ΤΑ ΔΕΚΑ ΜΥΣΤΗΡΙΑ ΤΟΥ ΧΩΡΟΧΡΟΝΟΥ ΠΟΥ ΘΑ ΜΠΟΡΟΥΣΕ ΝΑ ΛΥΣΕΙ Η ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΒΑΡΥΤΗΤΑ.

Η  Γερμανίδα  φυσικομαθηματικός  Σαβίνα  Χοσσενφέλντερ  (Sabine Hossenfelder) πήρε το διδακτορικό της από το Πανεπιστήμιο της Φρανκφούρτης το 2003. Εργάστηκε ως μεταδιδακτορική στο Πανεπιστήμιο Tucson  της Αριζόνας, αργότερα στο Πανεπιστήμιο Σάντα Μπάρμπαρα  της  Καλιφόρνιας  και στο Perimeter Institute στο Waterloo του Καναδά. Το κύριο ερευνητικό ενδιαφέρον της Σαβίνας είναι η Φυσική με ιδιαίτερη έμφαση στη φαινομενολογία της κβαντικής βαρύτητας.

                               

«Η θεωρία της γενικής σχετικότητας, όπου η βαρύτητα προκαλείται από την καμπυλότητα του χωροχρόνου, θεωρείται  ότι  έχει επιβεβαιωθεί.   Μία από τις προβλέψεις της είναι η ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων: μικρές διαταραχές του χωροχρόνου που ταξιδεύουν ελεύθερα. Αυτά τα πολύ ιδιαίτερα κύματα ανιχνεύθηκαν πρόσφατα από τα πειράματα LIGO / VIRGO.

Ξέρουμε όμως ότι η γενική σχετικότητα είναι ελλιπής. Λειτουργεί καλά όταν τα κβαντικά φαινόμενα του χωροχρόνου είναι αδύναμα,  που είναι σχεδόν ο κανόνας. Αλλά όταν τα κβαντικά φαινόμενα του χωροχρόνου γίνουν μεγάλα χρειαζόμαστε μια καλύτερη θεωρία: μια θεωρία της «κβαντικής βαρύτητας».

Η κβαντική βαρύτητα προσπαθεί να συνδυάσει τη γενική θεωρία της σχετικότητας με την κβαντική μηχανική. Οι κβαντικές διορθώσεις στην κλασική βαρύτητα απεικονίζονται ως διαγράμματα βρόχου, όπως αυτή που φαίνεται εδώ σε λευκό χρώμα.

 

 

 

 Μια απεικόνιση του πρώιμου Σύμπαντος αποτελούμενη από κβαντικό αφρό, όπου οι κβαντικές διακυμάνσεις είναι μεγάλες, ποικίλες και σημαντικές για τις μικρότερες κλίμακες.

Παρά το γεγονός ότι η κβαντική βαρύτητα θεωρείται συχνά ως μία απομακρυσμένη θεωρητική ιδέα, υπάρχουν πολλές πιθανές κατευθύνσεις για να εισέρθει σε μια παρατηρητική ή πειραματική δοκιμή. Ήδη, έχουν φανεί ορισμένοι σημαντικοί περιορισμοί από τη διενέργεια αυτών των πολύ ειδικών παρατηρήσεων και μετρήσεων. Όλοι μας ταξιδεύουμε μέσα στο χωροχρόνο κάθε μέρα. Η κατανόηση του θα μπορούσε να αλλάξει τη ζωή μας.  

Επειδή δεν γνωρίζουμε ακόμη τη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, δεν ξέρουμε πραγματικά τι είναι ο χώρος και ο χρόνος. Έχουμε πολλές υποψήφιες θεωρίες για την κβαντική βαρύτητα, αλλά καμιά από αυτές δεν είναι γενικά αποδεκτή. Παρ΄ όλα αυτά, με βάση τις υπάρχουσες προσεγγίσεις, μπορούμε να υποθέσουμε τι μπορεί να συμβεί με το χώρο και το χρόνο σε μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας. Εδώ έχουμε τις  δέκα πιο καλύτερες εργασίες πάνω στην κβαντική βαρύτητα:

1.   Στην κβαντική βαρύτητα αναμένουμε ότι ο χωροχρόνος θα κάνει μεγάλες διακυμάνσεις ακόμη και εν απουσία της ύλης. Στον κβαντικό κόσμο, το κενό δεν ηρεμεί, ούτε και φτιάνει χώρο και το χρόνο.  Στις μικρότερες κβαντικές κλίμακες, το Σύμπαν θα μπορούσε να είναι γεμάτο με μικροσκοπικές, μικρής μάζας, μαύρες τρύπες. Αυτές οι τρύπες θα μπορούσαν να συνδέονται ή να εκτείνονται προς τα μέσα με πολύ ενδιαφέροντες τρόπους.

