Ο χωροχρόνος ίσως αναδύεται από μια πιο θεμελιώδη πραγματικότητα. Η κατανόηση του πώς ακριβώς συμβαίνει αυτό θα μπορούσε να ξεκλειδώσει τον πιο επιτακτικό στόχο της φυσικής: μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας.
Η Natalie Paquette περνά τον χρόνο της προσπαθώντας να σκεφτεί πώς μπορεί να αναπτυχθεί μια επιπλέον διάσταση. Ξεκινήστε με μικρούς κύκλους, διασκορπισμένους σε κάθε σημείο του χώρου και του χρόνου – μια συμπαγοποιημένη διάσταση, διπλωμένη στον εαυτό της. Στη συνέχεια, συρρικνώστε αυτούς τους κύκλους όλο και περισσότερο, σφίγγοντας τον βρόχο, μέχρι να συμβεί ένας περίεργος μετασχηματισμός: η διάσταση παύει να φαίνεται μικροσκοπική και αντίθετα γίνεται τεράστια, όπως όταν συνειδητοποιείτε ότι κάτι που δείχνει μικρό και κοντινό είναι στην πραγματικότητα τεράστιο και μακρινό. «Συρρικνώνουμε μια χωρική διάσταση», λέει η Paquette. «Αλλά όταν προσπαθούμε να την συρρικνώσουμε πέρα από ένα ορισμένο σημείο, αναδύεται στη θέση της μια νέα, τεράστια χωρική διάσταση».
Η Paquette είναι θεωρητική φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον και δεν είναι η μόνη που μελετά αυτό το παράξενο είδος διαστατικού μετασχηματισμού. Ένας αυξανόμενος αριθμός φυσικών, οι οποίοι εργάζονται σε διαφορετικούς τομείς του κλάδου με διαφορετικές προσεγγίσεις, συγκλίνουν όλο και περισσότερο σε μια βαθιά ιδέα: ο χώρος, και ίσως ακόμη και ο χρόνος, δεν είναι θεμελιώδης. Αντίθετα, ο χώρος και ο χρόνος ίσως είναι αναδυόμενοι: θα μπορούσαν να προκύπτουν από την δομή και την συμπεριφορά πιο βασικών συστατικών της φύσης. Στο βαθύτερο επίπεδο της πραγματικότητας, ερωτήματα όπως «Πού;» και «Πότε;» απλά μπορεί να μην έχουν καθόλου απαντήσεις. «Έχουμε πολλές ενδείξεις από τη φυσική ότι ο χωροχρόνος, όπως τον κατανοούμε, δεν είναι το θεμελιώδης», λέει η Paquette.
Αυτές οι ριζοσπαστικές αντιλήψεις προέρχονται από τις πιο πρόσφατες ανατροπές στο κυνήγι ενός αιώνα για μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας. Η καλύτερη θεωρία βαρύτητας των φυσικών είναι η γενική σχετικότητα, η περίφημη σύλληψη του Άλμπερτ Αϊνστάιν για το πώς η ύλη καμπυλώνει τον χωροχρόνο. Η καλύτερη θεωρία τους για όλα τα υπόλοιπα είναι η κβαντική φυσική, η οποία είναι εκπληκτικά ακριβής όσον αφορά τις ιδιότητες της ύλης, της ενέργειας και των υποατομικών σωματιδίων. Και οι δύο θεωρίες έχουν περάσει με χαρακτηριστική ευκολία όλα τα τεστ που μπόρεσαν να επινοήσουν οι φυσικοί τον περασμένο αιώνα. Θα μπορούσε να σκεφτεί κανείς πως αν τις συνδυάζαμε, θα αποκτούσαμε μια «θεωρία των πάντων».
Όμως οι δύο θεωρίες δεν συνδυάζονται καλά. Αν επιχειρήσετε να εφαρμόσετε την γενική σχετικότητα σε κβαντικά φαινόμενα, θα πάρετε αντιφατικές απαντήσεις, με ανεξέλεγκτους απειρισμούς να καταστρέφουν τους υπολογισμούς σας. Στην φύση η βαρύτητα λειτουργεί και σε κβαντικές συνθήκες, συνέβη στις πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης και εξακολουθεί να συμβαίνει στο εσωτερικό των μαύρων τρυπών – αλλά εμείς οι άνθρωποι ακόμα παλεύουμε να καταλάβουμε πώς ακριβώς γίνεται το κόλπο. Μέρος του προβλήματος έγκειται στον διαφορετικό τρόπο με τον οποίο οι δύο θεωρίες περιγράφουν τον χώρο και τον χρόνο. Ενώ η κβαντική φυσική θεωρεί τον χώρο και τον χρόνο αμετάβλητους, η γενική σχετικότητα τους καμπυλώνει με χαρακτηριστική ευκολία.
