Η κβαντική βαρύτητα βρόχων

Άρθρο, Μάρτιος 2007

Η θεωρία της κβαντικής βαρύτητας βρόχων (LQG), γνωστή επίσης και ως βαρύτητα βρόχων και κβαντική γεωμετρία, είναι μια κβαντική θεωρία του χωροχρόνου που προσπαθεί να συμφιλιώσει τις φαινομενικά ασυμβίβαστες θεωρίες της κβαντομηχανικής και της γενικής σχετικότητας. Ανήκει σε μια οικογένεια θεωριών που ονομάζεται κανονική κβαντική βαρύτητα και θεωρεί ότι ο χώρος και ο χρόνος είναι κβαντοποιημένος, να αποτελούνται, ακριβώς όπως και η ύλη, από ελάχιστες και διακριτές - δηλαδή, κβαντισμένες - ποσότητες.

Με την εμφάνιση της γενικής σχετικότητας, ο χώρος συνδυάστηκε και ενσωματώθηκε με το χρόνο, σε ένα ενιαίο αλλά παραμορφώσιμο από την ύπαρξη της ύλης και της ενέργειας, χωροχρόνο. Εν τω μεταξύ, στην κβαντική μηχανική, ο χωροχρόνος παραμένει καθορισμένος και σταθερός αλλά η ύλη γίνεται τώρα ακαθόριστη, δηλαδή οι τροχιές των σωματιδίων μπορούν να εκφραστούν μόνο ως νέφη πιθανοτήτων.

Σε μια θεωρία που θα συνδύαζε τα χαρακτηριστικά της κβαντικής θεωρίας και της βαρύτητας, ο χωροχρόνος θα έπρεπε να είναι και παραμορφώσιμος και 'συγκεχυμένος', και αυτό είναι πολύ δύσκολο να επιτευχθεί.

Στην LQG, το χωροχρονικό συνεχές αντικαθίσταται από έναν κόσμο ο οποίος στη μικρότερη κλίμακα του αποτελείται από μικροσκοπικά, αδιαίρετα «άτομα» χώρου και χρόνου. Στη νέα θεωρία το μήκος, η επιφάνεια και ο όγκος του χώρου δεν μπορούν να έχουν μέγεθος μικρότερο από κάποιες τιμές, οι οποίες προσδιορίζονται από το μήκος Planck, που ισούται περίπου με 10^-33 εκατοστά. Ενώ κάθε κβάντο χρόνου έχει μέγεθος που αντιστοιχεί στον χρόνο Planck: περίπου 10^-43 δευτερόλεπτα.

Για τους φυσικούς αυτές οι μονάδες Planck σηματοδοτούν και το απόλυτο όριο των γνώσεων που σήμερα κατέχουμε για την εξέλιξη του σύμπαντος, καθώς προσδιορίζουν την κλίμακα εκείνη κάτω από την οποία οι κλασικές ιδέες περί βαρύτητας και χωροχρόνου καταρρέουν. Περιγράφουν, με άλλα λόγια, μια «εποχή» (αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη) όπου η βαρύτητα ήταν ενοποιημένη με τις άλλες τρεις αλληλεπιδράσεις της φύσης.

Ο στοιχειώδης όγκος, ένα κβάντο όγκου, έχει μέγεθος της τάξης των 10^-99 κυβικών εκατοστών. Ένας κύβος ζάχαρης μεγέθους ενός κυβικού εκατοστού περιέχει περισσότερα κυβικά μήκη Planck απ' όσους τέτοιους κύβους ζάχαρης χωράει ολόκληρο το ορατό σύμπαν. Ή ένα και μόνο πικοδευτερόλεπτο - ίσο με ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου - περιέχει περισσότερους χρόνους Planck από το σύνολο των πικοδευτερολέπτων που έχουν περάσει από την απαρχή του σύμπαντος. Δεν είναι, λοιπόν, καθόλου περίεργο το ότι εμείς αντιλαμβανόμαστε το σύμπαν ως συνεχές, παρ' όλο που αυτό μπορεί να είναι κβαντισμένο.

Οι δύο κύριες θεωρίες για την ενοποίηση της σχετικότητας και της κβαντομηχανικής

Η LQG δεν είναι η μόνη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας είναι και η θεωρία των υπερχορδών που σήμερα είναι η επικρατέστερη για το σκοπό αυτόν. Στη θεωρία υπερχορδών, η συγχώνευση των δύο κορυφαίων θεωριών του 20ου αιώνα επιτυγχάνεται με την υπόθεση ότι οι θεμελιώδεις λίθοι της ύλης είναι μικροσκοπικές μονοδιάστατες χορδές, και ότι οι διάφορες ταλαντώσεις των χορδών, παίζουν το ρόλο των σωματιδίων, που παρομοιάζονται με τις μουσικές νότες των χορδών αυτών.

Αν και η θεωρία χορδών βρίσκει ένα τρόπο να ενσωματώσει την βαρύτητα σε μια κβαντική περιγραφή της ύλης, εντούτοις πολλοί φυσικοί πιστεύουν ότι έχει μειονεκτήματα τα οποία μας εμποδίζουν να την θεωρήσουμε ως τελική θεωρία. Για παράδειγμα, η θεωρία προϋποθέτει μέχρι και 10 χωρικές διαστάσεις, που είναι πολύ δύσκολο να τις ανακαλύψουμε πειραματικά. Και κάτι ακόμα πιο θεμελιακό, ενώ οι χορδές προσφέρονται για την περιγραφή της ύλης, οι ίδιες δεν εξηγούν τον χώρο μέσα στον οποίο αναπτύσσονται. Ένα άλλο μειονέκτημα της θεωρίας υπερχορδών είναι η έννοια της υπερσυμμετρίας - μιας βαθύτερης συμμετρίας, η οποία συνδέει τα μποζόνια και τα φερμιόνια. Σύμφωνα με αυτήν, σε κάθε φερμιόνιο που υπάρχει στη φύση αντιστοιχεί ένα υπερσυμμετρικό μποζόνιο και το αντίστροφο. Μέχρι τώρα δεν έχουν υπάρξει ενδείξεις για την ύπαρξη υπερσυμμετρικών σωματιδίων. 

Βλέπουμε, δηλαδή, ότι στη θεωρία χορδών όλα τα θεμελιακά σωματίδια της φύσης υπάρχουν ως αναπαράσταση των διαφορετικών καταστάσεων διέγερσης των χορδών. Οι χορδές αυτές ταλαντώνονται με τρόπο ανάλογο με τις ταλαντώσεις μιας χορδής βιολιού, αλλά μέσα σε ένα χώρο 10 ή 11 διαστάσεων. Οι τέσσερις από τις διαστάσεις αυτές είναι οι γνωστές τέσσερις του χωροχρόνου, ενώ οι υπόλοιπες είναι κρυφές (περιτυλιγμένες), όπως οι περιτυλιγμένες διαστάσεις της θεωρίας Kaluza - Klein, και για αυτό τον λόγο δεν γίνονται αντιληπτές μέσω άμεσης παρατήρησης.

