Ήταν ο Νεύτωνας σωστός και λάθος ο Αϊνστάιν; Φαίνεται ότι το ξεκλείδωμα του ιστού του χωροχρόνου – ο διαχωρισμός του χρόνου από τον χώρο – και οι αναπολήσεις των ιδεών του 19ου αιώνα για τον απόλυτο χρόνο θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας. Σκιές στην θεωρία του Αϊνστάιν; Μια ηλιακή έκλειψη επιβεβαίωσε τον βαρυτικό εστιασμό και την ιδέα του Αϊνστάιν για τον χωροχρόνο. Ωστόσο μια νέα θεωρία της κβαντικής βαρύτητας δημιουργεί ενθουσιασμό χωρίζοντας τον χώρο από τον χρόνο.
Οι φυσικοί έχουν παλέψει για να παντρέψουν την κβαντική μηχανική με την βαρύτητα επί δεκαετίες τώρα. Αντίθετα, οι άλλες δυνάμεις της φύσης είναι πιο πειθήνιες. Για παράδειγμα, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη μπορεί να περιγραφεί κβαντομηχανικά από την κίνηση των φωτονίων. Προσπαθήστε να υπολογίσετε την βαρυτική δύναμη μεταξύ δύο αντικειμένων με όρους της κβαντικής βαρύτητας, και γρήγορα θα μπείτε σε μπελάδες, η απάντηση σε κάθε υπολογισμό της θα είναι το άπειρο. Αλλά τώρα ο Petr HoYava, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μπέρκλεϋ, νομίζει ότι αντιλαμβάνεται το πρόβλημα. Είναι όλα, όπως λέει, θέμα χρόνου.
Διαχωρίζοντας τον χρόνο από το χώρο – Οι αποδείξεις
Πιο συγκεκριμένα, το πρόβλημα είναι ο τρόπος που ο χρόνος είναι συνδεδεμένος με τον χώρο στη θεωρία της βαρύτητας: τη γενική σχετικότητα. Ο Αϊνστάιν ανέτρεψε την περίφημη νευτώνεια αντίληψη ότι ο χρόνος είναι απόλυτος, αλλά εξαρτάται από τον παρατηρητή. Έτσι, υποστήριξε ότι ο χρόνος είναι μια άλλη διάσταση, που ‘πλέκεται’ μαζί με τον χώρο για να σχηματίσει ένα ιστό εύκαμπτο που στρεβλώνεται από την ύλη. Το πρόβλημα είναι ότι στην κβαντική μηχανική, ο χρόνος διατηρεί την Νευτώνεια ακαταδεκτικότητα του, παρέχοντας την εξέδρα στην οποία χορεύει η ύλη, αλλά ποτέ δεν επηρεάζεται από την παρουσία του. Αυτές οι δύο αντιλήψεις του χρόνου, δεν κολλάνε.
Η λύση, υποστηρίζει ο HoYava, είναι να κόψουμε τα νήματα που συνδέουν τον χώρο με τον χρόνο σε πολύ υψηλές ενέργειες, όπως αυτές που βρίσκονταν στο πρώιμο σύμπαν, όπου ίσχυαν οι κανόνες της κβαντικής βαρύτητας. "Πάω πίσω στην ιδέα του Νεύτωνα ότι ο χρόνος και ο χώρος δεν είναι ισοδύναμοι”, λέει ο HoYava. Σε χαμηλές τιμές της ενέργειας, η γενική σχετικότητα προκύπτει από αυτό το υποκείμενο πλαίσιο, ενώ αποκαθίσταται και ο ιστός του χωροχρόνου”, εξηγεί.
