Problem "prekrasnog svemira" iz fizike

Zašto nismo riješili kvantnu gravitaciju

Prihvaćanje ideja poput teorije struna znači da moramo biti spremni prihvatiti dodatne dimenzije i sve čudnije svjetove. Umjetnost SGP-a

Ako ljepotu definiramo kao jednostavnost, tada je svemir daleko od prekrasnog. To je paradoksalno i zagonetno, iznenađuje nas zapažanjima za koja ne očekujemo da će uvijek vidjeti ili ponekad potvrditi ta očekivanja, ali dovode do sve većih misterija izvan njih. Postoji 26 neispravnih konstanti koje definiraju naš svijet, nedostatak bilo koje stvarne simetrije (imamo samo aproksimaciju simetrije) i dvije teorije za koje se čini da uspješno opisuju prirodu same stvarnosti. Neuredan, a ponekad i besmislen. To je zamršeni svijet matematičkih modela i eksperimenata koji često prkosi našem razumijevanju fizike. Ali krajnji cilj je prema ljepoti - to je postizanje jedinstvenog, jednostavnog skupa zakona koji će opisati svemir u kojem živimo. To nije za razliku od Maxwellovih jednadžbi koje su zajedno bile elegantan testament za samo svjetlo: sjedinjenje električne energije i magnetizma u nekoliko jednostavnih matematičkih linija.

Elektromagnetizam, poput gravitacije, jedna je od četiri sile svemira. Nakon uspjeha s relativnošću, Einstein je posljednjih nekoliko godina života proveo pokušavajući spojiti elektromagnetizam i gravitaciju, iako nije bio uspješan. Preostale dvije sile su jaka nuklearna i slaba nuklearna sila. Snažna nuklearna sila odgovorna je za ogromno oslobađanje energije tijekom detonacije atomske bombe; slaba nuklearna sila doživljava kao zračenje naknadno. Od četiri sile tri se mogu objasniti kvantnom mehanikom, a posljednja - gravitacija - objašnjava općom relativnošću.

Obje su teorije stale test vremena. Njihova su predviđanja točna, zapažena i izuzetno uspješna u razumijevanju prirode stvarnosti. Ali sličnosti se ne događaju dugo. Tamo gdje je opća relativnost izravna i predvidljiva, kvantna mehanika je kaotična i čudna. Proturječe jedna drugoj na tako temeljne načine da njihovo spajanje daje besmislene rezultate; događaji, na primjer, počinju imati beskonačnu količinu vjerojatnosti. Njih dvoje nisu toliko kompatibilni da se gravitacija uopće ne spominje u standardnom modelu fizike čestica. Čini se dopadljivo da je dobitnik Nobelove nagrade Niels Bohr, doprinositelj kvantne teorije i atomske strukture, želio svoje ideje održati odvojenima od ideja Einsteina. Einstein je zauzvrat imao burne odnose s kvantnom mehanikom.

Ali razlike nadilaze samo dvije sukobljene teorije.

Općenito relativnost - i 1980. opažanja binarnih pulsarnih sustava poput onog gore - gravitacija i svjetlost dijele istu brzinu. Može li to podrazumijevati vezu između to dvoje? Slika ESO / L. Calçada.

Gravitacija je najslabija od svih sila. Između dviju čestica, gravitaciona sila bit će 10 i 30 puta slabija od elektromagnetske sile između tih dviju čestica. Predmeti na skali planeta i zvijezda trebaju da imaju znacajan utjecaj na gravitaciju. Također nema pridružene čestice. W i Z bozoni odgovorni su za slabu nuklearnu silu, gluoni za jaku nuklearnu silu, a fotoni za elektromagnetizam. Gdje je čestica odgovorna za gravitaciju? Gdje je neprestani graviton?

Otkrivanje gravitona potvrdilo bi kvantnu gravitaciju. Pomoglo bi odgovoriti na najizazovnije pitanje u čitavoj fizici - teoriji svega.

Baš kao što foton predviđa elektromagnetizam, graviton je čestica koja se pretpostavlja da postoji kvantnom gravitacijom. Bilo bi masovno, električno neutralno i s mehaničkim okretanjem od 2. U stvari, to je jedina čestica koja može imati tačna svojstva. Za pionire kvantne gravitacije poput Matveija Bronsteina teoriziralo se da gravitioni postoje još u ranim 1900-ima. No, otkrivanje gravitona nije tako lako kao postavljanje eksperimenta na stolnoj površini. U kvantnom svijetu gravitacija je toliko slaba da čak i sa 100 godina višeg tehnološkog napretka postoji vrlo mala šansa za promatranje gravitacijskih efekata u eksperimentu fizike čestica. Da bismo imali razumnu šansu za otkrivanje gravitona, morali bismo napraviti aparat toliko masivan da bi se srušio u crnu rupu.

