Είναι ο χώρος και ο χρόνος θεμελιώδη μεγέθη;

Κάθε λίγους αιώνες δίνονται βαθύτερες εξηγήσεις στο πως λειτουργεί ο Κόσμος, απαθανατίζοντας τα ονόματα των ερευνητών που τις πέτυχαν: του Ευκλείδη, του Γαλιλαίου, του Νεύτωνα, του Αϊνστάιν. Παρόλα αυτά, έχουν μείνει μερικά αναπάντητα βαθύτερα ερωτήματα. Και τώρα, τα καλύτερα μυαλά του 21ου αιώνα δεν μπορούν ακόμα να μας πούνε με σιγουριά αν ο χώρος και ο χρόνος αποτελούν τα βασικά στοιχεία του σύμπαντος, ή είναι φτιαγμένα από πιο αρχέγονα συστατικά, που μέχρι στιγμής δεν τα έχουμε διακρίνει.

projection_blackhole Μια δισδιάστατη προβολή που περιέχει όλα των στοιχεία που απαιτούνται για την χαρτογράφηση μιας τρισδιάστατης μαύρης τρύπας. Μερικοί φυσικοί πιστεύουν ότι ο χώρος και ο χρόνος μπορεί να προκύψουν μέσω μιας παρόμοιας αντιστοίχησης

Από όλα τα μυστήρια της ζωής και του σύμπαντος, οι περισσότεροι ψάχνουν να ανακαλύψουν την απόλυτη φύση του χώρου και του χρόνου.

Ο Νεύτωνας δέχθηκε το χώρο και το χρόνο ως απόλυτα και σταθερά, παρέχοντας ένα βολικό χώρο για τη λειτουργία των νόμων του, της κίνησης και της βαρύτητας. Ο Αϊνστάιν είδε, και έδειξε, ότι ο χώρος και ο χρόνος αλλάζουν καθώς κινούνται τα αντικείμενα. Η μάζα και η κίνηση στρεβλώνουν τον χώρο και αλλάζουν τη ροή του χρόνου.

Ο Αϊνστάιν αντιμέτωπος με αυτά τα μειονεκτήματα χρειάστηκε να συγχωνεύσει χώρο και χρόνο και να φτιάξει τον χωροχρόνο. Από την συγχώνευση προέκυψε ένα πλεονέκτημα: ένα μοντέλο για την εξέλιξη του σύμπαντος, από τον αρχικό κόκκο της ύλης και της ενέργειας σε ένα συνεχώς διαστελλόμενο σύμπαν, με ένα γιγαντιαίο δίκτυο δισεκατομμυρίων γαλαξιών.

Σήμερα, όμως, η ικανότητα του χωροχρόνου να εξυπηρετήσει τα φαινόμενα της φύσης έχει αρχίσει να ξεθωριάζει καθώς οι φυσικοί σπρώχνουν τους ανιχνευτές τους στα όρια της μήκους και της διάρκειας. Κάτω από μια συγκεκριμένη, πολύ μικρή, απόσταση, η διάσταση του μήκους δεν μπορεί πλέον να διερευνηθεί, ή ακόμη να καθοριστεί. Ο χρόνος αντιμετωπίζει ένα παρόμοιο όριο, όταν οι χρόνοι προσεγγίζουν το απειροελάχιστο.

Οι κύριες θεωρίες σήμερα για να απαντήσουν στα πιο κοσμικά ερωτήματα υποδεικνύουν ότι ούτε ο χρόνος ούτε ο χώρος εμφανίζονται στην τελική ‘συνταγή’ της πραγματικότητας. Αναδύονται από το πουθενά τόσο ο χώρος όσο και ο χρόνος από τις υποκείμενες εξισώσεις  χωρίς μέτρα και ρολόγια. Τουλάχιστον αυτή είναι “η διαδεδομένη τρέχουσα πεποίθηση», λέει ο φυσικός Joe Polchinski του Ινστιτούτου Θεωρητικής Φυσικής της Kavli στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στη Σάντα Μπάρμπαρα.

