Μπορεί η κβαντική μηχανική να εξηγήσει την ύπαρξη του χωροχρόνου;

Οι φυσικοί υπαινίσσονται ότι η εμπλοκή εξηγεί 

τις εξισώσεις του Αϊνστάιν για τη βαρύτητα.

Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν δείχνει ότι η βαρύτητα είναι το αποτέλεσμα μιας μάζας, όπως ένας πλανήτης ή ένα αστέρι, που στρεβλώνει τη γεωμετρία της συγχώνευσης του χρόνου και του χώρου που είναι γνωστός ως χωροχρόνος. Το διαστημόπλοιο Gravity Probe B της NASA, που παρουσιάζεται στην εικονογράφηση αυτού του καλλιτέχνη, μετρησε ακριβώς πόσο η βαρύτητα της Γης στρεβλώνει τον χώρο γύρω από αυτήν, δικαιώνοντας τελικά τον υπολογισμό του Αϊνστάιν. NASA

Ο Rod Serling ήξερε τα πάντα για τις διαστάσεις.

Η τηλεοπτική σειρά του, η «ζώνη του λυκόφωτος» ήταν μια διάσταση φαντασίας, μια διάσταση της όρασης του ήχου και του νου, μια τεράστια διάσταση όπως ο χώρος και η διαχρονικότητα ως το άπειρο. Όλα ήταν πολύ ξεκάθαρα, εκτός από το μέρος του χώρου και του χρόνου, τις διαστάσεις της πραγματικής ζωής. Ο Serling δεν τα εξήγησε ποτέ.

Φυσικά, από τον Αϊνστάιν, οι επιστήμονες έχουν επίσης ξύσει τα κεφάλια τους για το πώς να κατανοήσουν το χώρο και το χρόνο. Πριν από τότε, σχεδόν όλοι πίστευαν ότι ο Isaac Newton τα είχε καταλάβει όλα. Ο χρόνος "ρέει εξίσου χωρίς να έχει σχέση με κάτι εξωτερικό", δήλωσε. Ο απόλυτος χώρος είναι και δικό του πράγμα "πάντα παρόμοιο και ακίνητο". Τίποτα δεν φαίνεται εκεί. Τα γεγονότα της φυσικής πραγματικότητας εκτελούνται ανεξάρτητα σε ένα ουδέτερο στάδιο, όπου οι ηθοποιοί κορδώνονται και ερεθίζονται χωρίς να επηρεάζουν το υπόλοιπο θέατρο.

Αλλά οι θεωρίες του Αϊνστάιν μετέτρεψαν τον απόλυτο χώρο και τον χρόνο του Νεύτωνα σε ένα σχετικιστικό μίγμα - οι εξισώσεις του πρότειναν συγχωνευμένο χώρο-χρόνο, ένα νέο είδος αρένας στο οποίο οι παίκτες άλλαξαν το χώρο του παιχνιδιού. Ήταν ένας μετατροπέας παιχνιδιών φυσικής. Πλέον ο χώρος και ο χρόνος παρέχουν ένα ατέλειωτο σκηνικό για την ύλη και την ενέργεια. Παλαιοί ανεξάρτητοι και ομοιόμορφοι, ο χώρος και ο χρόνος έγιναν αδιάσπαστοι και μεταβλητοί. Και όπως έδειξε ο Αϊνστάιν στη γενική θεωρία της σχετικότητας, η ύλη και η ενέργεια στρέβλωναν τον χώρο που τους περιβάλλει. Αυτή η απλή αλήθεια εξηγούσε τη βαρύτητα. Η φαινομενική δύναμη έλξης του Νεύτωνα έγινε μια ψευδαίσθηση που διαπράττεται από τη χωρο-χρονική γεωμετρία. Ήταν το σχήμα του χωροχρόνου που υπαγορεύει την κίνηση των τεράστιων σωμάτων, μια συμμετρική δικαιοσύνη, αφού τα τεράστια σώματα καθόρισαν τη μορφή του χώρο-χρόνου.

