Ένα αρνητικό αποτέλεσμα δεν είναι πάντα άσχημα νέα. Το 1887 οι φυσικοί Albert Michelson και Edward Morley απέτυχαν να ανιχνεύσουν την επίδραση του μυστηριώδους αιθέρα, του μέσου μέσα στο οποίο πίστευαν ότι διαδίδεται το φως. Καθώς εξέταζαν την πειραματική τους συσκευή, στο Cleveland του Ohio, μάλλον πρέπει να απογοητεύτηκαν. Μερικά χρόνια αργότερα ο Albert Einstein εμπνεόμενος εν μέρει από το πείραμα των Michelson και Morley ανήγγειλε την επαναστατική θεωρία της σχετικότητας και επανακαθόρισε την αντίληψή μας για το χώρο, το χρόνο και τη βαρύτητα. 

Σήμερα, οι πειραματικοί στη Γαλλία και τη Γερμανία επαναλαμβάνουν τα πειράματα των Michelson και Morley με μια ακρίβεια άνευ προηγουμένου. Αλλά αυτή τη φορά δεν ψάχνουν για τον αιθέρα. Ωθώντας αυτό το τεστ για την σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός στα όριά του, ελπίζουν να βρουν σημάδια μιας νέας φυσικής πέρα από τις εξισώσεις του Einstein.  Αν το πετύχουν μπορεί να είναι οι πρώτοι που θα διαβούν το πειραματικό κατώφλι στο νέο εξωτικό κόσμο της κβαντικής βαρύτητας. αλλά ακόμη και ένα αρνητικό αποτέλεσμα - ένα αποτέλεσμα που συμφωνεί με τις θεωρίες του Einstein - μπορεί αν είναι αρκετά ακριβές να αποκλείσει ή να τροποποιήσει μερικές από τις ιδέες για την κβαντική βαρύτητα.  

Σε άλλα μέρη του κόσμου, το κυνήγι της φυσικής πέρα από τη σχετικότητα γίνεται με αστροφυσικές παρατηρήσεις. Μια ομάδα στο πανεπιστήμιο του Maryland πρόσφατα έλεγξε τη σχετικότητα μελετώντας την ακτινοβολία που εκπέμφθηκε από ένα άστρο, το οποίο εξερράγη σε απόσταση 6.000 ετών φωτός. Αυτά τα βίαια γεγονότα δρουν σαν φυσικοί επιταχυντές των σωματιδίων, και επιτρέπουν στους επιστήμονες να διερευνήσουν ενέργειες πολύ υψηλότερες από αυτές που μπορούν να μας δώσουν οι επίγειες συσκευές. Καθώς δε η ενέργεια αυξάνει, η πιθανότητα να δούμε ένα σφάλμα της σχετικότητας αυξάνει. 

Παγκόσμια θεωρία

Η πιθανότητα να μας πουν οι πειραματικοί, ποια από τις ιδέες των θεωρητικών είναι σωστή και ποια είναι λάθος, είναι μια πολύ ενδιαφέρουσα προοπτική, εξηγεί ο David Mattingly, μέλος της ομάδας του Maryland, και τώρα στο πανεπιστήμιο Davis της California. "Οι ερευνητές που μελετούν την κβαντική βαρύτητα, εδώ και πολύ καιρό θρηνούν για την 'έρημο" που υπάρχει στα πειραματικά δεδομένα" λέει ο ίδιος. 

Αυτό έχει σημασία γιατί αναμένουμε ότι οι νόμοι της φυσικής δεν έχουν διαχωριστικά όρια. Κατά τον περασμένο αιώνα οι φυσικοί είχαν αναπτύξει δύο ασύμβατες μεταξύ τους θεωρίες για την περιγραφή του σύμπαντος. Από τη μια είχαν τους νόμους της βαρύτητας όπως περιγράφονται στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein, και από την άλλη την κβαντική θεωρία για τις άλλες τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης: την ηλεκτρομαγνητική και την ισχυρή και ασθενή πυρηνική δύναμη. Αυτές οι δύο θεωρίες δουλεύουν εκπληκτικά καλά για τα περισσότερα φαινόμενα, αλλά σε καταστάσεις όπως το εσωτερικό των μαύρων τρυπών και οι πρώτες στιγμές μετά το Big Bang, οι δύο θεωρίες αρχίζουν να έρχονται σε σύγκρουση. Θα φαινόταν γελοίο αν δεν ήταν και οι δυο τους κομμάτια μιας ενιαίας παγκόσμιας θεωρίας. Αυτός είναι ο λόγος που οι θεωρητικοί αγωνίζονται να αναπτύξουν μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας, στην οποία η βαρυτική δύναμη θα έχει ως φορέα κάποια διακριτά σωματίδια. 