Σε αντίθεση, η κβαντική βαρύτητα βρόχων (LQG), δεν απαιτεί παραπάνω ούτε κρυφές διαστάσεις. Οι τέσσερις όμως διαστάσεις δεν είναι συνεχείς αλλά κβαντισμένες. Σύμφωνα με τη θεωρία τα κβάντα του χωροχρόνου είναι οι βρόχοι, που αποτελούν το θεμελιακό της συστατικό και από τις ιδιότητες τους καθορίζονται τα γνωστά υποατομικά σωματίδια. Ο κόσμος, σύμφωνα με την προσέγγιση της κβαντικής βαρύτητας βρόχων, χαρακτηρίζεται από τη δομή ενός πλέγματος. Ο χώρος δεν είναι συνεχής αλλά παρουσιάζει δομή ανάλογη με αυτή ενός μάλλινου υφάσματος με χονδρούς κόμπους. Αντίστοιχα και ο χρόνος κυλά κατά απειροελάχιστα αλλά διακριτά βήματα, η περαιτέρω διαίρεση των οποίων δεν είναι ούτε εφικτή ούτε πρακτική.

Στην κβαντική βαρύτητα βρόχων, όπου ο χωροχρόνος είναι κβαντισμένος, το κβάντο του χώρου καθορίζεται από το μήκος Planck και το κβάντο του χρόνου από το χρονικό διάστημα που χρειάζεται το φως για να διανύσει ένα κβάντο χώρου.

Η κβαντική βαρύτητα βρόχων από την άλλη διατηρεί πολλά από τα σημαντικά χαρακτηριστικά της Γενικής Σχετικότητας, ενώ συγχρόνως υιοθετεί την κβαντοποίηση και του χώρου και του χρόνου στην κλίμακα Planck σύμφωνα με την παράδοση της κβαντομηχανικής. Η συγχώνευση των δύο θεωριών κατορθώνεται με την υπόθεση ότι ο ίδιος ο χώρος αποτελείται από κινητούς μικροσκοπικούς βρόχους.

Η γέννηση της κβαντικής βαρύτητας βρόχων

 O ερευνητής Lee Smolin, θεωρητικός φυσικός του Ινστιτούτου Perimeter στο Οντάριο του Καναδά, αποτελεί μια από τις πλέον γνωστές φυσιογνωμίες στον χώρο της ανάπτυξης και διατύπωσης μιας θεωρίας κβαντικής βαρύτητας. Εχοντας ήδη δεκαετίες ερευνητικής δραστηριότητας στον τομέα, έχει ζήσει και τις φάσεις των αρ-χικών ανυπέρβλητων, όπως φαινόταν τότε, προβλημάτων αλλά και τις πρόσφατες εποχές της ραγδαίας εξέλιξης και των εντυπωσιακών θεωρητικών πορισμάτων. Ως ένας από τους θεμελιωτές της κβαντικής βαρύτητας βρό-χων, είναι βασικό μέλος της ομάδας των ερευνητών οι οποίοι υποστηρίζουν ότι έχουν σημαντικές ενδείξεις για τη φύση όχι μόνο της ύλης, αλλά και της υφής του χωροχρόνου καθώς και της προέλευσης των φυσικών νό-μων. Οπως περιγράφει και ο ίδιος στο βιβλίο το οποίο έχει εκδώσει πρόσφατα σχετικά με την κβαντική βαρύ-τητα, οι απαρχές τις κβαντικής βαρύτητας βρόχων θα μπορούσαν να τοποθετηθούν χρονικά περί της αρχές τις δεκαετίας 1980 - 1990. Εκείνη την εποχή, ένας μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου, ο Amitaba Sen, δημοσίευσε δύο εργασίες του, στις οποίες προσπαθούσε να μορφοποιήσει μια κβαντική θεωρία με σημείο εκκίνησης τη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν. To ιδιαίτερα ενδιαφέρον σημείο της εργασίας του Sen ήταν πως είχε επιτύχει μια διατύπωση της θεωρίας της βαρύτητας του Αϊνστάιν μέσω ενός συστήματος ε-ξισώσεων απλούστερο και πιο καλαίσθητο από το αρχικό. Παρόλο που ορισμένοι ερευνητές του χώρου έδειξαν ενδιαφέρον για τη διατύπωση μιας κβαντικής θεωρίας της βαρύτητας μέσω των εξισώσεων του Sen, ο μόνος ο οποίος πραγματικά έκανε την προσπάθεια ήταν ο ερευνητής Abhay Ashtekar, ο οποίος σήμερα εργάζεται στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Pennsylvania στις ΗΠΑ.

H παρατήρηση αντικειμένων σε μεγάλες αποστάσεις από τη Γη αποτελεί ένα παράθυρο στο παρελθόν του Σύ-μπαντος λόγω της πεπερασμένης τιμής της ταχύτητας του φωτός. H παρατήρηση αυτή, προσφέρει στους ερευ-νητές την πρόσβαση στα γεγονότα τα οποία έλαβαν χώρα στον λεγόμενο «κώνο φωτός», την περιοχή δηλαδή αυτή του χωροχρόνου η οποία κα9ορίζεται από τη δυνατότητα παρατήρησης των φυσικών φαινομένων,
η οποία και πάλι εξαρτάται από την ταχύτητα του φωτός. Στις χρονικές φάσεις του αρχέγονου Σύμπαντος, η κατά πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα ύλης η οποία επικρατούσε πιστεύεται ότι θα επηρέαζε την τροχιά των φωτει-νών ακτινών με αποτέλεσμα τη μείωση του κώνου φωτός. H στιγμή της Μεγάλης Εκρηξης, σύμφωνα με
την «κλασική» Κοσμολογία, 9α αποτελούσε και ανυπέρβλητο όριο για την παρατήρηση και τους υπολογι-σμούς, μια προσέγγιση την οποία φαίνεται να καταρρίπτει η κβαντική Κοσμολογία βρόχων.

