Μπορεί μια Μεγάλη Ενοποιημένη Θεωρία να βγεί μόνο από την κβαντομηχανική;

Από σελίδα των NewScientist, PhysicsWeb, ScienceMag 26 Οκτωβρίου 2001

Eρευνητές της συμπυκνωμένης ύλης υποστηρίζουν ότι έχουν παράγει σωματίδια που υπακούουν στη θεωρία της σχετικότητας από ένα κβαντικό σύστημα, σε ένα έγγραφο που δημοσιεύεται στο επιστημονικό περιοδικό Science. Εάν αυτό είναι σωστό, θα παράσχει μια ελπιδοφόρο προσέγγιση προς μια Μεγάλη Ενοποιημένη Θεωρία (GUT). Αλλά σύμφωνα με έναν βραβευμένο Νομπελίστα, αυτή η αξίωση είναι "βασικά αναληθής"

Μια μεγάλη ενοποιημένη θεωρία είναι ο μέγιστος στόχος της φυσικής και θα ενοποιούσε τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης,  τον ηλεκτρομαγνητισμό, τις ισχυρές και ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις και τη βαρύτητα. Αλλά η θεωρία της κβαντομηχανικής, που καλύπτει τις πρώτες τρεις δυνάμεις, φαίνεται να είναι ασυμβίβαστη με τη Γενική Σχετικότητα, η οποία περιγράφει τη βαρύτητα.

Μια ελπιδοφόρος προσέγγιση σε αυτό το πρόβλημα καλείται θεωρία των υπερχορδών , στην οποία ο κόσμος συνίσταται από μικροσκοπικούς βρόχους, ή των χορδών, που δονούνται σε 10 διαστάσεις. Η νέα μελέτη στο Science προτείνει ένα εναλλακτικό σενάριο, στο οποίο το Σύμπαν είναι περισσότερο σαν την επιφάνεια ενός σταγονίδιου ύδατος -- αν και με μερικές πολύ ασυνήθιστες ιδιότητες.

Οι συγγραφείς Shou-Cheng Zhang και Jiangping Hu του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ στην Καλιφόρνιας, προτείνουν να σκεφθούμε το Σύμπαν ως επιφάνεια ενός αποκαλούμενου "κβαντικού υγρού," του οποίου το εσωτερικό έχει τέσσερις χωρικές διαστάσεις αντί των συνηθισμένων τριών. Η βαρύτητα και ο ηλεκτρομαγνητισμός αποκαλύπτονται έπειτα υπό τη μορφή μικροσκοπικών κυμάνσεων στην άκρη του υγρού.

Στη εργασία τους o Shou- Cheng Zhang και η Jiangping Hu   ισχυρίζονται πως έχουν μαθηματικώς παράγει σχετιστικά σωματίδια από ένα τεσσάρων διαστάσεων κβαντικό σύστημα Hall.

Στο κβαντικό φαινόμενο Hall όμως, τα ηλεκτρόνια ζευγαρώνουν για να μοιραστούν κβαντικές καταστάσεις και συμπεριφέρονται όπως ένα ρευστό.

Έτσι προτείνουν σαν σκέψη τον κόσμο ως επιφάνεια ενός αποκαλούμενου "κβαντικού υγρού," το εσωτερικό του οποίου έχει τέσσερις χωρικές διαστάσεις αντί των συνηθισμένων τριών. Η βαρύτητα και ο ηλεκτρομαγνητισμός αποκαλύπτονται έπειτα υπό μορφή μικροσκοπικών ρίγων στην άκρη του υγρού.

Οι θεωρητικοί λοιπόν φυσικοί του άρθρου φαίνεται πωςπροτείνουν μια τετραδιάστατη έκδοση ενός δισδιάστατου καλά μελετηθέντως φαινομένου,  του κβαντικού φαινομένου Hall.