Αυτό που είναι πολύ σημαντικό στο πείραμα Michelson–Morley είναι ότι θα μπορούσε να ανατρέψει τις ιδέες μας για το Σύμπαν για δεύτερη φορά. Πριν τη σχετικότητα, πίστευαν ότι το φως διαδίδεται μέσα στον αιθέρα - ένα υποθετικό μέσο που πίστευαν ότι γεμίζει όλο το σύμπαν - όπως ακριβώς τα ηχητικά κύματα ταξιδεύουν μέσα στον αέρα. Οι Michelson και Morley έστησαν ένα πείραμα για να ανιχνεύσουν τον αιθέρα καταγράφοντας την ταχύτητα ακτίνων φωτός που ταξίδευαν σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Περίμεναν να δουν διαφορετικές ταχύτητες για κάθε δέσμη, η οποία θα οφειλόταν στην κίνηση της Γης μέσα στον αιθέρα. Προς έκπληξή τους δεν διαπίστωσαν κάτι τέτοιο, η ταχύτητα του φωτός παρέμενε σταθερή προς όλες τις διευθύνσεις. 

Ο Einstein έδειξε γιατί συνέβαινε αυτό. Ένα θετικό αποτέλεσμα στο πείραμα θα ερχόταν σε αντίθεση με έναν από τους θεμέλιους λίθους της Σχετικότητας, μια ιδέα που λέγεται αναλλοίωτο Lorentz. Ο Ολλανδός φυσικός Hendrik Lorentz το 1904 έδωσε την ιδέα ότι οι νόμοι της φυσικής δεν αλλάζουν όταν τους εξετάζουμε από διαφορετικά συστήματα αναφοράς τα οποία κινούνται το ένα ως προς το άλλο με κάποιες διαφορετικές σχετικές ταχύτητες. Ο Lorentz προσπάθησε επίσης να εξηγήσει το πείραμα των Michelson και Morley με την ιδέα αυτή. Αλλά αντί να συμπεράνει ότι ο αιθέρας δεν υπήρχε καθόλου, πίστεψε ότι ο αιθέρας θα μπορούσε να ορίσει ένα παγκόσμιο σύστημα αναφοράς, ως προς το οποίο ορίζονταν όλες οι άλλες κινήσεις. 

Η σταθερότητα του φωτός

Ο Einstein δεν ξόδεψε χρόνο για να απαλλαχτεί από τον αιθέρα, αλλά διατήρησε το αναλλοίωτο Lorentz ως θεμελιώδες χαρακτηριστικό της σχετικότητας. Ουσιαστικά ο Einstein είπε ότι δεν υπάρχει απόλυτο σύστημα αναφοράς, αλλά αντίθετα η ταχύτητα του φωτός αποτελεί μια αναλλοίωτη σταθερά ως προς την οποία μετρούνται όλες οι άλλες κινήσεις. Πρακτικά, το αναλλοίωτο του Lorentz σημαίνει ότι τα αποτελέσματα ενός πειράματος δεν εξαρτώνται από την ταχύτητα ή τον προσανατολισμό του εργαστηρίου. Ο Einstein φρόντισε να περιλάβει το αναλλοίωτο του Lorentz στη σχετικότητα γιατί χρειαζόταν τους νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού, οι οποίοι υπαγορεύουν ότι οι ιδιότητες του φωτός ισχύουν παντού και σε όλα τα συστήματα αναφοράς. 

