Το να ανακαλύψουμε αν η βαρύτητα – και κατ’ επέκταση ο ίδιος ο χωροχρόνος – έχει κβαντική φύση θεωρούνταν εδώ και καιρό αδύνατο. Όμως καινοτόμες νέες ιδέες ίσως είναι έτοιμες να βοηθήσουν στην απάντηση αυτού του κρίσιμου ερωτήματος. 

Η φυσική είναι δύσκολη. Θέλετε να εντοπίσετε ένα κυματισμό στον χωροχρόνο; Το μόνο που χρειάζεστε είναι ένας ανιχνευτής ικανός να εντοπίζει μεταβολές μήκους μικρότερες από το ένα εκατομμυριοστό του μεγέθους ενός ατόμου. Παρ’ όλα αυτά, υπάρχει ένα πείραμα τόσο δύσκολο που κάνει ακόμη και τον πιο αισιόδοξο φυσικό να διστάσει: η δοκιμή της ιδέας ότι η βαρύτητα είναι κβαντική. 

Μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας αποτελεί τον ύψιστο στόχο της σύγχρονης φυσικής. Θα συμφιλίωνε δύο ασύμβατους προς το παρόν πυλώνες της περιγραφής του σύμπαντος: τη γενική σχετικότητα, τη θεωρία μας για τη βαρύτητα σε μεγάλη κλίμακα· και την κβαντομηχανική που εξηγεί σε μικροσκοπικό επίπεδο τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης. Ξεχωριστά και οι δύο θεωρίες έχουν δοκιμαστεί διεξοδικά και έχουν πάντα επιβεβαιωθεί, ωστόσο όταν προσπαθούμε να τις συνδυάσουμε όλα καταρρέουν. 

Αν μπορούσαμε να αποδείξουμε ότι η βαρύτητα έχει κβαντική φύση – ίσως μέσω της ανίχνευσης ενός κβαντικού σωματιδίου της, του λεγόμενου «βαρυτονίου» – το πρόβλημα θα πλησίαζε προς τη λύση του. Όμως ακόμη και οι ισχυρότεροι ανιχνευτές μας δεν πλησιάζουν καν τις εξαιρετικά υψηλές ενέργειες που θεωρείται ότι απαιτούνται για την ανίχνευση αυτών των υποθετικών σωματιδίων. 

Μέχρι πρόσφατα, ο εκλιπών θεωρητικός Φρίμαν Ντάισον εξέφραζε το αίσθημα πολλών φυσικών όταν υποστήριζε ότι η κβαντική βαρύτητα ίσως είναι απλώς μη ελέγξιμη πειραματικά. Τον τελευταίο καιρό όμως κάποιοι αρχίζουν να ισχυρίζονται ότι τα πράγματα μπορεί να μην είναι έτσι. Αν αυτό ισχύει, ίσως σύντομα δούμε τις πρώτες ενδείξεις για το πως σχετίζονται μεταξύ τους οι δύο θεμελιώδεις θεωρίες της φύσης. «Μου φαίνεται πως, τεχνολογικά μιλώντας, η εποχή είναι κατάλληλη» επισημαίνει ο θεωρητικός Βλάτκο Βέντραλ από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. 

Οι δύο πυλώνες της σύγχρονης φυσικής δεν ήταν ποτέ εύκολοι σύντροφοι. Από τη μία, η γενική σχετικότητα περιγράφει το σύμπαν ως έναν συνεχή και προβλέψιμο χωροχρόνο, ο οποίος κάμπτεται γύρω από μαζικά αντικείμενα, δημιουργώντας έτσι τη δύναμη της βαρύτητας. Από την άλλη, η κβαντομηχανική υποστηρίζει ότι όλη η ύλη και οι δυνάμεις του σύμπαντος αποτελούνται από αδιαίρετα σωματίδια με μια περίεργη ιδιότητα: δεν μπορούν να “αποφασίσουν” που ακριβώς βρίσκονται. 

Για δεκαετίες οι φυσικοί πορεύονταν χρησιμοποιώντας και τις δύο θεωρίες, η καθεμιά στο «γήπεδό» της. Σε γενικές γραμμές η γενική σχετικότητα υπερισχύει σε ό,τι είναι πολύ μεγάλο, όπου κυριαρχεί η βαρύτητα, ενώ η κβαντομηχανική κυριαρχεί στο πολύ μικρό, όπου δρουν οι άλλες δυνάμεις της φύσης. Όμως, τελικά, φαίνεται να μην μπορούν και οι δύο να είναι πλήρως αληθείς: η φύση δεν μπορεί να είναι ταυτόχρονα συνεχής και αποτελούμενη από αδιαίρετα “κομμάτια”, δεν μπορεί να είναι και προβλέψιμη και τυχαία. Το σημείο στο οποίο αυτό γίνεται πιο φανερό από ποτέ είναι η Μεγάλη Έκρηξη, όταν ολόκληρο το σύμπαν βρισκόταν συμπιεσμένο σε ένα απειροελάχιστο σημείο με άπειρη πυκνότητα και βαρύτητα. Όποιος ελπίζει να κατανοήσει εκείνη την ακραία στιγμή, δεν έχει άλλη επιλογή από το να επιχειρήσει μια συμφιλίωση. 

