Δύο διάσημοι φυσικοί παρουσιάζουν τις ξεχωριστές απόψεις τους για το Σύμπαν, την εξέλιξη του και την σύγκρουση της κβαντικής θεωρίας-Εισαγωγή

Από σελίδα του Scientific American

Ο STEPHEN HAWKING πάνω σε...
κβαντικές μαύρες τρύπες
κβαντική κοσμολογία
φυσική και πραγματικότητα

Ο ROGER PENROSE πάνω σε...
κβαντική θεωρία
κβαντική κοσμολογία
φυσική και πραγματικότητα

Εισαγωγή

Το 1994 ο Stephen W. Hawking και ο Roger Penrose έδωσαν μια σειρά από έξι δημόσιες παραδόσεις και έκαναν ένα δημόσιο διάλογο για τη γενική σχετικότητα στο Institute Isaac Newton για τις Μαθηματικές Επιστήμες του University of Cambridge. Από αυτές τις παραδόσεις, δημοσιεύτηκε ένα βιβλίο το: The Nature of Space and Time. Το Scientific American σύγκρινε και έφερε σε αντίθεση τις απόψεις των δύο επιστημόνων. Αν και αυτοί μοιράζονται μια κοινή κληρονομια στη φυσική, οι διαλέξεις διαφέρουν στην άποψη τους για την κβαντική μηχανική και την επίδραση της στην εξέλιξη του σύμπαντος. Ιδιαίτερα, ο Hawking και ο Penrose διαφωνούν στο τι συμβαίνει στην πληροφορία που αποθηκεύεται σε μια μαύρη τρύπα και στο γιατί το ξεκίνημα του σύμπαντος διαφέρει από το τέλος του.

Μια από τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις του Hawking, που έγινε το 1973, ήταν πως τα κβαντικά φαινόμενα θα αναγκάσουν τις μαύρη τρύπες να εκπέμψουνι σωματίδια. Η μαύρη τρύπα θα εξατμιστεί με αυτή τη διαδικασία, ώστε ίσως τελικά να μην μείνει τίποτα από την αρχική μάζα. Αλλά κατά τη διάρκεια του σχηματισμού τους, οι μαύρες τρύπες καταβροχθίζουν πλήθος από δεδομένα σχετικά με τους τύπους, τις ιδιότητες και τη διαμόρφωση των σωματιδίων που πέφτουν μέσα σε αυτές. Αν και η κβαντική θεωρία απαιτεί πως τέτοια πληροφορία πρέπει να διατηρείται, ότι τελικά και να συμβαίνει σε αυτή, αυτό αποτελεί ένα θέμα δημόσιας διαφωνίας. Ο Hawking και ο Penrose μαζί πιστεύουν πως όταν η μαύρη τρύπα ακτινοβολεί, χάνει την πληροφορία που κράταγε. Αλλά ο Hawking δέχεται πως αυτή η απώλεια είναι ανεπανόρθητη, ενώ ο Penrose το αμφισβητεί και δέχεται πως η απώλεια αντισταθμίζεται από αυθόρμητες μετρήσεις των κβαντικών καταστάσεων με αποτέλεσμα να εισάγεται --επιστρέφει-- η πληροφορία πίσω στο σύστημα.

Και οι δύο επιστήμονες συμφωνούν πως μια μελλοντική κβαντική θεωρία της βαρύτητας χρειάζεται για να περιγράψει τη φύση. Αλλά διαφωνούν στην άποψη που έχουν για κάποιες όψεις αυτής της θεωρίας. Ο Penrose νομίζει πως οι βασικές δυνάμεις μεταξύ των σωματιδίων της φυσικής είναι συμμετρικές στο χρόνο (δηλαδή δεν αλλάζει τίποτα με την αλλαγή του προσήμου του χρόνου), αλλά όμως στην κβαντική βαρύτητα θα παραβιαστεί η συμμετρία ως προς τον χρόνο. Η ασυμμετρία ώς προς τον χρόνο θα εξηγήσει τότε γιατί στο ξεκίνημα του, το σύμπαν ήταν τόσο ομογενές, όπως έδειξαν οι μετρήσεις της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου (microwave background radiation), που είναι ο απόηχος του big bang, ενώ το τέλος του σύμπαντος πρέπει να είναι τόσο ακατάστατο και ταραγμένο.

Ο Penrose προσπαθεί να εγκλείσει αυτή την ασυμμετρία του χρόνου στη δική του υπόθεση της καμπυλότητας Weyl. Ο χωρό-χρονος, όπως ο Albert Einstein ανακάλυψε, καμπυλώνεται λόγω της παρουσίας της ύλης. Αλλά ο χωρό-χρονος μπορεί να έχει κάποιες εσωτερικές καμπύλες, μια ποσότητα που προσδιορίστηκε με τις κυρτώσεις του Weyl. Τα βαρυτικά κύματα και οι μαύρες τρύπες, για παράδειγμα, επιτρέπουν ο χωρό-χρονος να καμπυλώνεται ακόμη και σε περιοχές που είναι άδειες. Στο πρώϊμο σύμπαν η κυρτότητα του Weyl ήταν πιθανόν μηδέν, αλλά σε ένα νεκρό σύμπαν ο μεγάλος αριθμός των μαύρων οπών, δέχεται ο Penrose, θα δώσουν θέση προς μια υψηλή κύρτωση Weyl.  Αυτή η ιδιότητα θα διακρίνει το τέλος του σύμπαντος από το ξεκίνημα.