Η επαλήθευση της επανάστασης του χώρου-χρόνου του Αϊνστάιν ήρθε πριν από έναν αιώνα, όταν μια διαδικασία έκλειψης επιβεβαίωσε την πρωταρχική πρόβλεψη της γενικής θεωρίας (μια ακριβής ποσότητα κάμψης του φωτός περνώντας κοντά στην άκρη ενός μαζικού σώματος, στην περίπτωση αυτή του Ήλιου). Ο χωροχρόνος όμως παρέμεινε μυστηριώδης. Δεδομένου ότι ήταν κάτι και όχι τίποτα, ήταν φυσικό να αναρωτιόμαστε από πού προήλθε.

Τώρα μια νέα επανάσταση είναι στα πρόθυρα της απάντησης σε αυτό το ερώτημα, με βάση τις ιδέες από την άλλη μεγάλη έκπληξη φυσικής του περασμένου αιώνα: την κβαντική μηχανική. Η σημερινή επανάσταση προσφέρει το ενδεχόμενο για μια ακόμη επανεγγραφή της ανακεφαλαίωσης του χώρου-χρόνου, με την ελπίδα ίσως να εξηγήσει γιατί η κβαντική μηχανική φαίνεται τόσο περίεργη.

"Ο χώρο-χρόνος και η βαρύτητα πρέπει τελικά να προκύπτουν από κάτι άλλο", γράφει ο φυσικός Brian Swingle στο 2018 στην Ετήσια Επισκόπηση της Φυσικής Συμπυκνωμένων Ουσιών . Διαφορετικά, είναι δύσκολο να δούμε πώς η βαρύτητα του Αϊνστάιν και τα μαθηματικά της κβαντικής μηχανικής μπορούν να συμβιβάσουν τη μακροχρόνια ασυμβατότητά τους. Η άποψη του Αϊνστάιν για τη βαρύτητα ως εκδήλωση της χωρο-χρονικής γεωμετρίας ήταν εξαιρετικά επιτυχημένη. Αλλά έτσι επίσης υπήρξε και η κβαντική μηχανική, η οποία περιγράφει τις μηχανορραφίες της ύλης και της ενέργειας στην ατομική κλίμακα με ακλόνητη ακρίβεια. Οι προσπάθειες να βρεθούν συνεκτικά μαθηματικά που να δέχονται κβαντική περιέργεια με γεωμετρική βαρύτητα, ωστόσο, έχουν συναντήσει τεράστια τεχνικά και εννοιολογικά οδοφράγματα.

Τουλάχιστον αυτό συνέβη εδώ και πολύ καιρό για προσπάθειες κατανόησης του συνηθισμένου χωροχρόνου. Αλλά οι ενδείξεις για μια πιθανή πορεία προς την πρόοδο έχουν προκύψει από τη θεωρητική μελέτη των εναλλακτικών γεωμετριών χωροχρόνου, νοητές κατ’ αρχήν αλλά με ασυνήθιστες ιδιότητες. Μια τέτοια εναλλακτική, γνωστή ως χώρος anti de Sitter (*), είναι περίεργα καμπύλος και τείνει να καταρρέει από μόνος του, παρά να επεκτείνεται όπως το σύμπαν στο οποίο ζούμε. Δεν θα ήταν ένα ωραίο μέρος για να ζήσεις. Αλλά ως εργαστήριο για τη μελέτη των θεωριών της κβαντικής βαρύτητας, έχει πολλά να προσφέρει. "Η κβαντική βαρύτητα είναι αρκετά πλούσια και προκαλεί σύγχυση ότι ακόμη και τα σύμπαντα παιχνιδιών μπορούν να ρίξουν τεράστιο φως στη φυσική", γράφει ο Brian Swingle, του Πανεπιστημίου του Maryland.