O Ashtekar, έχοντας και ο ίδιος ιδιαίτερα καλό μαθηματικό υπόβαθρο, διέκρινε τις δυνατότητες που προσέφε-ρε η προσέγγιση του Sen για μια επαναδιατυπωση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας με τρόπο που θα πλη-σίαζε πολύ τις κβαντικές θεωρίες πεδίων οι οποίες περιέγραφαν με επιτυχία τις άλλες τρεις θεμελιώδεις αλλη-λεπιδράσεις. Με τον τρόπο αυτό άρχισε να διαμορφώνεται μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας σε μορφή εργαλεί-ου το οποίο θα επέτρεπε την εκτέλεση υ πολογισμών και την εξαγωγή προβλέψεων για ποσότητες και φυσικά φαινόμενα αλλά και την ίδια τη δομή του χώρου και του χρόνου σε κλίμακες της τάξης μεγέθους του μήκους Planck.

H θεωρία βρισκόταν ακόμα σε αρχικό στάδιο και χρειάστηκαν αρκετά έτη επίπονης εργασίας αλλά και λα-μπρών εμπνεύσεων από μέρους ερευνητών όπως ο Lee Smolin και ο Carlo Rovelli του Μεσογειακού Πανεπι-στημίου της Μασσαλίας στη Γαλλία μέχρι να επιτευχθεί μια μορφοποίηση η οποία επέτρεπε τη διατύπωση προβλέψεων. To κρίσιμο σημείο το οποίο επέτρεψε την περαιτέρω εξέλιξη ήταν η θεώρηση από τους ερευνητές των βρόχων ως τα μόνα στοιχεία της θεωρίας τους τα οποία διαδραμάτιζαν ρόλο στους υπολογισμούς. Μέχρι εκείνη την περίοδο, οι ερευνητές προσπαθούσαν να διαμορφώσουν τη θεωρία κατά την οποία οι φυσικές της μεταβλητές περιελάμβαναν τόσο το βασικό δομικό στοιχείο (τους βρόχους) όσο και την εξάρτηση από το πεδίο γύρω τους. Ουσιαστικά οι επιστήμονες ήταν ακόμα εγκλωβισμένοι στη Βασική ιδέα της ανάγκης περιγραφής της διττής έννοιας του σωματιδίου και της αλληλεπίδρασης, που είχε λειτουργήσει με μεγάλη επιτυχία στην επεξήγηση πληθώρας άλλων φυσικών συστημάτων. H Βασική συνεισφορά του Rovelli ήταν η διαπίστωση ότι δεν χρειάζεται η περιγραφή των πεδίων καθώς οι φυσικές ιδιότητες των Βρόχων μπορούν, πέρα από την περι-γραφή του κΒαντισμένου χώρου και χρόνου, να περιγράψουν και τα σωματίδια. Τον μαθηματικό φορμαλισμό για την παραπάνω θεώρηση προσέφερε η προσέγγιση της κβαντικής θεωρίας από τον θεωρητικό φυσικό Chris lsham του Imperial College του Λονδίνου στην Αγγλία και μέντορα του Rovelli.

Σύμφωνα λοιπόν με τη σημερινή διαμόρφωση της κβαντικής βαρύτητας βρόχων, από το κβάντο του χώρου, τον βρόχο, προκύπτουν τα υποατομικά σωματίδια ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο ο βρόχος αυτός είτε περι-στρέφεται γύρω από τον εαυτό του παραμορφώνοντας το «βασικό» του σχήμα, είτε αλληλεπιδρά με άλλους Βρόχους. Μέσω της προσέγγισης αυτής, δηλαδή, τα σωματίδια της φύσης αποτελούν ουσιαστικά «παραμορ-φώσεις» του Βασικού δομικού στοιχείου του ίδιου του χώρου αλλά και αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεων με-ταξύ αυτών. Στο πλαίσιο της μηχανιστικής εικόνας που έχει αναπόφευκτα παγιωθεί από την προσπάθεια ανα-παράστασης των υλικών κυρίως σωματιδίων, η παραπάνω εικόνα φαίνεται ιδιαίτερα δυσνόητη. Τη μηχανιστική όμως εικόνα ενός σωματιδίου την έχει ήδη καταστήσει άνευ νοήματος η έλευση της Κβαντομηχανικής. H πα-ρούσα θεώρηση απλά προωθεί το εγχείρημα ακόμα περισσότερο, ανάγοντας τη φυσική ύπαρξη ενός σωματιδί-ου στις ιδιότητες οι οποίες το χαρακτηρίζουν χωρίς καμία μηχανιστική αναπαράσταση. Καθώς οι ιδιότητες ενός σωματιδίου προσδιορίζονται από τις αλληλεπιδράσεις του με το περιβάλλον, μια θεωρία που μπορεί να περι-γράψει τις αλληλεπιδράσεις του σωματιδίου, έχει ουσιαστικά περιγράψει και το ίδιο.

H ταυτοποίηση των παραμορφώσεων και των συμπλεγμάτων των βασικών δομικών στοιχείων της θεωρίας με τα σωματίδια της φύσης, δεν ήταν κάτι το οποίο έλαβε χώρα άμεσα ή χωρίς επίπονους υπολογισμούς και θεω-ρήσεις. Οπως χαρακτηριστικά αναφέρει ο Smolin, ήδη από το 1987 οι ερευνητές στον χώρο ήταν γνώστες των δυνατοτήτων σύμπλεξης των βασικών δομών οι οποίες προβλέπονταν από τον μαθηματικό φορμαλισμό της θε-
ωρίας αλλά δεν είχαν την ευχέρεια συσχετισμού τους με κάποιο φυσικό σύστημα ή οντότητα. Από το 2004 όμως εμφανίζεται στο προσκήνιο της θεωρίας και ο θεωρητικός φυσικός στοιχειωδών σωματιδίων Sundance Bilson - Thomson από το Πανεπιστήμιο της Αδελαϊδας στην Αυστραλία. O Bilson - Thomson, στην προσπά-θεια του να κατανοήσει καλύτερα τη φύση των θεμελιακών σωματιδίων της σωματιδιακής Φυσικής, ανέσυρε και ανέπτυξε περαιτέρω ορισμένα φυσικά μοντέλα τα οποία είχαν παρουσιαστεί κατά τη διάρκεια της δεκαετί-ας 1970 - 1980. Τα μοντέλα αυτά βασίζονταν στην υπόθεση της ύπαρξης βασι κότερων φυσικών οντοτήτων απο τα σωματίδια τα οποία θεωρούνται θεμελιακά στη σωματιδιακή Φυσική σήμερα, τα πρε-όνια. Για την α-ποφυγή των προβλημάτων τα οποία είχαν οδηγήσει στην απόρριψη των μοντέλων αυτών στο παρελθόν, ο Bilson - Thomson εγκατέλειψε την εικόνα των πρεονίων ως υλικών σωματιδίων και επικεντρώθηκε στον τρόπο αλληλεπίδρασης τους. H ιδέα του ήταν να προσδιορίσει τη φύση των πρεονίων μέσω των αλληλεπιδράσεων τους. Κεντρικό σημείο στην προσέγγιση αυτή ήταν η υπόθεση πως τα πρεόνια δεν ήταν σημειακά σωματίδια αλλά πως τα χαρακτήριζε μήκος και πλάτος. H εικόνα την οποία συνέλαβε ο Bilson - Thomson για τα πρεόνια έμοιαζε περισσότερο με αυτή μιας κορδέλας η οποία μπορούσε να αλληλεπιδράσει με άλλη κορδέλα αν τυλισ-σόταν η μία γύρω από την άλλη. Επιπλέον υπέθεσε πως οι «κορδέλες» αυτές είχαν τη δυνατότητα να στρεβλω-θούν με φορά ίδια ή αντίθετη από αυτή των δεικτών του ρολογιού κατά μήκος τους. Κάθε τέτοια στρέβλωση θα προσέδιδε ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου ίση με το ένα τρίτο του φορτίου του ηλεκτρονίου στο πρεόνιο και πρόσημο που θα καθοριζόταν από τη φορά της στρέβλωσης. Με τις παραδοχές αυτές, ο Bilson -Thomson πέτυ-χε την αντιστοίχιση των υ-ποατομικών σωματιδίων στους συνδυασμούς και τις τοπολογικές ιδιότητες των πρε-ονίων.