Έτσι εξηγείται γιατί το πείραμα των Michelson–Morley παραμένει ενδιαφέρον και σήμερα: Είναι ένας τρόπος διερεύνησης του βαθμού ακρίβειας που ισχύουν οι θεμελιώδεις ιδέες της σχετικότητας, χωρίς να χρειάζεται να γνωρίζουμε τίποτα για τη νέα φυσική που ισχύει πέρα από αυτά τα όρια.  

Μερικές θεωρίες της κβαντικής βαρύτητας προβλέπουν ότι το αναλλοίωτο του Lorentz δεν ισχύει σε πολύ μικρές αποστάσεις ή σε πολύ υψηλές ενέργειες. Έτσι οι φυσικοί ψάχνουν για σημάδια μιας τέτοιας αποτυχίας ή "παραβίασης" του αναλλοίωτου στα πειράματά τους. "Η παρατήρηση μιας παραβίασης του αναλλοίωτου του Lorentz θα ήταν ένα ευαίσθητο σημάδι για μια μη συμβατική φυσική" λέει ο Alan Kostelecky, ένας θεωρητικός φυσικός στο πανεπιστήμιο της Indiana στο Bloomington. 

Νέα πειράματα

Αυτό το χαρακτηριστικό της σχετικότητας ελέγχεται τώρα σε εργαστήρια της Γαλλίας και της Γερμανίας, χρησιμοποιώντας παραλλαγές του πειράματος Michelson–Morley υψηλής τεχνολογίας. Και οι δύο ομάδες ψάχνουν για μικρές μεταβολές στο χρόνο που χρειάζεται ένα σήμα φωτός ή μικροκυμάτων για να περάσει μέσα από κρυσταλλικές δομές που χρησιμοποιούνται ως αντηχεία. Χρησιμοποιούν αντηχεία από σάπφειρο που τα έχουν ψύξει σε θερμοκρασία υγρού ηλίου, και αυτό τους επιτρέπει μετρήσεις πολύ υψηλής ακρίβειας.  

Αυτά τα πειράματα είναι ουσιαστικά όμοια με αυτό των Michelson και Morley ως προς το ότι μετρούν την κίνηση του φωτός σε διαφορετικά συστήματα αναφοράς. Αυτό είναι ουσιαστικό γιατί η μέτρηση της κίνησης γενικά αλλάζει από σύστημα σε σύστημα αναφοράς. Για παράδειγμα, αν πετάξουμε μια μπάλα κατά μήκος ενός βαγονιού τραίνου που βρίσκεται σε κίνηση με 100 χιλιόμετρα ανά ώρα, ένας επιβάτης μέσα στο βαγόνι βλέπει τη μπάλα να ταξιδευει π.χ. με ταχύτητα 20 χλμ./ώρα, ενώ ένας παρατηρητής στην αποβάθρα θα έβλεπε τη μπάλα να κινείται με ταχύτητα 120χλμ./ώρα. 

Η γαλλική ομάδα στο παρατηρητήριο του Παρισιού, που διευθύνεται από τον Peter Wolf, και συνεργάτες από την Αυστραλία, έχει μετρήσει πως η κίνηση της γης καθώς περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της και συγχρόνως περιφέρεται γύρω από τον ήλιο, επηρεάζει τον χρόνο που χρειάζεται μια δέσμη φωτός για να ταξιδέψει σε μια κυκλική διαδρομή σε ένα αντηχείο δακτυλιοειδούς σχήματος. Αυτό το πείραμα εξασφαλίζει δύο ελέγχους του αναλλοίωτου του Lorentz ως προς συστήματα αναφοράς που κατευθύνονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις ή κινούνται με  διαφορετικές ταχύτητες. 

Μέχρι τώρα, οι εξισώσεις του Einstein πέρασαν με επιτυχία και τα δύο τεστ. Η ομάδα του Wolf δεν ανίχνευσε καμία παραβίαση του αναλλοίωτου Lorentz, ακόμα και τώρα που το πείραμα πετυχαίνει 30 φορές μεγαλύτερη ακρίβεια από τα προηγούμενα πειράματα. Πιο πρόσφατα, η ομάδα εκτέλεσε πειράματα με ακρίβεια βελτιωμένη κατά ένα παράγοντα 2. "Είναι σχεδόν το καλύτερο που μπορούμε να πετύχουμε" λέει ο Wolf. "Για περαιτέρω βελτίωση θα χρειαζόμασταν διαφορετική πειραματική διάταξη." 