Ο HoYava παρομοιάζει αυτή εμφάνιση με τον τρόπο που κάποιες εξωτικές ουσίες αλλάζουν φάση. Για παράδειγμα, σε χαμηλές θερμοκρασίες οι ιδιότητες του υγρού ηλίου αλλάζουν δραματικά, και μετατρέπεται σε ένα "υπερ-υγρό" που μπορεί να υπερνικήσει την τριβή. Στην πραγματικότητα, ο HoYava έχει συνπλέξει τα μαθηματικά των εξωτικών αλλαγών της φάσης για να κατασκευάσει τη θεωρία της βαρύτητας. Μέχρι στιγμής φαίνεται να λειτουργεί: οι απειρισμοί που μαστίζουν άλλες θεωρίες της κβαντικής βαρύτητας έχουν εξημερωθεί, και από την θεωρία αναδύει ένα βαρυτόνιο που συμπεριφέρεται καλά. Φαίνεται, επίσης, να ταιριάζει με υπολογιστικές προσομοιώσεις της κβαντικής βαρύτητας.
Στους μέχρι τώρα δεκάδες ελέγχους της επιστημονικής κοινότητας η θεωρία του 47χρονου HoYava φαίνεται να στέκεται καλά, αντιμετωπίζοντας τους απειρισμούς και περιγράφοντας ένα βαρυτόνιο που δεν έχει παράξενες ιδιότητες υπό ιδιαίτερες συνθήκες, όπως συμβαίνει με το βαρυτόνιο άλλων θεωριών κβαντικής βαρύτητας. Επιπλέον, η θεωρία φαίνεται να είναι σύμφωνη με προσομοιώσεις της κβαντικής βαρύτητας σε υπολογιστή, καθώς ο έλεγχος τέτοιων θεωριών στο εργαστήριο είναι μάλλον αδύνατος. Στις προσομοιώσεις αυτές εμφανίζεται ένας ενιαίος τετραδιάστατος χωροχρόνος σε μεγάλες αποστάσεις, ενώ την ίδια στιγμή το σύμπαν φαίνεται να περιορίζεται σε δύο διαστάσεις στις πολύ μικρές αποστάσεις. Τι γίνονται οι επιπλέον διαστάσεις;
Ο HoYava θεωρεί ότι η μείωση των διαστάσεων σηματοδοτεί το σημείο όπου αναδύεται η γενική σχετικότητα μέσα από τη θεωρία του για τη βαρύτητα. Σε δημοσίευσή του σε επιστημονικό περιοδικό ένα μήνα μετά τη δημοσίευση για την κβαντική βαρύτητα, εξηγεί ότι σε μεγάλες ενέργειες ο χώρος εκτείνεται με ρυθμό μόλις ένα τρίτο του ρυθμού που εκτείνεται ο χρόνος, με αποτέλεσμα οι τρεις χωρικές διαστάσεις να εμφανίζονται μόνο σαν μία από τις κανονικές σχετικιστικές διαστάσεις, δηλαδή σα να χάθηκαν οι δύο από τις τρεις διαστάσεις του χώρου. ‘Οπως σημειώνει στην εισαγωγή αυτής της μελέτης του, «μια άλλη ενδιαφέρουσα πιθανότητα είναι η φύση των τεσσάρων μακροσκοπικών διαστάσεων του χωροχρόνου να αλλάζει ποιοτικά καθώς αλλάζει η κλίμακα».
Για να εδραιωθεί η θεωρία κβαντικής βαρύτητας του πρέπει να διαπιστωθεί ότι συμβαδίζει με τις παρατηρήσεις για το φυσικό κόσμο το ίδιο καλά με τη θεωρία της σχετικότητας, αν όχι καλύτερα. Οι πρώτες δοκιμές όσον αφορά την κίνηση των πλανητών λένε ότι δίνει ανάλογα αποτελέσματα με τη σχετικιστική βαρύτητα.
