Τι είναι ο Χωρόχρονος;
Από τι Πραγματικά είναι Φτιαγμένος ο Χωροχρόνος;
Ο χωροχρόνος μπορεί να αναδύεται από μια πιο θεμελιώδη πραγματικότητα. Ανακαλύπτοντας πώς θα μπορούσε να ξεκλειδώσει τον πιο επείγοντα στόχο στη φυσική – μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας
«Το γεγονός ότι οι αρχαίοι Έλληνες ρωτούσαν πράγματα όπως: “Τι είναι χώρος;” “Τι είναι χρόνος;” “Τι είναι αλλαγή;” και το ότι εξακολουθούμε να θέτουμε παραλλαγές αυτών των ερωτημάτων σήμερα σημαίνει ότι ήταν οι σωστές ερωτήσεις που έπρεπε να τεθούν», λέει ο Wüthrich. «Σκεπτόμενοι τέτοιου είδους ερωτήσεις μάθαμε πολλά για τη φυσική».
Η Natalie Paquette περνά τον χρόνο της σκεπτόμενη πώς να αποκτήσει μια επιπλέον διάσταση. Ξεκινήστε με μικρούς κύκλους, διασκορπισμένους σε κάθε σημείο του χώρου και του χρόνου – μια συστραμμένη διάσταση, γυρισμένη πίσω στον εαυτό της. Στη συνέχεια, συρρικνώστε αυτούς τους κύκλους όλο και περισσότερο, σφίγγοντας τη θηλειά, έως ότου συμβεί μια περίεργη μεταμόρφωση: η διάσταση παύει να φαίνεται μικροσκοπική και αντίθετα γίνεται τεράστια, όπως όταν συνειδητοποιείτε ότι κάτι που φαίνεται μικρό και κοντά είναι στην πραγματικότητα τεράστιο και μακρινό. «Σμικρύνουμε μια χωρική κατεύθυνση», λέει η Paquette. «Αλλά όταν προσπαθούμε να την συρρικνώσουμε πέρα από ένα ορισμένο σημείο, αναδύεται μια νέα, μεγάλη χωρική κατεύθυνση».
Η Paquette, μια θεωρητική φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, δεν είναι η μόνη που σκέφτεται αυτό το περίεργο είδος μετατροπής διαστάσεων. Ένας αυξανόμενος αριθμός φυσικών, που εργάζονται σε διαφορετικούς τομείς του κλάδου με διαφορετικές προσεγγίσεις, συγκλίνουν όλο και περισσότερο σε μια βαθιά ιδέα: Ότι ο χώρος – και ίσως ακόμη και ο χρόνος – δεν είναι θεμελιώδης. Αντίθετα, ο χώρος και ο χρόνος μπορεί να προκύπτουν: θα μπορούσαν να προκύψουν από τη δομή και τη συμπεριφορά πιο βασικών συστατικών της φύσης. Στο βαθύτερο επίπεδο της πραγματικότητας, ερωτήσεις όπως "Πού;" και Πότε;" απλά μπορεί να μην έχουν καθόλου απαντήσεις. «Έχουμε πολλές ενδείξεις από τη φυσική ότι ο χωροχρόνος όπως τον καταλαβαίνουμε δεν είναι το θεμελιώδες πράγμα», λέει η Paquette.
Αυτές οι ριζοσπαστικές έννοιες προέρχονται από τις τελευταίες ανατροπές στην ενός αιώνα αναζήτηση για μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας. Η καλύτερη θεωρία της βαρύτητας των φυσικών είναι η γενική σχετικότητα, η περίφημη αντίληψη του Άλμπερτ Αϊνστάιν για το πώς η ύλη στρεβλώνει τον χώρο και τον χρόνο. Η καλύτερη θεωρία τους για οτιδήποτε άλλο είναι η κβαντική φυσική, η οποία είναι εκπληκτικά ακριβής όταν πρόκειται για τις ιδιότητες της ύλης, της ενέργειας και των υποατομικών σωματιδίων. Και οι δύο θεωρίες έχουν περάσει εύκολα όλα τα τεστ που μπόρεσαν να επινοήσουν οι φυσικοί τον περασμένο αιώνα. Συνδυάστε τα, θα μπορούσε να σκεφτεί κανείς, και θα έχετε μια “Θεωρία των πάντων”
Αλλά οι δύο θεωρίες δεν συνεργάζονται καλά. Ρωτήστε τη γενική σχετικότητα τι συμβαίνει στο πλαίσιο της κβαντικής φυσικής και θα λάβετε αντιφατικές απαντήσεις, με ανεξέλεγκτα άπειρα [αποκλίσεις] να αναφύονται στους υπολογισμούς σας. Η φύση ξέρει πώς να εφαρμόζει τη βαρύτητα σε κβαντικά περιβάλλοντα – συνέβη τις πρώτες στιγμές της μεγάλης έκρηξης και εξακολουθεί να συμβαίνει στις καρδιές των μαύρων τρυπών – αλλά εμείς οι άνθρωποι ακόμα παλεύουμε να καταλάβουμε πώς γίνεται. Μέρος του προβλήματος έγκειται στους τρόπους με τους οποίους οι δύο θεωρίες αντιμετωπίζουν τον χώρο και τον χρόνο. Ενώ η κβαντική φυσική αντιμετωπίζει τον χώρο και τον χρόνο ως αμετάβλητα, η γενική σχετικότητα τους περιτυλίγει για πρωινό!
