Η κβαντική βαρύτητα είναι πεδίο της θεωρητικής φυσικής που επιδιώκει να περιγράψει τη βαρύτητα σύμφωνα με τις αρχές της κβαντικής μηχανικής, και όπου τα κβαντικά φαινόμενα δεν μπορούν να αγνοηθούν, όπως συμπαγή αστροφυσικά αντικείμενα (μαύρες τρύπες), όπου τα αποτελέσματα της βαρύτητας είναι ισχυρά.
Προς το παρόν, δεν υπάρχει τέτοια θεωρία που να είναι παγκοσμίως αποδεκτή και να επιβεβαιώνεται από την εμπειρία. Επομένως, ο όρος «Κβαντική Βαρύτητα» υποδεικνύει περισσότερο ένα ανοιχτό πρόβλημα από μια συγκεκριμένη θεωρία. Αρκετές ερευνητικές γραμμές, σε διαφορετικά επίπεδα ανάπτυξης, προσφέρουν προσωρινές λύσεις στο πρόβλημα. Η αναζήτηση μιας σωστής κβαντικής θεωρίας της βαρύτητας μερικές φορές παρουσιάζεται ως το πιο σημαντικό ανοιχτό πρόβλημα στη θεμελιώδη φυσική: το «Άγιο Δισκοπότηρο» της σύγχρονης θεωρητικής φυσικής.
Η κβαντική βαρύτητα αναμένεται να μας αναγκάσει σε περαιτέρω τροποποιήσεις των εννοιών του χώρου και του χρόνου , προς την κατεύθυνση που άνοιξε η γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν, προκειμένου να τις καταστήσει πλήρως συμβατές με την κβαντική θεωρία. Στη γενική σχετικότητα, ο χώρος και ο χρόνος χάνουν τις ιδιότητές τους να είναι ένα σταθερό πλαίσιο στο οποίο βυθίζεται ο δυναμικός κόσμος. Ταυτίζονται με το βαρυτικό πεδίο και αποκτούν δυναμικές ιδιότητες: ο χωροχρόνος μπορεί να “διπλώσει” και “να στρέψει” σαν λαστιχένιο φύλλο. Όταν λαμβάνουμε υπόψη την κβαντική μηχανική, συνειδητοποιούμε ότι αυτό το “λαστιχένιο φύλλο” είναι στην πραγματικότητα ένα κβαντικό πεδίο, και ως εκ τούτου, όπως όλα τα κβαντικά πεδία οφείλει να έχει μια μικροσκοπική κοκκώδη δομή (όπως τα φωτόνια που σχηματίζουν το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο) και μια πιθανοκρατική δυναμική. Ούτω η κβαντική βαρύτητα πιθανό να είναι η θεωρία του κοκκώδους και πιθανολογικού «κβαντικού χώρου» και του «κβαντικού χρόνου». Η οικοδόμηση της μαθηματικής γλώσσας και η εννοιολογική δομή για την κατανόηση τέτοιων εννοιών του κβαντικού χώρου και του κβαντικού χρόνου είναι η πρόκληση που αντιμετωπίζουν οι φυσικοί για μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας.