Με κάποιον τρόπο, μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας θα έπρεπε να συμβιβάσει αυτές τις έννοιες για τον χώρο και τον χρόνο. Ένας τρόπος για να επιτευχθεί αυτό θα ήταν να εξαλειφθεί το πρόβλημα στην πηγή του, δηλαδή στον ίδιο τον χωροχρόνο, θεωρώντας ότι ο χώρος και ο χρόνος αναδύονται από κάτι πιο θεμελιώδες. Τα τελευταία χρόνια, αρκετές διαφορετικές ερευνητικές προσπάθειες υποδεικνύουν ότι στο βαθύτερο επίπεδο της πραγματικότητας, ο χώρος και ο χρόνος δεν υπάρχουν με τον ίδιο τρόπο που υπάρχουν στον καθημερινό μας κόσμο. Την τελευταία δεκαετία, αυτές οι ιδέες έχουν αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο οι φυσικοί αντιμετωπίζουν τις μαύρες τρύπες. Τώρα οι ερευνητές χρησιμοποιούν αυτές τις έννοιες για να ρίξουν φως στη λειτουργία κάτι ακόμα πιο εξωτικού: των σκουληκότρυπων – υποθετικών συνδέσεων σαν σήραγγες μεταξύ απομακρυσμένων σημείων του χωροχρόνου. Αυτές οι επιτυχίες διατηρούν ζωντανή την ελπίδα για μια ακόμη βαθύτερη ανακάλυψη. Αν ο χωροχρόνος είναι αναδυόμενος, τότε η κατανόηση της προέλευσής του, και του πώς θα μπορούσε να προκύψει από κάτι άλλο, ίσως είναι το στοιχείο που λείπει για να ξεκλειδώσει επιτέλους η πόρτα προς μια θεωρία των πάντων.
Ο κόσμος σε ένα ντουέτο χορδών
Η πιο δημοφιλής υποψήφια θεωρία κβαντικής βαρύτητας μεταξύ των φυσικών είναι η θεωρία χορδών. Σύμφωνα με αυτή την ιδέα, οι χορδές αποτελούν τα θεμελιώδη συστατικά της ύλης και της ενέργειας, δημιουργώντας τα πολυάριθμα θεμελιώδη υποατομικά σωματίδια που παρατηρούνται στους επιταχυντές σε όλο τον κόσμο. Είναι υπεύθυνες ακόμη και για την βαρύτητα: ένα υποθετικό σωματίδιο που μεταφέρει τη βαρυτική δύναμη, το «βαρυτόνιο», αποτελεί αναπόφευκτη συνέπεια της θεωρίας.
Αλλά η θεωρία χορδών είναι δύσκολο να κατανοηθεί, «πατάει» σε μαθηματικό έδαφος που χρειάστηκε δεκαετίες για να εξερευνηθεί από φυσικούς και μαθηματικούς. Μεγάλο μέρος της δομής της θεωρίας παραμένει αχαρτογράφητο, οι «αποστολές» σχεδιάζονται ακόμη και χάρτες περιμένουν να δημιουργηθούν. Μέσα σε αυτό το νέο πεδίο, η κύρια τεχνική πλοήγησης είναι μέσω μαθηματικών δυαδικοτήτων, αντιστοιχιών δηλαδή μεταξύ ενός είδους συστήματος και ενός άλλου.
Ένα παράδειγμα είναι η δυαδικότητα που αναφέρθηκε στην αρχή αυτού του άρθρου, μεταξύ μικροσκοπικών και τεράστιων διαστάσεων. Προσπαθήστε να στριμώξετε μια διάσταση σε έναν μικρό χώρο, και η θεωρία χορδών σας λέει ότι θα καταλήξετε με κάτι μαθηματικά πανομοιότυπο με έναν κόσμο όπου αυτή η διάσταση είναι τεράστια. Οι δύο καταστάσεις είναι ισοδύναμες, σύμφωνα με τη θεωρία χορδών. Μπορείτε να περνάτε από τη μία περιγραφή στην άλλη και να χρησιμοποιείτε τεχνικές από την μία κατάσταση για να κατανοήσετε πώς λειτουργεί η άλλη. «Αν παρακολουθείτε προσεκτικά τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της θεωρίας», λέει η Paquette, «μπορείτε να διαπιστώσετε με φυσικό τρόπο ότι ορισμένες φορές… ίσως αναπτύξετε μια νέα χωρική διάσταση».
Μια παρόμοια δυαδικότητα υποδεικνύει σε πολλούς θεωρητικούς χορδών ότι ο ίδιος ο χώρος είναι αναδυόμενος. Η ιδέα ξεκίνησε το 1997, όταν ο Juan Maldacena, φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών, ανακάλυψε μια δυαδικότητα ανάμεσα σε ένα είδος επαρκώς κατανοητής κβαντικής θεωρίας γνωστής ως σύμμορφης θεωρίας πεδίου (CFT) και σε ένα ειδικό είδος χωροχρόνου της γενικής σχετικότητας, γνωστό ως χώρος anti-de Sitter (AdS). Οι δύο αυτές θεωρίες μοιάζουν εντελώς διαφορετικές, η CFT δεν περιλαμβάνει καθόλου βαρύτητα, ενώ ο χώρος AdS ενσωματώνει ολόκληρη την θεωρία βαρύτητας του Αϊνστάιν. Όμως, τα ίδια μαθηματικά μπορούν να περιγράψουν και τους δύο κόσμους. Όταν ανακαλύφθηκε, αυτή η αντιστοιχία AdS/CFT παρείχε έναν απτό μαθηματικό δεσμό ανάμεσα σε μια κβαντική θεωρία και ένα πλήρες σύμπαν που περιλαμβάνει βαρύτητα.