Θα χρειαζόταν κατά κάποιον τρόπο μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας για να συμβιβάσει αυτές τις ιδέες για τον χώρο και τον χρόνο. Ένας τρόπος για να γίνει αυτό θα ήταν να εξαλείψουμε το πρόβλημα στην πηγή του, στον ίδιον τον χωροχρόνο, προκαλώντας την ανάδυση του χώρου και του χρόνου από κάτι πιο θεμελιώδες. Τα τελευταία χρόνια πολλές διαφορετικές γραμμές έρευνας έχουν υποδείξει ότι στο βαθύτερο επίπεδο της πραγματικότητας ο χώρος και ο χρόνος δεν υπάρχουν με τον ίδιον τρόπο που υπάρχουν στον καθημερινό μας κόσμο. Κατά την τελευταία δεκαετία αυτές οι ιδέες έχουν αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίον οι φυσικοί σκέφτονται για τις μαύρες τρύπες. Τώρα οι ερευνητές χρησιμοποιούν αυτές τις έννοιες για να αποσαφηνίσουν τη λειτουργία κάτι ακόμα πιο εξωτικού: τις σκουληκότρυπες – υποθετικές συνδέσεις σαν τούνελ μεταξύ απομακρυσμένων σημείων του χωροχρόνου. Αυτές οι επιτυχίες κράτησαν ζωντανή την ελπίδα για μια ακόμη βαθύτερη ανακάλυψη. Αν ο χωροχρόνος είναι αναδυόμενος, τότε το να καταλάβουμε από πού προέρχεται – και πώς θα μπορούσε να προκύψει από οτιδήποτε άλλο – μπορεί απλώς να είναι το κλειδί που λείπει και που τελικά ξεκλειδώνει την πόρτα για μια θεωρία των πάντων.
Ο κόσμος σε ένα ντουέτο εγχόρδων
Σήμερα η πιο δημοφιλής υποψήφια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας μεταξύ των φυσικών είναι η θεωρία των χορδών. Σύμφωνα με αυτήν την ιδέα, οι ομώνυμες χορδές είναι τα θεμελιώδη συστατικά της ύλης και της ενέργειας που γεννούν τα μυριάδες θεμελιώδη υποατομικά σωματίδια που παρατηρούνται στους επιταχυντές σωματιδίων σε όλον τον κόσμο. Ευθύνονται ακόμη και για τη βαρύτητα – ένα υποθετικό σωματίδιο που φέρει τη βαρυτική δύναμη, ένα “βαρυτόνιο”, είναι μια αναπόφευκτη συνέπεια της θεωρίας.
Αλλά η θεωρία χορδών είναι δύσκολο να κατανοηθεί – ζει σε μια μαθηματική επικράτεια που οι φυσικοί και οι μαθηματικοί χρειάστηκαν δεκαετίες για να εξερευνήσουν. Μεγάλο μέρος της δομής της θεωρίας είναι ακόμα αχαρτογράφητο, αποστολές έχουν να σχεδιαστούν και να γίνουν οι χάρτες. Μέσα σε αυτό το νέο πεδίο η κύρια τεχνική για την πλοήγηση είναι μέσω μαθηματικών δυαδικοτήτων – αντιστοιχίες μεταξύ ενός είδους συστήματος και ενός άλλου.
Ένα παράδειγμα είναι η δυαδικότητα που αναφέρθηκε στην αρχή αυτού του άρθρου, μεταξύ μικροσκοπικών διαστάσεων και μεγάλων. Προσπαθήστε να στριμώξετε μια διάσταση σε ένα μικρό διάστημα, και η θεωρία των χορδών σας λέει ότι θα καταλήξετε με κάτι μαθηματικά πανομοιότυπο με έναν κόσμο όπου αυτή η διάσταση είναι τεράστια. Οι δύο καταστάσεις είναι ίδιες, σύμφωνα με τη θεωρία των χορδών – μπορείτε να πηγαίνετε ελεύθερα από το ένα στο άλλο και να χρησιμοποιείτε τεχνικές από τη μια κατάσταση για να κατανοήσετε πώς λειτουργεί η άλλη. «Αν παρακολουθείτε προσεκτικά τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της θεωρίας», λέει η Paquette, «μπορείτε φυσικά να διαπιστώσετε μερικές φορές ότι... μπορεί να αναπτύξετε μια νέα χωρική διάσταση».
