Ανασηκώνοντας το πέπλο του Σύμπαντος

Η αναζήτηση για μια «θεωρία των πάντων» που θα ενώνει τη Σχετικότητα με την Κβαντομηχανική δεν έχει ακόμη αποδώσει καρπούς

Ο Αλμπερτ Αϊνστάιν επιχείρησε να ενοποιήσει τη βαρύτητα με τις υποατομικές θεμελιώδεις δυνάμεις με σκοπό να υφάνει όλα τα νήματα της φύσης σε έναν ενιαίο ιστό. 


Ωστόσο, οι προσπάθειές του ήταν ανεπιτυχείς και ο στόχος του έγινε το όνειρο όλων των μετέπειτα γενεών θεωρητικών φυσικών. Παρά τις πολλές προσπάθειες και την πρόοδο που αναμφίβολα έχει επιτευχθεί,  το όνειρο του Αϊνστάιν, το δικό μας όνειρo, δεν έχει ακόμη υλοποιηθεί επειδή υπάρχει ασυμβατότητα μεταξύ της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (που περιγράφει τον μακρόκοσμο) και της Κβαντομηχανικής (που περιγράφει τον  μικρόκοσμο).

Η αβεβαιότητα του μικρόκοσμου
Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (ΓΘΣ) του Αϊνστάιν περιγράφει  τις καμπυλώσεις του χωροχρόνου λόγω της παρουσίας ύλης ή ενέργειας και εξηγεί με εξαιρετική ακρίβεια τη δυναμική του Σύμπαντος σε μεγάλες κλίμακες. Προβλέψεις της ΓΘΣ, όπως η στρέβλωση του χωροχρόνου γύρω από τη Γη και το γεγονός ότι η Γη συμπαρασύρει στην  περιστροφή της τμήμα του χωροχρόνου που την περιβάλλει, έχουν επιβεβαιωθεί με εντυπωσιακή ακρίβεια. Δυστυχώς όμως η εκπληκτική συμφωνία μεταξύ θεωρητικών προβλέψεων που βασίζονται στη ΓΘΣ και πειραματικών μετρήσεων ή αστρονομικών παρατηρήσεων εξαφανίζεται μόλις εισέλθουμε στον μικρόκοσμο. 
Εκεί η συμπεριφορά και η θέση των σωματιδίων γίνονται αβέβαιες καθώς διεισδύουμε στο βασίλειο της Κβαντομηχανικής, το οποίο κυριαρχείται από αβεβαιότητες και πιθανότητες.

Προκειμένου να  πραγματοποιήσουμε το όνειρο του Αϊνστάιν, το δικό μας όνειρο, πρέπει να συνδέσουμε την καμπυλότητα του χωροχρόνου με τις πιθανότητες  πραγματοποίησης συμβάντων ενοποιώντας τη ΓΘΣ με την Κβαντομηχανική σε μία και μόνη θεωρία που ονομάζεται Κβαντική Βαρύτητα. Πολλές προσπάθειες έχουν ήδη καταβληθεί για τη διατύπωση αυτής της θεωρίας, η ισχύς της οποίας μπορεί να ελεγχθεί με αποτελέσματα από πειράματα της Φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων και από αστροφυσικές παρατηρήσεις, οι οποίες οδήγησαν σε μια εντυπωσιακή αλληλεπίδραση μεταξύ της θεωρίας βαρύτητας, της σωματιδιακής Φυσικής και της Κοσμολογίας. Ασφαλώς στις περισσότερες φυσικές καταστάσεις αντιμετωπίζουμε συστήματα στα οποία παίζουν βασικό ρόλο είτε πολύ μεγάλες είτε πολύ μικρές κλίμακες αποστάσεων και, επομένως, είτε η ΓΘΣ είτε η Κβαντομηχανική, αντίστοιχα, αποτελούν επαρκή θεωρητικά πλαίσια. 

Υπάρχουν όμως περιπτώσεις, όπως η μελέτη του εσωτερικού των μελανών οπών ή η βαθύτερη κατανόηση της Μεγάλης Εκρηξης (το περίφημο Big Bang από όπου δημιουργήθηκε το Σύμπαν),  όπου απαιτείται να χρησιμοποιηθούν και οι δύο θεωρίες.