Περιέργως, ο χώρος AdS στην αντιστοιχία AdS/CFT είχε μία παραπάνω διάσταση από την κβαντική CFT. Αλλά οι φυσικοί ενθουσιάστηκαν με αυτή την αναντιστοιχία επειδή αποτελούσε ένα πλήρως επεξεργασμένο παράδειγμα ενός άλλου είδους αντιστοιχίας που είχε επινοηθεί λίγα χρόνια νωρίτερα από τους φυσικούς Gerard ‘t Hooft του Πανεπιστημίου της Ουτρέχτης και Leonard Susskind του Πανεπιστημίου Stanford, γνωστής 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 χώρου θα μπορούσαν να «κωδικοποιούνται» πλήρως στο όριό της. Με άλλα λόγια, η δισδιάστατη επιφάνεια μιας μαύρης τρύπας θα περιείχε όλες τις πληροφορίες που χρειάζονται για να γνωρίζουμε τι υπάρχει στο τρισδιάστατο εσωτερικό της, σαν ένα ολόγραμμα. «Νομίζω ότι πολλοί πίστευαν ότι ήμασταν τρελοί», λέει ο Susskind. «Δύο καλοί φυσικοί που ξέφυγαν».
Παρομοίως, στην αντιστοιχία AdS/CFT, η τετραδιάστατη CFT κωδικοποιεί τα πάντα για τον πενταδιάστατο χώρο AdS με τον οποίο συνδέεται. Σε αυτό το σύστημα, ολόκληρη η περιοχή του χωροχρόνου οικοδομείται από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των στοιχείων του κβαντικού συστήματος στη σύμμορφη θεωρία πεδίου. Ο Maldacena παρομοιάζει αυτή την διαδικασία με την ανάγνωση ενός μυθιστορήματος. «Αν αφηγείστε μια ιστορία σε ένα βιβλίο, υπάρχουν οι χαρακτήρες που κάνουν κάτι», λέει. «Αλλά το μόνο που υπάρχει είναι μια γραμμή κειμένου, σωστά; Το τι κάνουν οι χαρακτήρες συνάγεται από αυτή τη γραμμή. Οι χαρακτήρες του βιβλίου θα ήταν σαν την θεωρία του «όγκου» [AdS]. Και η γραμμή του κειμένου είναι η [CFT]».
Αλλά από πού προέρχεται ο χώρος στον χώρο AdS; Αν αυτός ο χώρος είναι αναδυόμενος, από τι αναδύεται; Η απάντηση είναι ένα ειδικό και παράξενα κβαντικό είδος αλληλεπίδρασης στην CFT: η κβαντική σύμπλεξη, μια σύνδεση μεγάλων αποστάσεων μεταξύ αντικειμένων, που συσχετίζει ακαριαία τη συμπεριφορά τους με στατιστικά απίθανους τρόπους. Η σύμπλεξη προβλημάτισε πάρα πολύ τον Αϊνστάιν, ο οποίος την αποκάλεσε «στοιχειωμένη δράση από απόσταση».
Θα μάθουμε ποτέ την πραγματική φύση του χώρου και του χρόνου;
Ωστόσο, παρά την αλλόκοτη φύση της, η σύμπλεξη είναι ένα βασικό χαρακτηριστικό της κβαντικής φυσικής. Όταν δύο οποιαδήποτε αντικείμενα αλληλεπιδρούν στην κβαντομηχανική, γενικά συν-πλέκονται και θα παραμείνουν έτσι όσο διατηρούνται απομονωμένα από τον υπόλοιπο κόσμο, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά μπορεί να ταξιδέψουν το ένα από το άλλο. Σε πειράματα, οι φυσικοί έχουν διατηρήσει την κβαντική σύμπλεξη μεταξύ σωματιδίων που απέχουν περισσότερο από 1000 χιλιόμετρα μεταξύ τους, ακόμη και μεταξύ σωματιδίων στο έδαφος και άλλων που στάλθηκαν σε δορυφόρους σε τροχιά. Καταρχήν, δύο συν-πλεγμένα σωματίδια θα μπορούσαν να διατηρήσουν τη σύνδεσή τους σε αντίθετες πλευρές του γαλαξία ή του σύμπαντος. Η απόσταση απλώς δεν φαίνεται να έχει σημασία για την σύμπλεξη, ένας γρίφος που ταλαιπωρεί πολλούς φυσικούς εδώ και δεκαετίες.
