Στα τέλη του 19ου αιώνα, οι πιο πολλοί άνθρωπο - και επιστήμονες μεταξύ αυτών - πίστευαν ότι η ύλη είναι συνεχής. Αν και οι αρχαίοι φιλόσοφοι είχαν μιλήσει για άτομα, λίγοι πίστευαν ότι η ύπαρξή τους θα μπορούσε ν' αποδειχτεί. Σήμερα πια έχουμε επιτύχει να απεικονίσουμε μεμονωμένα άτομα και έχουμε μελετήσει τα σωματίδια από τα οποία αποτελούνται. Η κοκκώδης υφή της ύλης έχει πάψει από πολύ καιρό να αποτελεί είδηση. 

Σύνοψη/Κβαντικός χωρόχρονος

Τις τελευταίες δεκαετίες, φυσικοί και μαθηματικοί έθεσαν το ερώτημα μήπως και ο χώρος συνίσταται επίσης από διακριτά τμήματα. Είναι συνεχής, όπως μαθαίνουμε στο σχολείο, ή μοιάζει περισσότερο με ένα κομμάτι ύφασμα, όντας υφασμένος από πλήθος ξεχωριστά νήματα; Αν μπορούσαμε να κατεβούμε σε κλίμακες μεγέθους αρκούντως μικρές, θα βλέπαμε άραγε «άτομα» χώρου, δηλαδή τμήματα όγκου που είναι αδύνατο να τμηθούν περαιτέρω; Και τι ισχύει για το χρόνο; Αλλάζει η φύση με τρόπο συνεχή ή μήπως ο κόσμος εξελίσσεται με μια σειρά μικροσκοπικά βήματα, λειτουργώντας μάλλον με τρόπο που θυμίζει περισσότερο ψηφιακό υπολογιστή;

Τα περασμένα 16 χρόνια σημειώθηκε μεγάλη πρόοδος σε ό,τι αφορά αυτά τα ερωτήματα. Μια θεωρία με το παράξενο όνομα «κβαντική θεωρία βρόχων» προβλέπει ότι ο χώρος και ο χρόνος όντως συνίστανται από διακριτά τεμάχια. Η εικόνα την οποία αποκαλύπτουν οι υπολογισμοί που γίνονται στο πλαίσιο της εν λόγω θεωρίας διακρίνεται τόσο για την ομορφιά όσο και για την απλότητα της. Η θεωρία αυτή βάθυνε την κατανόηση μας για διάφορα αινιγματικά φαινόμενα που συνδέονται με τις μαύρες τρύπες και τη Μεγάλη Έκρηξη.

Η κβαντική βαρύτητα βρόχων προβλέπει ότι ο χώρος υπάρχει υπό μορφή διακριτών τεμαχίων, που το μικρότερο τους έχει όγκο 1 κυβικού μήκους Planck ή, ισοδύναμα, 10^-99 κυβικών εκατοστομέτρων. Ο χρόνος προχωρά με διακριτά βήματα που αντιστοιχούν περίπου σε 1 χρόνο Planck ή, ισοδύναμα, 10-⁴³ δευτερολέπτων. Οι εκδηλώσεις αυτής της διακριτής δομής ενδέχεται να φανούν σε πειράματα στο εγγύς μέλλον.

Πρόκειται πράγματι για μια θεωρία που επιδέχεται έλεγχο· οδηγεί σε προβλέψεις για πειράματα που είναι δυνατόν να πραγματοποιηθούν στο εγγύς μέλλον και τα οποία θα μας επιτρέψουν να ανιχνεύσουμε τα «άτομα του χώρου», εφόσον βέβαια τέτοια άτομα όντως υπάρχουν.

Κβάντα

Οι συνεργάτες μου κι εγώ αναπτύξαμε τη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας βρόχων στην προσπάθεια μας να λύσουμε ένα χρονίζον πρόβλημα της φυσικής: Είναι δυνατόν να αναπτυχθεί μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας; Για να μπορέσω να εξηγήσω γιατί πρόκειται για ένα ερώτημα κεφαλαιώδους σημασίας —καθώς και πώς σχετίζεται με την κοκκώδη υφή του χώρου και του χρόνου—, θα χρειαστεί πρώτα να μιλήσω λίγο για την κβαντική θεωρία και τη θεωρία της βαρύτητας.