Η κλίμακα Planck
Απλά διαστατικά επιχειρήματα δείχνουν ότι τα φυσικά φαινόμενα όπου παίζουν ρόλο τα κβαντικά βαρυτικά φαινόμενα γίνονται στην κλίμακα μήκους Planck=ℏG/c3 ∼10−33 cm . Εδώ ℏ είναι η σταθερά Planck που διέπει την κλίμακα των κβαντικών φαινομένων, G είναι η σταθερά Newton που κυβερνά τη δύναμη της βαρυτικής δύναμης, και c είναι η ταχύτητα του φωτός, που διέπει την κλίμακα των σχετικιστικών αποτελεσμάτων. Το μήκος Planck είναι εξαιρετικά μικρό. Για να έχουμε μια ιδέα, το μήκος του Planck είναι τόσες φορές μικρότερο από ένα άτομο, όσο ένα άτομο είναι μικρότερο από το ηλιακό σύστημα. Η τρέχουσα τεχνολογία δεν είναι ακόμη ικανή να παρατηρήσει φυσικά αποτελέσματα σε κλίμακες που είναι τόσο μικρές (αν και έχουν εμφανιστεί αρκετές πρόσφατες προτάσεις για το πώς θα μπορούσε να γίνει κάτι τέτοιο.) Εξαιτίας αυτού, δεν έχουμε άμεση πειραματική καθοδήγηση για την οικοδόμηση μιας κβαντικής θεωρίας βαρύτητας. Αυτό δεν αποτελεί από μόνο του πλήρες εμπόδιο, διότι η γενική σχετικότητα και η κβαντική μηχανική είναι και οι δύο ισχυρές για την κατασκευή μιας ενοποιημένης θεωρίας: Άλλωστε έχουν επιτευχθεί αρκετές σημαντικές εξελίξεις στην ιστορία της φυσικής με απουσία νέων πειραμάτων, από την προσπάθεια συγχώνευσης των δύο εμπειρικά υποστηριζόμενων, αλλά προφανώς αντιφατικών θεωριών. (Τέτοια παραδείγματα έχουμε τη συγχώνευση του Νεύτωνα με τις θεωρίες του Κέπλερ και του Γαλιλαίου, τη συγχώνευση της θεωρίας του Μαξγουέλ με την ηλεκτρική και μαγνητική θεωρία ή την ειδική σχετικότητα του Αϊνστάιν με την φαινομενικά αντίφαση μεταξύ του ηλεκτρομαγνητισμού και της μηχανικής.) Ωστόσο, έως ότου παρατηρηθούν άμεσα ή έμμεσα γνήσια κβαντικά βαρυτικά φαινόμενα, δεν μπορούμε να επιβεβαιώσουμε ή να παραποιήσουμε καμία από τις τρέχουσες προσωρινές θεωρίες.
Φυσικές εφαρμογές
Μερικά φαινόμενα όπου η κβαντική βαρύτητα αναμένεται να παίζει σημαντικό ρόλο είναι τα ακόλουθα:
- Η μικροσκοπική δομή του χωροχρόνου.
Αν μπορούσαμε να μετρήσουμε τη γεωμετρία του χώρου και του χρόνου στην κλίμακα Planck, θα πρέπει να είμαστε σε θέση να δούμε κβαντικά βαρυτικά αποτελέσματα. Πολλά επιχειρήματα δείχνουν ότι το μήκος του Planck μπορεί να εμφανίζεται ως ένα όριο στην απεριόριστη διαχωριστικότητα του χώρου, δηλαδή ως ελάχιστο μήκος. Διαισθητικά, κάθε προσπάθεια μέτρησης μικρότερων αποστάσεων θα είχε ως αποτέλεσμα τη συγκέντρωση υπερβολικής ενέργειας σε πολύ μικρό χώρο, με αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας μικροσκοπικής μαύρης τρύπας, που δεν θα μπορούσαμε να παρατηρήσουμε την περιοχή. Ένα τέτοιο ελάχιστο μήκος σαν το Planck θα συμπληρώσει το τριο των θεμελιωδών κλιμάκων στη Φύση, μαζί με την ταχύτητα του φωτός, που είναι η μέγιστη ταχύτητα, και τη σταθερά Planck, που είναι το ελάχιστο ποσό δράσης που ανταλλάσσεται μεταξύ δύο συστημάτων.
- Πρώιμη κοσμολογία.
