.

Η Ιστορία

Υπάρχει ένα θεμελιώδες πρόβλημα στη φυσική. Η κοσμολογική σταθερά λ μαστίζει τους φυσικούς για περισσότερο από έναν αιώνα.  Η κοσμολογική σταθερά γεφυρώνει τον μικροσκοπικό κόσμο της κβαντικής μηχανικής και τον μακροσκοπικό κόσμο της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αλλά ούτε η θεωρία μπορεί να συμφωνήσει στην τιμή της.  Στην πραγματικότητα, υπάρχει μια τεράστια διαφορά μεταξύ της παρατηρούμενης τιμής αυτής της σταθεράς και της θεωρίας, που θεωρείται ευρέως σαν την χειρότερη πρόβλεψη στην ιστορία της φυσικής. Η επίλυση της διαφοράς μπορεί να είναι ο σημαντικότερος στόχος της θεωρητικής φυσικής αυτού του αιώνα.

Ο Lucas Lombriser, επίκουρος καθηγητής θεωρητικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης, εισήγαγε έναν νέο τρόπο αξιολόγησης των εξισώσεων βαρύτητας του Albert Einstein για να βρει μια τιμή της κοσμολογικής σταθεράς «λ» που να ταιριάζει  με την παρατηρούμενη τιμή της.  Και τον δημοσίευσε στο περιοδικό Physics Letters Β.  (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269319305088#br0020 ). 

Πώς η μεγαλύτερη σφάλμα του Αϊνστάιν έγινε σκοτεινή ενέργεια
 
Η ιστορία της κοσμολογικής σταθεράς ξεκίνησε πριν από περισσότερο από έναν αιώνα, όταν ο Αϊνστάιν παρουσίασε ένα σύνολο εξισώσεων, τώρα γνωστών ως εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν, που έγιναν το πλαίσιο της θεωρίας του γενικής σχετικότητας . Οι εξισώσεις εξηγούν πώς η ύλη και η ενέργεια λυγίζουν τον ιστό του χώρου και του χρόνου για να δημιουργήσουν τη δύναμη της βαρύτητας. Τότε, τόσο ο Αϊνστάιν όσο και οι αστρονόμοι συμφώνησαν ότι το σύμπαν ήταν σταθερό σε μέγεθος και ότι ο συνολικός χώρος μεταξύ των γαλαξιών δεν άλλαξε. Ωστόσο, όταν ο Αϊνστάιν εφάρμοσε τη γενική σχετικότητα στο σύμπαν στο σύνολό του, η θεωρία του προέβλεπε ένα ασταθές σύμπαν που είτε θα έπρεπε να διαστέλλεται είτε θα συρρικνώνεται. Για να αναγκάσει το σύμπαν να είναι στατικό, ο Αϊνστάιν πρόσθεσε την κοσμολογική σταθερά.

Σχεδόν μια δεκαετία αργότερα, ένας άλλος φυσικός, ο Edwin Hubble , ανακάλυψε ότι το σύμπαν μας δεν είναι στατικό αλλά επεκτείνεται. Το φως που έρχεται από τους μακρινούς γαλαξίες έδειξε ότι όλοι απομακρυνόταν , ο ένας από το άλλο. Αυτή η αποκάλυψη έπεισε τον Αϊνστάιν να εγκαταλείψει την κοσμολογική σταθερά από τις εξισώσεις του πεδίου, καθώς δεν ήταν πλέον απαραίτητο να εξηγεί κανείς ένα διαστελλόμενο σύμπαν. Μάλιστα ο Αϊνστάιν αργότερα ομολόγησε ότι η εισαγωγή της κοσμολογικής σταθεράς ήταν ίσως το μεγαλύτερη του σφάλμα .

Το 1998, οι παρατηρήσεις των μακρινών σουπερνόβα έδειξαν ότι το σύμπαν δεν επεκτάθηκε μόνο, αλλά επεκτείνεται επιταχυνόμενο. Οι γαλαξίες επιταχύνθηκαν μακριά ο ένας από τον άλλο ως κάποια άγνωστη δύναμη να ξεπερνά τη βαρύτητα και να τους αναγκάζει να απομακρύνονται. Οι φυσικοί έχουν ονομάσει αυτό το αινιγματικό φαινόμενο σκοτεινή ενέργεια , καθώς η πραγματική της φύση παραμένει ένα μυστήριο.
 
Σαν ειρωνεία, οι φυσικοί ξανά εισήγαγαν την κοσμολογική σταθερά στις εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν για να εξηγήσουν την σκοτεινή ενέργεια. Στο τρέχον πρότυπο μοντέλο κοσμολογίας , γνωστό ως ΛCDM (Lambda CDM), η κοσμολογική σταθερά είναι εναλλάξιμη με τη σκοτεινή ενέργεια. Οι αστρονόμοι εκτιμούσαν ακόμη και την τιμή της με βάση τις παρατηρήσεις των μακρινών σουπερνόβα και τις διακυμάνσεις στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο . Αν και η τιμή είναι παράλογα μικρή (της τάξης των 10 ^ -52 ανά τετραγωνικό μέτρο), σε όλη την κλίμακα του σύμπαντος, είναι αρκετά σημαντική για να εξηγήσει την επιταχυνόμενη διαστολή του χώρου.