Οπως φαίνεται και στις σχετικές εικόνες, το απλούστερο πλέγμα από τα πρεόνια - κορδέλες όπως τα οραματί-στηκε ο Bilson - Thomson αντιστοιχίζεται με το νετρίνο ηλεκτρονίου. Μέσω κατοπτρικού μετασχηματισμού παράγεται το αντι-νετρίνο ηλεκτρονίου. Με την πρόσθεση τριών στρεβλώσεων προκύπτει το ηλεκτρόνιο ή το ποζιτρόνιο (ανάλογα με τη φορά των στρεβλώσεων). Με ανάλογο τρόπο μπορούν να αντιστοιχιστούν όλα τα υποατομικά σωματίδια του Πρότυπου Μοντέλου. Πέρα όμως από τη σημειολογική επιτυχία της εργασίας του Bilson -Thomson, παρέμενε το γεγονός ότι ο ίδιος δεν γνώριζε τίποτε για τη φύση των πρεονίων. Μετά τη δη-μοσίευση ενός σχετικού άρθρου, τα αποτελέσματα του Bilson -Thomson έγιναν γνωστά στον Smolin και γενι-κότερα στους ερευνητές του χώρου της κβαντικής βαρύτητας βρόχων. Αναπόφευκτα, η πιθανή φύση των πρεο-νίων ως βρόχων του ίδιου του χωροχρόνου συνδυάστηκε με τη μέθοδο η οποία θα μπορούσε να ερμηνεύσει τον τρόπο με τον οποίο οι βρόχοι παραμορφώνονται και συνδυάζονται για να δημιουργήσουν τις φυσικές οντότητες που οι ερευνητές γνωρίζουν ως υποατομικά σωματίδια.

Μέχρι σήμερα οι ερευνητές έχουν κατορθώσει να αναπαράγουν ορισμένες μόνο από τις ιδιότητες των υποατο-μικών σωματιδίων του Πρότυπου Μοντέλου. O πιο μεγαλεπήβολος στόχος είναι η πρόβλεψη των σωματιδια-κών μαζών, κάτι που επιχειρείται και μέσω του φορμαλισμού της θεωρίας χορδών τα τελευταία 20 έτη, χωρίς όμως επιτυχία. Αλλά και στον χώρο της περιγραφής των βαρυτικών αλληλεπιδράσεων υπάρχουν αρκετοί επί-πονοι έλεγχοι τους οποίους πρέπει να περάσει η νέα θεωρία.

Απεικόνιση του τρόπου με τον οποίο οι στρεβλώσεις και ο συνδυασμός των κβάντων του χώρου μπορούν, σύμφωνα με την κβαντική βαρύτητα βρόχων, να δώσουν φυσική πραγματικότητα σε ένα υποατομικό σωματί-διο. To σχήμα αναπαριστά την αλληλεπίδραση ανάμεσα σε βρόχους η οποία διαθέτει τις τοποΛο,Ίκές ιδιότητες που οδηγούν στην ταύτιση του με το σωματίδιο γνωστό ως νετρίνο μιονίου.

Οι αποδεκτές θεωρίες περιγραφής της βαρύτητας οι οποίες έχουν προηγηθεί χρονικά της κβαντικής βαρύτητας, δηλαδή ο νόμος της παγκόσμιας έλξης και η περιγραφή της βαρύτητας μέσω της γενικής θεωρίας της σχετικό-τητας, αποτελούν αναγκαίες συνθήκες ελέγχου για κάθε νέα υποψήφια θεωρία σχετική με την περιγραφή της βαρύτητας. Τόσο η παγκόσμια έλξη όσο και η γενική σχετικότητα υποστηρίζονται από τεράστια ποσότητα πει-ραματικών δεδομένων εντός του πεδίου εφαρμογής τους. Για τον λόγο αυτό, από τη θεωρία της κβαντικής βα-ρύτητας βρόχων θα πρέπει να προκύπτουν οι δύο παραπάνω θεωρίες υπό συγκεκριμένες συνθήκες πριν να θε-ωρηθεί αυτή ως σοβαρός υποψήφιος για την πληρέστερη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας και όχι μόνον. Κα-θώς ένα από τα κεντρικά σημεία της κβαντικής βαρύτητας βρόχων είναι ο ορισμός του ίδιου του χωροχρόνου ως κβαντισμένη ποσότητα και η ταυτοποίηση των τοπολογικών του ιδιοτήτων με τα καθημερινά φυσικά φαι-νόμενα, μια προσέγγιση δηλαδή η οποία διαφέρει κατά βάση από τις προηγούμενες θεωρίες, η διαδικασία εκ-μαίευσης των παλαιότερων θεωριών βαρύτητας μέσα από τον φορμαλισμό δεν αποτελεί κάτι το τετριμμένο. Πρόσφατα όμως ο Carlo Rovelli με την αρωγή και άλλων ερευνητών του χώρου, κατόρθωσε να δείξει πως ο νόμος της παγκόσμιας έλξης του Νεύτωνα προκύπτει με φυσικό τρόπο από την κβαντική βαρύτητα βρόχων. Πρόκειται για ένα ιδιαίτερα σημαντικό αποτέλεσμα το οποίο επιτρέπει τις κοσμολογικές προεκτάσεις της θεω-ρίας, έχοντας μια σταθερή βάση στήριξης. Οσον αφορά τους συσχετισμούς με τη γενική σχετικότητα, έχει επι-τευχθεί σημαντική πρόοδος παρόλο που ορισμένα αποτελέσματα, όπως η καμπύλωση του χώρου γύρω από με-γάλες μάζες, δεν μπορούν ακόμα να ερμηνευθούν με ικανοποιητικό τρόπο μέσω της νέας θεωρίας.