«Σέρφινγκ» στη δομή του χωροχρόνου

Η ΓΘΣ περιγράφει πολύ καλά τη δυναμική του Σύμπαντος μέσω των εξισώσεων του Αϊνστάιν, σύμφωνα με τις οποίες σε ένα πεπερασμένο χρονικό διάστημα στο παρελθόν το Σύμπαν χαρακτηριζόταν από υπερβολικά μεγάλη καμπυλότητα, ενώ όλη η ύλη και η ενέργεια του σημερινού παρατηρήσιμου Σύμπαντος ήταν συγκεντρωμένες σε έναν απειροελάχιστα μικρό χώρο. Σύμφωνα με το καθιερωμένο κοσμολογικό πρότυπο της Μεγάλης Εκρηξης, αποδεκτό από τη συντριπτική πλειονότητα της επιστημονικής κοινότητας, το Σύμπαν που παρατηρούμε σήμερα είναι το αποτέλεσμα μιας μεγαλειώδους  έκρηξης που συνέβη πριν από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια. Η συμβατική αντίληψη για τον χωρόχρονο και η καθιερωμένη εικόνα της γεωμετρίας δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατανόηση και την περιγραφή των πρώτων στιγμών του Σύμπαντος λόγω των ακραίων φυσικών συνθηκών που επικρατούσαν. 

Προκειμένου να αντιμετωπίσουμε ερωτήματα σχετικά με την προέλευση του Σύμπαντος και τον μηχανισμό που οδήγησε στη δημιουργία του, να αναρωτηθούμε κατά πόσον η γέννηση του Σύμπαντος ήταν απλά ένα τυχαίο συμβάν ή να θέσουμε το ακόμη πιο φιλόδοξο ερώτημα σχετικά με το τι υπήρχε πριν από τη Μεγάλη Εκρηξη, απαιτείται η κατανόηση της δομής και της δυναμικής του ίδιου του χωροχρόνου. 

Η Κβαντική Βαρύτητα είναι η πολυπόθητη θεωρία που θα εξηγήσει την ακόμη άγνωστη δομή του χωροχρόνου, την αόρατη αυτή δομή που αντιλαμβανόμαστε ως δύναμη της βαρύτητας. Η δομή αυτή καθορίζει τη δική μας τροχιά με τον ίδιο τρόπο που τα κύματα καθοδηγούν έναν σέρφερ σε μια φουρτουνιασμένη θάλασσα ή μικρές ανισόπεδες ανωμαλίες καθοδηγούν έναν σκιέρ στην κατάβαση μιας χιονισμένης πλαγιάς.

Οι υποψήφιες θεωρίες

Οι στοιχειώδεις βρόχοι της Κβαντικής Βαρύτητας Βρόχων «υφαίνουν» τον τετραδιάστατο χωρόχρονο

Για τη θεμελίωση της Κβαντικής Βαρύτητας έχουν ήδη γίνει διαφορετικές προσεγγίσεις, οι οποίες ταξινομούνται ανάλογα με το αν προέρχονται από τον χώρο της σωματιδιακής φυσικής (Θεωρία Χορδών/Θεωρία-Μ), της ΓΘΣ (Κβαντική Βαρύτητα Βρόχων) ή αν βασίζονται σε  γεωμετρικές θεωρήσεις (Μη-Μεταθετική Γεωμετρία).

θεωρία χορδών/θεωρία-μ

Η Θεωρία Χορδών υποθέτει ότι η ύλη αποτελείται από μονοδιάστατα αντικείμενα που ονομάζονται χορδές. Διαφορετικές δονήσεις χορδών αντιπροσωπεύουν διαφορετικά στοιχειώδη σωματίδια, ενώ η διάσπαση ή συνένωση χορδών αντιστοιχεί σε διαφορετικές αλληλεπιδράσεις στοιχειωδών σωματιδίων. Οι χορδές αυτές εμφανίζονται είτε με τη μορφή κλειστών βρόχων είτε με  τη μορφή ανοιχτών χορδών. Σύμφωνα με μια αναπόδεικτη ως σήμερα υπόθεση, όλες οι θεωρίες χορδών είναι διαφορετικές λύσεις μιας πιο θεμελιώδους θεωρίας, που ονομάζεται Θεωρία-Μ (Θεωρία Μεμβρανών),  όπου ο χωρόχρονος έχει 11 διαστάσεις, 10 χωρικές και μία χρονική.

