A „gyönyörű univerzum” problémája a fizikában

Miért nem oldottuk meg a kvantum gravitációt?

Az olyan ötletek elfogadása, mint a húrelmélet, azt jelenti, hogy készen kell állnunk arra, hogy további dimenziókat és az egyre furcsabb világokat elfogadjunk. Art by SGP

Ha a szépséget egyszerűségként definiáljuk, akkor az univerzum messze nem gyönyörű. Paradox és titokzatos, megfigyelésekkel meglepve bennünket, amelyekre nem számítunk mindig, hogy ezeket az elvárásokat látjuk, vagy néha megerősítik, de még nagyobb rejtélyekhez vezetnek rajtuk túl. Jelenleg 26 rosszindulatú állandóság határozza meg a világunkat, nincs valódi szimmetria (csak a szimmetria közelítésére van szükség), és két elmélet, amelyek úgy tűnik, mindkettő sikeresen leírják maga a valóság természetét. Rendetlen és néha értelmetlen. Ez egy matematikai modellek és kísérletek kusza világa, amelyek gyakran megkérdőjelezik a fizika megértését. De a végső cél a szépség felé irányul - egyetlen, egyszerű törvénykészlet létrehozása annak a világegyetemnek a leírására, amelyben élünk. Ez nem különbözik Maxwell egyenleteitől, amelyek együttesen elegáns bizonyságot jelentettek önmagának világítására: az elektromosság és a mágnesesség egyesítése néhány egyszerű matematikai sorban.

Az elektromágnesesség, akárcsak a gravitáció, az univerzum négy erőének egyike. A relativitáselmélet sikere után Einstein életének utolsó éveit az elektromágnesesség és a gravitáció összehangolására tölti, bár kudarcot vallott. A fennmaradó két erő az erős nukleáris és a gyenge nukleáris erő. Az erős nukleáris erő felelős az óriási energiakibocsátásért egy atombomba robbantása közben; a gyenge nukleáris erőt az utóhatás sugárzása tapasztalja meg. A négy erő közül három a kvantummechanikával magyarázható, az utolsó - a gravitáció - az általános relativitáselmélettel magyarázható.

Mindkét elmélet kiállta az idő próbáját. Jóslataik pontosak, megfigyelhetők és rendkívül sikeresek a valóság természetének megértésében. De a hasonlóságok nem sokáig tartanak fenn. Ahol az általános relativitáselmélet egyértelmű és kiszámítható, a kvantummechanika kaotikus és furcsa. Olyan alapvető módon ellentmondnak egymásnak, hogy összerakva értelmetlen eredményeket kapnak; például az események végtelen mennyiségű valószínűséggel bírnak. A kettő annyira összeegyeztethetetlen, hogy a gravitációt nem is említik a részecskefizika standard modelljében. Úgy tűnik, hogy a Nobel-díjas Niels Bohr, a kvantumelmélet és az atomszerkezet közreműködője, elképzeléseit el akarta tartani külön az Einstein ötletétől. Einstein viszont heves kapcsolatban állt a kvantummechanikával.

De a különbségek mindössze két ellentmondásos elmélen túllépnek.

Általános relativitáselmélet - és az 1980-as években a fenti bináris pulzáris rendszerek megfigyeléseihez hasonlóan - a gravitáció és a fény azonos sebességgel oszlik meg. Ez utalhat-e kapcsolatra a kettő között? Kép: ESO / L. Calçada.

A gravitáció az összes erő közül a leggyengébb. Két részecske között a gravitációs erő 10-szer nagyobb lesz, mint az ugyanazon két részecske közötti elektromágneses erő. A bolygók és a csillagok méretarányú tárgyainak a gravitáció szempontjából lényeges hatása van. Ehhez még nincs társított részecske. A W és Z boszonok felelősek a gyenge nukleáris erőért, a gluonok az erős nukleáris erőért, és a fotonok az elektromágnesességért. Hol a részecske felelős a gravitációért? Hol van az egyre nehezebb graviton?

A graviton felfedezése megerősíti a kvantitatív gravitációt. Segítne megválaszolni a fizika legnehezebb kérdését - minden elméletét.

Csakúgy, mint a fotont az elektromágnesesség megjósolja, a graviton egy részecske, amelyet kvantum gravitáció szerint léteznek. Tömeges, elektromosan semleges és mechanikus centrifugálási értéke 2 lenne. Valójában ez az egyetlen részecske, amely rendelkezik ezekkel a pontos tulajdonságokkal. A gravitonokat az 1900-as évek elején létezik olyan kvantitatív gravitációs úttörők, mint Matvei Bronstein. De a graviton észlelése nem olyan egyszerű, mint az asztali kísérlet felállítása. A kvantum világban annyira gyenge a gravitáció, hogy még további 100 év technológiai fejlődésnél is nagyon kevés esély van a gravitációs hatások megfigyelésére egy részecskefizikai kísérlet során. Annak érdekében, hogy ésszerű esélyünk legyen a graviton észlelésére, olyan hatalmas készüléket kell építenünk, amely fekete lyukba esne.

Van annak esélye, bár kicsi, hogy ezeket a részecskéket a mai technológiával tudjuk kimutatni. Ez olyan extra méretektől függ, amelyek maguk is aprók és nehezen észlelhetők. A tudósok a Large Hadron Collider és hasonló részecskegyorsítók segítségével keresték ezeket az új dimenziókat, de eddig üres kézzel jelentkeztek. Ez az előfeltétel magyarázza azt is, hogy miért olyan nehéz a gravitáció. Ha az erőt több különböző birodalomban hígítanánk - nem csak azoknál, amelyekhez szoktuk -, akkor sokkal kevesebb energiát adnánk három fizikai dimenziónkban.