Οπως και σε κάθε θεωρητική προσέγγιση της κβαντικής βαρύτητας ή και της Θεωρίας των Πάντων, έτσι και η κβαντική βαρύτητα βρόχων δεν μπορεί να προσφέρει εύκολα προβλέψεις οι οποίες να είναι δυνατόν να επαλη-θευθούν πειραματικά. Πρωταρχικός λόγος για αυτό είναι η αδυναμία των πειραματικών διατάξεων να παρατη-ρήσουν δομές με μέγεθος της τάξης του μήκους Planck. Σε αντίθεση με τον μικρόκοσμο, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι πιθανότητες επιβεβαίωσης της κβαντικής βαρύτητας βρόχων μέσω παρατηρήσεων σε κοσμι-κές κλίμακες. Οι ερευνητές, ανάμεσα στους οποίους και η Φωτεινή Μαρκοπούλου από το Ινστιτούτο Perimeter στο Οντάριο του Καναδά, επικεντρώνουν τις προσπάθειες τους στην αναγνώριση χαρακτηριστικών της κοσμι-κής ακτινοβολίας υποβάθρου τα οποία θα υποστήριζαν την προσέγγιση της κβαντικής βαρύτητας βρόχων.

Η ατινοβολία αυτή, στο μικροκυματικό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, αποτελεί κατάλοιπο των φυ-σικών διεργασιών του αρχέγονου Σύμπαντος και της εποχής της Μεγάλης Εκρηξης οπότε η ύλη στο Σύμπαν ήταν συγκεντρωμένη σε ιδιαίτερα μικρό χώρο. Υπό αυτές τις συνθήκες, καθαρά κβαντικά φαινόμενα λάμβαναν χώρα στο Σύμπαν με μεγάλη συχνότητα, η ελπίδα δε των ερευνητών για την επιβεβαίωση της θεωρίας επικε-ντρώνεται στον ρόλο που θα έπρεπε να διαδραματίζει τότε η κβάντωση του χωροχρόνου. H επικέντρωση όμως του ενδιαφέροντος των ερευνητών του χώρου της κβαντικής βαρύτητας βρόχων στην Κοσμολογία του αρχέγο-νου Σύμπαντος είχε αναπάντεχα και ιδιαίτερα ενδιαφέροντα αποτελέσματα.

Περαιτέρω απεικονίσεις σωματιδίων μέσω της περιγραφής των στρεβλώσεων και αλληλεπιδράσεων βρόχων στην κβαντική βαρύτητα βρόχων. Κά9ε πλήρης στρέβλωση του βρόχου (η οποία απεικονίζεται με πορτοκαλί χρώμα) αντιστοιχεί με + 1/3 ή -1/3 της μονάδας του ηλεκτρικού φορτίου, ανάλογα με τη φορά της στρέβλωσης. Ta διαγράμματα αντιστοιχούν στην πρώτη οικογένεια των υποατομικών σωματιδίων του Πρότυπου Μοντέλου της σωματιδιακής Φυσικής.
 

Η αρχική προσέγγιση του Lee Smolin με τη θεωρία

Η αφετηρία της θεωρίας ήταν η σχέση μεταξύ της βαρυτικής δύναμης και της στρέβλωσης του χωροχρόνου, την οποία περιέγραψε ο Αϊνστάιν στη γενική θεωρία της σχετικότητας. Σύμφωνα μ' αυτήν, η βαρυτική δύναμη οφείλεται στη στρέβλωση ή καμπύλωση του χωροχρόνου, την οποία προκαλεί η παρουσία της ύλης στο σύμπαν. Όπως το έθεσε πολύ όμορφα ο φυσικός John Wheeler: "Η ύλη λέει στο χώρο πώς να καμπυλώνεται και ο χώρος λέει στην ύλη πώς να κινείται".

Αν φανταστεί κανείς τον χωροχρόνο σαν ένα γιγάντιο τεντωμένο πανί, τα άστρα, οι πλανήτες και κάθε άλλο αντικείμενο με μάζα στρεβλώνουν και καμπυλώνουν την επιφάνεια του. Εάν ένα αντικείμενο βρεθεί στο χείλος της καμπύλωσης, θα κυλήσει αυτόματα προς το σώμα που καμπύλωσε το χωροχρόνο, σαν να υπάρχει μια αόρατη δύναμη που το τραβάει προς τα εκεί. Ένας τρόπος για να περιγράψουμε τις καμπυλώσεις αυτές με μαθηματικούς όρους είναι να προσεγγίσουμε την επιφάνεια σαν ένα ψηφιδωτό που αποτελείται από πολλές μικρότερες επιφάνειες, οι οποίες θα κλίνουν προς ελαφρώς διαφορετικές διευθύνσεις. Όσο πιο μικρές είναι οι «ψηφίδες» αυτές, τόσο καλύτερα μπορούν η επιφάνεια και το «μωσαϊκό» να συμπέσουν.

Αυτή ακριβώς ήταν και η ιδέα του Lee Smolin καθώς και του Carlo Roveli του Kέντρου για τη Θεωρητική Φυσική της Μασσαλίας. Εάν κατόρθωναν να αποδείξουν ότι οι ψηφίδες δε θα μπορούσαν να τεμαχίζονται επ' άπειρον, τότε ο χωροχρόνος - και η βαρυτική δύναμη μαζί μ' αυτόν - θα ήταν κβαντισμένος. Αντίθετα, αν η κατάτμηση θα μπορούσε να συνεχίζεται επ' άπειρον, η ιδέα περί κβαντισμένου χωροχρόνου θα έπρεπε να απορριφθεί.

Τελικά η μεθοδολογία αυτή οδήγησε σε έναν κβαντισμένο χώρο, αποτελούμενο από μικρά κομμάτια με μήκος ακμής ίσο με ένα μήκος Planck, τα οποία εκπροσωπούν επιπλέον την κβαντική κατάσταση της βαρυτικής δύναμης. Ας κρατήσουμε, ωστόσο, στην άκρη του μυαλού μας ότι, όταν λέμε πως ο. χώρος στην LQG είναι κβαντισμένος, δεν εννοούμε απλά ότι αποτελείται από έναν πολύ μεγάλο αριθμό μικρών κύβων σαν κι αυτούς που προαναφέραμε. Η απάντηση είναι πολύ πιο πολύπλοκη και δεν μπορεί να περιγραφεί χωρίς τη χρήση του απαραίτητου μαθηματικού φορμαλισμού. Είναι, όμως, μια προσέγγιση.