Σύμφωνα με το σημερινό πρότυπο κοσμολογικό μοντέλο, το Σύμπαν ήταν πολύ πυκνό και ζεστό στο παρελθόν. Επεκτείνοντας το μοντέλο στο παρελθόν, συναντάμε ένα μοναδικό σημείο άπειρης πυκνότητας, θερμοκρασίας και καμπυλότητας, που συμβολικά λέγεται Big Bang. Ωστόσο, αυτή η τελική προέκταση στο παρελθόν είναι σίγουρα λανθασμένη επειδή τα κβαντικά βαρυτικά φαινόμενα κυριαρχούν όταν το σύμπαν είναι πολύ πυκνό και ζεστό και αυτά τα φαινόμενα δεν περιλαμβάνονται στο συνηθισμένο μοντέλο. Χρειάζεται λοιπόν μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας για να ληφθούν υπόψη αυτά τα αποτελέσματα και να μελετηθούν οι πρώτες στιγμές της ζωής του σύμπαντός μας.
Ορισμένες τρέχουσες θεωρίες βαρύτητας (συγκεκριμένα η κβαντική βαρύτητα βρόχου), δείχνουν ότι το μοναδικό σημείο (ιδιομορφία) Big-Bang δεν είχε επιτευχθεί ποτέ και η τρέχουσα επέκταση του σύμπαντος μπορεί να είχε προηγηθεί από μία φάση κατάρρευσης και μία “Μεγάλη Σύνθλιψη” ή Big Bounce. Μία από τις κύριες ελπίδες για την παρακολούθηση των ιχνών των κβαντικών βαρυτικών φαινομένων είναι σε αυτό το κοσμολογικό πλαίσιο, ως ίχνη πρώιμων φαινομένων του σύμπαντος, που απέμειναν στην παρούσα κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, κάτω υπό έντονη παρατήρηση, ή στην ακτινοβολία υποβάθρου κυμάτων βαρύτητας, που αναμένεται να παρατηρηθεί αυτή την δεκαετία.
- Μαύρες τρύπες
Η κβαντική βαρύτητα πρέπει να παίζει ρόλο σε διάφορες πτυχές της φυσικής των μαύρων οπών. Πρώτον, πρέπει να δώσει μια πλήρη κατανόηση της θερμικής ακτινοβολίας που αναμένεται να παράγουν οι μαύρες τρύπες, που υπολογίστηκαν πρώτα από τον Stephen Hawking. Δεύτερον, η ανάλυση του Hawking δείχνει ότι οι μαύρες τρύπες μεταφέρουν τεράστια εντροπία περίπου 10 στην 77 για μια μαύρη τρύπα με μία ηλιακή μάζα. Ποιά όμως είναι η στατιστική μηχανική προέλευση αυτού του αριθμού που είναι τεράστια ακόμη και από τα πρότυπα θερμοδυναμικής; Τρίτον, η κβαντική βαρύτητα αναμένεται να αντικαταστήσει την άπειρη μοναδικότητα ή ιδιομορφία που προβλέπει η γενική σχετικότητα στο κέντρο των μαύρων οπών με μια πιο φυσική λογική εικόνα. Τέλος, η θεωρία πρέπει να εξηγήσει τι συμβαίνει στο τέλος της εξάτμισης κατά Hawking μιας μαύρης τρύπας.
- Αστροφυσικά φαινόμενα
Έχουν προταθεί αρκετά αστροφυσικά κβαντικά-βαρυτικά φαινόμενα. Κανένα δεν έχει παρατηρηθεί μέχρι στιγμής, αλλά διάφοροι υπολογισμοί υποδηλώνουν ότι ενδέχεται να παρατηρηθούν στο εγγύς μέλλον. Ένα παράδειγμα είναι μια μικρή εξάρτηση της ταχύτητας του φωτός από το χρώμα του φωτός, που προκαλείται από την κοκκοποίηση του χώρου στην κλίμακα Planck. Το αποτέλεσμα είναι πολύ μικρό λόγω της μικρότητας της κλίμακας Planck, αλλά θα μπορούσε να γίνει ανιχνεύσιμο εάν συσσωρευτεί σε μια πολύ μεγάλη διαγαλαξιακή διαδρομή που διανύθηκε από το φως. Οι παρατηρήσεις για τη δοκιμή αυτής της πρόβλεψης συνεχίζονται.