Postoji šansa, koliko god bila mala, da bismo mogli današnjim tehnologijama otkriti ove čestice. To bi ovisilo o dodatnim dimenzijama koje bi same po sebi bile malene i teško ih je detektirati. Znanstvenici su za traženje ovih novih dimenzija koristili Veliki hadronski sudarač i slične akceleratore čestica, ali su se dosad pojavili praznih ruku. Ova bi pretpostavka također objasnila zašto je gravitacija tako slaba. Kad bi se sila razrjeđivala u nekoliko različitih područja - ne samo u onima na koje smo navikli - to bi nam dalo mnogo manje snage u naše tri fizičke dimenzije.

Relativnost u subatomskim česticama znači da bi se elektron konačno spiralno kretao prema svojem protonu, jer je izgubio energiju putem gravitacijskih valova. Znamo, međutim, da se ne ponašaju elektroni.

Drugi pokus će pokušati ustanoviti može li se par mikro-dijamanata zaplesti koristeći gravitacijsku privlačnost. Zapletenost je pojava koja se događa na kvantnoj razini. To je veza između dvije čestice koja nadilazi udaljenost, omogućujući im da naizgled komuniciraju brže od brzine svjetlosti. Ako mikro-dijamanti mogu postići svoje stanje zapletenosti putem svoje gravitacijske privlačnosti, to bi bio jak pokazatelj da gravitacija ima kvantne učinke putem gravitona. No, drugi se znanstvenici ne slažu s ovom tvrdnjom, rekavši da iako bi rezultati bili zanimljivi za vidjeti, oni ne mogu ispričati cijelu priču o kvantnoj gravitaciji. A da i ne spominjem kako bi trebale proći godine da se uspostavi tako delikatan i skup eksperiment.

No, unatoč tome kako nas gravitoni mogu izbjeći, gravitacija mora imati kvantno objašnjenje. Bez njega naš je opis subatomskog svijeta nepotpun. Kvantna teorija polja može uzeti u obzir posebnu relativnost i prostor-vrijeme, ali tek treba uključiti manipuliranje prostorom kako je opisano u općoj relativnosti.

Tu se pojavljuju koncepti poput teorije superstringa. Ova teorija posebno podsjeća na naš svemir više nego bilo koja druga teorija koja sadrži gravitaciju. Kaže da su sve čestice i sile u našem svemiru izvedene iz vibracije struna. Nizovi su osnovni građevni blokovi čitavog života i neobjašnjivo su mali, ali glavni problem teorije struna je što nam ne daje testirajuća predviđanja. Ako se teorija ne može testirati i promatrati, ona nikada neće biti prihvaćena u znanstvenoj zajednici. Ali teorija se pokazala korisnom u testiranju konzistentnosti ideja u matematičkom kontekstu s obzirom da je to, na kraju krajeva, matematička struktura.

Slično teoriji struna i gravitona, kvantna gravitacija petlje daje dimenzije koje su premalene za otkrivanje u eksperimentima fizike čestica. Teorija se temelji na diskretnoj matematici i ograničava prostor i vrijeme nakon čega više nisu djeljiva (ta granica je 10 ⁷⁰ metara² u prostoru i 10 ⁴³ sekundi za vrijeme). Ova područja još uvijek se mogu izobličiti masom i energijom, ali njihova konačna veličina ostaje ista. Najzanimljivije od svega je to što ćemo možda moći primijetiti određene učinke gravitacije kvantne petlje u astronomskim objektima. Isparavanje crnih rupa, kozmičko zračenje u pozadini i pragovi gama zraka možda su ključni za testiranje ove teorije.

Kao posljedica teorije kvantne petlje, svjetlost različitih boja kretat će se različitim brzinama kroz prostor, a svjetlost dužih valnih duljina (crvena, narančasta, žuta) putuje sporije od njihovih kolega s kraćom valnom duljinom (zelena, plava, ljubičasta). No studije o svijetlim gama eksplozijama do sada su pokazale sve boje svjetlosti koje putuju istom brzinom.

Najmisteriozniji aspekti našeg svemira - monstruozne neobičnosti i trenutak prije Velikog praska - zaogrnuti su ne samo velikim daljinama i davnim vremenima, već i prkosom našim najboljim teorijama fizike. Oni uzimaju ove ideje i razaraju ih na dijelove, ostavljajući nam razumijevanje ovog svijeta, ali onoga za koji znamo da je fragmentiran. A ipak je to i putovanje. Tijekom godina naša se otkrića i naša razumijevanja konvergiraju u jednom trenutku, što nam je značilo da ova teorija upravljanja mora postojati.

Ne mora?

Neki znanstvenici, poput teorijskog fizičara Freemana Dysona, ne vjeruju da je teorija svega nužna. Klasični svijet i svijet kvantne mehanike jednako su različiti kao prošlost i sadašnjost. Tamo gdje nam jedan može pokazati pojavu kosmosa i stvaranje Zemlje, drugi nam daje statističke vjerojatnosti budućnosti. Da, vrlo su različiti i to je u redu. Potreba da se to dvoje pomiri možda je naš afinitet za ljepotu nametnut te dvije dobro funkcionirajuće teorije. Jednostavnost i elegancija su cilj; ali te dvije riječi se možda ne odnose na svemir. Bi li to zaista učinilo manje lijepim?