Θεωρία κβαντικής βαρύτητας συγκεντρώνει το επιστημονικό ενδιαφέρον

Κοντά έναν αιώνα τώρα οι φυσικοί προσπαθούν να παντρέψουν την κβαντομηχανική, τη θεωρία που ερμηνεύει τον υποατομικό μικρόκοσμο, με τη σχετικότητα, τη θεωρία για - την κυρίαρχη στο μακρόκοσμο δύναμη - τη βαρύτητα. Ολες οι άλλες φυσικές δυνάμεις (πεδία) έχει γίνει εφικτό να συμπεριληφθούν σε μια ενοποιητική θεωρία. Για παράδειγμα, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μπορεί να περιγραφεί κβαντομηχανικά από την κίνηση των φωτονίων. Ομως, όλες οι προσπάθειες να ερμηνευτεί η βαρυτική έλξη ανάμεσα σε δύο σώματα με όρους ενός κβαντικού βαρυτονίου προσέκρουσαν σε απειρισμούς (μαθηματικούς υπολογισμούς μεγεθών που τείνουν στο άπειρο). Μια νέα θεωρία που διατύπωσε πριν από δέκα μήνες ο Τσέχος φυσικός Πετρ Χόρζαβα, καθηγητής του πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ, δείχνει να αντιμετωπίζει το πρόβλημα των απειρισμών και να ενοποιεί κβαντομηχανική και σχετικότητα ως ισχύοντες φορμαλισμούς των φυσικών νόμων σε διαφορετική κλίμακα της υλικής πραγματικότητας.

Σύγκριση με τη σχετικότητα

Η θεωρία του Χόρζαβα που έχει συγκεντρώσει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον σε όλο τον κόσμο κάνει μια τομή στο χωροχρόνο, την αντίληψη για την ενότητα χώρου και χρόνου, που διατύπωσε ο Μινκόφσκι και χρησιμοποίησε ο Αϊνστάιν στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Ο Αϊνστάιν...
ανέτρεψε τη νευτώνεια αντίληψη ότι ο χρόνος είναι απόλυτος, ότι αποτελεί το υπόβαθρο μέσα στο οποίο γίνεται η κίνηση των σωμάτων στο χώρο. Ο χρόνος, πρότεινε, είναι μια τέταρτη διάσταση της φυσικής πραγματικότητας μαζί με τις τρεις διαστάσεις του χώρου, αδιάσπαστα αλληλένδετη μαζί τους, έτσι που διαμορφώνει το χωροχρονικό συνεχές, που παραμορφώνεται (καμπυλώνεται) από την ύλη.

 Η θεωρία της Σχετικότητας έχει αποδειχτεί ότι ερμηνεύει με εκπληκτική ακρίβεια και προβλεψιμότητα τα φαινόμενα του μακρόκοσμου και γενικότερα έχει επιβεβαιωθεί πανηγυρικά τόσο από αστρονομικές παρατηρήσεις, όσο και από παρατηρήσεις στο εργαστήριο. Το πρόβλημα είναι ότι δεν μπορεί να περιγράψει τα συμβαίνοντα στο μικρόκοσμο, σε αντίθεση με την κβαντομηχανική, που χρησιμοποιεί όμως τη νευτώνεια αντίληψη του χρόνου.


Τα μυστικά του χωροχρόνου

Η λύση κατά τον Χόρζαβα είναι το σπάσιμο στις υψηλές ενέργειες των δεσμών που ενοποιούν το χώρο και το χρόνο. Στις ενέργειες αυτές, όπως στον υποατομικό κόσμο, κυρίαρχη είναι η κβαντική βαρύτητα, ενώ σε χαμηλότερες η γενική σχετικότητα αναδύεται και πάλι.

Στο μέχρι τώρα έλεγχο της επιστημονικής κοινότητας (δεκάδες δημοσιεύσεις και μια επιστημονική συνάντηση), η θεωρία του 46χρονου Χόρζαβα φαίνεται να στέκεται καλά, αντιμετωπίζοντας τους απειρισμούς και περιγράφοντας ένα βαρυτόνιο που δεν έχει εξωφρενικές ιδιότητες υπό ιδιαίτερες συνθήκες, όπως συμβαίνει με το βαρυτόνιο άλλων θεωριών κβαντικής βαρύτητας. Επιπλέον, η θεωρία του Χόρζαβα 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 Χόρζαβα 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 Χόρζαβα 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.