Αλλά αν ο χώρος είναι αναδυόμενος, η ικανότητα της σύμπλεξης να διατηρείται σε μεγάλες αποστάσεις ίσως και να μην είναι τόσο μυστηριώδης. Σε τελική ανάλυση, η απόσταση είναι ένα κατασκεύασμα. Σύμφωνα με μελέτες της αντιστοιχίας AdS/CFT από τους φυσικούς Shinsei Ryu του Πανεπιστημίου Princeton και Tadashi Takayanagi του Πανεπιστημίου του Κιότο, η σύμπλεξη είναι αυτή που εξ αρχής δημιουργεί αποστάσεις στον χώρο AdS. Δύο οποιεσδήποτε κοντινές περιοχές του χώρου στην πλευρά του AdS αντιστοιχούν σε δύο εξαιρετικά συν-πλεγμένα κβαντικά στοιχεία της CFT. Όσο πιο στενή είναι η σύμπλεξή τους, τόσο πιο κοντά βρίσκονται οι περιοχές του χώρου.
Τα τελευταία χρόνια, οι φυσικοί έχουν αρχίσει να υποψιάζονται ότι αυτή η σχέση ίσως ισχύει και για το δικό μας σύμπαν. «Τι είναι αυτό που συγκρατεί τον χώρο και τον εμποδίζει να διαλυθεί σε ξεχωριστές υποπεριοχές; Η απάντηση είναι η σύμπλεξη μεταξύ δύο τμημάτων του χώρου», λέει ο Susskind. «Η συνέχεια και η συνδεσιμότητα του χώρου οφείλουν την ύπαρξή τους στην κβαντομηχανική σύμπλεξη». Η σύμπλεξη, επομένως, ίσως αποτελεί το θεμέλιο της δομής του ίδιου του χώρου, σχηματίζοντας τον ιστό που γεννά τη γεωμετρία του κόσμου. «Αν μπορούσατε με κάποιον τρόπο να καταστρέψετε την σύμπλεξη μεταξύ δύο τμημάτων [του χώρου], ο χώρος θα διαλυόταν», λέει ο Susskind. «Θα έκανε το αντίθετο από το να αναδύεται. Θα κατέρρεε ως αναδυόμενη δομή».
Χώρος για σκέψη
Αν ο χώρος είναι φτιαγμένος από κβαντική σύμπλεξη, τότε ο γρίφος της κβαντικής βαρύτητας μοιάζει πολύ πιο εύκολο να λυθεί: αντί να προσπαθούμε να εξηγήσουμε την καμπύλωση του χώρου με κβαντικό τρόπο, ο ίδιος ο χώρος αναδύεται από ένα θεμελιωδώς κβαντικό φαινόμενο. Ο Susskind υποπτεύεται ότι αυτός είναι ο λόγος που μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας ήταν τόσο δύσκολο να βρεθεί εξ αρχής. «Νομίζω ότι ο λόγος που δεν λειτούργησε ποτέ πολύ καλά είναι επειδή ξεκίνησε με την εικόνα δύο διαφορετικών πραγμάτων, της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής, και προσπάθησε να τα συνενώσει», λέει. «Και πιστεύω πως η ουσία είναι ότι σχετίζονται πολύ στενά για να τα διαχωρίσουμε και μετά να τα συνδέσουμε ξανά. Δεν υπάρχει βαρύτητα χωρίς κβαντομηχανική».
Ωστόσο, η εξήγηση του αναδυόμενου χώρου είναι μόνο η μισή δουλειά. Με τον χώρο και τον χρόνο τόσο στενά συνδεδεμένους στην σχετικότητα, οποιαδήποτε περιγραφή της ανάδυσης του χώρου πρέπει επίσης να εξηγεί και τον χρόνο. «Ο χρόνος πρέπει επίσης να αναδύεται με κάποιον τρόπο», λέει ο Mark van Raamsdonk, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας και πρωτοπόρος στη σύνδεση μεταξύ σύμπλεξης και χωροχρόνου. «Αλλά αυτό δεν είναι καλά κατανοητό και αποτελεί ενεργό πεδίο έρευνας».
Ένας άλλος ενεργός τομέας, λέει, είναι η χρήση μοντέλων αναδυόμενου χωροχρόνου για την κατανόηση των σκουληκότρυπων. Παλαιότερα, πολλοί φυσικοί πίστευαν ότι η αποστολή αντικειμένων μέσα από μια σκουληκότρυπα ήταν αδύνατη, ακόμη και θεωρητικά. Όμως, τα τελευταία χρόνια, οι φυσικοί που εργάζονται στην αντιστοιχία AdS/CFT και σε παρόμοια μοντέλα έχουν βρει νέους τρόπους για να κατασκευάζουν σκουληκότρυπες. «Δεν ξέρουμε αν θα μπορούσαμε να το κάνουμε αυτό στο δικό μας σύμπαν», λέει ο van Raamsdonk. «Αλλά αυτό που ξέρουμε τώρα είναι ότι ορισμένα είδη διαπερατών σκουληκότρυπων είναι θεωρητικά πιθανά». Δύο δημοσιεύσεις, μία το 2016 και μία το 2018, οδήγησαν σε πολύ περισσότερες εργασίες σ’ αυτόν τον τομέα. Όμως, ακόμη κι αν μπορούσαν να κατασκευαστούν διαπερατές σκουληκότρυπες, δεν θα ήταν ιδιαίτερα χρήσιμες για διαστημικά ταξίδια. Όπως επισημαίνει ο Susskind, «δεν μπορείς να διασχίσεις αυτή τη σκουληκότρυπα πιο γρήγορα από ό,τι θα χρειαζόταν το φως για να διανύσει την πιο μακρινή διαδρομή απ’ έξω».
