Αναζητώντας απαντήσεις στο εργαστήριο για την ύπαρξη ή μη κβαντικής βαρύτητας

Η αιώρηση ενός σωματιδίου διοξειδίου του πυριτίου (κόκκος άμμου) με τη βοήθεια ακτίνων λέιζερ είναι ένα πρώτο βήμα στην κατεύθυνση να γίνουν εφικτά εργαστηριακά πειράματα που θα μελετήσουν τη βαρύτητα στη μικροσκοπική κλίμακα

Τον 17ο αιώνα η μάζα της Γης ήταν ακόμη άγνωστη στους επιστήμονες. Ο Νεύτωνας την είχε συγκρίνει με τις μάζες άλλων ουράνιων σωμάτων και ήξερε ότι ήταν μεγαλύτερη από αυτή της Σελήνης. Είχε μάλιστα προτείνει έναν τρόπο προσδιορισμού της με απόλυτο τρόπο: Μια υψηλής ακρίβειας μέτρηση της βαρυτικής έλξης ανάμεσα σε δύο σφαιρικές μάζες. Αλλά απέρριψε ο ίδιος την ιδέα του, καθώς με τα όργανα της εποχής ήταν αδύνατο να μετρηθεί η πολύ ασθενής μεταξύ τους ελκτική δύναμη. Εναν αιώνα αργότερα, το 1797, ο επίσης Βρετανός φυσικός Κάβεντις κατασκεύασε μια εργαστηριακή διάταξη, που του επέτρεψε να μετρήσει τη βαρυτική δύναμη. Χρησιμοποίησε δύο σφαίρες μολύβδου βάρους 800 γραμμαρίων τοποθετημένες στο άκρο μιας δίμετρης ράβδου έτσι, ώστε οι σφαίρες να είναι η καθεμιά πολύ κοντά σε μια μεγαλύτερη βάρους 175 κιλών, στερεωμένη στην πειραματική διάταξη. Η έλξη μεταξύ μεγάλων και μικρών σφαιρών έκανε τη ράβδο να περιστραφεί μετακινώντας τις μικρές σφαίρες κατά 6 χιλιοστά. Γνωρίζοντας ήδη τη δύναμη την οποία η Γη ασκούσε στις μικρές σφαίρες (δηλαδή το βάρος τους) και τη δύναμη μεταξύ μεγάλων σφαιρών και μικρών (καθώς και τις μάζες τους) έκανε μια αναλογία με την οποία υπολόγισε τη μάζα της Γης. Ο υπολογισμός του στέκει ακόμη και σήμερα με μεγάλη ακρίβεια. Ηταν το πρώτο πείραμα σε αίθουσα εργαστηρίου για τη βαρύτητα.
Τώρα ορισμένοι φυσικοί, όπως ο Μάρκους Ασπελμάγιερ του Πανεπιστημίου της Βιέννης, θέλουν να κάνουν ένα νέο βαρυτικό πείραμα πολύ μικρότερου μεγέθους, πάνω στον πάγκο ενός εργαστηρίου. Σκοπός τους είναι να δώσουν απάντηση σε ένα θεμελιώδες ερώτημα της σύγχρονης Φυσικής: Μπορεί να συμβιβαστεί η γενική θεωρία της σχετικότητας (η σύγχρονη θεωρία της βαρύτητας) με την κβαντομηχανική; Από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις (πεδία), η βαρύτητα είναι η μόνη που δεν μπορεί να περιγραφεί από τους νόμους της κβαντικής μηχανικής, της θεωρίας που περιγράφει τη συμπεριφορά της ύλης στο υποατομικό επίπεδο. Ο ηλεκτρομαγνητισμός, η ισχυρή πυρηνική δύναμη που συγκρατεί τα σωματίδια των πυρήνων των ατόμων και η ασθενής πυρηνική δύναμη που προκαλεί τη ραδιενεργό μεταστοιχείωση, είναι κβαντικά πεδία (έχουν σωματίδια που μεταφέρουν τη δράση τους). Η βαρύτητα παραμένει έως τώρα κάτι τελείως διαφορετικό. Ούτε ο Αϊνστάιν μπόρεσε να ανακαλύψει μια ενοποιημένη θεωρία, ούτε κανείς άλλος μετά απ' αυτόν.

Επιστήμονες προσπαθούν να μετρήσουν τα βαρυτικά πεδία δύο σφαιρών από χρυσό, διαμέτρου ενός χιλιοστού, ώστε να μελετήσουν τη βαρύτητα πιο κοντά στο κβαντικό βασίλειο