Ένας περίεργος τύπος χωροχρόνου με ασυνήθιστη καμπυλότητα που είναι γνωστός ως χώρος anti de Sitter, που απεικονίζεται εδώ, δεν είναι καθόλου σαν το σύμπαν στο οποίο ζούμε, αλλά θα μπορούσε παρόλα αυτά να παράσχει ενδείξεις στις κβαντικές διαδικασίες που μπορεί να είναι υπεύθυνες για την παραγωγή του απλού χωροχρόνου.U. Moschella / Σεμινάριο Poincare 2005

Μελέτες του χώρου anti de -Sitter υποδηλώνουν, για παράδειγμα, ότι τα μαθηματικά που περιγράφουν τη βαρύτητα (δηλαδή την γεωμετρία χωροχρόνου) μπορούν να είναι ισοδύναμα με τα μαθηματικά της κβαντικής φυσικής σε ένα χώρο μικρότερης διάστασης. Σκεφτείτε ένα ολόγραμμα - μια επίπεδη, δισδιάστατη επιφάνεια που ενσωματώνει μια τρισδιάστατη εικόνα. Με παρόμοιο τρόπο, ίσως η τετραδιάστατη γεωμετρία του χωροχρόνου θα μπορούσε να κωδικοποιηθεί στο μαθηματικό της κβαντικής φυσικής που λειτουργεί σε τρεις διαστάσεις. Ή ίσως χρειάζεστε περισσότερες διαστάσεις - πόσες διαστάσεις απαιτούνται είναι μέρος του προβλήματος που πρέπει να επιλυθεί.

Εν πάση περιπτώσει, οι έρευνες σε αυτές τις κατευθύνσεις έχουν αποκαλύψει μια εκπληκτική πιθανότητα: Ο χωροχρόνος μπορεί να δημιουργηθεί από την κβαντική φυσική, συγκεκριμένα από το φαινόμενο διαταραχής γνωστό ως κβαντική εμπλοκή.

Όπως εξηγείται ευρέως, η εμπλοκή είναι μια τρομακτική σύνδεση που συνδέει σωματίδια που χωρίζονται ακόμη και από μεγάλες αποστάσεις. Εάν εκπέμπονται από μια κοινή πηγή, τέτοια σωματίδια παραμένουν εμπλεγμένα ανεξάρτητα από το πόσο μακριά πετούν μακριά το ένα από το άλλο. Εάν μετρήσετε μια ιδιότητα (όπως περιστροφή ή πόλωση) για ένα από αυτά, γνωρίζετε τότε ποιο θα είναι το αποτέλεσμα της ίδιας μέτρησης για το άλλο. Όμως, πριν από τη μέτρηση, αυτές οι ιδιότητες δεν έχουν καθοριστεί ήδη, ένα αντίθετο σκεπτικό που επιβεβαιώνεται από πολλά πειράματα. Φαίνεται ότι η μέτρηση σε ένα σημείο καθορίζει ποια θα είναι η μέτρηση σε άλλη μακρινή τοποθεσία.

Αυτό ακούγεται όπως, τα μπλεγμένα σωματίδια πρέπει να μπορούν να επικοινωνούν ταχύτερα από το φως. Διαφορετικά, είναι αδύνατο να φανταστεί κανείς πώς ένα από αυτά θα μπορούσε να ξέρει τι συνέβαινε με το άλλο σε μια τεράστια χωροχρονική έκταση. Όμως δεν στέλνουν κανένα μήνυμα. Πώς λοιπόν τα μπλεγμένα σωματίδια ξεπερνούν τον χωροχρόνο που τα χωρίζει; Ίσως η απάντηση είναι ότι δεν χρειάζεται να το κάνουν - επειδή η εμπλοκή δεν συμβαίνει στο χωροχρόνο. Η εμπλοκή δημιουργεί χωροχρόνο.

