![]() |
![]() |
Είμαστε φτιαγμένοι από χωρόχρονο λέει η κβαντική βαρύτητα βρόχωνΆρθρο, Αύγουστος 2007 |
Είναι ένας εντυπωσιακός άθλος. Όχι μόνο ο Lee Smolin μας λέει
για την προέλευση του χώρου και την ύλη, αλλά μπορεί να μας βοηθήσει να
καταλάβουμε από που προέρχονται οι νόμοι του σύμπαντος. Όπως ήταν
αναμενόμενο, ο Smolin, που είναι θεωρητικός φυσικός στο Ίδρυμα Perimeter
στο Βατερλό του Οντάριο, είναι πολύ συγκινημένος. "Έχω φέρει τα πάνω-κάτω
σε αυτές τις ιδέες", λέει. Η γέννηση της θεωρίας
Από την αρχή, οι φυσικοί παρατήρησαν ότι αυτές οι συνδέσεις θα μπορούσαν να περιτυλιχτούν η μία την άλλη για να σχηματίσουν δομές σαν πλεξούδες. Βέβαια οι πλεξούδες ήταν περίεργες, εντούτοις, κανένας δεν κατάλαβε την έννοιά τους. "Ξέραμε για τις πλεξούδες αυτές από το 1987", λέει ο Smolin, "αλλά δεν ξέραμε εάν αντιστοιχούσε σε κάποια φυσική οντότητα". Η θεωρία με τα preons ή πρέονς
Η εικόνα δεξιά δείχνει την οικογένεια με τα πιο ελαφρά σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου σαν πλεξούδες. Κάθε συστροφή - πλεξούδα αντιστοιχεί στο 1/3 του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου, είτε θετικό είτε αρνητικό ανάλογα με την κατεύθυνση της συστροφής. Ακριβώς όπως οι πυρήνες των διαφορετικών στοιχείων χτίζονται από τα πρωτόνια και τα νετρόνια, αυτά τα μοντέλα με τα preon προτείνουν ότι τα ηλεκτρόνια, τα κουάρκ, τα νετρίνα και τα υπόλοιπα στοιχειώδη σωματίδια χτίζονται από μικρότερα, υποθετικά σωματίδια που φέρνουν κάποιο ηλεκτρικό φορτίο και αλληλεπιδρούν το ένα με το άλλο. Τα μοντέλα τελικά είχαν πρόβλημα, επειδή πρόβλεπαν ότι τα preons θα είχε τεράστια περισσότερη ενέργεια από τα σωματίδια που υποτίθεται ήταν τμήματα. Αυτή η μοιραία ρωγμή ήταν η αιτία που εγκαταλείφθηκαν τα μοντέλα αυτά, αν και δεν ξεχάστηκαν ολοκληρωτικά. Επιπλέον, το ενδιαφέρον για τα μοντέλα με preon σταμάτησε μετά από την πρώτη επανάσταση των υπερχορδών, όταν πολλοί φυσικοί πείστηκαν ότι η θεωρία χορδών προσφέρει ένα λογικότερο ερευνητικό πρόγραμμα για την κατανόηση της φύσης των στοιχειωδών σωματιδίων. Ο Bilson-Thompson πήρε ένα διαφορετικό δρόμο. Αντί να σκεφθεί τα preons ως σωματίδια που ενώνονται μαζί σαν τα τουβλάκια του Lego, επικεντρώθηκε στον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούν. Μετά από όλα αυτά, ό,τι ονομάζουμε ιδιότητες ενός σωματιδίου δεν είναι στην πραγματικότητα τίποτα περισσότερο από τον τρόπο που αλληλεπιδρά με όλα γύρω του. Ίσως, σκέφτηκε, ότι θα μπορούσε να μάθει πώς αλληλεπιδρούν τα preons, και από αυτό να μάθει τι είναι. Για να το κάνει αυτό, ο Bilson-Thompson εγκατέλειψε την ιδέα ότι τα preons είναι σωματίδια σημειακά και σκέφτηκε ότι κατέχουν στην πραγματικότητα ένα μήκος και ένα πλάτος, σαν τις κορδέλες που θα μπορούσαν κάπως να αλληλεπιδράσουν αν τυλιχτούν η μία γύρω από την άλλη. Υπέθεσε ότι αυτές οι κορδέλες θα μπορούσαν να τυλιχτούν η μία με την άλλη για να σχηματίσουν μια πλεξούδα, όταν ενωθούν τρία preons για να σχηματίσουν ένα σωματίδιο. Οι μεμονωμένες κορδέλες μπορούν επίσης να στριφτούν δεξιόστροφα ή αντίθετα προς την φορά των δεικτών του ρολογιού κατά μήκος του άξονα τους. Κάθε συστροφή, φαντάστηκε ο Bilson-Thompson, ότι θα 'φόρτωνε' κάθε preon με ένα φορτίο ισοδύναμο με το ένα τρίτο του φορτίου του ηλεκτρονίου, ενώ το πρόσημο του φορτίου θα εξαρτάται από την κατεύθυνση της συστροφής. Η απλούστερη δυνατή πλεξούδα στο μοντέλο Bilson-Thompson
μοιάζει με ένα παραμορφωμένο κουλουράκι και αντιστοιχεί σε ένα νετρίνο
ηλεκτρονίου (βλ. γραφική παράσταση). Αν πάρουμε την κατοπτρική του εικόνα
θα έχουμε την αντίστοιχη αντιύλη, το αντι- νετρίνο του ηλεκτρονίου.