Οι Γερμανοί ερευνητές που διευθύνονται από τον Stephan Schiller του πανεπιστημίου Heinrich-Heine στο Düsseldorf και τον Achim Peters του πανεπιστημίου Humboldt στο Βερολίνο, χρησιμοποίησαν στα τελευταία τους πειράματα δύο οπτικά αντηχεία συγκρίνοντάς τα μεταξύ τους. Κάτι τέτοιο, ισχυρίζονται, διπλασιάζει το πλάτος του σήματος και βοηθάει να εξαλειφθούν μερικές πηγές συστηματικών λαθών. Οι ερευνητές βρήκαν ένα άνω όριο για το αναλλοίωτο Lorentz, πολύ κοντινό μ' αυτό που βρήκε η ομάδα του Wolf. 

Στο διάστημα

Ο Schiller ελπίζει ότι αυτά τα όρια θα γίνουν 1000 φορές πιο ακριβή με ένα πείραμα που μεταθέτει τις μετρήσεις στα αντηχεία στο διάστημα, πάνω σ' ένα μικρό δορυφόρο, τον OPTIS. Στο διάστημα τα αντηχεία υφίστανται πολύ μικρότερες περιβαλλοντικές ταλαντεύσεις απ' ότι στη Γη, κάνοντας έτσι τη μέτρηση πιο ακριβή. Οι ομάδες των Schiller και Peters συνεργάζονται με ερευνητές διαστημικών προγραμμάτων στο πανεπιστήμιο του Bremen της Γερμανίας, για να αναπτύξουν το πρόγραμμα OPTIS, το οποίο θα μεταφέρει επίσης πολύ σταθερά ατομικά ρολόγια για περατέρω ελέγχους της σχετικότητας. 

Το πρόγραμμα OPTIS έχει εξασφαλίσει κάποια χρηματοδότηση από τη Γερμανική Επιτροπή Διαστήματος και αν πάρει και κάποια χρηματοδότηση από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή Διαστήματος θα μπορέσει να δουλέψει σε 4 περίπου χρόνια. Άλλες έρευνες για το αναλλοίωτο του Lorentz που θα εκτελεστούν στο διάστημα σχεδιάζονται στα πλαίσια του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού. Αυτές περιλαμβάνουν τόσο πειράματα του τύπου  Michelson–Morley, όσο και άλλα με ατομικά ρολόγια. Το νωρίτερο που θα ξεκινήσουν αυτά είναι το 2005. 

Η κβαντική βαρύτητα

Πως μπορεί να μοιάζει μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας; Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η ισχυρή και η ασθενής πυρηνική δύναμη είναι γνωστό ότι διαδίδονται με θεμελιώδη κβαντικά σωματίδια, το πιο γνωστό από τα οποία είναι το φωτόνιο για την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση. Οι φυσικοί αισθάνονται σχεδόν σίγουροι ότι η τέταρτη θεμελιώδης δύναμη, η βαρύτητα, πρέπει επίσης να σχετίζεται με ένα κβαντικό σωματίδιο, το γκραβιτόνιο. 

Αλλά κανείς δεν έχει βρει ποτέ ένα τρόπο να εισάγει αυτό το σωματίδιο ώστε να ταιριάζει με την εικόνα της βαρύτητας που μας δίνει η ειδική σχετικότητα. Η σχετικότητα υποθέτει ότι η δομή του χωροχρόνου είναι ομαλή και συνεχής, ενώ η κβαντική θεωρία την θέλει να αποτελείται από κόκκους. Η κοκκώδης αυτή υφή αποκαλύπτεται σε αφάνταστα μικρές κλίμακες της τάξης των 10^-35 m. Η κλίμακα αυτή αποκαλείται κλίμακα Planck. Αυτή είναι 20 τάξεις μεγέθους μικρότερη από ένα ατομικό πυρήνα. "Η κλίμακα του Planck εμφανίζεται σχεδόν σε όλες τις διαφορετικές προσεγγίσεις της κβαντικής βαρύτητας"' λέει ο Mattingly. 

