Περιτυλίγοντας το βρόχο: Μια νέα θεωρία του παντός κερδίζει έδαφος

Πηγή: Economist, 28 Σεπτεμβρίου 2006

Οι φυσικοί αγαπούν να είναι όλα τακτοποιημένα και καθαρά. Υποθέτουν ότι το σύμπαν πρέπει να εξουσιάζεται από ένα ενιαίο σύνολο κανόνων και μπερδεύονται, που προς το παρόν, πρέπει να στηριχθούν σε δύο σύνολα νόμων. Το ένα, η κβαντική μηχανική, περιγράφει το μικρό, τα θεμελιώδη σωματίδια που αποτελούν την ύλη και τις δυνάμεις από τις οποίες τα σωματίδια αλληλεπιδρούν. Το άλλο σύνολο, η γενική σχετικότητα, περιγράφει τη δύναμη της βαρύτητας, η οποία συγκρατεί τα μεγάλα αντικείμενα μαζί.

Η συμφιλίωση αυτών των δύο καθολικών περιγραφών έχει δοκιμάσει μερικά από τα λαμπρότερα μυαλά των φυσικών, αλλά ακόμα δεν έχει δώσει ακόμα ένα ανταγωνιστικό αποτέλεσμα. Μέχρι σήμερα, η μεγάλη προσδοκία ήταν ότι κάποια έκδοση της θεωρίας χορδών θα επικρατούσε. Αλλά η θεωρία χορδών περιφέρεται για δεκαετίες χωρίς κανένα αποτέλεσμα, και αυτή η αποτυχία έχει ενθαρρύνει τους πρωταγωνιστές μιας εναλλακτικής εξήγησης για να πάρει τα ηνία της ενοποίησης των νόμων της φυσικής.

Η κβαντική βαρύτητα βρόχων, όπως είναι γνωστή η νέα θεωρία - ανταγωνιστής της θεωρίας χορδών - ξεκίνησε σαν ιδέα το 1986 από τον Abhay Ashtekar, του πολιτειακού πανεπιστημίου της Πενσυλβανίας. Ξαναέγραψε τις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας για να τις καταστήσει συμβατές με την κβαντομηχανική.

Όμως, αυτή πραγματικά απογειώθηκε ως την εναλλακτική λύση της θεωρίας χορδών όταν βελτιώθηκε από τους Lee Smolin, του Ινστιτούτου Perimeter στο Οντάριο και Carlo Rovelli, του πανεπιστημίου  της Μεσογείου στη Γαλλία. Μαζί, ανέπτυξαν την ιδέα του Δρ Ashtekar για να δείξουν, όπως αυτή θεωρεί, ότι ο χώρος και ο χρόνος δεν είναι ομαλός και συνεχής, όπως απαιτεί η γενική σχετικότητα, αλλά αποτελούνται από μικροσκοπικούς, ευδιάκριτους μικρούς κόκκους, κάτι σαν 'άτομα'.

Θεωρία χορδών: όλα τα στοιχειώδη σωματίδια (ηλεκτρόνια και κουάρκ) διαμορφώνονται από διαφορετικές δονήσεις χορδών

Αυτή η κοκκοποίηση προκύπτει από αυτό που είναι η σημαντικότερη διαφορά μεταξύ των δύο θεωριών. Οι θεωρητικοί χορδών θεωρούν ότι το σύμπαν αποτελείται από ύλη που υπάρχει ανεξάρτητα από τον χώρο και τον χρόνο. Η ύλη - δέχεται η εν λόγω θεωρία χορδών - αποτελείται από σωματίδια που διαμορφώνονται από διαφορετικές δονήσεις "χορδών". (Χορδές αποκαλούνται επειδή δονούνται με έναν τρόπο που είναι παρόμοιος, από μαθηματική άποψη τουλάχιστον, με τις δονήσεις των χορδών ενός μουσικού οργάνου.) Σύμφωνα με τη θεωρία χορδών, ο χώρος και ο χρόνος είναι ένα σταθερό υπόβαθρο που έχει μια γεωμετρική δομή - ένα αμετάβλητο στάδιο στο οποίο πραγματοποιείται το παιχνίδι της φύσης.