2.   Ο κβαντικός χωρόχρονος θα μπορούσε να είναι πλήρης με μικροσκοπικές μαύρες τρύπες. και ακόμα πιο περίεργα, θα μπορούσε να έχει σκουληκότρυπες ή να προκαλέσει σύμπαντα βρέφη, που είναι μικρές φυσαλίδες που συμπιέζονται από το μητρικό σύμπαν.

3.   Και επειδή αυτή η θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, είναι μια κβαντική θεωρία, ο χωροχρόνος θα μπορούσε να κάνει όλα αυτά τα πράγματα ταυτόχρονα! Θα μπορούσαν και τα δύο να δημιουργήσουν έναν κόσμο βρέφος και να μην δημιουργούν κανένα, ταυτόχρονα. 

 Ο ιστός του χωροχρόνου δεν μπορεί να είναι ένας ιστός κανονικός, αλλά μπορεί να φτιάχνεται από διακεκριμένα στοιχεία που να εμφανίζονται ως ένα συνεχές ύφασμα για μας που βλέπουμε σε μεγαλύτερες, μακροσκοπικές κλίμακες.

4.   Στις περισσότερες προσεγγίσεις της κβαντικής βαρύτητας, ο χωροχρόνος δεν είναι θεμελιώδης, αλλά φτιαγμένος από κάποιο άλλο υλικό. Αυτό το υλικό θα μπορούσε να είναι χορδές, βρόχους, qbits, ή κάποια παραλλαγή «ατόμων» του χωροχρόνου, που εμφανίζονται σε προσεγγίσεις της συμπυκνωμένης ύλης. Τα επιμέρους συστατικά, ωστόσο, μπορεί να αναλυθούν μόνο όταν ανιχνευτούν σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες, πέρα ​​από αυτό που μπορούμε να επιτύχουμε στη Γη.

5.   Σε ορισμένες από τις προσεγγίσεις που βασίζονται στη συμπυκνωμένη ύλη,  ο χωροχρόνος έχει ιδιότητες σαν ένα στερεό ή ένα ρευστό έτσι ώστε να μπορεί να είναι ελαστικό ή να έχουν κάποιο ιξώδες . Αν αυτό συμβαίνει πραγματικά, θα μπορούσε να οδηγήσει σε παρατηρήσιμες συνέπειες. Οι φυσικοί σήμερα αναζητούν για τέτοια αποτελέσματα από τη μελέτη σωματιδίων αγγελιοφόρους, π.χ., το φως ή ηλεκτρόνια, που μας φτάνουν από μακριά στο σύμπαν.

 

Σχηματικό animation μιας συνεχούς δέσμης φωτός που σκεδάζεται από ένα πρίσμα. Σε ορισμένες ιδέες που σχετίζονται με την κβαντική βαρύτητα, ο ίδιος ο χώρος μπορεί να λειτουργήσει ως μέσο σκέδασης για διάφορα μήκη κύματος του φωτός.

6.   Ο χωροχρόνος θα μπορούσε να επηρεάσει το πως το φως ταξιδεύει μέσα από αυτόν. Μπορεί να μην είναι απολύτως διαφανής, ή το φως των διαφορετικών χρωμάτων μπορεί να ταξιδεύει με διαφορετικές ταχύτητες, ένα φαινόμενο γνωστό ως «διασπορά ή διάχυση». Αν λοιπόν ο κβαντικός χωροχρόνος επηρεάζει τη διάδοση του φωτός, αυτό το γεγονός θα μπορούσε να είναι παρατηρήσιμο σε μελλοντικά πειράματα.

7.   Οι διακυμάνσεις του χωρο-χρόνου θα μπορούσαν να καταστρέψουν την ικανότητα του φωτός από απομακρυσμένες πηγές να δημιουργήσουν πρότυπα συμβολής. Αυτή η επίδραση του  χωροχρόνου  έχει αναζητηθεί και δεν έχει βρεθεί , τουλάχιστον όχι μέχρι στιγμής και όχι στην ορατή περιοχή. 