Ο ιστός του χώρου είναι ένα δίκτυο σπιν με γραμμές και κόμβους (τελείες). Ο μικρότερος όγκος 10^-99 εκατοστά αντιστοιχεί σε ένα κόμβο που το φως θέλει χρόνο 10^-43 δευτερόλεπτα για να τον διασχίσει. Μεταξύ των κόμβων και πάνω στις γραμμές τοποθετούνται σύμβολα που αναπαριστούν ή τις δυνάμεις της φύσης, όπως πχ η δύναμη της βαρύτητας, ή διάφορα σωματίδια που βρίσκονται εκεί. Η κίνηση σωματιδίων στο χώρο απεικονίζεται με αυτά τα σύμβολα να μετακινούνται με το μικρότερο δυνατό βήμα. Ο κβαντικός χωρόχρονος περιγράφεται από αντίστοιχα διαγράμματα, που ονομάζονται αφροί σπιν.  

Αυτό το αραχνοΰφαντο δίχτυ από μικροσκοπικές ψηφίδες του Smolin είναι εντελώς χαοτικό. Για να το περιγράψουν, οι ερευνητές επινόησαν ένα νέο τρόπο απεικόνισης του, ο οποίος προσφέρει πολύ ευκολότερο μαθηματικό χειρισμό. Σύμφωνα μ' αυτόν, κάθε μικρό «κομμάτι» χώρου, για παράδειγμα ένας κύβος, απεικονίζεται σαν μια τελεία, από την οποία προεξέχουν 6 γραμμές, που συμβολίζουν τις έδρες του. Όταν δύο τέτοιοι κύβοι εφάπτονται, τότε παριστάνονται με δύο τελείες που ενώνονται με μία γραμμή (η οποία συμβολίζει την κοινή τους έδρα), ενώ άλλες 5 γραμμές προεξέχουν από την κάθε τελεία.

Είναι προφανές το πόσο πολύπλοκοι μπορούν να γίνουν τέτοιοι συνδυασμοί, οι οποίοι, εκτός από κύβους, μπορεί να περιλαμβάνουν και κάθε άλλο πολυεδρικό σχήμα. Τα μαθηματικά που περιγράφουν τις διάφορες κβαντικές καταστάσεις του χώρου προσδιορίζουν τον τρόπο με τον οποίο ενώνονται κάθε φορά μεταξύ τους αυτές οι τελείες και οι γραμμές - και κάθε τέτοιο διάγραμμα αντιπροσωπεύει και μια διαφορετική κβαντική κατάσταση. Επιπλέον, για να γίνουν τα πράγματα ακόμη πιο πολύπλοκα, τα διαγράμματα αυτά που σχεδιάζουν οι θεωρητικοί σε δύο διαστάσεις θα πρέπει να τα φαντάζονται ως τρισδιάστατα, γιατί τον τρισδιάστατο χώρο αντιπροσωπεύουν. Όλο αυτό το πολύπλοκο κουβάρι σχηματίζει ένα τεράστιο δίκτυο, το λεγόμενο «δίκτυο σπιν».  Ο πρώτος που συνέλαβε την ιδέα των δικτύων των σπιν ως αφηρημένων όμως γραφημάτων, ήταν ο Άγγλος μαθηματικός Roger Penrose κατά την δεκαετία του 60.

Τα δίκτυα σπιν που περιγράφουν το χώρο στην LQG μπορούν, ακόμη, να συμπεριλάβουν και την έννοια του χωροχρόνου: Με την προσθήκη μιας νέας διάστασης - του χρόνου -, οι γραμμές των δικτύων σπιν μετατρέπονται σε δισδιάστατες επιφάνειες, ενώ τα σημεία μεταβάλλονται σε γραμμές, σχηματίζοντας ένα ακόμη πιο πολύπλοκο μωσαϊκό, το οποίο αποκαλείται «αφρός σπιν» (spin foam).

Η προσέγγιση της Φωτεινής Μαρκοπούλου με την LQG

Η Φωτεινή Μαρκοπούλου προσέγγισε τον επιπλέον χώρο της LQG με το εξής σκεπτικό: Γιατί να μην αρχίσουμε με τα δίκτυα σπιν του Penrose (τα οποία δεν είναι εμβαπτισμένα σε άλλο προϋπάρχοντα χώρο), να εισάγουμε μερικά από τα αποτελέσματα της LQG, και να δούμε τι βγαίνει;

Το αποτέλεσμα ήταν δίκτυα που δεν "κατοικούν" μέσα στο χώρο και δεν είναι φτιαγμένα από ύλη. Αντίθετα μάλλον, η ειδική αρχιτεκτονική τους γεννά το χώρο και την ύλη. Στην εικόνα αυτή δεν υπάρχουν αντικείμενα, παρά μόνο γεωμετρικές σχέσεις. Ο χώρος παύει να είναι ένας τόπος όπου συμβαίνει η κίνηση των σωματιδίων, αλλά αντίθετα γίνεται ένα καλειδοσκόπιο συνεχών αλλαγών δομών και διαδικασιών.

Κάθε δίκτυο σπιν θυμίζει ένα στιγμιότυπο, μια "παγωμένη" στιγμή του Σύμπαντος. Τα δίκτυα των σπιν εξελίσσονται και αλλάζουν με βάση απλούς μαθηματικούς κανόνες, και γίνονται μεγαλύτερα και πιο πολύπλοκα, καθώς προοδευτικά αναπτύσσονται προς τον χώρο μεγάλης κλίμακας μέσα στον οποίο κατοικούμε.

ΚΩΝΟΙ ΦΩΤΟΣ, δημιουργούνται από το γράφημα της τροχιάς του φωτός σε συνάρτηση με το χρόνο. Ο τρισδιάστατος χώρος εδώ έχει απλουστευτεί μόνο σε δύο διαστάσεις, ορίζει όλες τις παρελθοντικές και μελλοντικές συνδέσεις ενός γεγονότος.

Ακολουθώντας αυτή την εξέλιξη, η Μαρκοπούλου-Καλαμάρα μπορεί να εξηγήσει τη δομή του χωροχρόνου. Πιο συγκεκριμένα, ισχυρίζεται ότι οι αφηρημένοι βρόχοι μπορούν να παράγουν μερικά από τα πιο διακριτά χαρακτηριστικά της θεωρίας του Einstein. Δηλαδή τους κώνους φωτός, τις περιοχές του χωροχρόνου όπου το φως ή οτιδήποτε άλλο σωμάτιο μπορεί να φτάσει σε κάποιο γεγονός. Οι κώνοι φωτός μας λένε ότι η αιτία προηγείται του αποτελέσματος. Μπορούμε ν' αντιληφθούμε αυτό το συμπέρασμα όταν κοιτάζουμε προς τα επάνω, στον ουρανό, και γνωρίζουμε ότι υπάρχουν αναρίθμητα άστρα που δεν μπορούμε να δούμε γιατί δεν έχει περάσει ακόμα αρκετός χρόνος από τη γέννηση του Σύμπαντος, για να φτάσει το φως τους ως εμάς. Είναι δηλαδή έξω από τον δικό μας κώνο φωτός.