Ο χώρος ως κοινωνία

Για να διαφωτίσει τα πράγματα, η Φωτεινή Μαρκοπούλου του Ιδρύματος Perimeter για τη θεωρητική φυσική στο Βατερλώ του Καναδά, συγκρίνει τον χώρο με την κοινωνία. Ο χώρος, όπως και η κοινωνία, έχει χαρακτηριστικά που μπορούν να περιγραφούν – τα εγχειρίδια της γεωμετρίας κάνουν ένα κατάλογο των ιδιοτήτων της και τις επιπτώσεις τους. Αλλά ο χώρος όπως απεικονίζεται στην γεωμετρία δεν χρειάζεται να υπήρχε στο ξεκίνημα. Θα μπορούσε να προκύψει από την αλληλεπίδραση της ύλης και των δυνάμεων, όπως και η κοινωνία των πολιτών που υλοποιείται από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ανθρώπων.

«Έχουμε κοινωνίες καπιταλιστικές, αγροτικές, ολοκληρωτικές,» έγραψε σε μια δημοσιευμένη εργασία της το 2008. “Η κοινωνία όμως δεν είναι ένα θεμελιώδες χαρακτηριστικό της ύπαρξης”.

“Μια κοινωνία δεν υπάρχει ανεξάρτητα από τα μέλη της,”, τονίζει η Μαρκοπούλου. «Μπορούμε να δούμε την γεωμετρία του χωροχρόνου σε αναλογία με την κοινωνία, με το ρόλο των ατόμων να παίζεται από την ύλη και τη δυναμική της.»

Όπως επισημαίνει ο Polchinski, η διευκρίνηση της κατάστασης του χωροχρόνου σε σχέση με το την ύλη εντάσσεται στην αναζήτηση μιας θεωρίας της κβαντικής βαρύτητας – τα μαθηματικά που θα ενοποιήσουν τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, που περιγράφει τον χωροχρόνο σε μεγάλη κλίμακα, με την κβαντική φυσική που διέπει το μικρόκοσμο.

Η βασική ιδέα στην εν λόγω αναζήτηση είναι μια αντιστοιχία μεταξύ της επιφάνειας μιας μαύρης τρύπας, δηλαδή μιας βαρυτικής αβύσσου από την οποία τίποτα δεν μπορεί να δραπετεύσει καθώς και ο χώρος μέσα σε αυτήν. Αποδεικνύεται ότι μια μαθηματική περιγραφή του εξωτερικού ορίου της μαύρης τρύπας (το σημείο μη επιστροφής για τα αντικείμενα που εισέρχονται μέσα σε αυτό) περιέχει όλες τις πληροφορίες που απαιτούνται για να καθορίσουμε το τρισδιάστατο εσωτερικό της. Στην ουσία, αυτό σημαίνει ότι ο 3-D χώρος μέσα στην μαύρη τρύπα, κατά κάποιο τρόπο προκύπτει από τη φυσική μιας δισδιάστατης επιφάνειας.

Η υλοποίηση του χρόνου

Η γενίκευση των ιδιαιτεροτήτων των μαύρων οπών για τον συνηθισμένο χώρο και χρόνο εξακολουθεί να αποτελεί μια ερευνητική πρόκληση για τους φυσικούς της κβαντικής βαρύτητας. Αλλά οι περισσότεροι συμφωνούν ότι αργά ή γρήγορα ο χώρος και ο χρόνος θα πρέπει να ‘φύγουν’. Η θεωρία των χορδών – η πιο μελετημένη προσέγγιση στην κβαντική βαρύτητα – προσφέρει αρκετά παραδείγματα του πως ο χώρος, αντί να είναι κάτι θεμελιώδες, εμφανίζεται στο προσκήνιο, όπως περιγράφει σε μια εργασία του 2006 ο φυσικός Nathan Seiberg του Ινστιτούτου Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον.

Εάν ή ύλη στα πιο βασικά της στοιχεία είναι φτιαγμένη από μικροσκοπικά χορδές δόνησης, για παράδειγμα, καθίσταται αδύνατο να εξετάσουμε τον χώρο σε κάποια αυθαίρετα μικρή απόσταση, παρατηρεί ο Seiberg. Αυτός είναι άλλος ένας τρόπος για να πούμε ότι σε αποστάσεις μικρότερες από κάποιο (πολύ μικρό) μήκος, η ιδέα του χώρου δεν έχει νόημα.