Το φως, είτε διαβιβάζεται μέσω δύο πλατιών σχισμών (πάνω), είτε δύο λεπτών σχισμών (μέση) ή μία παχιά σχισμή (κάτω), εμφανίζει ενδείξεις συμβολής, δείχνοντας προς μία φύση ως ένα κύμα. Αλλά στην κβαντική βαρύτητα, ορισμένες αναμενόμενες ιδιότητες συμβολής μπορεί να είναι αδύνατον να παρατηρηθούν.

8.   Στις περιοχές με ισχυρή καμπυλότητα, ο χρόνος μπορεί να μετατραπεί σε χώρο . Αυτό θα μπορούσε να συμβεί, για παράδειγμα, στο εσωτερικό των μαύρων οπών ή στη Μεγάλη Έκρηξη. Σε μια τέτοια περίπτωση, αυτό που σήμερα γνωρίζουμε ως χωρο-χρόνο με τις τρεις διαστάσεις του χώρου και μία διάσταση του χρόνου θα μπορούσε να μετατραπεί σε ένα χώρο τεσσάρων «Ευκλείδειων» διαστάσεων.

 

Η σύνδεση δύο ξεχωριστών θέσεων είτε στον χώρο ή τον χρόνο μέσω μιας σκουληκότρυπας, παραμένει μια θεωρητική ιδέα μόνο, αλλά είναι μια ενδιαφέρουσα δυνατότητα που μπορεί να είναι όχι μόνο σημαντική, αλλά μπορεί να είναι αναπόφευκτη στην κβαντική βαρύτητα.

9.   Ο χωροχρόνος θα μπορούσε να είναι μη-τοπικά συνδεδεμένος με μικροσκοπικές παρακάμψεις που εκτείνονται σε όλο το σύμπαν. Τέτοιες μη-τοπικές συνδέσεις θα πρέπει να υπάρχουν σε όλες τις προσεγγίσεις των οποίων η υποκείμενη δομή είναι μη-γεωμετρική, όπως ένα γράφημα ή ένα δίκτυο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι σε τέτοιες περιπτώσεις η έννοια του «γειτονικού» δεν είναι θεμελιώδης, αλλά είναι μόνο παραγόμενος, και θα πρέπει να είναι ατελής, έτσι ώστε, σε ορισμένες περιπτώσεις, πολύ μακρινά μέρη να συνδέονται μέσω κάποιου γεγονότος..

 

   Ένα κύκλωμα της IBM τεσσάρων qubit , ένα πρωτοποριακό επίτευγμα στους υπολογιστές, θα μπορούσε να οδηγήσει σε υπολογιστές αρκετά ισχυρούς για να προσομοιώσει ένα ολόκληρο σύμπαν. Αλλά το πεδίο της κβαντικής υπολογιστικής βρίσκεται ακόμη στα σπάργανα.

10.   Κι αυτό θα μπορούσε να οφείλεται  ότι για να συνδυάσουμε την κβαντική θεωρία με τη βαρύτητα, δεν έχουμε να ανανεώσουμε – ενημερώσουμε τη βαρύτητα, αλλά την ίδια την κβαντική θεωρία. Αν είναι έτσι τα πράγματα, οι συνέπειες θα μπορούσαν να είναι εκτεταμένες. Επειδή η κβαντική θεωρία βρίσκεται πίσω από όλες τις ηλεκτρονικές συσκευές και αν θα πρέπει αυτή να αλλάξει, αυτό το γεγονός θα μπορούσε να ανοίξει εντελώς νέες δυνατότητες».

 

 

 

 

ΤΟ  ΠΡΟΒΛΗΜΑ  ΤΟΥ  ΧΡΟΝΟΥ  ΣΤΗΝ  ΚΒΑΝΤΙΚΗ  ΒΑΡΥΤΗΤΑ

Τα παρακάτω είναι μια συνοπτικά ελεύθερη απόδοση του άρθρου της Natalie Wolchover «Quantum Gravity’s Time Problem»  στον ιστότοπο quantamagazine.org

 

Η απόπειρα ενοποίησης της κβαντικής μηχανικής και γενικής σχετικότητας απαιτεί συμφιλίωση εντελώς διαφορετικών εννοιών του χρόνου.  Οι θεωρητικοί φυσικοί που προσπαθούν να ενοποιήσουν την κβαντομηχανική και την γενική σχετικότητα, προς μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας αντιμετωπίζουν το επονομαζόμενο «πρόβλημα του χρόνου».