Η κοσμολογική σταθερά (η σκοτεινή ενέργεια) αποτελεί επί του παρόντος περίπου το 70% του ενεργειακού περιεχομένου στο σύμπαν μας, το οποίο μπορούμε να συμπεράνουμε από την παρατηρούμενη επιταχυνόμενη διαστολή που υφίσταται σήμερα το σύμπαν μας. λέει ο Lombriser. Οι προσπάθειες να εξηγηθεί αυτή η τιμή έχουν αποτύχει και φαίνεται ότι υπάρχει κάτι θεμελιώδες που λείπει από το πώς καταλαβαίνουμε τι ακριβώς συμβαίνει στο σύμπαν που ζούμε.

Η σωστή τοποθέτηση των κομματιών αυτού του πάζλ είναι ένας από τους σημαντικότερους ερευνητικούς τομείς της σύγχρονης φυσικής. Είναι γενικά αναμενόμενο ότι η επίλυση του θέματος μπορεί να οδηγήσει μας σε μια πιο θεμελιώδη κατανόηση της φυσικής.
  
Η χειρότερη θεωρητική πρόβλεψη στην ιστορία της φυσικής.
 
Η κοσμολογική σταθερά θεωρείται ότι αντιπροσωπεύει αυτό που οι φυσικοί ονομάζουν «ενέργεια κενού». Η θεωρία του κβαντικού πεδίου δηλώνει ότι ακόμη και σε ένα εντελώς άδειο κενό χώρο, τα εικονικά σωματίδια γεννιούνται και πεθαίνουν και δημιουργούν ενέργεια – μια φαινομενικά παράλογη ιδέα, η οποία όμως έχει παρατηρηθεί πειραματικά. Το πρόβλημα προκύπτει όταν οι φυσικοί επιχειρούν να υπολογίσουν τη συμβολή τους στην κοσμολογική σταθερά «λ». Το αποτέλεσμά τους διαφέρει από τις παρατηρήσεις κατά ένα  παράγοντα 10 ^ 121 (το 10 ακολουθούμενο από 120 μηδενικά), τη μεγαλύτερη απόκλιση μεταξύ θεωρίας και πειράματος σε ολόκληρη τη φυσική, μέχρι σήμερα

Μια τέτοια τεράστια διαφορά έχει προκαλέσει ορισμένους φυσικούς να αμφισβητήσουν τις αρχικές εξισώσεις βαρύτητας του Αϊνστάιν. Ορισμένοι έχουν προτείνει ακόμη εναλλακτικά μοντέλα βαρύτητας. Ωστόσο η μελέτη, περαιτέρω στοιχεία των βαρυτικών κυμάτων από το παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων ( LIGO ) έχουν ισχυροποιήσει τη γενική σχετικότητα και απορρίπτουν πολλές από αυτές τις εναλλακτικές θεωρίες. Για το λόγο αυτό, αντί να επανεξετάσει τη βαρύτητα, ο Lombriser υιοθέτησε μια διαφορετική προσέγγιση για να λύσει αυτό το κοσμικό πάζλ.

“Ο μηχανισμός που προτείνω δεν τροποποιεί τις εξισώσεις πεδίου του Einstein”, δήλωσε ο Lombriser. Αντ ί αυτού, “προσθέτει μια επιπλέον εξίσωση στην κορυφή των εξισώσεων πεδίου του Αϊνστάιν”.
Η σταθερά βαρύτητας «G» , η οποία χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στους νόμους της βαρύτητας του Isaac Newton και τώρα είναι ένα ουσιαστικό μέρος των εξισώσεων πεδίου του Αϊνστάιν, περιγράφει το μέγεθος της βαρυτικής δύναμης μεταξύ των αντικειμένων. Θεωρείται μία από τις θεμελιώδεις σταθερές της φυσικής, αιώνια αμετάβλητες από την αρχή του σύμπαντος. Ο Lombriser έχει κάνει τη δραματική υπόθεση ότι αυτή η σταθερά μπορεί να αλλάξει. 

Στην τροποποίηση της γενικής σχετικότητας του Lombriser, η σταθερά βαρύτητας παραμένει η ίδια στο παρατηρούμενο σύμπαν μας, αλλά μπορεί να διαφέρει πέρα ​​από αυτό το παρατηρούμενο σύμπαν. Προτείνει δε ένα σενάρια πολλαπλών παραγόντων όπου μπορεί να υπάρχουν αδιαφανή κομμάτια του σύμπαντος για εμάς, και που να έχουν διαφορετικές τιμές για τις θεμελιώδεις σταθερές. 
Αυτή η διακύμανση της βαρύτητας έδωσε στον Lombriser μια επιπλέον εξίσωση που συνδέει την κοσμολογική σταθερά «λ» με το μέσο άθροισμα της ύλης κατά τη διάρκεια του χωροχρόνου. Αφού αντιπροσώπευε την εκτιμώμενη μάζα όλων των γαλαξιών, των αστεριών και της σκοτεινής ύλης του σύμπαντος, θα μπορούσε να λύσει κάποιος αυτή τη νέα εξίσωση για να αποκτήσει μια νέα τιμή για την κοσμολογική σταθερά – αυτή που συμφωνεί στενά με τις παρατηρήσεις. 