Ένα παράθυρο προς την κβαντική βαρύτητα
Εάν διαθέτουμε εξισώσεις που περιγράφουν τη μετάβαση του σύμπαντος από την κβαντική φάση, μπορούμε να υπολογίσουμε τις επιδράσεις των κβαντικών φαινομένων στο σύμπαν που σήμερα παρατηρούμε. Το σύμπαν πληρούται από μια κοσμική ακτινοβολία, μια θάλασσα φωτονίων η οποία απέμεινε στον κόσμο από την αρχική υπέρθερμη φάση, το εναπομείναν απαύγασμα της αρχικής υψηλής θερμοκρασίας.
Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στον απέραντο χώρο ανάμεσα στους γαλαξίες ταλαντεύεται όπως η επιφάνεια της θάλασσας μετά από μια μεγάλη θύελλα. Αυτό το σείσιμο, το διασπαρμένο σε όλο το σύμπαν, ονομάζεται κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου. Έχει μελετηθεί τα τελευταία χρόνια από δορυφόρους όπως ο COBE, ο WMAP και, πιο πρόσφατα, ο Planck. Οι λεπτομέρειες από τη δομή της ακτινοβολίας μάς αποκαλύπτουν την ιστορία του σύμπαντος και, κρυμμένα στις πτυχές αυτών των λεπτομερειών, θα μπορούσαν να υπάρχουν ίχνη της κβαντικής απαρχής του σύμπαντος μας.
Ένας από τους πιο ενεργούς τομείς έρευνας στην κβαντική βαρύτητα βρόχων είναι η μελέτη του πώς η κβαντική δυναμική του αρχέγονου σύμπαντος αντικατοπτρίζεται σε αυτά τα δεδομένα. Τα αποτελέσματα είναι πρώιμα, ωστόσο ενθαρρυντικά. Με περισσότερους υπολογισμούς και μετρήσεις μεγαλύτερης ακρίβειας, θα πρέπει να καταλήξουμε σε έναν έλεγχο της θεωρίας.
Τα ίχνη της μεγάλης αρχέγονης θερμότητας πρέπει επίσης να βρίσκονται στο ίδιο το βαρυτικό πεδίο. Το βαρυτικό πεδίο δε, δηλαδή ο ίδιος ο χώρος, πρέπει να λικνίζεται όπως η επιφάνεια της θάλασσας. Συνεπώς, θα πρέπει να υπάρχει και μια κοσμική βαρυτική ακτινοβολία υποβάθρου — παλαιότερη και από την ηλεκτρομαγνητική, επειδή τα βαρυτικά κύματα διαταράσσονται λιγότερο από την ύλη σε σχέση με τα ηλεκτρομαγνητικά, και μπορούν να διαδοθούν αδιατάρακτα ακόμα και όταν το σύμπαν είναι υπερβολικά πυκνό για να επιτρέψει τη διάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
Έχουμε πλέον παρατηρήσει άμεσα τα βαρυτικά κύματα, με τον ανιχνευτή LIGO, ο οποίος αποτελείται από δύο βραχίονες κάθετους μεταξύ τους, μήκους τεσσάρων χιλιομέτρων ο καθένας, εντός των οποίων δέσμες λέιζερ μετρούν την απόσταση μεταξύ σταθερών σημείων. Οταν περνά ένα βαρυτικό κύμα, ο χώρος μακραίνει και μικραίνει ανεπαίσθητα, και τα λέιζερ αποκαλύπτουν αυτές τις μικροσκοπικές διακυμάνσεις.
Στις λεπτοφυείς ανωμαλίες του χώρου, θα πρέπει να μπορέσουμε να ανιχνεύσουμε ίχνη γεγονότων που έλαβαν χώρα πριν από 14 δισεκατομμύρια χρόνια, στην αρχή του σύμπαντος μας, και να επιβεβαιώσουμε τα συμπεράσματά μας για τη φύση του χώρου και του χρόνου.
Wikipedia – Carlo Rovelli