Εάν οι Zhang και Hu ήταν σωστοί, θα ήταν το πρώτο παράδειγμα μαθηματικής συνοχής μεταξύ της κβαντικής θεωρίας και της σχετικότητας εκτός από τη θεωρία των χορδών. Εντούτοις, η θεωρία των χορδών περιλαμβάνει όχι τέσσερις αλλά 11 διαστάσεις, την οποία μερικοί ερευνητές βρίσκουν δύσκολο για να την αποδεχθούν.

Σε αναζήτηση της συμμετρίας

Υπάρχει μια μακρά ιστορία των συνδέσμων μεταξύ συμπυκνωμένης ύλης και σωματιδιακής φυσικής. Ο μηχανισμός Higgs που προσπάθησε να εξηγήσει τις μάζες των των στοιχειωδών σωματιδίων, για παράδειγμα, έχει τη προέλευσή του από τη μελέτη των υπεραγωγών.

Ο Zhang και η Hu πήραν την έμπνευσή τους από τη φυσική στερεάς κατάστασης, τον σχετικά απτό κόσμο των ημιαγωγών και των άλλων στερεών. Αυτά τα συστήματα περιλαμβάνουν τη συμπεριφορά πολλών αντικειμένων, συνήθως ηλεκτρόνια, που περιστρέφονται μέσα σε ένα περιορισμένο χώρο.

Σε αυτά τα συστήματα, που υπακούουν στους κανόνες της κβαντομηχανικής, "οι συμμετρίες" μπορούν να εμφανιστούν υπό ορισμένους όρους -- που σημαίνει ότι φαινομενικά τα διαφορετικά πράγματα αποδεικνύονται να είναι ουσιαστικά τα ίδια, και έτσι είναι εναλλάξιμα.

Παραδείγματος χάριν, αφότου ένα σύστημα μετατρέπεται από τη μια ενεργειακή κατάσταση σε μια άλλη, μέσω μιας κβαντικής μετάβασης φάσης, οι διαφορές μεταξύ των μεμονωμένων ηλεκτρονίων χάνουν τη σημασία τους, λαμβάνοντας υπόψη τις μεγαλύτερες ομοιότητες που αυτά πρέπει να μοιραστούν. Κάθε ηλεκτρόνιο αρχίζει να δρά όπως ένα μέλος μιας συνεκτικής ομάδας, στην οποία ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να επηρεάσει ένα άλλο ακόμα κι αν τα δύο είναι αρκετά μακριά.

Σχετικότητα

Στη μελέτη τους ο Zhang και η Hu σημείωσαν ότι η Ειδική και Γενική Σχετικότητα είναι και οι δύο εκδηλώσεις της συμμετρίας.

Η βασική ιδέα στην Ειδική Σχετικότητα είναι ότι οποιοδήποτε γεγονός θα εμφανιστεί διαφορετικά στους διάφορους παρατηρητές, ανάλογα με τις θέσεις τους και τις ταχύτητες με τις οποίες κινούνται.

Χρησιμοποιώντας αυτήν την λογική, ο Einstein εμφάνισε από μαθηματική άποψη ότι η ενέργεια και η μάζα είναι πλήρως το ίδιο πράγμα.

Σύμφωνα τώρα με τη Γενική Σχετικότητα, το διάστημα και ο χρόνος διαμορφώνουν μια επιφάνεια τεσσάρων διαστάσεων που διαστρεβλώνεται από την παρουσία της μάζας. Αυτή η διαστρέβλωση του χωρόχρονου οδηγεί στο φαινόμενο της βαρύτητας.

Σε ένα ακόμα παράδειγμα της συμμετρίας, η δύναμη της βαρύτητας είναι η ίδια με τη δύναμη που προκαλείται από κάποια επιτάχυνση. Παραδείγματος χάριν, εάν ωθήσετε έναν αστροναύτη προς τη Γη, αυτός αισθάνεται ότι κατά τη διάρκεια της πτήσης θα μπορούσε αυτό να αποδοθεί είτε στη βαρύτητα είτε στην επιτάχυνση του διαστημικού σκάφους.