Αν οι θεωρητικοί χορδών έχουν δίκιο, τότε ο χώρος χτίζεται από κβαντική σύμπλεξη, και ίσως το ίδιο συμβαίνει και με τον χρόνο. Τι θα σήμαινε όμως αυτό στην πραγματικότητα; Πώς γίνεται ο χώρος να «φτιάχνεται» από σύμπλεξη μεταξύ αντικειμένων εκτός κι αν αυτά τα αντικείμενα βρίσκονται ήδη κάπου; Πώς μπορούν αυτά τα αντικείμενα να συν-πλέκονται αν δεν βιώνουν τον χρόνο και την αλλαγή; Και τι είδους ύπαρξη θα μπορούσαν να έχουν τα πράγματα χωρίς να κατοικούν σε έναν αληθινό χώρο και χρόνο;
Αυτά είναι ερωτήματα που αγγίζουν τα όρια της φιλοσοφίας, και πράγματι, οι φιλόσοφοι της φυσικής τα λαμβάνουν σοβαρά υπόψη. «Πώς στο καλό θα μπορούσε ο χωροχρόνος να είναι το είδος του πράγματος που αναδύεται;» αναρωτιέται η Eleanor Knox, φιλόσοφος της φυσικής στο King’s College του Λονδίνου. Διαισθητικά, λέει, αυτό φαίνεται αδύνατο. Όμως η Knox δεν θεωρεί ότι αυτό αποτελεί πρόβλημα. «Η διαίσθησή μας είναι μερικές φορές κάκιστη», αναφέρει. «Εξελίχθηκε στην αφρικανική σαβάνα αλληλεπιδρώντας με μακροσκοπικά αντικείμενα, μακροσκοπικά ρευστά και βιολογικούς οργανισμούς» και τείνει να μην μπορεί να μεταφερθεί στον κόσμο της κβαντομηχανικής. Όταν μιλάμε για την κβαντική βαρύτητα, το «“Πού βρίσκεται η ύλη;” και το “Πού υπάρχει;” δεν είναι τα σωστά ερωτήματα», καταλήγει η Knox.
Είναι βεβαίως αλήθεια ότι στην καθημερινή ζωή τα αντικείμενα βρίσκονται σε συγκεκριμένα μέρη. Αλλά, όπως επισημαίνουν η Knox και πολλοί άλλοι, αυτό δεν σημαίνει ότι ο χώρος και ο χρόνος πρέπει να είναι θεμελιώδεις, αλλά απλώς ότι πρέπει να αναδύονται με αξιόπιστο τρόπο από ότι είναι θεμελιώδες. Αναλογιστείτε ένα υγρό, λέει ο Christian Wüthrich, φιλόσοφος της φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης. «Σε τελική ανάλυση αποτελείται από στοιχειώδη σωματίδια, όπως ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια ή, σε ακόμη πιο θεμελιώδες επίπεδο, κουάρκ και λεπτόνια. Έχουν τα κουάρκ και τα λεπτόνια τις ιδιότητες των υγρών; Αυτό απλά δεν βγάζει νόημα, σωστά;… Παρόλα αυτά, όταν αυτά τα θεμελιώδη σωματίδια συγκεντρωθούν σε επαρκείς αριθμούς και επιδείξουν συλλογικά μια συγκεκριμένη συμπεριφορά, τότε θα δράσουν με τρόπο που μοιάζει με υγρό».
Ο χώρος και ο χρόνος, αναφέρει ο Wüthrich, θα μπορούσαν να λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο στην θεωρία χορδών και σε άλλες θεωρίες κβαντικής βαρύτητας. Πιο συγκεκριμένα, ο χωροχρόνος ίσως αναδύεται από τα φυσικά συστατικά που συνήθως θεωρούμε ότι αποτελούν το σύμπαν, δηλαδή από την ίδια την ύλη και την ενέργεια. «Δεν πρόκειται για την περίπτωση όπου πρώτα έχουμε χώρο και χρόνο και μετά προσθέτουμε λίγη ύλη», λέει ο Wüthrich. «Μάλλον κάτι υλικό ίσως αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για να υπάρχει χώρος και χρόνος. Αυτή παραμένει μια πολύ στενή σύνδεση, απλώς είναι ακριβώς αντίστροφη από αυτό που ίσως σκεφτόσασταν αρχικά».