Προσθέστε τρεις δεξιόστροφες συστροφές και θα έχετε κάτι που
συμπεριφέρεται ακριβώς όπως ένα ηλεκτρόνιο, τρεις συστροφές αντίθετες προς
την φορά των δεικτών του ρολογιού και θα πάρετε ένα ποζιτρόνιο. Το μοντέλο
του Bilson-Thompson παράγει επίσης τα φωτόνια και τα μποζόνια W και Z, τα
σωματίδια φορείς των ηλεκτρομαγνητικών και ασθενών αλληλεπιδράσεων. Στην
πραγματικότητα, αυτές οι πεπλεγμένες κορδέλες φαίνονται να γεμίζουν
ολόκληρο τον ζωολογικό κήπο των σωματιδίων στο καθιερωμένο πρότυπο. Η επαφή του Lee Smolin με το Bilson-Thompson και τη Μαρκοπούλου
Σε αυτό το σημείο ο Smolin σκόνταψε πάνω στην εργασία του Bilson-Thompson. "Όταν το είδα, ταράχτηκα επειδή έψαχνα κάτι που να μπορεί να εξηγήσει την πλεξούδα", λέει ο Smolin. Ήταν όμως οι δύο τύποι της πλεξούδας μία και αυτή; Είναι τα σωματίδια κάτι περισσότερο από τις πεπλεγμένες κοτσίδες του χωροχρόνου;
Σε κάθε στιγμή, οι κβαντικές διακυμάνσεις ζαρώνουν το δίκτυο
των χωροχρονικών συνδέσεων, τσαλακώνοντας το σε ένα κυκεώνα εξογκωμάτων
και προεξοχών. Αυτές οι δομές είναι τόσο εφήμερες που διαρκούν για περίπου
10-44 δευτερόλεπτα προτού μορφοποιηθούν
σε ένα νέα σχήμα. "Εάν το δίκτυο αλλάζει παντού όλη την ώρα, πώς γίνεται
και όλα επιζούν;" ρωτά η Μαρκοπούλου. "Ακόμη και στο κβαντικό επίπεδο,
ξέρω ότι ένα φωτόνιο ή ένα ηλεκτρόνιο ζει για πολύ περισσότερο καιρό από
10-44 ",
υποστηρίζει. Ο Smolin, η Μαρκοπούλου και ο Bilson-Thompson τώρα έχουν επιβεβαιώσει ότι το πλέξιμο σε πλεξούδες αυτού του κβαντικού χωροχρόνου, μπορεί να παραγάγει τα ελαφρύτερα σωματίδια στο καθιερωμένο πρότυπο - το ηλεκτρόνιο, τα κουάρκ "επάνω" και "κάτω", το νετρίνο του ηλεκτρονίου καθώς και την αντίστοιχη αντιύλη τους (www.arxiv.org/abs/hep-th/0603022). Μέχρι τώρα η νέα θεωρία αναπαράγει μόνο μερικά από τα
χαρακτηριστικά γνωρίσματα του καθιερωμένου προτύπου, όπως είναι το φορτίο
των σωματιδίων και τον δεξιό ή αριστερό "προσανατολισμό", μια ποσότητα που
δείχνει αν το κβαντομηχανικό σπιν ενός σωματιδίου έχει την ίδια ή την
αντίθετη φορά με την κατεύθυνση της κίνησης του στο χώρο. Ακόμα κι έτσι, ο
Smolin είναι συγκλονισμένος με την πρόοδο. "Μετά από 20 χρόνια, είναι
θαυμάσιο να γίνεται μια κάποια σύνδεση με τη φυσική σωματιδίων, και που
δεν θα γίνεται με το χέρι αλλά με τη θεωρία", λέει. Κατά ειρωνικό τρόπο, ο καλύτερος χώρος στον οποίο πρέπει να ψάξει κανείς για την πειραματική απόδειξη μπορεί να είναι οι μεγαλύτερες κλίμακες στον Κόσμο, κι όχι ο μικρότερος κόσμος. "Η περιοχή για να κάνει κανείς προβλέψεις είναι ο τομέας της κοσμολογίας", λέει ο John Baez, μαθηματικός και ειδικός στην κβαντική βαρύτητα στο πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Irvine. Η Μαρκοπούλου προσπαθεί τώρα να σκεφτεί τρόπους για να δοκιμάσει το μοντέλο με τις πλεξούδες χρησιμοποιώντας την μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου που έμεινε από τη Μεγάλη Έκρηξη. Οι φυσικοί θεωρούν ότι τα μοτίβα