Κβαντικός Χωροχρόνος: Νέο κλειδί για το συνδυασμό της σχετικότητας και της ενέργειας Planck
Μια πρόσφατη μελέτη προτείνει μια νέα προοπτική στη μακρόχρονη προσπάθεια συμφιλίωσης της θεωρίας της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν με την κβαντομηχανική, μια από τις πιο σύνθετες προκλήσεις της σύγχρονης φυσικής.
Σύμφωνα με την έρευνα που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Classical and Quantum Gravity, όταν ο χωροχρόνος διαιρείται σε μικροσκοπικές διακριτές μονάδες αντί να θεωρείται συνεχής, η σύνδεση μεταξύ αυτών των δύο θεμελιωδών θεωριών γίνεται ξαφνικά σαφέστερη. «Η προσέγγισή μας είναι ότι ο ίδιος ο χώρος και ο χρόνος δεν είναι συνεχείς αλλά αποτελούνται από μικρά τμήματα. Αν αυτή η θέση είναι σωστή, τότε η βαρύτητα μπορεί επίσης να περιγραφεί με τη βοήθεια της κβαντικής θεωρίας», εξηγεί ο Wolfgang Wieland, συγγραφέας της μελέτης και θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Friedrich-Alexander του Erlangen-Nuremberg (FAU).
Στην καθημερινή ζωή, η ασυμφωνία μεταξύ αυτών των θεωριών δεν δημιουργεί πρακτικά προβλήματα, καθώς η γενική σχετικότητα ισχύει για μεγάλα αντικείμενα όπως πλανήτες, αστέρια και γαλαξίες, ενώ η κβαντική θεωρία περιγράφει τη συμπεριφορά μικροσκοπικών σωματιδίων όπως τα άτομα και τα φωτόνια. Ωστόσο, σε ακραίες καταστάσεις, όπως οι μαύρες τρύπες ή το Big Bang, καθίσταται απαραίτητη η ύπαρξη μιας ενοποιημένης θεωρίας. Για παράδειγμα, σε μια μαύρη τρύπα, η βαρύτητα είναι τόσο έντονη που όλη η ύλη καταρρέει σε ένα μόνο σημείο, καθιστώντας αναγκαία την κατανόηση της βαρυτικής συμπεριφοράς σε κβαντικό επίπεδο.
Σήμερα, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η ενέργεια μπορεί θεωρητικά να απελευθερωθεί σε απείρως υψηλά επίπεδα, καθιστώντας αδύνατη την επίλυση ορισμένων εξισώσεων στην κβαντική βαρύτητα. Αν όμως ο χώρος και ο χρόνος αποτελούνταν από μικροσκοπικά, αδιαίρετα μπλοκ - όπως τα pixels σε μια οθόνη - παρόμοια με τον τρόπο που η ενέργεια και η ορμή στην κβαντομηχανική παρουσιάζονται σε αδιαίρετα πακέτα που ονομάζονται κβάντα, η εικόνα θα άλλαζε ριζικά.
Σε ένα τέτοιο Σύμπαν, δεν θα ήταν δυνατόν να μετακινηθεί ένα αντικείμενο σε οποιαδήποτε απόσταση- αντίθετα, θα μετακινούνταν σε σταθερά χρονικά διαστήματα. Με τον ίδιο τρόπο, ο χρόνος δεν θα κυλούσε συνεχώς, αλλά θα προχωρούσε σε μικροσκοπικά βήματα, όπως το χτύπημα ενός ρολογιού.
Αυτά τα βήματα θα ήταν τόσο απίστευτα μικρά που στην καθημερινή ζωή δεν θα τα αντιλαμβανόμασταν. Σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, η βαρύτητα προέρχεται από την καμπυλότητα του χωροχρόνου. Αν ο ίδιος ο χωροχρόνος δεν είναι συνεχής αλλά αποτελείται από μικρά τεμάχια, αυτή η καμπυλότητα πρέπει επίσης να ακολουθεί ένα κβαντισμένο μοντέλο.
Αν ο χωροχρόνος αποτελείται από μικρά βήματα, τότε η απελευθέρωση ενέργειας πρέπει επίσης να έχει ένα ανώτατο όριο - όπως ακριβώς τίποτα δεν μπορεί να ταξιδέψει γρηγορότερα από το φως. Αυτή η μέγιστη ισχύς, που ονομάζεται ενέργεια Planck, είναι αφάνταστα μεγάλη (105³ Watt), αλλά εξακολουθεί να είναι περιορισμένη
Από τη δεκαετία του 1930 πιστεύεται ότι η γενική σχετικότητα και η κβαντομηχανική δεν είχαν καμία σχέση. Ωστόσο, με την εμβάθυνση της έρευνας στην κβαντική φυσική και σε μακροσκοπικά φαινόμενα όπως οι μαύρες τρύπες, η ανάγκη ενοποίησης αυτών των θεωριών γίνεται όλο και πιο εμφανής. Σε ξεχωριστές ερευνητικές εργασίες, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν προηγουμένως την εξίσωση πεδίου του Αϊνστάιν και την εντροπία για να εξηγήσουν πώς η βαρύτητα, ο χωροχρόνος και άλλα μακροσκοπικά φαινόμενα μπορούν να περιγραφούν χρησιμοποιώντας την κβαντομηχανική.
Η παρούσα μελέτη δεν είναι επομένως η πρώτη προσπάθεια ενοποίησης των δύο θεωριών, αλλά είναι πιθανώς η πρώτη που χρησιμοποιεί την ενέργεια Planck, μια καλά αναγνωρισμένη θεμελιώδη μονάδα, για να ρίξει φως στην ελλείπουσα σύνδεση. Ωστόσο, όλες αυτές οι θεωρίες εξακολουθούν να περιορίζονται σε υποθέσεις και εξισώσεις. Η ελπίδα είναι ότι η περαιτέρω έρευνα θα αποκαλύψει έναν τρόπο πειραματικής επικύρωσης εννοιών όπως η κβαντική βαρύτητα και ο κβαντικός χωροχρόνος.
[via]