Υπάρχουν όμως και άλλοι τρόποι ερμηνείας των τελευταίων ευρημάτων. Η αντιστοιχία AdS/CFT θεωρείται συχνά ως ένα παράδειγμα του πώς ο χωροχρόνος μπορεί να αναδυθεί από ένα κβαντικό σύστημα, όμως, ίσως τελικά δεν αποδεικνύει κάτι τέτοιο, σύμφωνα με την Alyssa Ney, φιλόσοφο της φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Davis. «Η αντιστοιχία AdS/CFT σας δίνει την δυνατότητα να έχετε ένα “λεξικό μετάφρασης” ανάμεσα σε δεδομένα για τον χωροχρόνο και δεδομένα της κβαντικής θεωρίας», λέει η Ney. «Αυτό είναι συμβατό με τον ισχυρισμό ότι ο χωροχρόνος είναι αναδυόμενος και ότι κάποια κβαντική θεωρία είναι θεμελιώδης». Αλλά ισχύει και το αντίστροφο, υποστηρίζει. Η αντιστοιχία θα μπορούσε να σημαίνει ότι η κβαντική θεωρία είναι αναδυόμενη και ο χωροχρόνος θεμελιώδης, ή ότι κανένα από τα δύο δεν είναι θεμελιώδες και ότι υπάρχει κάποια ακόμη βαθύτερη θεμελιώδης θεωρία. Η «ανάδυση» είναι μια ισχυρή αξίωση, λέει η Ney, και είναι ανοιχτή στο ενδεχόμενο να αληθεύει. «Αλλά τουλάχιστον, κοιτάζοντας μόνο την αντιστοιχία AdS/CFT, εξακολουθώ να μη βλέπω ένα ξεκάθαρο επιχείρημα υπέρ της ανάδυσης».
Μια αναμφισβήτητα μεγαλύτερη πρόκληση για την εικόνα της θεωρίας χορδών όσον αφορά τον αναδυόμενο χωροχρόνο βρίσκεται κρυμμένη σε κοινή θέα, μέσα στο ίδιο το όνομα της αντιστοιχίας AdS/CFT. «Δεν ζούμε σε χώρο anti-de Sitter», τονίζει ο Susskind. «Ζούμε σε κάτι πολύ πιο κοντά στον χώρο de Sitter». Ο χώρος de Sitter περιγράφει ένα επιταχυνόμενο και διαστελλόμενο σύμπαν σαν το δικό μας. «Δεν έχουμε την παραμικρή ιδέα για το πώς εφαρμόζεται η ολογραφική αρχή εκεί», καταλήγει ο Susskind. Το να καταλάβουμε πώς να δημιουργήσουμε αυτού του είδους την αντιστοιχία για έναν χώρο που μοιάζει περισσότερο με το πραγματικό σύμπαν είναι ένα από τα πιο πιεστικά προβλήματα για τους θεωρητικούς χορδών. «Πιστεύω ότι θα καταφέρουμε να κατανοήσουμε καλύτερα πώς να προσεγγίσουμε μια κοσμολογική εκδοχή αυτού», αναφέρει ο van Raamsdonk.
Τέλος, υπάρχουν τα νέα – ή μάλλον η έλλειψή τους- από τους πιο πρόσφατους επιταχυντές σωματιδίων, οι οποίοι δεν έχουν βρει κανένα στοιχείο για τα επιπλέον σωματίδια που προβλέπονται από την υπερσυμμετρία, μια ιδέα στην οποία βασίζεται η θεωρία χορδών. Η υπερσυμμετρία υπαγορεύει ότι όλα τα γνωστά σωματίδια θα έχουν τους δικούς τους «υπερ-συντρόφους», διπλασιάζοντας τον αριθμό των θεμελιωδών σωματιδίων. Όμως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο CERN, ο οποίος σχεδιάστηκε εν μέρει για την αναζήτηση τέτοιων σωματιδίων, δεν έχει εντοπίσει κανένα ίχνος τους. «Όλες οι πραγματικά ακριβείς εκδοχές του αναδυόμενου χωροχρόνου που διαθέτουμε βασίζονται σε υπερσυμμετρικές θεωρίες», εξηγεί ο Susskind. «Αν δεν υπάρχει υπερσυμμετρία, η ικανότητα να ακολουθήσουμε μαθηματικά τις εξισώσεις απλώς εξατμίζεται από τα χέρια μας».
Άτομα χωροχρόνου
Η θεωρία χορδών δεν είναι η μόνη ιδέα που δείχνει ότι ο χωροχρόνος είναι αναδυόμενος. Η θεωρία χορδών «απέτυχε να εκπληρώσει την υπόσχεσή της ως τρόπος ενοποίησης της βαρύτητας και της κβαντικής μηχανικής», επισημαίνει ο Abhay Ashtekar, φυσικός στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνιας. «Η δύναμη της θεωρίας χορδών πλέον έγκειται στην παροχή ενός εξαιρετικά πλούσιου συνόλου εργαλείων, τα οποία έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε όλο το φάσμα της φυσικής». Ο Ashtekar είναι ένας από τους αρχικούς πρωτοπόρους της πιο δημοφιλούς εναλλακτικής στη θεωρία χορδών, γνωστής ως κβαντική βαρύτητα βρόχων. Στην κβαντική βαρύτητα βρόχων, ο χώρος και ο χρόνος δεν είναι ομαλοί και συνεχείς όπως στη γενική σχετικότητα – αντίθετα αποτελούνται από διακριτά συστατικά, τα οποία ο Ashtekar ονομάζει «κομμάτια ή άτομα χωροχρόνου».
