Kβαντική βαρύτητα / Αμφισβητούνται παραδοσιακές ερμηνείες – Μήπως ο χωροχρόνος δεν βρίσκεται τελικά σε «υπέρθεση»;

Στόχος της είναι να συνδυάσει τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν (που διέπει τον κόσμο) με την Κβαντική Μηχανική (που διέπει τα μικροσκοπικά σωματίδια).

Η κύρια αντίφαση έγκειται στο γεγονός ότι ο κβαντικός κόσμος είναι ασταθής και τυχαίος, ενώ ο συμπαντικός χώρος ή μακρόκοσμος του Αϊνστάιν είναι ομαλός και συνεχής.

Εδώ και δεκαετίες, οι επιστήμονες προσπαθούν να αναπτύξουν μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, η οποία θα συνδυάζει τους νόμους που διέπουν τον μικρόκοσμο με εκείνους που περιγράφουν τη δομή και την εξέλιξη του Σύμπαντος.

Μια νέα διεθνής μελέτη, όμως, προτείνει ότι ορισμένα από τα πειράματα που σχεδιάζονται για να αποκαλύψουν την κβαντική φύση της βαρύτητας ίσως τελικά παραπλανούν τους ερευνητές.

Αυτό που φαίνεται να αποτελεί ένδειξη «κβαντικού χωροχρόνου» ενδέχεται να εξηγείται εξίσου καλά από τη συμβατική θεωρία της βαρύτητας.

Το μεγάλο χάσμα της σύγχρονης Φυσικής

Σχεδόν όλα όσα γνωρίζουμε για το Σύμπαν βασίζονται σε δύο ευρέως αποδεκτές θεωρίες.

Αφενός, η κβαντομηχανική περιγράφει με εντυπωσιακή ακρίβεια τη συμπεριφορά των στοιχειωδών σωματιδίων, των ατόμων και των μορίων.

Από την άλλη πλευρά, η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν εξηγεί τη βαρύτητα, την κίνηση των άστρων, των γαλαξιών, των μαύρων τρυπών και τη διαστολή του Σύμπαντος.

Το πρόβλημα είναι ότι οι δύο αυτές θεωρίες δεν «συνεργάζονται» εύκολα, και οι φυσικοί αναζητούν εδώ και δεκαετίες μια ενιαία θεωρία που θα περιγράφει ταυτόχρονα και τα δύο φαινόμενα.

• Διαβάστε επίσης: Λύθηκε αίνιγμα 40 ετών της Φυσικής / Πώς αναπτύσσονται πολύπλοκα συστήματα στη φύση υπό την επίδραση «τυχαίων παραγόντων»

Τι σημαίνει ότι η βαρύτητα είναι…κβαντική;

Η κβαντομηχανική επιτρέπει σε ένα αντικείμενο να βρίσκεται ταυτόχρονα σε περισσότερες από μία καταστάσεις ή θέσεις, ένα φαινόμενο γνωστό ως κβαντική υπέρθεση.

Αυτό έχει αποδειχθεί πειραματικά για άτομα, φωτόνια αλλά ακόμη και για μικροσκοπικά μεταλλικά συστήματα.

Αν όμως η βαρύτητα υπακούει επίσης στους νόμους της κβαντομηχανικής, τότε – θεωρητικά – και ο ίδιος ο χωροχρόνος, δηλαδή το «ύφασμα» του Σύμπαντος που καμπυλώνεται από τη βαρύτητα, θα μπορούσε να βρίσκεται ταυτόχρονα σε πολλαπλές διαφορετικές καταστάσεις.

Αυτό αποτελεί μία από τις βασικές προβλέψεις των περισσότερων θεωριών κβαντικής βαρύτητας.

• Διαβάστε επίσης: Φυσική / Επιστήμονες «πάγωσαν» περιστρεφόμενο νανοσωματίδιο στο απόλυτο κβαντικό όριο της αβεβαιότητας

Μία νέα οπτική αλλάζει την εικόνα

Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Kyushu της Ιαπωνίας, το Πανεπιστήμιο του Waterloo στον Καναδά και το Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης δημοσίευσαν στο περιοδικό npj Quantum Information μια θεωρητική εργασία που αμφισβητεί τον τρόπο με τον οποίο ερμηνεύονται αρκετά από τα προτεινόμενα πειράματα.

Η ομάδα ανέπτυξε ένα νέο μαθηματικό πλαίσιο σύμφωνα με το οποίο πολλά φαινόμενα που μέχρι σήμερα θεωρούνταν πιθανές αποδείξεις ότι ο ίδιος ο χωροχρόνος βρίσκεται σε κβαντική υπέρθεση μπορούν να εξηγηθούν διαφορετικά.