Το πρόβλημα είναι ότι ο κοκκώδης χωροχρόνος δεν ακολουθεί τους νόμους της σχετικότητας. Πιο συγκεκριμένα, πολλές δημοφιλείς θεωρίες της κβαντικής βαρύτητας προβλέπουν ότι στην κλίμακα Planck, το αναλλοίωτο του Lorentz θα παύει να ισχύει. Μερικές θεωρίες απαιτούν την παραβίαση του αναλλοίωτου. Άλλες απλά επιτρέπουν αυτή την παραβίαση. Για παράδειγμα, οι δύο σημαντικότερες υποψήφιες θεωρίες - η θεωρία χορδών και η κβαντική βαρύτητα βρόχων - και οι δύο επιτρέπουν την παραβίαση του αναλλοίωτου Lorentz σε διάφορους βαθμούς. Η θεωρία χορδών προσπαθεί να μεταχειριστεί την βαρύτητα και τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις, στο ίδιο μαθηματικό πλαίσιο, δεν φτάνει όμως σε συγκεκριμένες πειραματικές προβλέψεις. Η κβαντική βαρύτητα βρόχων, ξαναγράφει τις αρχές της σχετικότητας σε μορφή πλησιέστερη προς την κβαντική θεωρία, για να εξηγηθεί η εμφάνιση κοκκώδους χωροχρόνου στην κλίμακα Planck.  

Υψηλή ενέργεια

Οι διαφορετικές αυτές θεωρίες έχουν αναπτυχθεί από διαφορετικά προσανατολισμένες ομάδες ερευνητών κατά τις δύο τελευταίες δεκαετίες. Έχουν διακλαδωθεί σε πολλές παραλλαγές και αποχρώσεις, αλλά εφόσον υπάρχει έλλειψη πειραματικών δεδομένων, κανείς δεν μπορεί να πει αν κάποια από αυτές είναι επιτυχημένη. Μια παραλλαγή της θεωρίας χορδών στην οποία υπάρχουν πολλαπλά σύμπαντα σαν μεμβράνες ή "κόσμοι από βράνες", προβλέπει ότι ασθενή γκραβιτόνια που εισέρχονται μέσα στο δικό μας κόσμο από άλλη διάσταση, θα παραβίαζαν το αναλλοίωτο του Lorentz. Άλλες εξωτικές ιδέες για τη συμπεριφορά και τη δομή του χωροχρόνου στην κλίμακα του Planck - γνωστές ως μη μεταθετική γεωμετρία και ως μοντέλα "αφρού από σπιν", επίσης επιτρέπουν την παραβίαση του αναλλοίωτου. 

Ένας άλλος τρόπος να συλλάβουμε μια φευγαλέα ματιά της φυσικής πέραν της σχετικότητας είναι να χρησιμοποιήσουμε το ίδιο το σύμπαν για να διερευνήσουμε κλίμακες αποστάσεων και ενεργειών τις οποίες δεν ελπίζουμε να φτάσουμε στη γη. Στην απόσταση Planck μπορούμε να αντιστοιχίσουμε μια ισοδύναμη ενέργεια Planck, την οποία οι φυσικοί υπολογίζουν να είναι περί τα 10²⁸ electron volts (eV). Αυτή είναι 16 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από τις ενέργειες που θα μας δώσουν οι επίγειοι επιταχυντές της επόμενης γενιάς, όπως ο νέος επιταχυντής που κατασκευάζεται τώρα στο CERN. 

Ευτυχώς, οι αστροφυσικές πηγές τα καταφέρνουν καλύτερα. Οι σούπερνόβα, - γερασμένα αστέρια που κατέρρευσαν και μετά εξερράγησαν - συχνά μετατρέπονται σε υπέρπυκνα αστέρια που εκτοξεύουν σωματίδια εξαιρετικά υψηλών ενεργειών. Ο Mattingly και οι συνεργάτες του Ted Jacobson και Stefano Liberati έχουν εστιάσει τα βλέμματά τους στο νεφέλωμα του Καρκίνου, το αεριώδες διαστελλόμενο υπόλειμμα ενός σούπερνόβα, όπου τα εκτοξευμένα ηλεκτρόνια φτάνουν σε ενέργειες της τάξης των 1,5x10¹⁵ eV. 

