Στον πυρήνα της πραγματικότητας: Η αναζήτηση της κβαντικής βαρύτητας και τα όρια του χωροχρόνου

Δύο από τα μεγαλύτερα μυστήρια της σύγχρονης Φυσικής, η αρχή του Σύμπαντος και το εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας, αποτελούν τα τυφλά σημεία της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Einstein. Αν και η θεωρία αυτή εξηγεί άψογα πώς η βαρύτητα λειτουργεί σε μεγάλες κλίμακες, αποτυγχάνει να δώσει απαντήσεις όταν η καμπυλότητα του χωροχρόνου γίνεται άπειρη. Εκεί εμφανίζονται οι λεγόμενες «ιδιομορφίες» ή singularities, μαθηματικές ανωμαλίες όπου η Φυσική παύει να έχει νόημα.

Οι Φυσικοί εδώ και δεκαετίες υποψιάζονται ότι οι ιδιομορφίες αυτές δεν είναι πραγματικές, αλλά αποτελούν ενδείξεις πως η θεωρία του Einstein δεν είναι πλήρης. Πίσω από το φαινόμενο κρύβεται η ανάγκη για μια βαθύτερη, ενιαία θεωρία που να συνδυάζει τη σχετικότητα με την κβαντομηχανική: μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας.

Η πρώτη σοβαρή ένδειξη για την ύπαρξη ιδιομορφιών ήρθε το 1916 με τη λύση Schwarzschild, μια μαθηματική περιγραφή μιας μαύρης τρύπας. Δείχνει πως αν η ύλη συγκεντρωθεί αρκετά, η καμπυλότητα του χωροχρόνου γίνεται άπειρη, δημιουργώντας μια περιοχή από την οποία τίποτα – ούτε το φως – δεν μπορεί να διαφύγει. Όμως εκεί, οι εξισώσεις της σχετικότητας «σπάνε».

Το 1965, ο Roger Penrose απέδειξε ότι τέτοιες ιδιομορφίες δεν χρειάζονται τέλεια συμμετρία για να σχηματιστούν. Με μόλις δύο λογικές παραδοχές – πως η βαρύτητα είναι ελκτική και ότι υπάρχει μια επιφάνεια παγίδευσης φωτός – έδειξε ότι η πορεία ενός φωτονίου μπορεί να καταλήξει αναπόφευκτα σε ένα σημείο χωρίς μέλλον: μια ιδιομορφία.

Ο μαθηματικός του συλλογισμός επηρέασε βαθιά την κατανόησή μας για το Σύμπαν και ενέπνευσε τον Stephen Hawking να εφαρμόσει την ίδια λογική στην αρχή του Σύμπαντος. Έτσι, γεννήθηκε η ιδέα ότι και το Big Bang δεν ήταν απλώς μια αρχή, αλλά ένα είδος κοσμικής ιδιομορφίας.

Οι Φυσικοί θεωρούν ευρέως πως μια πιο θεμελιώδης θεωρία, βασισμένη στην κβαντομηχανική, θα μπορούσε να εξαλείψει τις ιδιομορφίες. Η κλασική σχετικότητα βλέπει τον χωροχρόνο ως μια λεία, συνεχόμενη επιφάνεια. Αντίθετα, η κβαντική φυσική επιτρέπει υπερθέσεις, δηλαδή καταστάσεις όπου τα πράγματα βρίσκονται ταυτόχρονα σε πολλαπλές θέσεις. Αν τα σωματίδια μπορούν να βρίσκονται ταυτόχρονα σε δύο μέρη, τότε και ο χωροχρόνος που αυτά καμπυλώνουν πρέπει να μπορεί να είναι σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα.

Το πρόβλημα είναι πως κανείς δεν έχει καταφέρει ακόμη να περιγράψει επαρκώς πώς ο χωροχρόνος συμπεριφέρεται σε τέτοιες κβαντικές συνθήκες.

Ορισμένοι θεωρητικοί παρομοιάζουν την αναζήτηση της κβαντικής βαρύτητας με το ξεφλούδισμα ενός κρεμμυδιού. Η εξωτερική φλούδα είναι η κλασική σχετικότητα. Όσο προχωράς προς το εσωτερικό, πλησιάζεις σε πιο ρεαλιστικές περιγραφές του Σύμπαντος, που ενσωματώνουν κβαντικά φαινόμενα.

Ο Aron Wall, το 2010, προχώρησε βαθύτερα από τον Penrose, συνδυάζοντας στοιχεία κβαντικής θεωρίας και θερμοδυναμικής. Επανεξέτασε την έννοια της παγιδευμένης επιφάνειας, ενσωματώνοντας και την κβαντική εντροπία της περιοχής γύρω από μια μαύρη τρύπα. Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό: ακόμα και όταν λαμβάνεται υπόψη η κβαντική φύση της ύλης, οι ιδιομορφίες παραμένουν.

Το 2024, ο Raphael Bousso προχώρησε ακόμη πιο βαθιά. Σε ένα Σύμπαν όπου οι μαύρες τρύπες όχι μόνο εκπέμπουν σωματίδια αλλά και συρρικνώνονται με την πάροδο του χρόνου, επιβεβαίωσε ότι οι ιδιομορφίες δεν αποφεύγονται. Παρότι χρησιμοποίησε υποθέσεις που ίσως δεν αντικατοπτρίζουν πλήρως το δικό μας Σύμπαν, όπως την ύπαρξη άπειρων σωματιδίων, η απόδειξή του συμπλήρωσε μια τριλογία θεωρημάτων που δείχνουν πως οι ιδιομορφίες είναι πιο επίμονες απ’ όσο νομίζαμε.

Υπάρχει, ωστόσο, ακόμη ελπίδα για όσους επιμένουν πως το Σύμπαν δεν μπορεί να έχει «νεκρά σημεία» όπου η Φυσική καταρρέει. Μερικοί θεωρητικοί προτείνουν ότι το Big Bang ήταν στην πραγματικότητα μια μετάβαση από ένα προηγούμενο Σύμπαν που κατέρρευσε και ξαναγεννήθηκε. Άλλοι θεωρούν ότι μια μαύρη τρύπα μπορεί να συνδέεται με ένα άλλο Σύμπαν, μέσω μιας σκουληκότρυπας.

Οι ελπίδες αυτές εστιάζουν στον πυρήνα μιας πλήρως κβαντικής θεωρίας του χωροχρόνου, όπου ακόμη και έννοιες όπως χρόνος και χώρος μπορεί να είναι ασαφείς ή και άχρηστες. Στο βαθύτερο αυτό επίπεδο, ίσως η έννοια της ιδιομορφίας να μην «εξαφανιστεί» αλλά να μετασχηματιστεί σε κάτι που μπορούμε τελικά να κατανοήσουμε.

Η ελπίδα δεν είναι να εξαλειφθούν οι ιδιομορφίες, αλλά να γίνουν αντικείμενα με νόημα. Στην καρδιά μιας μαύρης τρύπας ή στην αρχή του χρόνου, ίσως δεν υπάρχει χώρος ούτε χρόνος, αλλά κάποια άλλη, άγνωστη ακόμη ποσότητα, έτοιμη να αποκαλυφθεί.

[via]