Η περαιτέρω μελέτη των θεωριών χωρίς χώρο μπορεί να συμβάλει στην επίλυση σοβαρών προβλημάτων που αντιμετωπίζουν οι φυσικοί σήμερα, πιστεύει ο Seiberg. Η θεωρία χορδών υπονοεί αμέτρητες δυνατές καταστάσεις κενού – δηλαδή, χώρους με διαφορετικές φυσικές ιδιότητες – με καμιά προφανή μέθοδο για τον καθορισμό ποιό από αυτά προτιμάει το ορατό σύμπαν. Η γνώση του πως ο χώρος αναδύεται από ένα μη χώρο, θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξήγηση γιατί οι άνθρωποι υπάρχουν σε αυτόν τον ιδιαίτερο χώρο μεταξύ των αμέτρητων δυνατοτήτων που υπάρχουν.

Η κατάργηση του χρόνου δημιουργεί πιο δύσκολα προβλήματα, αναγνωρίζει ο Seiberg. Βασικές έννοιες της φυσικής, όπως αυτή των αιτίων που προηγούνται από τα αποτελέσματα ή η πρόβλεψη των αποτελεσμάτων των πειραμάτων πριν γίνει το πείραμα, φαίνεται να χάνουν την έννοιά τους, αν δεν υπάρχει χρόνος για να καθορίσει το πριν και το μετά.

Έτσι, μερικοί φυσικοί, όπως η Μαρκοπούλου, έχουν δείξει ότι ακόμα και αν ο χώρος είναι αναδυόμενος, ο χρόνος μπορεί να παραμείνει θεμελιώδης. Στην πραγματικότητα, αυτή υποθέτει, ότι ο χρόνος χρειάζεται για να επιτρέψει στις κβαντικές διαδικασίες να δημιουργήσουν την ψευδαίσθηση του χώρου. Ο χώρος μπορεί να μην ήταν γύρω μας στην αρχή, αλλά εκείνη η αρχή θα ήταν θνησιγενής χωρίς τον χρόνο για να προχωρήσει η πραγματικότητα.

Ο Nathan Seiberg επισημαίνει ότι η τελική κατάσταση του χώρου και του χρόνου στην φύση μπορεί να έχει κάτι να μας πει για την πρακτική της επιστήμης. Ένα μεγάλο μέρος της σύγχρονης επιστήμης βασίζεται στην έννοια του αναγωγισμού – εξηγεί φαινόμενα μεγάλης κλίμακας από νόμους που λειτουργούν σε μικρότερες κλίμακες. Η έννοια αυτή τελικά θα καταρρεύσει αν υπάρχει μια μικρότερη κλίμακα κάτω από την οποία ο χώρος δεν υπάρχει πια.

«Επομένως, άπαξ και εμείς καταλάβουμε πως προκύπτει ο χωροχρόνος, θα μπορούσαμε ακόμα να ψάξουμε για περισσότερες βασικούς θεμελιώδεις νόμους, αλλά οι νόμοι αυτοί δεν θα λειτουργούν σε μικρότερες αποστάσεις,» γράφει. «Αυτό προκύπτει από το απλό γεγονός ότι η έννοια των «μικρότερων αποστάσεων» δεν θα έχει πλέον νόημα. Αυτό μπορεί να σημαίνει το τέλος του προτύπου του αναγωγισμού. «Και η αρχή μιας νέας άποψης όχι μόνο για τον χώρο και τον χρόνο, αλλά και της ίδιας της επιστήμης.

_________________________________________________________________________

Τα απειροελάχιστα όρια

Οι τρέχουσες θεωρίες δεν είναι σε θέση να περιγράψουν τον χώρο και το χρόνο κάτω από ένα ορισμένα όρια που ορίζονται από τις λεγόμενες «φυσικές μονάδες.» Αυτές οι μονάδες, που προτάθηκαν από το Γερμανό φυσικό Μαξ Πλανκ, προκύπτουν από τα θεμελιώδη μεγέθη, όπως την ταχύτητα του φωτός. Μια θεωρία που θα ενώσει την κβαντομηχανική με τη βαρύτητα θα χρειαστεί να αποκαλύψει εάν ο χώρος και ο χρόνος έχουν νόημα σε μικρότερες κλίμακες.