Αυτά τα άτομα του χωροχρόνου συνδέονται σε ένα δίκτυο, με μονοδιάστατες και δισδιάστατες επιφάνειες που τα ενώνουν σε αυτό που οι ερευνητές της κβαντικής βαρύτητας βρόχων αποκαλούν «αφρό σπιν» (spin foam). Και παρόλο που αυτός ο αφρός περιορίζεται σε δύο διαστάσεις, γεννά τον τετραδιάστατο κόσμο μας, με τρεις διαστάσεις χώρου και μία χρόνου. Ο Ashtekar το παρομοιάζει με ένα ρούχο. «Αν κοιτάξετε το πουκάμισό σας, μοιάζει με μια δισδιάστατη επιφάνεια», αναφέρει. «Αν πάρετε έναν μεγεθυντικό φακό, θα δείτε αμέσως ότι πρόκειται για μονοδιάστατες κλωστές. Απλώς αυτές οι κλωστές είναι τόσο πυκνά πλεγμένες που, για όλους τους πρακτικούς σκοπούς, μπορείτε να θεωρήσετε το πουκάμισο ως δισδιάστατη επιφάνεια. Έτσι και ο χώρος γύρω μας μοιάζει με ένα τρισδιάστατο συνεχές. Αλλά στην πραγματικότητα υπάρχει ένα πλέγμα από αυτά τα άτομα του χωροχρόνου».
Αν και η θεωρία χορδών και η κβαντική βαρύτητα βρόχων προτείνουν και οι δύο ότι ο χωροχρόνος είναι αναδυόμενος, το είδος της ανάδυσης διαφέρει στις δύο θεωρίες. Η θεωρία χορδών προτείνει ότι ο χωροχρόνος (ή τουλάχιστον ο χώρος) αναδύεται από την συμπεριφορά ενός φαινομενικά άσχετου συστήματος, με τη μορφή σύμπλεξης. Σκεφτείτε πώς τα μποτιλιαρίσματα προκύπτουν από τις συλλογικές αποφάσεις μεμονωμένων οδηγών. Τα αυτοκίνητα δεν είναι φτιαγμένα από κίνηση, τα αυτοκίνητα δημιουργούν την κίνηση. Στην κβαντική βαρύτητα βρόχων, από την άλλη πλευρά, η εμφάνιση του χωροχρόνου μοιάζει περισσότερο με έναν αμμόλοφο που σχηματίζεται από τη συλλογική κίνηση των κόκκων άμμου στον άνεμο. Ο ομαλός, οικείος χωροχρόνος προέρχεται από τη συλλογική συμπεριφορά μικροσκοπικών «κόκκων» χωροχρόνου. Όπως και στους αμμόλοφους, οι κόκκοι εξακολουθούν να είναι άμμος, παρόλο που οι μεμονωμένοι κρυσταλλικοί κόκκοι δεν μοιάζουν ούτε συμπεριφέρονται σαν τους κυματοειδείς αμμόλοφους.
Παρά αυτές τις διαφορές, τόσο η κβαντική βαρύτητα βρόχων όσο και η θεωρία χορδών δείχνουν ότι ο χωροχρόνος αναδύεται από κάποια υποκείμενη πραγματικότητα. Ούτε είναι οι μόνες προτεινόμενες θεωρίες κβαντικής βαρύτητας που δείχνουν προς αυτή την κατεύθυνση. Η θεωρία αιτιακών συνόλων, ένας ακόμη υποψήφιος για θεωρία κβαντικής βαρύτητας, υποστηρίζει επίσης ότι ο χώρος και ο χρόνος αποτελούνται από πιο θεμελιώδη συστατικά. «Είναι πραγματικά εντυπωσιακό το γεγονός ότι για τις περισσότερες από τις εύλογες θεωρίες κβαντικής βαρύτητας που διαθέτουμε, κατά κάποιο τρόπο το μήνυμά τους είναι: “ναι, ο χωροχρόνος της γενικής σχετικότητας δεν υπάρχει σε θεμελιώδες επίπεδο”», λέει η Knox. «Ο κόσμος ενθουσιάζεται πολύ όταν διαφορετικές θεωρίες κβαντικής βαρύτητας συμφωνούν τουλάχιστον σε κάτι».