Οι περισσότεροι φυσικοί σήμερα που εργάζονται προς την κατεύθυνση ενοποίησης των θεωριών εκτιμούν ότι αυτή θα γίνει μόνο αν μπορέσουμε να κάνουμε ζουμ έως την ελάχιστη κλίμακα, την κλίμακα Πλανκ. Οι διαστάσεις της είναι τόσο μικρές - 100 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια φορές μικρότερες από το μέγεθος του ατόμου υδρογόνου - που ο χωροχρόνος εκτιμάται ότι θα εμφανίζει κβαντικά χαρακτηριστικά. Ενας κβαντικός χωροχρόνος δεν είναι το ομαλό χωροχρονικό συνεχές της γενικής σχετικότητας, αλλά κοκκώδης, όπως μια ψηφιακή φωτογραφία που μεγεθύνεται περισσότερο από την ανάλυσή της και εμφανίζει τεχνουργήματα («πιξέλιασμα»). Αυτή η κοκκώδης υφή είναι το χαρακτηριστικό της κβαντικής θεωρίας, που αναδεικνύει την ενέργεια, την ορμή και άλλες ιδιότητες της ύλης σε ξεχωριστά «πακέτα», τα κβάντα.
Δυστυχώς για τους επιστήμονες, δεν υπάρχει τρόπος να παρατηρηθούν φαινόμενα στην κλίμακα Πλανκ και έτσι δεν υπάρχει τρόπος για να ελεγχθούν οι προβλέψεις διαφόρων θεωριών για την κβαντική βαρύτητα, ώστε να διαπιστωθεί ποια είναι εκείνη που συμφωνεί περισσότερο με την πραγματικότητα (εφόσον είναι κβαντισμένη η βαρύτητα). Στη Φυσική, όσο υψηλότερη είναι η κλίμακα Ενέργειας, τόσο μικρότερη είναι η απόσταση που μπορείς να μελετήσεις. Για τη μελέτη της κλίμακας Πλανκ θα χρειαζόταν μια μηχανή 1.000.000.000.000.000 φορές μεγαλύτερη από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN, τον μεγαλύτερο που έχει κατασκευαστεί ποτέ, με διάμετρο 27 χιλιομέτρων. Ενας τέτοιος επιταχυντής θα είχε διάμετρο περίπου ίση με αυτή του Γαλαξία! Μηχανές όπως ο LHC προκαλούν τη σύγκρουση σωματιδίων με ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός, ώστε οι επιστήμονες να παρατηρήσουν τα συντρίμμια με την ελπίδα να εντοπίσουν κάτι καινούριο. Είναι σαν να ανατινάζεις ένα χρηματοκιβώτιο για να δεις τι έχει μέσα. Μια άλλη τακτική είναι να ακούς τα κλικ της κλειδαριάς για να ανοίξεις το χρηματοκιβώτιο. Αυτήν την προσέγγιση ακολουθεί η πρόταση του Ασπελμάγιερ και άλλων: Να ανταλλάξουν τις υψηλές Ενέργειες με πολύ υψηλότερη ακρίβεια της πειραματικής διάταξης. Αν μπορείς να μετρήσεις κάτι πολύ πολύ καλά, τότε μπορείς να δεις τι συμβαίνει μέσα στην ύλη σε πολύ υψηλή ενεργειακή κλίμακα.

Θάλαμος κενού απομονώνει τις μικροσκοπικές μελετώμενες μάζες από εξωτερικές επιδράσεις, ώστε να μπορέσει να μετρηθεί με μεγάλη ακρίβεια το βαρυτικό τους πεδίο

Για να καταλάβει κανείς γιατί η ακρίβεια μπορεί να επιτρέψει στους φυσικούς να έχουν πρόσβαση σε υψηλότερες Ενέργειες και κατ' επέκταση μικρότερες χωρικές κλίμακες, μπορεί να αξιοποιήσει ένα ιστορικό ανάλογο: Την κίνηση Μπράουν. Σε μια μελέτη του Αϊνστάιν το 1905, ο μεγάλος επιστήμονας εξήγησε ότι η παράξενη τυχαία κίνηση των κόκκων γύρης μέσα σε μια σταγόνα νερό είναι αποτέλεσμα της κίνησης των μορίων του νερού, παρότι είναι πολλές τάξεις μεγέθους μικρότερα, ώστε να παρατηρηθούν απευθείας. Ο Ασπελμάγιερ και οι άλλοι φυσικοί που σκέφτονται με τον ίδιο τρόπο, θεωρούν ότι τα μικρά πράγματα που συμβαίνουν στην κλίμακα Πλανκ μπορεί να επηρεάζουν φαινόμενα προσβάσιμα σε επιτραπέζια εργαστηριακά πειράματα. Οι κβαντομηχανικές εξισώσεις εμφανίζουν δύο δυνατές θέσεις για ένα σωματίδιο, το οποίο βεβαίως εντοπίζεται τελικά σε μία. Το φαινόμενο των δύο θέσεων ονομάζεται κβαντική υπέρθεση. Οι επιστήμονες θέλουν να αξιοποιήσουν το συμπέρασμα του Ρίτσαρντ Φέινμαν ότι αν η Βαρύτητα έχει κβαντικό χαρακτήρα, τότε μια υπέρθεση σωματιδίων θα δημιουργούσε δύο ξεχωριστά βαρυτικά πεδία.
Παρότι οι επιταχυντές σωματιδίων δεν μπορούν να αναβαθμιστούν κατά εκατομμύρια φορές, η ακρίβεια των εργαστηριακών πειραμάτων ενδέχεται να το πετύχει στο πέρασμα των επόμενων δεκαετιών. Ισως, όμως, ποτέ να μη φτάσει το απαραίτητο επίπεδο. Ισως πάλι η βαρύτητα να συνδέεται με τον μικρόκοσμο με τρόπο διαφορετικό από αυτόν που περιγράφει η κβαντομηχανική. Σε ένα επίπεδο οργάνωσης της ύλης ακόμη πιο βαθύ από εκείνο των υποατομικών σωματιδίων, ίσως υπάρχει τόσο η εξήγηση των παράξενων φυσικών νόμων της κβαντομηχανικής, αλλά και η εξήγηση της βαρύτητας. Τότε θα πρέπει να τροποποιηθεί η κβαντομηχανική για να γίνει συμβατή με τη γενική σχετικότητα, αντί να προσπαθούμε να χωρέσουμε τη βαρύτητα στην κβαντική θεωρία, όπως αυτή είναι διατυπωμένη σήμερα.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»