Αχρηστες «Μεγάλη Εκρηξη», «σκοτεινή ύλη» και «σκοτεινή ενέργεια»

Σύμφωνα με ορισμένους φυσικούς, η βαρύτητα Χόρζαβα μπορεί να δώσει απαντήσεις και σε πολλές θεωρίες και ερμηνείες που (σ.σ. λόγω του ιδεαλιστικού, μεταφυσικού προσανατολισμού τους) άφηναν πολλά ερωτηματικά. Αν η βαρύτητα Χόρζαβα είναι πραγματική, τότε κατά τον Ρ. Μπραντενμπέργκερ, του πανεπιστημίου Μακ Γκιλ, δεν συνέβη ποτέ Μεγάλη Εκρηξη που δημιούργησε το σημερινό ορατό σύμπαν, αλλά αναπήδηση του αιώνια υπάρχοντος σύμπαντος από μια μορφή μεγάλης πυκνότητας ύλης στη σημερινή μορφή. Οι κυματισμοί από μια τέτοια αναπήδηση ενός σύμπαντος «ακορντεόν» συμβαδίζουν με τις μετρήσεις της κοσμικής ακτινοβολίας υπόβαθρου.

Κατά τον κοσμολόγο Σίντζι Μουκογιάμα του πανεπιστημίου του Τόκιο, υπό ορισμένες συνθήκες, το βαρυτόνιο μπορεί να παρουσιάσει διακυμάνσεις καθώς αλληλεπιδρά με την υπόλοιπη ύλη, κάνοντας τη βαρύτητα να είναι λίγο ισχυρότερη απ' ό,τι προβλέπει η γενική σχετικότητα. Αυτό το φαινόμενο θα έκανε τους γαλαξίες να φαίνονται σα να περιέχουν περισσότερη ύλη από αυτήν που είναι ορατή. Ετσι το εφεύρημα τύπου παγκόσμιου «αιθέρα» που πολλοί φυσικοί ονομάζουν «σκοτεινή ύλη», παύει να χρειάζεται για να ερμηνευτούν οι αστρονομικές παρατηρήσεις. Επιπλέον, σύμφωνα με το νοτιοκορεάτη κοσμολόγο Μου Ιν Παρκ, η βαρύτητα Χόρζαβα ίσως βρίσκεται πίσω και από την παρατηρούμενη επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος, που σήμερα αποδίδεται σε μια άλλη μυστηριώδη οντότητα, τη «σκοτεινή ενέργεια». Η σχετικότητα δεν προβλέπει κάτι ανάλογο με τη «σκοτεινή ενέργεια», αλλά οι παρατηρήσεις που κάνουν ορισμένους επιστήμονες να υποθέτουν την ύπαρξή της ερμηνεύονται με τον πιο φυσικό τρόπο από τις εξισώσεις της βαρύτητας Χόρζαβα.


Αποχαιρετισμός στην ...«Κοπεγχάγη»

Σύμφωνα με άλλους επιστήμονες, αν η κβαντική βαρύτητα Χόρζαβα συνδυαστεί με τη θεωρία ντε Μπρολί - Μπομ, τότε επιπλέον εδραιώνεται μια στατιστική και άρα αιτιοκρατική ερμηνεία της κβαντομηχανικής και μια περιγραφή του μικρόκοσμου ανεξάρτητη από τον παρατηρητή, αφήνοντας στα άχρηστα την ιδεαλιστική ερμηνεία της Κοπεγχάγης και επιβεβαιώνοντας τη γνώμη του Αϊνστάιν και άλλων ότι η κβαντομηχανική όπως διατυπώθηκε στις αρχές του αιώνα είναι μια ατελής θεωρία.

Η νέα θεωρία κβαντικής βαρύτητας ούτε έχει ακόμα επιβεβαιωθεί απόλυτα, ούτε είναι πλήρης. Ο Ντ. Μπλας του Ομοσπονδιακού Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Λοζάνης εντόπισε μια σοβαρή αδυναμία, όταν διαπίστωσε πως ναι μεν η συμφωνία των προβλέψεων της θεωρίας με τις παρατηρήσεις για τα ουράνια σώματα είναι πολύ καλή όταν αυτά θεωρηθούν χοντρικά ως τέλειες σφαίρες, δίνει όμως τελείως διαφορετικά αποτελέσματα αν ληφθεί υπόψη το πραγματικό τους σχήμα. Ο Μπλας, μαζί με τους συναδέλφους του Μ. Σιμπιριάκοφ και Ο. Πουτζόλας δεν άργησαν να επαναδιατυπώσουν το φορμαλισμό της θεωρίας Χόρζαβα, ώστε να δίνει σωστά αποτελέσματα και σε αυτή την περίπτωση. Ο Χόρζαβα έκανε αποδεκτές τις διορθώσεις, τονίζοντας ότι δεν πιστεύει πως διατύπωσε με το πρώτο την τελική θεωρία.

Υπάρχουν αρκετοί επιστήμονες που παραμένουν επιφυλακτικοί, όπως ο Γκία Ντβάλι του CERN. Ωστόσο και αυτοί παραδέχονται ότι αν με παραπέρα επεξεργασία υπάρξει μια διατύπωση που δεν έχει παρενέργειες υπό οποιεσδήποτε συνθήκες, τότε η νέα θεωρία θα πρέπει να αντιμετωπιστεί πολύ σοβαρά.


Δημοσιεύθηκε στον ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗ, 17/1/2010
Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»