Ο χώρος στην άκρη του χρόνου
Η σύγχρονη φυσική είναι θύμα της δικής της επιτυχίας. Επειδή η κβαντική φυσική και η γενική σχετικότητα είναι και οι δύο τόσο εκπληκτικά ακριβείς, η κβαντική βαρύτητα απαιτείται μόνο για να περιγράψει ακραίες καταστάσεις, όταν τεράστιες μάζες συμπιέζονται σε ασύλληπτα μικρούς χώρους. Τέτοιες συνθήκες υπάρχουν μόνο σε ελάχιστα μέρη στη φύση, όπως το κέντρο μιας μαύρης τρύπας, και σίγουρα όχι στα εργαστήρια φυσικής, ούτε καν στα μεγαλύτερα και ισχυρότερα από αυτά. Θα χρειαζόταν ένας επιταχυντής σωματιδίων στο μέγεθος ενός γαλαξία για να ελεγχθεί άμεσα η συμπεριφορά της φύσης σε συνθήκες όπου κυριαρχεί η κβαντική βαρύτητα. Αυτή η έλλειψη άμεσων πειραματικών δεδομένων ευθύνεται σε μεγάλο βαθμό για το γεγονός ότι η αναζήτηση των επιστημόνων για μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας διαρκεί τόσο πολύ.
Αντιμέτωποι με την έλλειψη στοιχείων, οι περισσότεροι φυσικοί έχουν εναποθέσει τις ελπίδες τους στον ουρανό. Στις πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης, ολόκληρο το σύμπαν ήταν εξαιρετικά μικρό και πυκνό, μια κατάσταση που απαιτεί την κβαντική βαρύτητα για να περιγραφεί. Και μπορεί η ηχώ εκείνης της εποχής να παραμένει στον ουρανό σήμερα. «Νομίζω ότι το καλύτερο στοίχημά μας για τον έλεγχο της κβαντικής βαρύτητας είναι διαμέσου της κοσμολογίας», λέει ο Maldacena. «Ίσως κάτι στην κοσμολογία που τώρα θεωρούμε απρόβλεπτο, να μπορεί ενδεχομένως να προβλεφθεί μόλις κατανοήσουμε την πλήρη θεωρία, ή ίσως προκύψει κάτι εντελώς νέο που δεν είχαμε καν σκεφτεί».
Ωστόσο, τα εργαστηριακά πειράματα μπορεί να φανούν χρήσιμα για τον έλεγχο της θεωρίας χορδών, έστω και έμμεσα. Οι επιστήμονες ελπίζουν να μελετήσουν την αντιστοιχία AdS/CFT όχι ανιχνεύοντας τον χωροχρόνο, αλλά κατασκευάζοντας εξαιρετικά συμπλεγμένα συστήματα ατόμων και παρατηρώντας αν στη συμπεριφορά τους εμφανίζεται ένα ανάλογο του χωροχρόνου και της βαρύτητας. Τέτοια πειράματα ίσως «έχουν κάποια χαρακτηριστικά βαρύτητας, αν και πιθανότατα όχι όλα», λέει ο Maldacena. «Εξαρτάται επίσης από το τι ακριβώς αποκαλεί κανείς βαρύτητα».
Θα μάθουμε ποτέ την πραγματική φύση του χώρου και του χρόνου; Τα δεδομένα παρατήρησης από το διάστημα ίσως να μην είναι διαθέσιμα στο άμεσο μέλλον. Τα εργαστηριακά πειράματα ίσως αποτύχουν. Και όπως γνωρίζουν καλά οι φιλόσοφοι, τα ερωτήματα σχετικά με την αληθινή φύση του χώρου και του χρόνου είναι πράγματι πολύ παλιά. Αυτό που υπάρχει «είναι τώρα, όλο μαζί, ένα και συνεχές», έλεγε ο φιλόσοφος Παρμενίδης πριν από 2.500 χρόνια. «Όλα είναι γεμάτα από αυτό που υπάρχει». Ο Παρμενίδης επέμενε ότι ο χρόνος και η αλλαγή ήταν ψευδαισθήσεις, ότι όλα παντού ήταν ένα και το αυτό. Ο μαθητής του Ζήνων δημιούργησε διάσημα παράδοξα για να αποδείξει την άποψη του δασκάλου του, προσπαθώντας να δείξει ότι η κίνηση σε οποιαδήποτε απόσταση ήταν αδύνατη. Το έργο τους έθεσε το ερώτημα αν ο χρόνος και ο χώρος είναι κατά κάποιο τρόπο απατηλοί, μια ανησυχητική προοπτική που στοιχειώνει τη δυτική φιλοσοφία για πάνω από δύο χιλιετίες.
«Το γεγονός ότι οι αρχαίοι Έλληνες αναρωτιόντουσαν “Τι είναι ο χώρος;”, “Τι είναι ο χρόνος;”, “Τι είναι η αλλαγή;” και ότι εμείς εξακολουθούμε να θέτουμε παραλλαγές αυτών των ερωτημάτων σήμερα, σημαίνει ότι ήταν τα σωστά ερωτήματα», τονίζει ο Wüthrich. «Σκεπτόμενοι τέτοιου είδους ζητήματα, έχουμε μάθει πάρα πολλά για την Φυσική».
by Adam Becker , «What Is Spacetime Really Made Of?» – https://www.scientificamerican.com/article/what-is-spacetime-really-made-of/
Κατηγορίες:ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ, ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ, ΣΥΜΠΑΝ, ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑ, ΦΙΛΟΣΟΦΙΑ, ΦΥΣΙΚΗ
physicsgg 
Σχολιάστε