A szubatomi részecskék relativitása azt jelenti, hogy egy elektron végül spirál felé fordul a protonja felé, amikor az energiát veszíti el a gravitációs hullámok révén. Tudjuk azonban, hogy az elektronok nem így viselkednek.

Egy másik kísérlet megkísérli megvizsgálni, hogy a mikro-gyémántok párja összekapcsolódhat-e a gravitációs vonzerőikkel. Az összefonódás egy olyan esemény, amely kvantum szinten történik. Ez a két részecske közötti kapcsolat, amely meghaladja a távolságot, lehetővé téve számukra, hogy a fénysebességnél gyorsabban kommunikáljanak. Ha a mikro-gyémántok gravitációs vonzódásuk révén képesek elérni ezt a belegabalyodási állapotot, akkor erõsen jelezhetõ, hogy a gravitációnak a gravitonokon keresztül kvantumhatása van. Más tudósok azonban nem értenek egyet ezzel az állítással, mondván, hogy bár az eredményeket érdekes lenne látni, nem tudta elmondani a kvantum gravitáció teljes történetét. Nem is beszélve arról, hogy évekbe telhet egy ilyen finom és drága kísérlet felállítása.

És annak ellenére, hogy a gravitonok hogyan kerülhetnek el minket, a gravitációnak kvantum magyarázattal kell rendelkeznie. E nélkül hiányzik a szubatómiai világ leírása. A kvantummező-elmélet figyelembe veheti a speciális relativitáselméletet és az űrtartamot, de még nem foglalja magában a tér manipulációját az általános relativitáselméleti leírás szerint.

Itt jönnek létre olyan fogalmak, mint a szuperstring elmélet. Ez az elmélet különösen hasonlít univerzumunkra, mint bármely más, a gravitációt tartalmazó elmélet. Azt mondja, hogy az univerzumunk minden részecskéje és ereje a húrok rezgéséből származik. A húrok az élet elemi építőkövei és megmagyarázhatatlanul kicsik, ám a húros elmélet fő problémája az, hogy nem ad nekünk tesztelhető előrejelzéseket. Ha az elmélet nem tesztelhető és megfigyelhető, akkor azt a tudományos közösségben soha nem fogják elfogadni. De az elmélet hasznosnak bizonyult az ötletek konzisztenciájának tesztelésében matematikai kontextusban, mivel elvégre ez egy matematikai szerkezet.

A húr-elmélethez és a gravitonhoz hasonlóan a hurokkvantum gravitáció olyan méreteket eredményez, amelyek túl kicsi ahhoz, hogy észlelhetők legyenek a részecskefizikai kísérletekben. Az elmélet diszkrét matematikán alapszik, és korlátozza a helyet és az időt, amely után már nem oszthatók fel (ez a határ 10 μm² területben és 10 ⁴³ másodperc időben). Ezeket a területeket továbbra is torzíthatja a tömeg és az energia, de végső méretük változatlan marad. A legizgalmasabb az, hogy megfigyelhetjük a kvantumhurok gravitációjának bizonyos hatásait csillagászati ​​tárgyakban. A fekete lyukak elpárologtatása, a kozmikus háttér-sugárzás és a gamma-sugárzás mind kulcsa lehet ennek az elméletnek a teszteléséhez.

A kvantumhurok-elmélet eredményeként a különböző színű fény különböző sebességgel halad át az űrben, hosszabb hullámhosszúságú (piros, narancssárga, sárga) fény lassabban halad, mint a rövidebb hullámhosszúságú társaik (zöld, kék, lila). A fényes gamma-robbanások vizsgálata eddig azonban azt mutatta, hogy a fény minden színe ugyanolyan sebességgel halad.

Világegyetemünk leginkább titokzatos aspektusait - a szörnyű szingularitásokat és a nagy robbanás előtti pillanatot - nemcsak a nagy távolságok és a régóta elterjedő helyek, hanem a legjobb fizikaelméletünk iránti lelkesedésük is beborítja. Fogják ezeket az ötleteket és darabolják őket, hogy megértsék nekünk ezt a világot, de azt, amelyről tudjuk, hogy szétaprózott. És mégis utazás. Az évek során megállapításaink és megértéseink egy ponton konvergáltak, jelezve számunkra, hogy ennek az irányító elméletnek léteznie kell.

Nem igaz?

Egyes tudósok, például Freeman Dyson elméleti fizikus, nem hiszik, hogy minden elmélete szükséges. A klasszikus világ és a kvantummechanika világa ugyanolyan különbözik egymástól, mint a múlt és a jelen. Ahol az egyik megmutathatja nekünk a kozmosz megjelenését és a Föld kialakulását, a másik statisztikai valószínűségeket ad nekünk a jövőben. Igen, nagyon különböznek egymástól, és ez rendben van. A kettő összeegyeztethetőségének szükségessége lehet a szépség iránti affinitása, amelyet e két jól működő elmélet vet fel. Az egyszerűség és az elegancia a cél; de ez a két szó nem vonatkozik az univerzumra. Valóban ez teszi kevésbé gyönyörűnek?