Δεν υπάρχει «Μεγάλη Έκρηξη», «σκοτεινή ύλη» και «σκοτεινή ενέργεια»
Η θεωρία HoYava γέννησε ενθουσιασμό από πέρυσι που προτάθηκε, και οι φυσικοί έκαναν μια συνάντηση για να την συζητήσουν το Νοέμβριο του 2009 στο Ινστιτούτο Perimeter για την Θεωρητική Φυσική στο Οντάριο. Ειδικότερα, φυσικοί έχουν ελέγξει αν το μοντέλο περιγράφει σωστά το σύμπαν που βλέπουμε σήμερα. Η γενική σχετικότητα επιβεβαιώθηκε όταν ο Αϊνστάιν προέβλεψε την μετάπτωση του περιηλίου του Ερμή με μεγαλύτερη ακρίβεια από ότι μπορούσε η θεωρία του Νεύτωνα για την βαρύτητα.
Μπορεί η βαρύτητα του HoYava να έχει την ίδια επιτυχία; Η πρώτη απόπειρα για να απαντηθεί το ερώτημα είναι "ναι". Ο Francisco Lobo, από το Πανεπιστήμιο της Λισαβόνας, και οι συνάδελφοί του έχουν βρει ότι ταιριάζει αρκετά καλά στην κίνηση των πλανητών.
Άλλοι έχουν κάνει ακόμη πιο τολμηρούς ισχυρισμούς για την θεωρία βαρύτητας του HoYava, ειδικά όταν πρόκειται να εξηγήσουν κοσμικούς γρίφους, όπως η μοναδικότητα (ιδιομορφία) του big bang, όπου οι νόμοι της φυσικής καταρρέουν. Αν η βαρύτητα του HoYava είναι σωστή, υποστηρίζει ο κοσμολόγος Robert Brandenberger του Πανεπιστημίου McGill σε μια δημοσίευση του πέρυσι τον Αύγουστο, τότε το σύμπαν δεν κάνει bang (έκρηξη από μια ιδιομορφία) – αλλά κάνει μια Μεγάλη Αναπήδηση. "Ένα σύμπαν γεμάτο με ύλη κάτω από την επίδραση της βαρύτητας συμπιέζεται σε ένα μικρό – αλλά πεπερασμένο – μέγεθος και στη συνέχεια αναπηδάει προς τα έξω πάλι, δίνοντάς το διαστελλόμενο σύμπαν που βλέπουμε σήμερα”, λέει ο Brandenberger. Οι υπολογισμοί του δείχνουν ότι οι κυματισμοί που παράγονται από την αναπήδηση ταιριάζουν με εκείνους που έχουν ήδη εντοπιστεί από δορυφόρους που μέτρησαν την μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, και αυτός τώρα ψάχνει για υπογραφές που θα μπορούσαν να διακρίνουν το σενάριο της Μεγάλης Αναπήδησης από τη Μεγάλη Έκρηξη.
Η βαρύτητα του HoYava μπορεί, επίσης, να δημιουργήσει την «ψευδαίσθηση της σκοτεινής ύλης», λέει ο κοσμολόγος Shinji Mukohyama στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο. Σε μια ανακοίνωση που έκανε το Σεπτέμβριο, εξήγησε ότι σε ορισμένες περιπτώσεις, το βαρυτόνιο του HoYava αυξομειώνεται, καθώς αλληλεπιδρά με την κανονική ύλη, κάνοντας την βαρύτητα να έλκει λίγο πιο έντονα από ό, τι αναμενόταν στη γενική σχετικότητα. Το αποτέλεσμα θα μπορούσε να κάνει τους γαλαξίες να φαίνονται ότι περιέχουν περισσότερο από ύλη ό,τι μπορούμε να δούμε. Κι αν αυτό δεν σας φαίνεται αρκετό, ο κοσμολόγος Mu-In Park του Εθνικού Πανεπιστημίου της Νότιας Κορέας θεωρεί ότι η βαρύτητα του HoYava μπορεί επίσης να κρύβεται πίσω από την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος, που σήμερα αποδίδεται σε μια μυστηριώδη σκοτεινή ενέργεια.