Χρησιμοποιώντας μια νέα παράμετρο, «ΩΛ» (ωμέγα λάμδα), που εκφράζει το κλάσμα του σύμπαντος φτιαγμένο από σκοτεινή ύλη, βρήκε ότι το σύμπαν αποτελείται από περίπου 74% σκοτεινή ενέργεια. Αυτός ο αριθμός προσεγγίζει την τιμή του 68,5% που υπολογίζεται από τις παρατηρήσεις, μια τεράστια βελτίωση σε σχέση με την τεράστια ανισότητα που διαπιστώνεται από τη θεωρία του κβαντικού πεδίου. 

Παρόλο που το πλαίσιο του Lombriser μπορεί να λύσει το πρόβλημα της κοσμολογικής σταθερότητας, δεν υπάρχει τρόπος να το δοκιμάσουμε. Αλλά στο μέλλον, αν πειράματα από άλλες θεωρίες επικυρώσουν τις εξισώσεις του, θα μπορούσε να σημαίνει ένα σημαντικό άλμα στην κατανόηση της σκοτεινής ενέργειας και να προσφέρει  ένα εργαλείο για την επίλυση άλλων κοσμικών μυστηρίων. 

Που νομίζουμε ότι είμαστε.

Λιγότερο από το 5% της συνολικής μάζας και ενέργειας του σύμπαντος αποτελεί την ύλη από την οποία έχουν φτιαχτεί οι γαλαξίες, τα άστρα, οι πλανήτες και φυσικά εμείς οι άνθρωποι. Η λεγόμενη σκοτεινή (δηλαδή άγνωστη) ύλη αποτελεί περίπου το 85% της συνολικής μάζας του σύμπαντος και το 26,8% της συνολικής μάζας και ενέργειας του σύμπαντος. 

Το μεγαλύτερο μέρος της μάζας και ενέργειας του σύμπαντος (το 68,3%) είναι ακόμη πιο μυστηριώδες, καθώς αποτελεί τη λεγόμενη σκοτεινή ενέργεια, η οποία προκαλεί την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Με άλλα λόγια, στην πραγματικότητα δεν έχουμε ιδέα για το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος, παρόλο που υποτίθεται ότι η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια βρίσκονται ολόγυρά μας. 

Η σκοτεινή ύλη πιστεύεται ότι περιβάλλει με μια τεράστια άλω και συγκρατεί σαν «κόλλα» τους γαλαξίες, έτσι ώστε να περιστρέφονται γρήγορα χωρίς η ύλη τους να σκορπάει στο διάστημα. Γίνεται αντιληπτή έμμεσα μέσω των βαρυτικών επιδράσεων που ασκεί στην «κανονική ύλη». Φαίνεται να κρύβεται μπροστά στα μάτια μας, αλλά κανένα πείραμα έως τώρα δεν έχει καταφέρει να την παρατηρήσει και να «κατανοήσει» τη φύση της. 

Η σκοτεινή ύλη μπορεί να αποτελείται από σωματίδια. Ως πιθανότερη λύση έχουν προταθεί τα «ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια με μάζα» (WIMPs), που όμως δεν έχουν βρεθεί ακόμη, παρά το πολύχρονο «κυνήγι» τους με υπόγειους ανιχνευτές μέσα σε παλαιά ορυχεία, με επίγειους επιταχυντές σωματιδίων και με διαστημικά τηλεσκόπια. 

Οι φυσικοί ελπίζουν ότι μια ωραία μέρα ξαφνικά, όπως συνέβη με το επί δεκαετίες μποζόνιο φάντασμα του Χιγκς, θα δουν στον μεγάλο επιταχυντή αδρονίων του CERN να εμφανίζονται τα σωματίδια WIMPs. Προς το παρόν, διαφωνούν για το πώς πιθανώς είναι ένα τέτοιο σωματίδιο (αν υπάρχει): μπορεί να είναι μεγάλο σαν άτομο υδρογόνου ή μικροσκοπικό ή να έχει πολλά διαφορετικά μεγέθη κ.ο.κ. 

Η μήπως

Όμως μερικοί πιο «αιρετικοί» επιστήμονες πιστεύουν ότι δεν υπάρχει καν σκοτεινή ύλη, αλλά αντίθετα υπάρχει κάτι σοβαρά λανθασμένο στην κατανόησή μας για τη βαρύτητα και τους θεμελιώδεις νόμους της φύσης. Σε κάθε περίπτωση, η λύση του μυστηρίου της σκοτεινής ύλης -τόσο σε συμπαντική όσο και σε υποατομική κλίμακα, αποτελεί ένα από τα πιο πιεστικά, σήμερα, ζητήματα στα πεδία της σωματιδιακής φυσικής, της αστροφυσικής και της κοσμολογίας.