Δεν είναι ωστόσο προφανές, πώς οι κώνοι φωτός εμπλέκονται στα δίκτυα των σπιν. Τα δίκτυα αυτά υπόκεινται στους νόμους της κβαντομηχανικής. Σ' αυτή τη θαυμαστή χώρα της αβεβαιότητας, κάθε δίκτυο έχει τη δυνατότητα να εξελίσσεται σε άπειρα καινούργια, χωρίς να είναι αναγκασμένο να υπακούει στην αιτιότητα. Όμως η Μαρκοπούλου-Καλαμάρα βρήκε ότι με το να βάλει κώνους φωτός στους κόμβους των δικτύων, η εξέλιξή τους έγινε πεπερασμένη και η αιτιότητα διατηρήθηκε.

Ένα δίκτυο σπιν όμως αναπαριστάνει ολόκληρο το Σύμπαν, και αυτό δημιουργεί ένα μεγάλο πρόβλημα. Σύμφωνα με την καθιερωμένη ερμηνεία της κβαντομηχανικής, τα αντικείμενα παραμένουν σε ένα καθεστώς πιθανοτήτων μέχρις ότου γίνει κάποια μέτρηση. Αλλά κανείς παρατηρητής δεν μπορεί να βρεθεί ο ίδιος έξω από το Σύμπαν και να παρατηρεί μέσα σ' αυτό.

Πώς μπορεί τότε να υπάρχει το Σύμπαν;

"Ποιος κοιτάζει στο Σύμπαν;" αναρωτήθηκε η Φωτεινή Μαρκοπούλου. Και η απάντηση της ίδιας είναι: "Εμείς κοιτάζουμε. Το Σύμπαν περιέχει τους παρατηρητές του στο εσωτερικό που παριστάνονται ως κόμβοι στο δίκτυο."

Η ιδέα της είναι ότι για να χρωματίσεις ολόκληρη τη μεγάλη εικόνα, δεν χρειάζεσαι ένα ζωγράφο μόνο, αλλά πολλούς. Ειδικότερα, η ίδια αναγνωρίζει ότι οι κώνοι φωτός που έστησε για να εισάγει την αιτιότητα στον κβαντικό χωροχρόνο, θα μπορούσαν να προσδιορίσουν την προοπτική κάθε παρατηρητή.

Και επειδή η ταχύτητα του φωτός είναι πεπερασμένη, ο καθένας μπορεί να δει μόνο μια περιορισμένη φέτα του Σύμπαντος. Η θέση μας μέσα στον χωροχρόνο είναι μοναδική, κι έτσι η φέτα μας είναι ελαφρώς διαφορετική από τη φέτα οποιουδήποτε άλλου. Αν και δεν υπάρχει παρατηρητής που να έχει πρόσβαση σε όλη την πληροφορία μέσα στο Σύμπαν, μπορούμε παρόλα αυτά να κατασκευάσουμε ένα πορτραίτο του Σύμπαντος βασισμένο στη μερική πληροφορία που μπορούμε να λαμβάνουμε.

Όσοι κάνουν κριτική στην LQG λένε ότι είναι μια θεωρία της βαρύτητας και τίποτα περισσότεροι, αν και όπως είδαμε μερικοί θεωρητικοί της LQG έχουν προσπαθήσει να δείξουν ότι η θεωρία αυτή μπορεί να περιγράψει επίσης και την ύλη.

Οι θεωρητικοί υποστηρίζουν ότι η θεωρία βρόχων δεν είναι απαραίτητο να εισαγάγει πρόσθετες διαστάσεις και σωματίδια, όπως απαιτούνται από τη θεωρία υπερχορδών. Επίσης, ένα άλλο προτέρημα της LQG είναι ότι δεν πάσχει από κάποιους μαθηματικούς απειρισμούς. Οι απειρισμοί αυτοί αντιστοιχούν στους πολυάριθμους εναλλακτικούς τρόπους με τους οποίους μπορεί να πραγματοποιηθεί μια αλληλεπίδραση μεταξύ 2 σωματιδίων στον χωροχρόνο, με ανταλλαγή βεβαίως άλλων σωματιδίων φορέων της αλληλεπίδρασης. Αυτό το προτέρημα της θεωρίας αναιρεί μερικές αμφιβολίες ως προς τη χρησιμότητα της θεωρίας.

Οι θεωρητικοί της LQG υποστηρίζουν επίσης ότι η θεωρία προσφέρει σε γενικές γραμμές περισσότερες ελέγξιμες προβλέψεις, όπως πχ η ιδέα των κβαντισμένων περιοχών επιφάνειας (Ο χώρος δηλαδή αποτελείται από διακριτές περιοχές και υπάρχει μια ελάχιστη κλίμακα μεγέθους των περιοχών του χώρου).

Επίσης, γίνεται η πρόβλεψη ότι ο κβαντισμένος χωροχρόνος μπορεί να εκδηλωθεί μέσα από μια μικρή διαφορά στην ταχύτητα του φωτός για τα διαφορετικά χρώματα. Ένα πείραμα που θα μπορούσε να επαληθεύσει τη θεωρία αυτή είναι η παρακολούθηση της πορείας των φωτονίων ακτίνων-γ που έρχονται από δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Αν ο χωροχρόνος είναι πραγματικά διακριτός, τότε τα διαφορετικά φωτόνια θα ταξιδεύουν με ελαφρά διαφορετικές ταχύτητες, που εξαρτώνται από το μήκος κύματός τους.

Η νέα έκδοση της βαρύτητας βρόχων που μελετάται από τον Rovelli και τους συναδέλφους του απεικονίζει τον χωροχρόνο ως αφρώδες μέσον. Τα σημεία στον χώρο αυξάνονται μερικές φορές και γίνονται φυσαλίδες. Οι φυσαλίδες αυτές δεν είναι μέσα στον χώρο, αλλά αποτελούν τον ίδιο το χώρο.

Πλεονεκτήματα και δοκιμή της θεωρίας

Σύμφωνα με τους υποστηρικτές της, η κβαντικής βαρύτητας βρόχων πλεονεκτεί σημαντικά σε σχέση με τη θεωρία των υπερχορδών. Κι αυτό γιατί, πρώτον, δεν απαιτεί περισσότερες από τις τέσσερις γνωστές διαστάσεις και, δεύτερον, είναι δυνατόν να αποδειχθεί πειραματικά.

