Η κβαντική προέλευση του χωροχρόνου

Date: 16/06/2020 Time: 21:30

Ορισμένοι φυσικοί κάνουν υπαινιγμούς ότι η κβαντική διεμπλοκή εξηγεί τις εξισώσεις του Αϊνστάιν για τη βαρύτητα και τον χωροχρόνο. Φυσικά, από την εποχή του Αϊνστάιν, οι επιστήμονες ξύνουν το κεφάλι τους για το πώς να κατανοήσουν τον χώρο και το χρόνο. Πριν από αυτό, σχεδόν όλοι πίστευαν ότι ο Isaac Newton τα είχε καταλάβει. Ο χρόνος «ρέει σταθερά χωρίς σχέση με οτιδήποτε εξωτερικό αίτιο», δήλωνε. Ο απόλυτος χώρος είναι επίσης δικό του, «είναι πάντα όμοιος και ακίνητος». Τα γεγονότα εκεί εκτελούνται ανεξάρτητα το ένα από το άλλο σε μια ουδέτερη σκηνή όπου οι “ηθοποιοί” τρέχουν χωρίς να επηρεάσουν το υπόλοιπο θέατρο.

Όμως οι θεωρίες του Αϊνστάιν μετέτρεψαν τον απόλυτο χώρο και χρόνο του Νεύτωνα σε σχετικιστικό μίγμα – οι εξισώσεις του πρότειναν συγχωνευμένο χωροχρόνο, ένα νέο είδος αρένας στο οποίο οι παίκτες άλλαζαν το διάστημα του αγωνιστικού χώρου. Ήταν ένα παιχνίδι αλλαγής φυσικής. Δεν παρείχε πλέον ο χώρος και ο χρόνος ένα αδιάλειπτο σκηνικό για ύλη και ενέργεια. Ενώ παλαιότερα ήταν ανεξάρτητα και ομοιόμορφα, ο χώρος και ο χρόνος έγιναν αδιαχώριστα και μεταβλητά. Και όπως έδειξε ο Αϊνστάιν στη γενική θεωρία της σχετικότητας, η ύλη και η ενέργεια κύρτωναν τον χωροχρόνο που τα περιβάλλει. Αυτή η απλή αλήθεια εξήγησε τη βαρύτητα. Η φαινομενική δύναμη έλξης του Νεύτωνα έγινε μια ψευδαίσθηση που διαπράχθηκε από τη χωροχρονική γεωμετρία. Ήταν το σχήμα του χωροχρόνου που υπαγόρευε την κίνηση των τεράστιων σωμάτων, μια συμμετρική δικαιοσύνη, καθώς τα τεράστια σώματα καθόρισαν το σχήμα του χωροχρόνου.

  • «Η εμφάνιση του χωροχρόνου και της βαρύτητας είναι ένα μυστηριώδες φαινόμενο της κβαντικής φυσικής πολλών σωμάτων που θα θέλαμε να καταλάβουμε.» – Brian Swingle του Πανεπιστημίου του Maryland

Η επαλήθευση της επανάστασης του χωροχρόνου του Αϊνστάιν ήρθε πριν από έναν αιώνα, όταν μια αποστολή παρακολούθησης μιας έκλειψης επιβεβαίωσε την πρωταρχική πρόβλεψη της γενικής θεωρίας του (μια ακριβής ποσότητα της κάμψης του φωτός,  που περνά κοντά στην άκρη ενός τεράστιου σώματος, στην περίπτωση αυτή του ήλιου). Αλλά ο χωροχρόνος παρέμεινε μυστηριώδης. Δεδομένου ότι ήταν κάτι υπαρκτό και όχι τίποτα, ήταν φυσικό να αναρωτιόμαστε από πού προήλθε.

Τώρα μια νέα επανάσταση βρίσκεται στα πρόθυρα να απαντήσει σε αυτήν την ερώτηση, βασισμένη σε γνώσεις από την άλλη μεγάλη έκπληξη της φυσικής του περασμένου αιώνα: την κβαντομηχανική. Η σημερινή επανάσταση προσφέρει τη δυνατότητα για μια ακόμη εξήγηση του αθροίσματος του χωροχρόνου, με το πλεονέκτημα να εξηγεί ίσως γιατί η κβαντική μηχανική φαίνεται τόσο περίεργη.

«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.

Ένας παράξενος τύπος χωροχρόνου με ασυνήθιστη καμπυλότητα γνωστός ως χώρος αντί de Sitter, που απεικονίζεται εδώ, δεν μοιάζει με το σύμπαν στο οποίο ζούμε, αλλά θα μπορούσε ωστόσο να δώσει  στοιχεία για τις κβαντικές διαδικασίες που μπορεί να είναι υπεύθυνες για την παραγωγή συνηθισμένου χωροχρόνου.

Οι μελέτες του χώρου αντι 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 – μια επίπεδη, δισδιάστατη επιφάνεια που ενσωματώνει μια τρισδιάστατη εικόνα. Με παρόμοιο τρόπο, ίσως η τετραδιάστατη γεωμετρία του χωροχρόνου θα μπορούσε να κωδικοποιηθεί στα μαθηματικά της κβαντικής φυσικής που λειτουργεί σε τρεις διαστάσεις. Ή ίσως χρειάζεστε περισσότερες διαστάσεις – 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.

Όπως έχει εξηγηθεί, η διεμπλοκή είναι ένα τρομακτικό αλλόκοτο φαινόμενο που συνδέει σωματίδια που βρίσκονται ακόμη και σε μεγάλες αποστάσεις. Εάν εκπέμπονται από μια κοινή πηγή, τέτοια σωματίδια παραμένουν πεπλεγμένα ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι μακριά 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 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. Διαφορετικά, είναι αδύνατο να φανταστούμε πώς ένα από αυτά θα μπορούσε να ξέρει τι συνέβαινε στον άλλο σε ένα τεράστιο χωροχρόνο. Αλλά στην πραγματικότητα δεν στέλνουν καθόλου μήνυμα. 

Πώς λοιπόν τα πεπλεγμένα σωματίδια ξεπερνούν το χάσμα του χωροχρόνου που τα διαχωρίζει; Ίσως η απάντηση είναι να μην χρειάζεται – γιατί η διεμπλοκή δεν συμβαίνει στο χωροχρόνο. Η διεμπλοκή δημιουργεί χωροχρόνο.

Τουλάχιστον αυτή είναι η πρόταση που έχει εμπνεύσει μια 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» – 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 στα σύμπαντα των παιχνιδιών 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 θα είναι υπεύθυνες για την ύφανση του χωροχρόνου. Ίσως ορισμένες από τις παραδοχές που έγιναν στους υπολογισμούς μέχρι στιγμής να αποδειχθούν λανθασμένοι. Αλλά θα μπορούσε να είναι ότι η φυσική βρίσκεται πια στο χείλος μιας παρατήρησης πιο βαθειά στα θεμέλια της φύσης από όσο ποτέ, σε μια ύπαρξη που περιείχε προηγουμένως άγνωστες διαστάσεις του χώρου και του χρόνου, που θα μπορούσε να καταλήξει να κάνει το έργο The Twilight Zone πραγματικότητα.

Πηγή: physics4u

Follow us on twitter
Join our Facebook page
7