Στην κβαντική μηχανική ο χρόνος είναι παγκόσμιος και απόλυτος. τα μονότονά του τικ-τακ καθορίζουν τις εξελισσόμενες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων. Αλλά στην γενική σχετικότητα,  ο χρόνος είναι σχετικός και δυναμικός, μια διάσταση η οποία είναι άρρηκτα συνυφασμένη με τις χωρικές διαστάσεις x, y και z σε έναν τετραδιάστατο «χωροχρονικό» ιστό. Ο ιστός παραμορφώνεται εξαιτίας της μάζας της ύλης, κάνοντας τα σώματα να πέφτουν προς αυτή (αυτό είναι η βαρύτητα), και επιβραδύνοντας την ροή του χρόνου σε σχέση με τον χρόνο που μετράνε τα ρολόγια που βρίσκονται πολύ μακριά. Ή αν μπείτε σε έναν πύραυλο και ταξιδέψετε στο διάστημα, όταν θα επιστρέψετε σπίτι θα είστε νεώτεροι σε σχέση μ’ αυτούς που παρέμειναν πίσω γιατί φοβήθηκαν να ταξιδέψουν.

Η ενοποίηση της κβαντικής μηχανικής με την γενική σχετικότητα απαιτεί την συμφιλίωση του τρόπου – απόλυτου ή σχετικού – με τον οποίο η κάθε θεωρία αντιμετωπίζει την φύση του χρόνου.

Τα τελευταία χρόνια πολλοί φυσικοί επιχειρούν μια νέα θεωρητική προσέγγιση για την ερμηνεία της σκοτεινής ύλης, θεωρώντας τον χωροχρόνο και την βαρύτητα ως «αναδυόμενα» φαινόμενα: το λύγισμα, η καμπύλωση του χωροχρόνου και η ύλη μέσα σ’ αυτόν είναι ένα ολόγραμμα το οποίο προκύπτει από ένα δίκτυο συν-πλεκομένων qubits (κβαντικών bits πληροφορίας), όπως και το τρισδιάστατο περιβάλλον ενός παιχνιδιού υπολογιστή που κωδικοποιείται με κλασικά bits σε ένα τσιπ πυριτίου.

«Νομίζω ότι τώρα καταλαβαίνω πως ο χωροχρόνος στην πραγματικότητα είναι ακριβώς μια γεωμετρική αναπαράσταση της συμπλεκομένης δομής αυτών των βαθύτερων κβαντικών συστημάτων», δηλώνει ο θεωρητικός Mark Van Raamsdonk.

Οι ερευνητές χρησιμοποιώντας τα μαθηματικά έδειξαν πώς το ολόγραμμα καταλήγει σε μοντέλα σύμπαντος τα οποία διαθέτουν μια κυρτή γεωμετρία χωροχρόνου, γνωστή ως χώρος “αντι-de Sitter” (AdS). Σε αυτούς τους παραμορφωμένους κόσμους, οι χωρικές μεταβολές γίνονται όλο και μικρότερες καθώς κινούμαστε έξω από το κέντρο. Τελικά, η χωρική διάσταση εκτεινόμενη από το κέντρο συρρικνώνεται στο μηδέν, φτάνοντας σ’ ένα σύνορο. Η ύπαρξη αυτού του συνόρου – το οποίο έχει μια λιγότερη χωρική διάσταση από τον εσωτερικό χωροχρόνο, ισοδυναμεί με μια άκαμπτη σκηνή στην οποία σχηματοποιούνται τα συν-πλεκόμενα qubits τα οποία προβάλλουν το ολόγραμμα (προς τα) μέσα.

Οι καταστάσεις των qubits εξελίσσονται σύμφωνα με τον παγκόσμιο χρόνο σαν να εκτελούνται τα βήματα ενός κώδικα σε υπολογιστή, προκαλώντας στρεβλώσεις, τον σχετικιστικό χρόνο στο εσωτερικό του χώρου AdS. Το κακό είναι, ότι αυτό δεν είναι αρκετό για να εξηγήσει το πώς λειτουργεί το σύμπαν μας.

Εδώ, ο ιστός του χωροχρόνου έχει μια γεωμετρία «de Sitter», που όπως παρατηρούμε εκτείνεται με την απόσταση. Ο ιστός τεντώνεται μέχρι το σύμπαν να φτάσει  σε ένα πολύ διαφορετικό είδος ορίου από τον χώρο AdS: το τέλος του χρόνου. Σε εκείνο το σημείο, σε ένα γεγονός γνωστό ως «θερμικός θάνατος», ο χωροχρόνος θα έχει επεκταθεί τόσο πολύ που τα πάντα σ’ αυτόν θα είναι αποσυνδεδεμένα αιτιοκρατικά από οτιδήποτε άλλο, έτσι ώστε να μην μπορούν να ανταλλάσσουν πλέον σήματα μεταξύ τους. Η γνωστή έννοια του χρόνου καταρρέει. Από εκεί και πέρα, δεν συμβαίνει τίποτα.