Ο Hawking συμφωνεί πως το big bang και η τελική "μεγάλη κατάρευση" θα είναι διαφορετική, αλλά αυτός δεν υπογράφει για ένα χρόνο ασυμμετρικό στους νόμους της φύσης. Η βαθύτερη αιτία για τη διαφορά, σκέπτεται, είναι ο τρόπος με τον οποίο η εξέλιξη του σύμπαντος είναι προγραμματισμένη. Αυτός απαιτεί ένα είδος δημοκρατίας, δηλώνοντας πως κανένα σημείο στο σύμπαν μπορεί να είναι ξεχωριστό, για αυτό, το σύμπαν δεν μπορεί να έχει ένα όριο. Αυτή η πρόταση για απουσία ορίου, απαιτεί ο Hawking, εξηγεί την ομοιομορφία στην μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου.

Οι φυσικοί διίστανται, τελευταία, στις ερμηνείες τους για την κβαντική μηχανική. Ο Hawking πιστεύει πως μια θεωρία αυτό που πρέπει να κάνει είναι να έχει προβλέψεις που να συμφωνούν με τα δεδομένα. Ο Penrose νομίζει πως απλά συγκρίνοντας τις προβλέψεις με τα πειράματα δεν είναι αρκετό να εξηγήσει την πραγματικότητα. Αυτός σημειώνει πως η κβαντική θεωρία απαιτεί κυματοσυναρτήσεις να είναι "υπερθέσεις", μια ιδέα που μπορεί να οδηγήσει σε παραλογισμούς. Οι επιστήμονες αυτοί θυμίζουν έτσι με τις απόψεις τους, τον περίφημο δημόσιο διάλογο μεταξύ Einstein και Niels Bohr πάνω στα αλλόκοτα συμπεράσματα της κβαντικής θεωρίας. Ο Hawking σαν θετικιστής έχει το ρόλο του Bohr και ο Penrose σαν ρεαλιστής έχει το ρόλο του Einstein.

Τον Penrose τον ενοχλεί η ιδέα μιας κατάστασης στην κβαντομηχανική, όπου η γάτα του Schroedinger είναι μισοπεθαμένη και μισοζώντανη συγχρόνως. Ενώ τον Hawking δεν τον ενοχλεί αυτή η ιδέα. Η θεωρία σύμφωνα με τον τελευταίο, μπορεί και να μην συμφωνεί με την πραγματικότητα γιατί δεν γνωρίζουμε ποιά είναι η πραγματικότητα αλλά θα πρέπει να προβλέπει τα αποτελέσματα των πειραμάτων, πράγμα που το επιτυγχάνει η κβαντική θεωρία. Ετσι πιστεύει πως η θεωρία αυτή είναι αρκετή για να εξηγήσει όλα τα φαινόμενα αν προστεθεί μια δική του θεωρία για μια ευκλείδια κβαντική βαρύτητα.  

Επιμένει στις διαλέξεις του ο Hawking πως οι νόμοι της φύσης πρέπει να είναι παντού οι ίδιοι, ακόμη και στα ανώμαλα "σημεία" τις μαύρες τρύπες ή λευκές οπές που τις εξομοιώνει γι' αυτό το λόγο. Για αυτό το λόγο ωθείται να μεταφέρει τις εξισώσεις της κβαντομηχανικής στο μακρόκοσμο, με μια άλλη εξίσωση Schroedinger για όλο το σύμπαν.

Αντιθέτως ο Penrose (σαν τον Einstein) θεωρεί πως η γενική σχετικότητα ανταποκρίνεται στο ρόλο της βασικής θεωρίας και πως η κβαντική θεωρία είναι ένα μοντέλο ελλιπές ως προς τις αρχές του.   Υποστηρίζει πως  η γενική θεωρία της σχετικότητας ενσωματώνει την απροσδιοριστία και τη μη τοπικότητα, η εισαγωγή της οποίας δημιουργεί μεγάλες δυσκολίες στην κβαντική θεωρία πχ με το παράδοξο EPR. Ετσι η σύμπτηξη της γενικής σχετικότητας και της κβαντομηχανικής πιστεύει να έλθει μέσα στο δικό του θεωρητικό πλαίσιο των twistors, που είναι μαθηματικές οντότητες δικής του επινόησης. Στόχος του είναι μια νέα κβαντομηχανική πραγματικότητα όπου δεν θα είναι "πραγματική" ούτε η κυματοσυνάρτηση Ψ της σχολής της Κοπεγχάγης ούτε η μήτρα πυκνότητας της στατιστικής ερμηνείας.