Η θεωρία της κβαντικής μηχανικής διατυπώθηκε κατά το πρώτο τέταρτο του 20ού αιώνα, εξέλιξη η οποία συνδεόταν στενά με την επιβεβαίωση και την εμπέδωση της αντίληψης ότι η ύλη συνίσταται από άτομα. Οι εξισώσεις της κβαντικής μηχανικής απαιτούν ορισμένα μεγέθη —όπως, φέρ' ειπείν, η ενέργεια των ατόμων— να εμφανίζονται μόνο σε καθορισμένες, διακριτές μονάδες. Η κβαντική θεωρία προβλέπει με επιτυχία τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά των ατόμων, καθώς και τα στοιχειώδη σωματίδια από τα οποία συνίστανται αυτά και τις δυνάμεις που τα συνέχουν. Καμία θεωρία στην ιστορία της επιστήμης δεν υπήρξε περισσότερο επιτυχής από την κβαντική θεωρία. Αποτελεί τη βάση πάνω στην οποία στηρίζεται η κατανόηση της χημείας, της ατομικής και υποατομικής φυσικής, της ηλεκτρονικής, ακόμη δε και της βιολογίας.

Τις ίδιες δεκαετίες που διατυπωνόταν η κβαντική θεωρία, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν κατασκεύασε τη γενική θεωρία της σχετικότητας, η οποία είναι μια θεωρία της βαρύτητας.

Στη θεωρία του Αϊνστάιν, η βαρυτική δύναμη προκύπτει ως συνέπεια της καμπύλωσης την οποία υφίστανται ο χώρος και ο χρόνος (που από κοινού σχηματίζουν το «χωρόχρονο») εξαιτίας της παρουσίας ύλης. Και για να παρουσιάσουμε μια χαλαρή αναλογία που βοηθά να σχηματίσουμε αδρή εικόνα της θεωρίας," ας φανταστούμε μια μπάλα του μπόουλινγκ τοποθετημένη πάνω σε ένα λαστιχένιο φύλλο μαζί με ένα βόλο, ο οποίος κυλά κάπου εκεί κοντά. Η μπάλα του μπόουλινγκ δημιουργεί ένα βαθύ κοίλωμα στο λαστιχένιο φύλλο, και η κλίση του κοιλώματος αυτού εκτρέπει το βόλο από την πορεία του ωθώντας τον προς τη μεγαλύτερη του μπάλα, ωσάν κάποια δύναμη —η βαρύτητα— να τον τραβούσε σε αυτή την κατεύθυνση.

Ομοίως, κάθε τεμάχιο ύλης ή συγκέντρωση ενέργειας παραμορφώνει τη γεωμετρία του χωροχρόνου, εκτρέποντας έτσι προς την κατεύθυνση του άλλα σωματίδια και φωτεινές ακτίνες, φαινόμενο που το ονομάζουμε βαρύτητα.

Χωριστά η καθεμία τους, τόσο η κβαντική θεωρία όσο και η θεωρία της γενικής σχετικότητας, έχουν τύχει αφάνταστα καλής πειραματικής επικύρωσης· εντούτοις, ως τώρα δεν έχει διεξαχθεί ούτε ένα πείραμα που να διερευνά την περιοχή όπου αμφότερες οι θεωρίες προβλέπουν σημαντικά φαινόμενα. Το πρόβλημα έγκειται στο εξής: Δεδομένου ότι αφενός μεν τα κβαντικά φαινόμενα εκδηλώνονται στις μικρές κλίμακες μεγέθους, αφετέρου δε ότι τα χαρακτηριστικά για τη γενική σχετικότητα φαινόμενα προϋποθέτουν μεγάλες μάζες, χρειάζονται όλως εξαιρετικές συνθήκες προκειμένου να καταστεί δυνατή η συνδυασμένη ικανοποίηση και των δύο αυτών όρων.

Συναφές με την εν λόγω «τρύπα» που υπάρχει στα πειραματικά δεδομένα είναι το ακόλουθο τεράστιο εννοιολογικό πρόβλημα: Η θεωρία της γενικής σχετικότητας είναι καθ' ολοκληρίαν κλασική, ή —που σημαίνει το ίδιο— μη κβαντική. Για να μπορέσει η φυσική ως όλον να αποκτήσει λογική συνέπεια, πρέπει να υπάρχει μια θεωρία η οποία με κάποιον τρόπο να ενοποιεί την κβαντική μηχανική και τη γενική σχετικότητα. Τούτη η από μακρού αναζητούμενη θεωρία ονομάζεται κβαντική βαρύτητα (ή κβαντική θεωρία της βαρύτητας). Επειδή δε η γενική σχετικότητα πραγματεύεται τη γεωμετρία του χωροχρόνου, η κβαντική θεωρία της βαρύτητας θα είναι συνάμα και η κβαντική θεωρία του χωροχρόνου.