Θα μπορούσαν οι συμμετρίες μέσα στην Ειδική και Γενική Σχετικότητα να έχουν έρθει περίπου ως αποτέλεσμα κάποιου τύπου κβαντικής μετάβασης φάσης;

Σε αυτή την περίπτωση, θα σήμαινε ότι θα μπορούσατε να αρχίσετε με τη μελέτη ενός συστήματος στο οποίο  επικράτησαν οι νόμοι της κβαντομηχανικής, και έπειτα λογικά φθάνετε στη Θεωρία της Σχετικότητας. Η ένταση μεταξύ της κβαντικής μηχανικής και της Γενικής Σχετικότητας θα μπορούσε να το διευκόλυνε.

Παραγωγή των κυμάτων

Αν και οι εξισώσεις και η μαθηματική παραγωγή των Zhang και Hu ακούγονται ηχηρά, αυτοί έχουν παρερμηνεύσει την έννοια των όρων στις εξισώσεις τους λέει ο Bob Laughlin, επίσης στο Στάνφορντ, o οποίος μοιράστηκε το βραβείο Νόμπελ του 1998 για τη φυσική για την επίλυση του Κβαντικού Φαινομένου Hall σε δύο διαστάσεις. "Όταν εξετάζεις την έννοια του τι είπαν, είναι βασικά αναληθή," είπε ο Laughin.

Εντούτοις, οι Zhang και Hu έχουν κάνει τώρα ότι ο Laughlin ο ίδιος δεν μπόρεσε - να γενικεύσει την λύση του στο Κβαντικό φαινόμενο Hall, σε ένα τετραδιάστατο ρευστό.

Ο Laughlin αναγνωρίζει όμως πως αυτό είναι μια σημαντική ανακάλυψη στη θεωρητική φυσική.

Αλλά οι Zhang και Hu δεν σταματούν εκεί. Συνεχίζουν για να δειχτεί ότι όταν κύματα που κινούνται στο ρευστό των τεσσάρων διαστάσεων σπάει την τρισδιάστατη επιφάνεια, υπακούνε στις ίδιες εξισώσεις της κίνησης όπως τα σωματίδια κάνουν στην ειδική και γενική σχετικότητα.

Αυτοί εξηγούν ότι μερικά από αυτά τα κύματα είναι γκραβιτόνια, τα κβαντομηχανικά σωματίδια που διαμεσολαβούν στη βαρύτητα. "Μερικά είναι γκραβιτόνια και μερικά είναι φωτόνια," λένε.

Αλλά ο Laughlin λέει ότι τα κύματα είναι ασταθή και θα διαλυθούν στα συστατικά μέρη τους όταν χτυπήσουν σε κάτι. "Οι εξισώσεις τους είναι αληθινές, αλλά δεν ισχύουν όμως για τα πραγματικά σωματίδια," λέει.

Διάλογος

Οι ερευνητές λένε ότι αυτό δεν ακυρώνει την αξίωση να έχουν παράγει σωματίδια που υπακούουν στην σχετικότητα. "Οι αλληλεπιδράσεις δεν συμπεριλαμβάνονται," λένε.

Αλλά το ίδιο το γεγονός ότι δεν συμπεριλαμβάνονται οι αλληλεπιδράσεις, είναι που το κάνει παραπλανητικό, να ονομάσουν τις μαθηματικές οντότητες σε αυτή την θεωρία, σαν σωματίδια, λέει ο Laughlin.

Ο ίδιος θεωρεί πως μια πιό λεπτομερή εξέταση, προτού γίνει η δημοσίευση, θα μπορούσε να αποτρέψει το πρόβλημα. "Αυτά τα προβλήματα πρέπει να έχουν από πριν εκτεθεί σε ειδικούς επιστήμονες ," είπε.

Ένας εκδότης στο Science, ο Brooks Hanson, σχολίασε: "Αυτό το έγγραφο αρχίζει να εξετάζει ένα θεμελιώδες ζήτημα στη φυσική." Αλλά κανένας άλλος επιστήμονας δεν ήταν διαθέσιμος για ένα σχόλιο, για να εξετάσει την εξήγηση του Laughlin με λεπτομέρεια.