Η κβαντική βαρύτητα βρόχων είναι, στη γλώσσα των φυσικών, ανεξάρτητη υποβάθρου. Αυτό σημαίνει ότι οι θεωρητικοί που εργάζονται πάνω σε αυτήν θεωρούν ότι οι νόμοι της φύσης μπορούν να δηλωθούν χωρίς την παραγωγή οποιωνδήποτε προγενέστερων υποθέσεων για τη γεωμετρία του χώρου και του χρόνου. Ο χώρος και ο χρόνος είναι οι ίδιες οι συνέπειες αυτών των νόμων. Η κβαντική βαρύτητα βρόχων μπορεί να απεικονιστεί, όπως λέει και το όνομά της, ως ένα πλέγμα βρόχων. Σύμφωνα με τους κανόνες της, δεν έχει νόημα να ζητηθεί που υπάρχει στο χώρο και το χρόνο αυτό το πλέγμα, επειδή το πλέγμα είναι η ουσία που συνθέτει τον χώρο και τον χρόνο.

Αυτό είναι σημαντικό επειδή αλλάζει ριζικά την παλιά κατανόηση της πραγματικότητας των φυσικών. Ο χώρος δεν είναι πλέον το στάδιο μέσα στο οποίο παίζεται το θέαμα της ύπαρξης, γίνεται μέρος του δράματος. Πράγματι, οι θεωρητικοί που εργάζονται στην κβαντική βαρύτητα βρόχων σκέφτονται ότι η ίδια η ύλη είναι μόνο το αποτέλεσμα της συστροφής και της πλέξης των ταινιών του χωροχρόνου. Ένα θεμελιώδες σωματίδιο δημιουργείται όταν ενώνονται τρεις ταινίες σε μια κοτσίδα. Εάν μία από τις ταινίες στην κοτσίδα είναι στριμμένη, τότε δίνει στο προκύπτον σωματίδιο ένα ηλεκτρικό φορτίο. Εάν είναι στριμμένη προς την αντίθετη κατεύθυνση, το σωματίδιο έχει το αντίθετο φορτίο. Και εάν είναι στριμμένη δύο φορές, τότε το σωματίδιο έχει διπλάσιο φορτίο. Μέχρι τώρα, οι θεωρητικοί έχουν περιγράψει με ποιό τρόπο τα 3 από τα 16 σωματίδια στο Καθιερωμένο Μοντέλο της φυσικής σωματιδίων, μπορούν να δημιουργηθούν κατ' αυτό τον τρόπο.

Η θεωρία χορδών είναι η πιο καθιερωμένη μεταξύ των δύο. Περίπου το 90% των θεωρητικών φυσικών συμμετέχουν στην ανάπτυξη της. Αλλά και αυτή και η κβαντική βαρύτητα βρόχων έχουν εκκρεμή προβλήματα. Το πιο σημαντικό είναι, ότι καμιά δεν έχει δοκιμαστεί πειραματικά. Ούτε, παρά την αισιόδοξη συζήτηση για το αντίθετο, υπάρχει πολλή προοπτική για επινόησης κάποιου πειράματος. Ενώ οι επιταχυντές όπου συγκρούονται σωματίδια και τα διαστημικά παρατηρητήρια μπόρεσαν να αποκλείσουν μερικές από τις πιο εξωτικές εκδόσεις της κάθε μίας, κανένας δεν ήταν σε θέση να προτείνει έναν τρόπο να αποφασίσει μεταξύ τους γενικά.

Η ύπαρξη δύο υποψηφίων για μια θεωρία του παντός είναι σχεδόν σαν να ανατρέπει την ικανότητα των φυσικών να συμφιλιώσουν την κβαντομηχανική και τη γενική σχετικότητα σε πρώτο στάδιο. Αυτοί μάλλον θα πάνε μακριά για να αποκτήσουν μόνο μία. Κι αυτό θα μπορούσε να επιτευχθεί αν βρεθεί ποια είναι σωστή και ποια κάνει λάθος, κι αν διαπιστωθεί ότι και η θεωρία χορδών και η κβαντική βαρύτητα βρόχων κάνουν λάθος, και μια τρίτη θεωρία είναι σωστή, ή με τη διαπίστωση ότι οι δύο θεωρίες μπορούν να ενοποιηθούν σε μία. Δυστυχώς, μετά από 20 χρόνια τι μπορεί ακριβώς να συμβεί παραμένει άγνωστο.