Οι φυσικοί έχουν αναπτύξει μια λίαν αξιόλογη συλλογή μαθηματικών διαδικασιών για τη μετατροπή μιας κλασικής θεωρίας σε κβαντική. Πολλοί θεωρητικοί φυσικοί και μαθηματικοί κατέβαλαν μεγάλες προσπάθειες για να εφαρμόσουν αυτές τις καθιερωμένες τεχνικές στη γενική σχετικότητα. Τα πρώτα αποτελέσματα υπήρξαν απογοητευτικά.

Οι υπολογισμοί που έγιναν κατά τις δεκαετίες του 1960 και του 1970 έμοιαζε να δείχνουν πως οι προσπάθειες για συνδυασμό της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής θεωρίας δεν είχαν ελπίδα επιτυχίας. Συνεπώς, φαινόταν ότι χρειαζόταν κάτι ριζικά νέο, όπως πρόσθετα αιτήματα ή αρχές που δεν περιλαμβάνονταν στην κβαντική θεωρία και τη γενική σχετικότητα, ή νέα σωματίδια ή πεδία, ή νέες οντότητες κάποιου είδους. Με τις κατάλληλες προσθήκες ή με μια νέα μαθηματική δομή, θα καθίστατο πιθανώς δυνατή η ανάπτυξη μιας θεωρίας κβαντικού τύπου η οποία θα προσέφερε επιτυχή προσέγγιση της γενικής σχετικότητας στη μη κβαντική σφαίρα.

Για να αποφευχθεί η ανατροπή των επιτυχημένων προβλέψεων της κβαντικής θεωρίας και της γενικής σχετικότητας, ό,τι το «εξωτικό» θα περιείχε η πλήρης θεωρία θα παρέμενε κρυμμένο από το πείραμα, παρεκτός και συνέτρεχαν οι εξαιρετικές συνθήκες όπου αναμένεται να έχουν έντονα φαινόμενα τόσο η κβαντική θεωρία όσο και η γενική σχετικότητα. Στο πλαίσιο αυτής της γενικής στρατηγικής, δοκιμάστηκαν πολυποίκιλες προσεγγίσεις, με ονόματα όπως θεωρία συστροφέων (stwistors), μη μεταθετική γεωμετρία και υπερβαρύτητα.

Μια προσέγγιση που είναι ιδιαίτερα δημοφιλής μεταξύ των φυσικών είναι η θεωρία χορδών, η οποία παραδέχεται ότι ο χώρος έχει 6 ή 7 διαστάσεις —όλες τους μέχρι στιγμής εντελώς απαρατήρητες— επιπλέον των 3 που μας είναι εμπειρικά οικείες. Η θεωρία χορδών προβλέπει επίσης πληθώρα καινούργιων στοιχειωδών σωματιδίων και πεδίων, για τα οποία δεν υπάρχει μέχρι στιγμής ούτε η ελάχιστη ένδειξη παρατήρησής τους.

Ορισμένοι ερευνητές πιστεύουν ότι η θεωρία χορδών αποτελεί μέρος μιας νέας θεωρίας που ονομάζεται θεωρία Μ [βλ. Michael J. Duff, "The Theory Formerly Known as String", Scientific Americam, Φεβρουάριος 1998], ατυχώς όμως ουδέποτε δόθηκε κάποιος ακριβής ορισμός αυτής της εικαζόμενης θεωρίας. Έτσι, πολλοί φυσικοί και μαθηματικοί έχουν σχηματίσει την πεποίθηση ότι οι προσπάθειες επιβάλλεται να στραφούν στη μελέτη εναλλακτικών προσεγγίσεων. Ανάμεσα σε αυτές τις εναλλακτικές προσεγγίσεις, η κβαντική θεωρία βρόχων προβάλλει ως η πλέον ελπιδοφόρα.

Ο Lee Smolin είναι ερευνητής στο Perimeter Institute for Theoritical Physics στο Waterlo του Οντάριο, και έκτακτος καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Waterlo. Απόφοιτος του Κολεγίου του Χάμσαϊρ, έλαβε διδακτορικό δίπλωμα από το Πανεπιστήμιο Harvard υπήρξε δε μέλος του διδακτικού προσωπικού του Πανεπιστημίου Yale και των Πολιτειακών Πανεπιστημίων των Συρακουσών και της Πενσυλβανίας. Εκτός από το έργο του στον τομέα της κβαντικής βαρύτητας, τα ενδιαφέροντα του εκτείνονται και στη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων, την κοσμολογία και τη θεμελίωση της κβαντικής θεωρίας. Στο βιβλίο του που εκδόθηκε το 1997 με τον τίτλο Η ζωή του Κόσμου), ο Smolin επιχειρεί μια διερεύνηση των φιλοσοφικών συνεπειών που έχουν οι εξελίξεις στη σύγχρονη φυσική και κοσμολογία.

Για περαιτέρω μελέτη: