Μια νέα θεωρητική μελέτη από ερευνητές του Πανεπιστημίου του Σάσεξ φιλοδοξεί να ανοίξει ένα ακόμη μονοπάτι προς τη λεγόμενη «κβαντική βαρύτητα» τη μεγάλη, άλυτη εξίσωση που θα ενώσει δύο θεμελιώδεις και έως σήμερα ασύμβατες θεωρίες της φυσικής: τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν και την κβαντομηχανική.
Ο επικεφαλής της ομάδας, ο θεωρητικός φυσικός Ξαβιέ Καλμέ, περιγράφει την έρευνα ως «ένα βήμα προς την ενοποίηση», δηλώνοντας πως η μελέτη προσφέρει μια νέα «κβαντική συνταγή» για τη δημιουργία μαύρων τρυπών. Αυτή η προσέγγιση στηρίζεται σε κβαντικές διορθώσεις στις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας – της θεωρίας που περιγράφει το σύμπαν σε μεγάλες κλίμακες, αλλά αποτυγχάνει στα ακραία σημεία, όπως στην καρδιά μιας μαύρης τρύπας.
Οι μαύρες τρύπες, σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, είναι αποτέλεσμα των εξισώσεων πεδίου της γενικής σχετικότητας, αλλά στο εσωτερικό τους εμφανίζεται μια «ιδιομορφία»: σημείο όπου η πυκνότητα γίνεται άπειρη και οι φυσικοί νόμοι καταρρέουν. «Οι ιδιομορφίες είναι ένα σήμα αποτυχίας της θεωρίας – κάτι λείπει», δηλώνει ο Καλμέ. Και αυτό που λείπει, υποψιάζονται πολλοί, είναι η κβαντική βαρύτητα.
Η κβαντική φυσική έχει ήδη εξηγήσει τις τρεις από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις του σύμπαντος (ηλεκτρομαγνητισμός, ισχυρή και ασθενής πυρηνική δύναμη). Όμως η βαρύτητα – η τέταρτη – παραμένει εκτός της κβαντικής περιγραφής. Παρά τις προσπάθειες, δεν υπάρχει ακόμη πειραματικά επιβεβαιωμένη θεωρία που να την περιγράφει σε κβαντικό επίπεδο.
Η θεωρία χορδών έχει αναδειχθεί ως ο πιο δημοφιλής υποψήφιος, αλλά βασίζεται σε υποθέσεις για 11 διαστάσεις – χωρίς να υπάρχουν ακόμα αποδείξεις για τις επιπλέον επτά πέραν των τεσσάρων που γνωρίζουμε (τρεις του χώρου και μία του χρόνου).
Η καινοτομία της νέας μελέτης έγκειται στο ότι οι ερευνητές δεν χρειάζονται την πλήρη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας για να προχωρήσουν. Αρκούνται στο εξής: όποια κι αν είναι η τελική θεωρία, θα πρέπει σε μεγάλες κλίμακες να συμφωνεί με τη γενική σχετικότητα. Με αυτό ως σημείο εκκίνησης, εφαρμόζουν σύγχρονες τεχνικές της κβαντικής θεωρίας πεδίου για να υπολογίσουν διορθώσεις στις εξισώσεις του Αϊνστάιν και να κατασκευάσουν νέες λύσεις για μαύρες τρύπες – λύσεις που δεν υφίστανται στη γενική σχετικότητα.
«Δεν πρόκειται απλώς για μικρές τροποποιήσεις», εξηγεί ο Καλμέ. «Μιλάμε για εντελώς νέες μορφές μαύρων τρυπών που θα μπορούσαν να υπάρχουν σε ένα σύμπαν που διέπεται από κβαντική βαρύτητα».
Αν και οι επιστήμονες μπορούν να υπολογίσουν τη συμπεριφορά αυτών των νέων μαύρων τρυπών κοντά στον ορίζοντα γεγονότων και σε αποστάσεις μακριά από αυτές, δεν είναι σε θέση να περιγράψουν με ακρίβεια τι συμβαίνει στην ίδια την ιδιομορφία – εκεί που η πυκνότητα γίνεται άπειρη. Χωρίς μια πλήρη θεωρία κβαντικής βαρύτητας, το μυστήριο παραμένει.
Το μεγάλο πρόβλημα, όπως τονίζει ο Καλμέ, είναι ότι δεν μπορούμε προς το παρόν να διακρίνουμε αν οι μαύρες τρύπες που παρατηρούμε αστρονομικά προέρχονται από τις λύσεις της γενικής σχετικότητας ή από αυτές της νέας προσέγγισης. Οι δύο θεωρίες συγκλίνουν σε μεγάλης κλίμακας φαινόμενα, κάτι που καθιστά εξαιρετικά δύσκολη την πειραματική διάκριση.
Παρόλα αυτά, το συμπέρασμα της μελέτης είναι ελπιδοφόρο: ίσως το μυστικό για την πολυπόθητη ενοποίηση της φυσικής – το «ιερό δισκοπότηρο» – βρίσκεται τελικά στα άδυτα των μαύρων τρυπών. Κι αν η επιστήμη δεν μπορεί (ακόμη) να δει τι κρύβεται εκεί, μπορεί πλέον να το προσεγγίσει θεωρητικά με τρόπους που πριν λίγα χρόνια δεν ήταν διαθέσιμοι.
Η έρευνα της ομάδας δημοσιεύθηκε στις 19 Ιουνίου στο A Letters Journal Exploring the Frontiers of Physics.