Εικόνα που δείχνει ένα δίκτυο σπιν με γραμμές και κόμβους μέσα στους οποίους ταξιδεύουν φωτόνια ακτίνων γ σε διαφορετικές διαδρομές

Η νέα θεωρία προβλέπει, για παράδειγμα, ότι όσο μεγαλύτερη ενέργεια έχει η ακτινοβολία γ, τόσο γρηγορότερα διασχίζει το διάστημα. Δηλαδή φαίνεται σαν να μην ταξιδεύουν οι ακτίνες με την ίδια ταχύτητα. Αν και η διαφορά αυτή είναι απειροελάχιστη, μπορεί να μετρηθεί με την τεχνολογία που διαθέτουμε σήμερα.

Τον Οκτώβριο του 2007, η NASA θα εκτοξεύσει το δορυφόρο GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), ο οποίος θα μελετήσει εκπομπές ακτινοβολίας γ από πηγές που απέχουν δισεκατομμύρια έτη φωτός από εμάς. Οι εκρήξεις από τις πηγές αυτές εκπέμπουν ακτίνες γ με διαφορετικά μήκη κύματος (πχ κόκκινη και μπλε ακτίνα στο σχήμα). Σύμφωνα με την κβαντική βαρύτητα βρόχων οι δύο ακτίνες θα ταξιδέψουν με ελάχιστα διαφορετικές ταχύτητες αφού κινούνται σε διαφορετικούς δρόμους μέσα στον χωροχρόνο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα ότι έστω κι αν ξεκινήσουν ταυτόχρονα να μην φτάσουν στο δορυφόρο GLAST ταυτόχρονα.  Και καθώς τα φωτόνια από τις βίαιες αυτές ενεργειακές εκρήξεις θα έχουν ταξιδέψει στο σύμπαν για τόσο μεγάλο χρονικό διάστημα, θα πρέπει να υπάρχει μια μετρήσιμη απόκλιση στο χρόνο άφιξης τους, ανάλογα με την ενέργεια τους. Κι αυτό μπορεί να σημαίνει ότι η κβαντική βαρύτητα βρόχων είναι σωστή.

Εκτός όμως από το πείραμα GLAST και το πείραμα AUGER που γίνεται στην Αργεντινή για την έρευνα της κοσμικής ακτινοβολίας, θα βοηθήσει στην πειραματική επαλήθευση της κβαντικής βαρύτητας βρόχων.

Ωστόσο, ορισμένοι επιστήμονες πιστεύουν πως η θεωρία LQG έχει ήδη επαληθευτεί μέσα από παρατηρήσεις των επονομαζόμενων κοσμικών ακτινών. Είναι γνωστό, για παράδειγμα, ότι η Γη βομβαρδίζεται συνεχώς από πρωτόνια, η ενέργεια των οποίων θεωρητικά δε θα έπρεπε να υπερβαίνει ένα συγκεκριμένο όριο, αφού πάνω από αυτό τα πρωτόνια θα αλληλεπιδρούσαν κατά τέτοιον τρόπο με την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, που δε θα έφταναν ποτέ στη Γη. Περιέργως, το ιαπωνικό πείραμα AGASA εντόπισε κοσμικές ακτίνες με ενέργεια υψηλότερη από το δεδομένο όριο.

Στο πλαίσιο της Κβαντικής Βαρύτητας Βρόχων, αυτό δεν αποτελεί πρόβλημα, καθώς η κβαντισμένη δομή του χώρου καθιστά εφικτή την αύξηση του ορίου που προαναφέρθηκε, επιτρέποντας έτσι σε υψηλότερης ενέργειας πρωτόνια να φτάσουν στη Γη. Εάν οι παρατηρήσεις του AGASA δε διαψευστούν και εάν δε βρεθεί κάποια εναλλακτική εξήγηση, ίσως πράγματι η ασυνέχεια του χώρου να έχει ήδη επιβεβαιωθεί. Σίγουρα, όμως, εάν ο δορυφόρος GLAST καταφέρει να ανιχνεύσει μια διαφορά στο χρόνο άφιξης των ακτινών γ, θα προσφέρει στη θεωρία Κβαντικής Βαρύτητας Βρόχων ένα πολύ ισχυρό έρεισμα.

Η θεωρία της κβαντικής βαρύτητας βρόχων και κοσμολογία

• 1. Η LQG και η ιδιομορφία στο Big Bang

Το 2006 ο Abhay Ashtekar σε μια εργασία του υποστήριξε ότι σύμφωνα με την κβαντική βαρύτητα βρόχων,  αποφεύγεται η ιδιομορφία της Μεγάλης Έκρηξης. Αυτό που βρήκε ήταν ότι πριν το Big Bang υπάρχε ένα άλλο σύμπαν που κατάρρευσε. Δεδομένου ότι η βαρύτητα γίνεται απωθητική κοντά στην πυκνότητα Planck σύμφωνα με τις προσομοιώσεις τους, το γεγονός αυτό οδήγησε σε μια "Μεγάλη Αναπήδηση" (η κατάρρευση ρου προηγούμενου σύμπαντος οδήγησε στην Έκρηξη του νέου) και τη γέννηση του σημερινού Κόσμου.

• 2. Η LQG και το καθιερωμένο μοντέλο

Προτάθηκε πρόσφατα ότι η κβαντική βαρύτητα βρόχων μπορεί να είναι σε θέση να αναπαραγάγει το καθιερωμένο μοντέλο. Μέχρι τώρα μόνο η πρώτη γενεά των φερμιονίων (λεπτόνια και κουάρκ) με σωστές ιδιότητες φορτίου και ομοτιμίας (parity) μπορούν να προκύψουν με τη βοήθεια των μοντέλων. Όμως πρόσφατες εργασίες προτείνουν ότι στο πλαίσιο της LQG μπορούν να προκύψουν και ορισμένα μποζόνια με σπιν 1, όπως το φωτόνιο, και το γκλουόνιο. Ενδεχομένως δε και το γκραβιτόνιο με σπιν 2.

• 3. Η LQG και το γκραβιτόνιο

Πρόσφατες θεωρητικές εργασίες στη LQG χρησιμοποιώντας την έννοια του αφρού σπιν, από τους Carlo Rovelli, Eugenio Bianchi, Leonardo Modesto και Simone Speziale, έδειξαν ότι η LQG γεννά γκραβιτόνια, επιτρέποντας έτσι σε αυτά να αλληλεπιδρούν όπως αναμένουμε, δηλαδή αναπαράγοντας το νόμο της βαρύτητας του Νεύτωνα.
 

Πηγές: physics4u, Science Illustrated, Wikipedia, Lee Smolin, New Scientist, Περισκόπιο της επιστήμης

Home