Μια από τις κύριες εξηγήσεις για την προέλευση της διαστολής είναι ότι κενός χώρος περιέχει μια ορισμένη εγγενής ενέργεια που ωθεί το σύμπαν προς τα έξω. Αυτή η εγγενής ενέργεια δεν μπορεί να εξηγηθεί από τη γενική σχετικότητα, αλλά βγαίνει με φυσικό τρόπο από τις εξισώσεις της βαρύτητας του HoYava, σύμφωνα με το Νοτιοκορεάτη Park.
Διαφορετική ερμηνεία της κβαντομηχανικής
Σύμφωνα με άλλους επιστήμονες, αν η νέα θεωρία της κβαντικής βαρύτητας συνδυαστεί με τη θεωρία De Broglie – Bohm, τότε επιπλέον εδραιώνεται μια στατιστική και άρα αιτιοκρατική ερμηνεία της κβαντομηχανικής και μια περιγραφή του μικρόκοσμου ανεξάρτητη από τον παρατηρητή, μια ερμηνεία αντίθετη από την επίσημη ερμηνεία της Κοπεγχάγης και επιβεβαιώνοντας τη γνώμη του Αϊνστάιν και άλλων ότι η κβαντομηχανική όπως διατυπώθηκε στις αρχές του αιώνα είναι μια ατελής θεωρία.
Δεν είναι πλήρης και επιβεβαιωμένη
Η θεωρία HoYava, ωστόσο, απέχει πολύ από το τέλειο.Ο Diego Blas, ερευνητής της κβαντικής βαρύτητας στο Ελβετικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας (EPFL) στη Λωζάνη έχει βρει μια “κρυφή ασθένεια" στη θεωρία, όταν έκανε υπολογισμούς με διπλό έλεγχο για το ηλιακό σύστημα. Οι περισσότεροι φυσικοί εξέτασαν την ιδανική περίπτωση, αν υποθέσουμε, για παράδειγμα, ότι η Γη και ο Ήλιος είναι σφαίρες, εξηγεί ο Blasί: “Ελέγξαμε την πιο ρεαλιστική περίπτωση, όπου ο ήλιος είναι σχεδόν μια σφαίρα, αλλά δεν ήταν ακριβώς έτσι." Η γενική σχετικότητα λίγο πολύ δίνει τα ίδια απάντηση και στα δύο σενάρια. Αλλά στην βαρύτητα HoYava, η ρεαλιστική υπόθεση δίνει ένα πολύ διαφορετικό αποτέλεσμα.
Μαζί με τον Sergei Sibiryakov, επίσης, στο EPFL, και τον Oriol Pujolas του CERN, ο Blas έχει αναδιατυπώσει την βαρύτητα του HoYava προκειμένου να την επαναφέρει στην ίδια γραμμή με τη γενική σχετικότητα. Ο Sibiryakov παρουσίασε το μοντέλο της ομάδας του το Σεπτέμβριο του 2009 σε μια συνεδρίαση στο Talloires της Γαλλίας.
Ο HoYava χαιρετίζει τις τροποποιήσεις. “Όταν την πρότεινα, δεν ισχυρίστηκα ότι είχα την τελική θεωρία”, λέει. "Θέλω κι άλλους ανθρώπους να την εξετάσουν και να τη βελτιώσουν."
Ο Gia Dvali, ένας εμπειρογνώμονας της κβαντικής βαρύτητας στο CERN, παραμένει επιφυλακτικός. Πριν από μερικά χρόνια προσπάθησε κι αυτός ένα παρόμοιο τέχνασμα, διαχωρίζοντας τον χώρο και τον χρόνο, σε μια προσπάθεια να εξηγήσει την σκοτεινή ενέργεια. Αλλά εγκατέλειψε το μοντέλο του, διότι αυτή επέτρεπε στην πληροφορία να ταξιδεύει ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός.
"Η διαίσθησή μου είναι ότι οποιαδήποτε τέτοια μοντέλα θα έχουν ανεπιθύμητες παρενέργειες," νομίζει ο Dvali. "Αλλά αν βρείτε μια έκδοση που να μην έχει, τότε η θεωρία θα πρέπει να ληφθεί πολύ σοβαρά υπόψη."