Στη δεύτερη αυτή ερμηνεία, η βαρύτητα παραμένει απολύτως «συμβατική», ενώ εκείνα που βρίσκονται σε κβαντική υπέρθεση είναι αποκλειστικά τα ίδια τα σωματίδια που κινούνται μέσα στον χωροχρόνο.

Με άλλα λόγια, δύο εντελώς διαφορετικές περιγραφές μπορεί να εξηγούν ακριβώς το ίδιο φυσικό φαινόμενο.

Η «σχετικότητα των υπερθέσεων του χωροχρόνου»

Οι επιστήμονες ονομάζουν αυτή τη νέα ιδέα «Σχετικότητα των Υπερθέσεων του Χωροχρόνου» (στα Αγγλικά Relativity of Spacetime Superpositions).

Για να γίνει πιο κατανοητό, χρησιμοποιούν ένα απλό παράδειγμα: δύο διαφορετικοί χάρτες μπορούν να απεικονίζουν το ίδιο τοπίο με διαφορετικές προβολές, χωρίς κανένας από τους δύο να είναι λανθασμένος.

Αντίστοιχα, ένα πείραμα που φαίνεται να αποδεικνύει ότι ο χωροχρόνος βρίσκεται σε κβαντική υπέρθεση μπορεί στην πραγματικότητα να περιγράφει ένα πολύ πιο «συμβατικό» σενάριο, όπου η βαρύτητα παραμένει κλασική και μόνο τα σωματίδια υπακούουν στους κβαντικούς νόμους.

Δεν καταρρίπτεται η κβαντική βαρύτητα

Οι ερευνητές διευκρινίζουν ότι η εργασία τους δεν αποδεικνύει πως η βαρύτητα είναι κλασική, ούτε απορρίπτει την ύπαρξη μιας θεωρίας κβαντικής βαρύτητας.

Αντίθετα, επισημαίνει ότι αρκετές από τις μέχρι σήμερα προτεινόμενες πειραματικές ενδείξεις μπορεί να επιδέχονται περισσότερες από μία ερμηνείες.

Όπως εξηγεί ο επικεφαλής της μελέτης, Τζόσουα Φού, πολλές από τις προτεινόμενες δοκιμές μπορούν να ιδωθούν από δύο εξίσου έγκυρες οπτικές: είτε ως ένδειξη ότι η ίδια η βαρύτητα είναι κβαντική, είτε ως περίπτωση όπου κβαντικά σωματίδια κινούνται μέσα σε έναν απολύτως συνηθισμένο βαρυτικό χώρο.

Η συν-συγγραφέας της μελέτης, Μαγκνταλένα Ζίτς, τονίζει ότι το σημαντικό πλέον είναι να εντοπιστούν εκείνα τα πειραματικά «ίχνη» που δεν μπορούν να εξηγηθούν από τη συμβατική φυσική και θα αποτελούσαν πραγματική απόδειξη της κβαντικής φύσης της βαρύτητας.

Ένας νέος οδηγός για τα πειράματα του μέλλοντος

Πέρα από τη θεωρητική του σημασία, το νέο πλαίσιο μπορεί να αποδειχθεί εξαιρετικά χρήσιμο για τον σχεδιασμό μελλοντικών πειραμάτων.

Αν οι επιστήμονες γνωρίζουν εκ των προτέρων ποιες παρατηρήσεις μπορούν να εξηγηθούν και από την κλασική βαρύτητα, θα επικεντρωθούν μόνο σε εκείνα τα πειράματα που θα μπορούσαν πραγματικά να αποκαλύψουν τη ζητούμενη «κβαντική υπογραφή» της βαρύτητας.

Γιατί έχει σημασία

Η ιστορία της επιστήμης έχει δείξει ότι η προσπάθεια κατανόησης των πιο θεμελιωδών νόμων της φύσης οδηγεί συχνά σε τεχνολογικές επαναστάσεις.

Το GPS, τα λέιζερ και μεγάλο μέρος της σύγχρονης ηλεκτρονικής γεννήθηκαν μέσα από έρευνες στην κβαντική φυσική και στη θεωρία της σχετικότητας.

Όπως επισημαίνει ο Τζόσουα Φού, «πριν μπορέσουμε να αποδείξουμε ότι η βαρύτητα είναι κβαντική, πρέπει πρώτα να γνωρίζουμε ποια στοιχεία θα αποτελούν πραγματικά απόδειξη. Η μελέτη μας συμβάλλει ακριβώς σε αυτή τη διάκριση».