μήκος Planck 1.616 x 10–35 μέτρα

Το μήκος Πλανκ προέρχεται από τη σταθερά βαρύτητας του Νεύτωνα, την ταχύτητα του φωτός και την σταθερά του Planck από την κβαντική θεωρία. Είναι απίστευτα μικρή: Συγκρίνοντας το μέγεθός του με ένα βακτήριο είναι σαν να συγκρίνουμε το μέγεθος ενός βακτηρίου με το ορατό σύμπαν. Πολλοί φυσικοί πιστεύουν ότι σε μικρότερα μήκη ο χώρος δεν μπορεί να εξεταστεί και η έννοια της απόστασης δεν έχει πλέον νόημα.

χρόνος Planck: 5.391 x 10–44 δευτερόλεπτα

Ο χρόνος Πλανκ, επίσης, υπολογίζεται από την βαρυτική σταθερά, την ταχύτητα του φωτός και τη σταθερά του Planck κατά τέτοιο τρόπο ώστε να κινούμαστε σε ένα μήκος Πλανκ στον χρόνο Planck να  έχουμε την ταχύτητα του φωτός. Οι τρέχουσες θεωρίες δεν είναι σε θέση να περιγράψουν το σύμπαν σε ηλικία μικρότερη από την εποχή του Planck. Οι φυσικοί όμως ελπίζουν ότι μια θεωρία της κβαντικής βαρύτητας θα μπορούσε να φωτίσει εκείνη την εποχή.

Πηγή: sciencenews.org

Διαβάστε περισσότερα στα

___________________________________________________________________

Η Φωτεινή Μαρκοπούλου – Καλαμαρά αναπτύσσει από το 2005 ένα μοντέλο, σχετικά με το πώς θα μπορούσε να αναδυθεί η γεωμετρία του χώρου από μια πιο θεμελιακή θεωρία, που του έχουν δώσει το εκκεντρικό όνομα κβαντικό γράφημα (quantum graphity).

Αντί να θέσει το άμεσο ερώτημα κατά πόσο η γεωμετρία του κβαντικού χωροχρόνου μπορεί να αναδυθεί ως κλασικός χωρόχρονος, πρότεινε μια διαφορετική προσέγγιση βασισμένη στον προσδιορισμό και τη μελέτη της κίνησης των σωματιδίων στην κβαντική γεωμετρία. Η ιδέα της ήταν ότι τα σωματίδια πρέπει να αναδύονται από κάποιο είδος διέγερσης της κβαντικής γεωμετρίας, η οποία θα ταξιδεύει διαμέσου της γεωμετρίας αυτής όπως περίπου ταξιδεύουν τα κύματα μέσα στα στερεά ή στα υγρά. Ωστόσο, προκειμένου να αναπαραχθεί η φυσική που γνωρίζουμε, πρέπει να μπορούμε να περιγράψουμε τα αναδυόμενα αυτά σωματίδια ως αμιγώς κβαντικά σωματίδια, τα οποία φαίνεται να «αγνοούν» την κβαντική γεωμετρία διαμέσου της οποίας ταξιδεύουν.

Η ομάδα της Φωτεινής Μαρκοπούλου ξεκινά με την ιδέα ότι σε πολύ μικρές κλίμακες και εξαιρετικά υψηλές ενέργειες – προϋποθέσεις που υπήρχαν κατά την γέννηση του σύμπαντος – δεν υπάρχει αυτό που λέμε χώρος. Το μόνο που υπάρχει είναι ένα αφηρημένο δίκτυο κόμβων – που υφίστανται μια μετάβαση φάσης -, μια γραφική παράσταση κατασκευασμένη από κόμβους που συνδέονται μεταξύ τους με ακμές που διέπονται από την κβαντομηχανική. Σε αυτή την κατάσταση, κάθε κόμβος συνδέεται με κάθε άλλο κόμβο. Πρόκειται για μια άκρως αντίθετη προς την κοινή λογική διαισθητική εικόνα, λες και κάθε άτομο στο σύμπαν ήταν δίπλα-δίπλα σε κάθε άλλο άτομο. «Όταν όλα είναι πάνω από οτιδήποτε άλλο, δεν υπάρχει η έννοια του διαστήματος», λέει η Μαρκοπούλου.

Advertisements

Σχολιάστε

Συνδεθείτε για να δημοσιεύσετε το σχόλιο σας:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Σύνδεση με %s