κβαντική βαρύτητα βρόχων

Η Κβαντική Βαρύτητα Βρόχων υποθέτει ότι ο χώρος είναι κβαντωμένος, αποτελούμενος από στοιχειώδη διακριτά κομματάκια, τα κβάντα του χώρου, που απεικονίζονται σαν μικροσκοπικοί μονοδιάστατοι βρόχοι οι οποίοι υφαίνουν ένα εξαιρετικά λεπτό ύφασμα, τον τετραδιάστατο χωρόχρονο του φυσικού μας κόσμου. Ο χώρος αποτελείται από ένα δίκτυο τεμνόμενων βρόχων, έχει μια διακριτή δομή και δεν μπορεί να διαιρείται επ' άπειρον σε ολοένα και μικρότερα διακριτά κομμάτια.  Η Κβαντική Βαρύτητα Βρόχων  έχει μια θεμελιώδη διαφορά σε σχέση με τη Θεωρία Χορδών/Θεωρία-Μ καθώς, αν και  περιλαμβάνει την ύλη και τις δυνάμεις, δεν ασχολείται με την ενοποίηση όλων των δυνάμεων και δεν απαιτεί επιπλέον χωρικές διαστάσεις.

μη-μεταθετική γεωμετρία

Η Μη-Μεταθετική Γεωμετρία εκφράζει τη δυαδικότητα γεωμετρίας και άλγεβρας με  έναν εντυπωσιακό παραλληλισμό ανάμεσα στους αλγεβρικούς και στους γλωσσικούς κανόνες. Στον γραπτό λόγο δεν χρησιμοποιούμε ποτέ τη μεταθετικότητα που θα μας επέτρεπε να μεταθέτουμε ελεύθερα τα γράμματα μιας λέξης. 

Η ιδιότητα αυτή δεν ισχύει και στη Μη-Μεταθετική Γεωμετρία, η οποία οδηγεί σε ένα θεωρητικό μοντέλο στο οποίο η ύλη και η βαρύτητα προκύπτουν καθαρά από τη γεωμετρία. Ενα βασικό στοιχείο αυτής της θεωρίας είναι ο προσδιορισμός της γεωμετρίας όχι βάσει της απόστασης μεταξύ των σημείων μιας επιφάνειας αλλά σύμφωνα με τις συχνότητες που ακούμε όταν η επιφάνεια δονείται. Κατ' επέκταση, το ίδιο το Σύμπαν μπορεί να θεωρηθεί μια δονούμενη μεμβράνη, ένα ντέφι, το οποίο προκύπτει από έναν ειδικά επιλεγμένο τετραδιάστατο χωρόχρονο που συμπεριλαμβάνει την ύλη. Αθροίζοντας όλες τις συχνότητες των δονήσεων αυτού του τυμπάνου μπορούμε να υπολογίσουμε τις αποστάσεις μεταξύ των σημείων της επιφάνειάς του και, κατά συνέπεια, τελικά να ακούσουμε το σχήμα του Σύμπαντος.  

Προκειμένου να εξετάσουμε την  ορθότητα των διαφόρων υποψήφιων θεωριών για την Κβαντική Βαρύτητα, μπορούμε να συγκρίνουμε τις κοσμολογικές προβλέψεις τους με τα σημερινά διαθέσιμα αστροφυσικά και κοσμολογικά δεδομένα. 

Και αυτό επειδή το πρώιμο Σύμπαν προσφέρει ίσως το μοναδικό εργαστήριο για έλεγχο θεωριών οι οποίες περιγράφουν φαινόμενα σε ενέργειες τόσο υψηλές που δεν θα μπορέσουν ποτέ να επιτευχθούν σε έναν επιταχυντή. 

Αναμφισβήτητα, κάποιος μπορεί  να αναρωτηθεί ποια απο αυτές τις θεωρίες είναι η σωστή και δυστυχώς προς το παρόν οποιαδήποτε απο αυτές μπορεί να είναι η σωστή ή μπορεί να είναι μόνο εν μέρει σωστή, όπως μπορεί εξίσου να είναι και εντελώς εσφαλμένη. Μόνο η φύση μπορεί να δώσει την οριστική απάντηση σε αυτό το ερώτημα.

Η κυρία Μαίρη Λ. Σακελλαριάδου είναι αναπληρώτρια καθηγήτρια του Τμήματος Φυσικής του ΕΚΠΑ Αθηνών.

Πηγή: ΤΟ ΒΗΜΑ