Τουλάχιστον αυτή είναι η πρόταση που ενέπνευσε η τρέχουσα έρευνα σε σύμπαντα παιχνιδιών. «Η εμφάνιση του χωροχρόνου και της βαρύτητας είναι ένα μυστηριώδες φαινόμενο της κβαντικής φυσικής πολλών σωμάτων που θα θέλαμε να καταλάβουμε», προτείνει o Swingle στο άρθρο της  Ετήσιας Ανασκόπησης . Η έντονη προσπάθεια αρκετών κορυφαίων φυσικών οδήγησε σε θεωρητικές ενδείξεις ότι τα δίκτυα εμπλοκής κβαντικών καταστάσεων υφαίνουν το ύφασμα του χωροχρόνου. Αυτές οι κβαντικές καταστάσεις συχνά περιγράφονται ως "qubits" - κομμάτια κβαντικής πληροφορίας (όπως τα κανονικά bits του υπολογιστή, αλλά υπάρχουν σε ένα μίγμα 1και 0, όχι απλά είτε 1 ή 0). Τα εμπλεγμένα qubits δημιουργούν δίκτυα με γεωμετρία στο διάστημα με μια επιπλέον διάσταση πέρα ​​από τον αριθμό των διαστάσεων που ζουν τα qubits. Έτσι, η κβαντική φυσική των qubits μπορεί στη συνέχεια να εξομοιωθεί με τη γεωμετρία ενός χώρου με μια επιπλέον διάσταση. Το καλύτερο από όλα είναι ότι η γεωμετρία που δημιουργείται από τα εμπλεκόμενα qubits μπορεί να υπακούει πολύ στις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν που περιγράφουν την κίνηση λόγω της βαρύτητας - τουλάχιστον τα τελευταία ερευνητικά σημεία προς αυτή την κατεύθυνση. "Προφανώς, μια γεωμετρία με τις σωστές ιδιότητες που δημιουργούνται από την εμπλοκή πρέπει να υπακούει στις βαρυτικές εξισώσεις της κίνησης", γράφει ο Swingle. "Αυτό το αποτέλεσμα δικαιώνει περαιτέρω τον ισχυρισμό ότι ο χωροχρόνος προκύπτει από την εμπλοκή."

Ακόμα, μένει να αποδειχθεί ότι οι ενδείξεις που βρίσκονται σε σύμπαντα παιχνιδιών με επιπλέον διαστάσεις θα οδηγήσουν στην αληθινή ιστορία για το συνηθισμένο χωροχρόνο στον οποίο οι πραγματικοί φυσικοί στηρίζονται και δυσφορούν. Κανείς δεν ξέρει ακριβώς ποιες κβαντικές διεργασίες στον πραγματικό κόσμο θα είναι υπεύθυνες για την ύφανση του ιστού του χωροχρόνου. Ίσως ορισμένες από τις υποθέσεις που έγιναν στους υπολογισμούς μέχρι τώρα θα αποδειχθούν ελαττωματικές. Αλλά θα μπορούσε να είναι ότι η φυσική βρίσκεται στο χείλος της βαθύτερης αναζήτησης των θεμελίων της φύσης από ποτέ, σε μια ύπαρξη που περιέχει προηγούμενες άγνωστες διαστάσεις του χώρου και του χρόνου (ή της όρασης και του ήχου) που θα μπορούσαν τελικά να προβάλουν τη Ζώνη του Λυκόφωτος στην τηλεόραση της Πραγματικότητας.

Πηγή

(*) Ο χώρος Anti-de Sitter και ο χώρος de Sitter ονομάστηκαν από τον Willem de Sitter (1872-1934), καθηγητή αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Leiden και διευθυντή του Observatory Leiden . Ο Willem de Sitter και ο Albert Einstein συνεργάστηκαν στενά στο Leiden τη δεκαετία του 1920 για τη χωροχρονική δομή του σύμπαντος.

Αναρτήθηκε από: Seler Tr - ek-kentron

Διαβάστε σχετικά:

Αν η θεωρία των χορδών είναι λάθος;

Ζούμε σε ένα  Πολλαπλό Σύμπαν; 

Η σχετικότητα του Αϊνστάιν

Η Θεωρία της Γενικής  Σχετικότητας του Αϊνστάιν

Οι τέσσερις θεμελιώδεις  δυνάμεις της φύσης

Ενιαία Θεωρία Πεδίου

Τι είναι η βαρύτητα;