της ακτινοβολίας που βλέπουμε σήμερα μπορεί να έχουν προέλθει από τις κβαντικές διακυμάνσεις κατά τη διάρκεια των πρώτων πρώτων στιγμών μετά το big bang, όταν όλη η ύλη στον Κόσμο γέμιζε ένα χώρο πολύ μικρό για να είναι σημαντικά τα κβαντικά αποτελέσματα. Υπάρχει το διάστημα; Εν τω μεταξύ, το όραμα της Φωτεινής Μαρκοπούλου για το Σύμπαν ως ένας γιγαντιαίος κβαντικός υπολογιστής μπορεί να είναι κάτι περισσότερο από μια χρήσιμη αναλογία: μπορεί και να είναι αληθινό, σύμφωνα με μερικούς θεωρητικούς. Σε αυτή την περίπτωση, υπάρχει μια τρομακτική συνέπεια: το ίδιο το διάστημα, ο χώρος, μπορεί να μην υπάρχει. Με την αντικατάσταση μεγάλων τμημάτων του διαστήματος της κβαντικής βαρύτητας βρόχων με τα qubits, που συνήθως είναι ένα πλαίσιο αναφοράς - το ίδιο το διάστημα - γίνεται ακριβώς ένας Ιστός των πληροφοριών. Εάν η έννοια του διαστήματος παύει να έχει έννοια στις
μικρότερες κλίμακες, υποστηρίζει η Μαρκοπούλου, τότε μερικές από τις
συνέπειες αυτού του γεγονότος θα μπορούσε να έχει ενισχυθεί από την
διαστολή που ακολούθησε το big bang. "Η υπόθεση μου είναι ότι η μη ύπαρξη
του διαστήματος έχει αποτελέσματα που είναι μετρήσιμα, εάν μπορείτε να το
δείτε σωστά. "Επειδή είναι αρκετά δύσκολο να βάλετε στο μυαλό σας τι
σημαίνει να μην υπάρχει κανένα διάστημα", προσθέτει. Φυσικά, οι περισσότεροι φυσικοί διατηρούν επιφυλάξεις. Ο Joe
Polchinski, ένας θεωρητικός των χορδών στο πανεπιστήμιο του Στάνφορντ στην
Καλιφόρνια, θεωρεί ότι ο Smolin και οι συνάδελφοί του έχουν ακόμα πολλή
δουλειά να κάνουν για να δείξουν ότι οι 'πλεξούδες' τους συλλαμβάνουν όλες
τις λεπτομέρειες του πλήρους καθιερωμένου μοντέλου. "Είναι σε ένα πολύ
προκαταρκτικό στάδιο. Κάποιος πρέπει να παίξει με αυτή και να δει που θα
πάει", υποστηρίζει ο Polchinski. Κβαντική βαρύτητα υπερμεγέθης Για να πετύχει η κβαντική βαρύτητα βρόχων ως θεμελιώδη θεωρία της βαρύτητας, πρέπει κατ' ελάχιστο να προβλέπει ότι τα μήλα πέφτουν στη Γη. Με άλλα λόγια, ο νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα πρέπει να προκύπτει κατά φυσικό τρόπο από αυτή τη θεωρία. Είναι υψηλή προτεραιότητα για μια θεωρία που παράγει το χώρο και το χρόνο από την αρχή, να περιγράψει τι συμβαίνει στον καθημερινό κόσμο μας. Όμως ο Carlo Rovelli έχει πετύχει να κάνει ακριβώς αυτό. "Ουσιαστικά έχουμε υπολογίσει το νόμο του Νεύτωνα που αρχίζει από έναν Κόσμο χωρίς κανένα χώρο και χρόνο", λέει ο ίδιος. Ο νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα περιγράφει την δύναμη που
έλκονται δύο μάζες που βρίσκονται σε μια απόσταση. Εντούτοις, δεν είναι
τόσο απλό να μετρήσει αυτή την απόσταση όταν το διάστημα έχει μια σύνθετη
κβαντική αρχιτεκτονική όπως αναφέρει η κβαντική βαρύτητα βρόχων, όπου δεν
είναι ακόμα σαφές τι σημαίνει απόσταση. Αυτό είναι και το μεγαλύτερο
εμπόδιο στο να αποδειχθεί πως μπορεί να προκύψει ο νόμος του Νεύτωνα από
το κβαντοποιημένο διάστημα. Πηγές: NewScientist, Wikipedia |