Η προσπάθεια να φέρουμε τη βαρύτητα υπό το πρίσμα της κβαντομηχανικής – να «κβαντικοποιήσουμε» τη βαρύτητα – είναι το πιο φιλόδοξο εγχείρημα της θεμελιώδους φυσικής εδώ και πάνω από μισό αιώνα. Υπάρχουν αρκετές θεωρίες που φιλοδοξούν να το πετύχουν, με πιο γνωστή τη θεωρία χορδών, η οποία αντικαθιστά τα θεμελιώδη σωματίδια με δονούμενες χορδές. 

Μια εναλλακτική προσέγγιση είναι η κβαντική βαρύτητα βρόχων (loop quantum gravity), η οποία προσπαθεί να κατασκευάσει τον ίδιο τον χωροχρόνο από αδιαίρετες κβαντικές μονάδες. Και οι δύο προσεγγίσεις αποδίδουν μια κβαντική εκδοχή της βαρύτητας – και είναι μαθηματικά εξαιρετικά απαιτητικές. Αλλά αυτό που τις καθιστά ακόμη πιο δύσκολες είναι η έλλειψη πειραμάτων που να μπορούν να τις επαληθεύσουν εμπειρικά. Από το 1957 κιόλας, ο θεωρητικός Ρίτσαρντ Φάινμαν δήλωσε ότι η «μία σοβαρή δυσκολία» είναι η απουσία πειραμάτων για τη δοκιμή ενδείξεων κβαντικής βαρύτητας.  

Πίσω από αυτόν τον ισχυρισμό κρυβόταν μια απλή λογική. Γνωρίζουμε ότι όλες οι άλλες δυνάμεις που διέπονται από την κβαντομηχανική μεταφέρονται μέσω αδιαίρετων σωματιδίων: φωτόνια για την ηλεκτρομαγνητική δύναμη που διέπει το φως και τη βασική χημεία· γκλουόνια για τη ισχυρή πυρηνική δύναμη, που συγκρατεί τα πρωτόνια και τα νετρόνια· και μποζόνια W και Z για τη ασθενή πυρηνική δύναμη που ευθύνεται για την ραδιενεργή αποσύνθεση ορισμένων σωματιδίων. 

Αν η βαρύτητα διέπεται από την ίδια θεμελιώδη θεωρία, τότε θα πρέπει και αυτή να μεταφέρεται από το δικό της σωματίδιο: το βαρυτόνιο. Είναι αλήθεια ότι το βαρυτόνιο μπορεί να είναι απλώς μια εκδήλωση κάποιου πιο θεμελιώδους φαινομένου – η δόνηση μιας χορδής στη θεωρία χορδών, ή η διέγερση του χωροχρόνου στην κβαντική βαρύτητα βρόχων. Όποια κι αν είναι όμως η θεωρία, κάτι σαν το βαρυτόνιο σχεδόν σίγουρα πρέπει να εμφανίζεται. 

Το πρόβλημα είναι ότι όσο πιο ασθενής είναι μια δύναμη, τόσο πιο σπάνια αλληλεπιδρά το σωματίδιό της με άλλα σωματίδια. Και η βαρύτητα είναι μια εξαιρετικά ασθενής δύναμη — 10 τρισεκατομμύρια φορές ασθενέστερη ακόμη και από τη λεγόμενη ασθενή πυρηνική δύναμη. Μπορεί να νομίζουμε πως η βαρύτητα είναι ισχυρή, βλέποντας να ρίχνει ένα μήλο από το κλαδί του στη Γη, αλλά η βαρυτική έλξη ανάμεσα σε δύο μήλα είναι σχεδόν ανεπαίσθητη. Γι’ αυτό και η πιθανότητα να εντοπίσουμε ένα βαρυτόνιο (graviton) σε κάποιο πείραμα θεωρείται εδώ και καιρό αδιανόητα μικρή. 

Σύμφωνα με την επικρατούσα θεωρία, τα αποτελέσματα της κβαντικής βαρύτητας μπορούν να γίνουν αισθητά μόνο σε ενεργειακά επίπεδα που είναι σχεδόν αδιανόητα. Ακόμη και ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) — ο υπερσύγχρονος επιταχυντής σωματιδίων που εντόπισε το μποζόνιο Higgs — είναι ένα δισεκατομμύριο τρισεκατομμύρια φορές πολύ αδύναμος για να παρατηρήσει την κβαντική βαρύτητα σε δράση. Στις αρχές της δεκαετίας του 2000, ο Ντάισον είχε δηλώσει ότι για να παραχθούν τέτοιες ενδείξεις, θα χρειαζόμασταν ανιχνευτές τόσο τεράστιους, που θα κατέρρεαν από μόνοι τους σχηματίζοντας μαύρες τρύπες. 