Μια παρόμοια δυαδικότητα υποδηλώνει σε πολλούς θεωρητικούς των χορδών ότι ο ίδιος ο χώρος αναδύεται. Η ιδέα ξεκίνησε το 1997, όταν ο Juan Maldacena, ένας φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών, ανακάλυψε μια δυαδικότητα μεταξύ ενός είδους καλά κατανοητής κβαντικής θεωρίας γνωστής ως CFT (Conformal Field Theory ή Σύμμορφη Θεωρία Πεδίου) και ενός ειδικού είδους χωροχρόνου από τη γενική σχετικότητα, ως χώρος Anti-de Sitter (AdS). Και οι δύο φαίνονται να είναι υπερβολικά διαφορετικές θεωρίες – το CFT δεν έχει καμία απολύτως βαρύτητα και ο χώρος AdS έχει όλη τη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν. Ωστόσο, τα ίδια μαθηματικά μπορούν να περιγράψουν και τους δύο κόσμους. Όταν ανακαλύφθηκε, αυτή η αντιστοιχία AdS/CFT παρείχε μια απτή μαθηματική σύνδεση μεταξύ μιας κβαντικής θεωρίας και ενός πλήρους σύμπαντος με τη βαρύτητα.
Περιέργως, ο χώρος του AdS στην αντιστοιχία AdS/CFT είχε μια μεγαλύτερη διάσταση από τον κβαντικό CFT. Αλλά οι φυσικοί απολάμβαναν αυτή την αναντιστοιχία επειδή ήταν ένα πλήρως επεξεργασμένο παράδειγμα ενός άλλου είδους αντιστοιχίας που επινοήθηκε λίγα χρόνια νωρίτερα, από τους φυσικούς Gerard ’t Hooft του Πανεπιστημίου της Ουτρέχτης στην Ολλανδία και Leonard Susskind του Πανεπιστημίου Stanford, γνωστή ως ολογραφική αρχή. Με βάση μερικά από τα περίεργα χαρακτηριστικά των μαύρων τρυπών, οι ’t Hooft και Susskind υποψιάστηκαν ότι οι ιδιότητες μιας περιοχής του διαστήματος θα μπορούσαν να “κωδικοποιηθούν” πλήρως από τα όριά της. Με άλλα λόγια, η δισδιάστατη επιφάνεια μιας μαύρης τρύπας θα περιέχει όλες τις πληροφορίες που απαιτούνται για να γνωρίζουμε τι υπήρχε στο τρισδιάστατο εσωτερικό της – όπως ένα ολόγραμμα. «Νομίζω ότι πολλοί άνθρωποι πίστευαν ότι ήμαστε τρελοί», λέει ο Susskind. «Δύο καλοί φυσικοί που χάλασαν».
Ομοίως, στην αντιστοιχία AdS/CFT, το τετραδιάστατο CFT κωδικοποιεί τα πάντα σχετικά με τον πενταδιάστατο χώρο AdS με τον οποίο σχετίζεται. Σε αυτό το σύστημα ολόκληρη η περιοχή του χωροχρόνου είναι δομημένη από αλληλεπιδράσεις μεταξύ των συστατικών του κβαντικού συστήματος στη Σύμμορφη Πεδιακή Θεωρία. Ο Maldacena παρομοιάζει αυτήν τη διαδικασία με την ανάγνωση ενός μυθιστορήματος. «Αν διαβάζετε μια ιστορία σε ένα βιβλίο, υπάρχουν οι χαρακτήρες του βιβλίου που κάνουν κάτι», λέει. «Αλλά το μόνο που υπάρχει είναι μια γραμμή κειμένου, σωστά; Το τι κάνουν οι χαρακτήρες συνάγεται από αυτήν τη γραμμή κειμένου. Οι χαρακτήρες του βιβλίου θα ήταν σαν τη γενική θεωρία [AdS]. Και η γραμμή του κειμένου είναι η [CFT]».
Αλλά από πού προέρχεται ο χώρος στον χώρο του AdS; Αν αυτός ο χώρος είναι αναδυόμενος, από τι προκύπτει; Η απάντηση είναι ένα ειδικό και παράξενα κβαντικό είδος αλληλεπίδρασης στο CFT: εμπλοκή, μια σύνδεση μεγάλων αποστάσεων μεταξύ αντικειμένων, ακαριαία συσχέτιση της συμπεριφοράς τους με στατιστικά απίθανους τρόπους. Η διαπλοκή προβλημάτισε ως γνωστόν τον Αϊνστάιν, ο οποίος την αποκάλεσε “αλλόκοτη δράση σε απόσταση”.
Τέλος Πρώτου Μέρους