Στο άχρονο σύνορο της φούσκας του χωροχρόνου μας, οι συμπλέξεις που συνδέουν τα qubits (και κωδικοποιούν το δυναμικό εσωτερικό του σύμπαντος) θα παραμείνουν πιθανώς άθικτες, επειδή αυτοί οι κβαντικοί συσχετισμοί δεν απαιτούν ότι πρέπει να αποστέλλονται σήματα μπρος-πίσω. Αλλά οι καταστάσεις των qubits πρέπει να είναι στατικές και διαχρονικές.

Αυτή η συλλογιστική δείχνει ότι με κάποιο τρόπο, όπως ακριβώς τα qubits  στο σύνορο του χώρου AdS οδηγούν σε ένα εσωτερικό περιεχόμενο με μια επιπλέον χωρική διάσταση, τα qubits στην αιώνια επιφάνεια του χώρου de Sitter πρέπει να οδηγήσουν σε ένα σύμπαν με χρόνο – συγκεκριμένα, δυναμικό χρόνο. Οι ερευνητές δεν έχουν βρει ακόμα τον τρόπο να κάνουν αυτούς τους υπολογισμούς. Δεν διαθέτουμε μια καλή θεωρία για το πώς αναδύεται ο χρόνος στον χώρο de Sitter.

Μια νύξη έρχεται από τις θεωρητικές προτάσεις των Don Page και William Wootters, από την δεκαετία του 1980. Οι Page και Wootters ανακάλυψαν ότι ένα συν-πλεκόμενο σύστημα το οποίο είναι ολικά στατικό μπορεί να περιέχει ένα υποσύστημα το οποίο  φαίνεται εξελισσόμενο από την οπτική ενός παρατηρητή μέσα σ’ αυτό. Ονομάζοντάς το «κατάσταση ιστορίας», το σύστημα αποτελείται από ένα υποσύστημα συν-πλεκόμενο με αυτό που ονομάζουμε ρολόι. Η κατάσταση του υποσυστήματος διαφέρει ανάλογα με το αν το ρολόι βρίσκεται σε μια κατάσταση στην οποίο ο δείκτης του δείχνει ένα, δυο, τρία κ.ο.κ. Αλλά η συνολική κατάσταση του συστήματος συν το ρολόι δεν αλλάζει με τον χρόνο. Δεν υπάρχει χρόνος. Είναι ακριβώς η κατάσταση που δεν αλλάζει ποτέ. Με άλλα λόγια ο χρόνος δεν υπάρχει σε παγκόσμιο επίπεδο, αλλά μια ενεργή έννοια του χρόνου αναδύεται στο υποσύστημα.

Μια ομάδα ιταλών ερευνητών απέδειξε πειραματικά αυτό το φαινόμενο το 2013  (βλέπε: https://arxiv.org/pdf/1310.4691v1.pdf). Συνοψίζοντας την εργασία τους έγραφαν: «έχουμε δείξει πως μια στατική συν-πλεγμένη κατάσταση δυο φωτονίων μπορεί να ιδωθεί ως εξελισσόμενη από έναν παρατηρητή που χρησιμοποιεί ένα από τα δυο φωτόνια σαν ρολόι για να μετρήσει την χρονική εξέλιξη του άλλου φωτονίου. Ωστόσο, ένας εξωτερικός παρατηρητής μπορεί να δείξει ότι μια ολική παγκόσμια συν-πλεκόμενη κατάσταση δεν εξελίσσεται».

Κι άλλη θεωρητική εργασία οδήγησε σε παρόμοια συμπεράσματα. Γεωμετρικές διατάξεις, όπως το amplituhedron (πλατύεδρο), το οποίο περιγράφει τα αποτελέσματα των αλληλεπιδράσεων των σωματιδίων, υποδεικνύει επίσης ότι η πραγματικότητα αναδύεται από κάτι άχρονο και καθαρά μαθηματικό. Όμως, παραμένει ασαφές, το πώς (amplituhedron) πλατύεδρο και ολογραφία συνδέονται μεταξύ τους.

Με κάποιο τρόπο ο χρόνος μπορεί να αναδυθεί από άχρονους βαθμούς ελευθερίας χρησιμοποιώντας την σύμπλεξη.

Ο χρόνος θα δείξει.

 

ΖΗΝΩΝ  ΠΑΠΑΖΑΧΟΣ