Δεν προκαλεί λοιπόν έκπληξη το σοκ που προκλήθηκε πέρυσι, όταν μια ερευνητική ομάδα υπό τον Ίγκορ Πίκοβσκι του Πανεπιστημίου της Στοκχόλμης πρότεινε ότι ίσως τελικά να είναι εφικτός ο εντοπισμός ενός βαρυτονίου στο εργαστήριο. Το πειραματικό σχέδιο περιελάμβανε μια μικροσκοπική μεταλλική ράβδο. Πρώτα η ράβδος ψύχεται κοντά στο απόλυτο μηδέν, ώστε τα άτομα της να βρεθούν όλα στην ίδια κβαντική κατάσταση. Στη συνέχεια φωτίζεται με λέιζερ, προκαλώντας έναν πολύ μικρό κβαντικό “σπρωξιματάκι” που την οδηγεί σε μια κατάσταση όπου, με την αβεβαιότητα της κβαντομηχανικής, ταλαντώνεται και ταυτόχρονα δεν ταλαντώνεται. Όταν η ράβδος έχει στηθεί με αυτόν τον τρόπο, ισχυρίζονται οι ερευνητές, τότε είναι ικανή να ταλαντωθεί πλήρως ακόμη και από την πιο απειροελάχιστη διαταραχή — ακόμη και από το «ντινγκ» ενός και μόνο βαρυτονίου. 

Ακούγεται πολύ καλό για να είναι αληθινό — και για αρκετούς άλλους φυσικούς, είναι. Λίγους μήνες πριν από τη δημοσίευση της εργασίας της ομάδας Πίκοβσκι, ο θεωρητικός Ντάνιελ Κάρνι του Εθνικού Εργαστηρίου Λόρενς Μπέρκλεϊ στην Καλιφόρνια, μαζί με συναδέλφους του, επανεξέτασε το ερώτημα του αν τα βαρυτόνια μπορούν να ανιχνευτούν με την τεχνολογία που έχει σχεδιαστεί για την καταγραφή βαρυτικών κυμάτων. 

Μόνο το 2015 εντοπίστηκε για πρώτη φορά ένα τέτοιο κύμα, όταν το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων μέσω Συμβολόμετρου Λέιζερ (LIGO) στις ΗΠΑ μέτρησε μια εξαιρετικά μικροσκοπική διαταραχή στον χωροχρόνο — μικρότερη από ένα εκατομμυριοστό του πλάτους ενός ατόμου. Ο εντοπισμός αυτού του κύματος θεωρήθηκε ένα από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα της σύγχρονης φυσικής και για ορισμένους, άνοιξε την πόρτα για να αρχίσουμε να ελπίζουμε ότι ακόμη και η πολυπόθητη «κβαντική βαρύτητα» ίσως τελικά να καταστεί πειραματικά προσβάσιμη. 

Αν μπορούν να ανιχνευθούν βαρυτικά κύματα, ρώτησαν ο Ντάνιελ Κάρνι και οι συνεργάτες του, τότε γιατί όχι και βαρυτόνια; Θεωρητικά, ένα βαρυτικό κύμα δεν είναι τίποτα περισσότερο από ένα σύνολο βαρυτονίων. Οι ερευνητές υπολόγισαν ότι η τεχνολογία που έχει αναπτυχθεί την τελευταία δεκαετία έχει ήδη γίνει αρκετά ευαίσθητη ώστε να μπορεί να ανιχνεύσει κύματα τόσο μικρά που να αντιστοιχούν σε ένα και μόνο βαρυτόνιο. 

Σε κάθε περίπτωση, οι περισσότεροι φυσικοί συμφωνούν ότι ένα απόλυτα καθαρό, αδιαμφισβήτητο σήμα που να επιβεβαιώνει την ύπαρξη βαρυτονίων παραμένει δυστυχώς, ένα άπιαστο όνειρο. «Για μια αναμφισβήτητη απόδειξη της κβαντοποίησης [της βαρύτητας], πιθανότατα θα πρέπει να περιμένουμε άλλα 100 χρόνια ή και περισσότερο» τονίζει ο Πίκοβσκι. 

Πόσος χρόνος θα χρειαστεί; Κανείς δεν γνωρίζει με βεβαιότητα. Όμως αυτό που άλλοτε φαινόταν αδύνατο – το να δοκιμαστεί πειραματικά αν η βαρύτητα είναι κβαντική ή όχι – φαίνεται πλέον στον ορίζοντα. 

*Με στοιχεία από το New Scientist.  

 

 

➪ Ακολουθήστε το OLAFAQ στο Facebook, Bluesky και Instagram.