Στις ενέργειες αυτές τα ηλεκτρόνια κινούνται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός, και τότε εκπέμπουν ακτίνες-Χ υψηλής ενέργειας καθώς αποκλίνουν της πορείας τους όταν περνούν μέσα από τα μαγνητικά πεδία του νεφελώματος - ακριβώς όπως θα συνέβαινε αν βρίσκονταν σ' ένα επιταχυντή. Αναλύοντας αυτές τις ακτίνες-Χ ο Mattingly και οι συνεργάτες του μπορεί να συμπεράνει πόσο γρήγορα κινούνται αυτά τα ηλεκτρόνια. Η παραβίαση του αναλλοίωτου του Lorentz θα περιόριζε την ανώτατη ταχύτητα του ηλεκτρονίου, εμποδίζοντάς το να φτάσει την ταχύτητα του φωτός. Αλλά η ομάδα του Maryland δεν έχει βρει ακόμα καμία ένδειξη για μια τέτοια παραβίαση, ακόμα και όταν οι παρατηρήσεις της τους επιτρέπουν να προεκτείνουν τις παρατηρήσεις τους για ενέργειες 7 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερες από την ενέργεια του Planck. 

Μελέτες σαν αυτή εκμεταλλεύονται όχι μόνο τις πολύ υψηλές ενέργειες των αστροφυσικών πηγών αλλά επίσης και τις τεράστιες αποστάσεις που πρέπει να διανύσει το φως τους για να φτάσει ως εμάς. Αυτό επιτρέπει απίστευτα μικρές παραβιάσεις του αναλλοίωτου Lorentz να ενισχυθούν σε ανιχνεύσιμα μεγέθη. Η ιδέα χρησιμοποιήθηκε από τον Kostelecky και τον μεταπτυχιακό του σπουδαστή Matthew Mewes το 2001 για να θέσουν τα πιο σφιχτά όρια που έχουν τεθεί ποτέ για την παραβίαση του αναλλοίωτου Lorentz, ψάχνοντας για στροφή του πολωμένου φωτός που προέρχεται από πολύ μακρινούς γαλαξίες. Αν το αναλλοίωτο Lorentz παραβιάζεται, το φως θα στρεφόταν καθώς ταξιδεύει στο διάστημα - αν και κάτι τέτοιο θα ήταν ανιχνεύσιμο μόνο για φως που έχει διανύσει τεράστιες αποστάσεις. 

Αν και ούτε επίγεια ούτε αστροφυσικά πειράματα έχουν ανιχνεύσει απευθείας την παραβίαση του Lorentz, τα αρνητικά αποτελέσματά τους μπορούν ήδη να χρησιμοποιηθούν για να διερευνήσουν μερικές από τις υποψήφιες θεωρίες για την κβαντική βαρύτητα. " Δεν είμαστε σε θέση να αποκλείσουμε μια ολόκληρη θεωρία" λέει ο Mattingly, "αλλά μπορούμε να αποκλείσουμε κάποιες παραλλαγές της". Οι υπολογισμοί της κβαντικής βαρύτητας βρόχων, για παράδειγμα ήδη έρχονται σε κάποιες αντιθέσεις με τις παρατηρήσεις. Αλλά αυτό δεν σημαίνει αναγκαστικά ότι κάθε εκδοχή της κβαντικής βαρύτητας βρόχου είναι λάθος. Η θεωρία αυτή δεν έχει ακόμη διαμορφωθεί και κατανοηθεί πλήρως ώστε να οι υπολογισμοί της να θεωρούνται τελείως αξιόπιστοι. Το ίδιο ισχύει και για άλλες ιδέες, όπως ο αφρός των σπιν και τα μοντέλα με τους κόσμους-βράνες. Μοιάζουν να προβλέπου σημαντική παραβίαση του αναλλοίωτου Lorentz, αλλά δεν είμαστε και σίγουροι.