Μια νέα ανακάλυψη υποδηλώνει ότι τα βαρυτικά πεδία μπορούν να επιτρέψουν στην ύλη να περιέλθει σε κβαντική διεμπλοκή (quantum entanglement) – και αυτό φαίνεται να ισχύει ακόμη κι αν η έννοια της κβαντικής βαρύτητας παύει να υφίσταται.

Η ιδέα προέρχεται από δύο φυσικούς με έδρα το Λονδίνο, οι οποίοι αμφισβητούν τον τρόπο που σκεφτόμαστε για τα κβαντικά πεδία και τον τρόπο λειτουργίας της κλασικής βαρύτητας, γράφει το space.com, αναδημοσιεύντας εν περιλήψει την έρευνα που δημοσιεύθηκε στο nature.com.

Η αναζήτηση της ενοποίησης

Η αναζήτηση μιας θεωρίας για την κβαντική βαρύτητα είναι το επόμενο μεγάλο βήμα στη φυσική, καθώς οι ερευνητές επιδιώκουν να ενοποιήσουν τη φυσική του πολύ μικρού (κβαντομηχανική) με αυτή του πολύ μεγάλου (γενική θεωρία της σχετικότητας).

Παρόλο που και οι δύο θεωρίες γεννήθηκαν πριν από 100 χρόνια, οι επιστήμονες ακόμα δεν γνωρίζουν πώς μπορούν να ενοποιηθούν, καθώς, ως έχουν, αντιφάσκουν μεταξύ τους.

Τα νέα ευρήματα των Τζόζεφ Αζίζ και Ρίτσαρντ Χάουλ από το Πανεπιστήμιο Royal Holloway του Λονδίνου, περιπλέκουν περαιτέρω τα πράγματα.

Η εργασία τους βασίζεται σε ένα νοητικό πείραμα που πρότεινε ο διάσημος φυσικός Ρίτσαρντ Φάινμαν το 1957.

Το πείραμα του Φάινμαν και η διεμπλοκή

Το πείραμα του Φάινμαν περιελάμβανε την τοποθέτηση ενός αντικειμένου – ας πούμε, ενός μήλου – σε κβαντική υπέρθεση (quantum superposition).

Με απλά λόγια, το μήλο θα υπήρχε ταυτόχρονα σε δύο τοποθεσίες μέχρι να παρατηρηθεί.

Στη συνέχεια, ο Φάινμαν εισήγαγε ένα δεύτερο μήλο. Αν το πρώτο μήλο (σε υπέρθεση) αλληλεπιδρούσε βαρυτικά με το δεύτερο αντικείμενο, ο Φάινμαν όρισε ότι αυτό θα ήταν σημάδι της κβαντικής βαρύτητας εν δράσει.

Οι σύγχρονες προσεγγίσεις αυτού του πειράματος εξηγούν αυτή τη σύνδεση ως κβαντική διεμπλοκή: οι κβαντικές ιδιότητες των δύο αντικειμένων συνδέονται άρρηκτα, σε σημείο που μια αλλαγή στο ένα να προκαλεί μια αλλαγή στο άλλο, ανεξάρτητα από την απόστασή τους.

Η «παρα-διεμπλοκή» της κλασικής βαρύτητας

Ωστόσο, οι Αζίζ και Χάουλ έδειξαν τώρα ότι η διεμπλοκή θα μπορούσε να συμβεί ακόμη και χωρίς κβαντική βαρύτητα.

Στην κβαντική φυσική, οι δυνάμεις χωρίζονται σε διακριτά πακέτα ενέργειας που ονομάζονται κβάντα (quanta).

Ένα κβάντο της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης είναι το φωτόνιο. Σε μια κβαντική περιγραφή της βαρύτητας, η βαρυτική δύναμη πρέπει να έχει τα δικά της κβάντα, τα οποία ονομάζονται βαρυτόνια (gravitons). Κανείς δεν έχει δει ποτέ βαρυτόνιο.

Οι Χάουλ και Αζίζ έδειξαν ότι, ακόμη και αν η βαρύτητα δεν είναι κβαντική (δηλαδή κλασική, όπως την περιέγραψε ο Αϊνστάιν ως καμπύλωση του χωροχρόνου), μπορεί να «σχεδόν-διεμπλακεί» (quasi-entanglement) με την ύλη.

Το κλασικό βαρυτικό πεδίο αλληλεπιδρά με το κβαντικό πεδίο της ύλης, και αυτή η «σχεδόν-διεμπλοκή» μεσολαβείται από εικονικά σωματίδια (virtual particles) – βασικά, εικονικά άτομα.

«Γενικά, θεωρούνταν ότι για να προκαλέσει διεμπλοκή η βαρυτική αλληλεπίδραση, χρειαζόταν το βαρυτικό πεδίο να είναι κβαντομηχανικό, ώστε να μπορεί να τεθεί σε υπέρθεση», δήλωσε ο Χάουλ.

«Αυτό που προσπαθήσαμε να υποστηρίξουμε είναι ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν κβαντικές διαδικασίες που σχετίζονται με αυτήν [την αλληλεπίδραση], διαδικασίες εικονικής ύλης, και σε αυτή την περίπτωση, ακόμη και αν το βαρυτικό πεδίο είναι κλασικό, η βαρυτική αλληλεπίδραση θα μπορούσε να προκαλέσει διεμπλοκή της ύλης», εξηγεί.

Πώς θα ξεχωρίσουμε τη διαφορά

Η εργασία τους δεν αποκλείει την κβαντική βαρύτητα.

Υποδηλώνει ότι η επίδραση της διεμπλοκής από την κλασική βαρύτητα είναι πολύ πιο αδύναμη από ότι αν η βαρύτητα ήταν κβαντική.

Η κβαντική βαρύτητα θα παρήγαγε ισχυρές συσχετίσεις. Αν το ένα σωματίδιο έχει spin “πάνω”, το άλλο θα έχει “κάτω” στο 100% των περιπτώσεων.

Στην κλασική Βαρύτητα (με εικονική ύλη) η συσχέτιση γίνεται πολύ πιο αδύναμη. Είναι θέμα πιθανοτήτων: σε επαναλαμβανόμενα πειράματα, το δεύτερο σωματίδιο δεν θα βρεθεί «κάτω» τόσο συχνά.

H πρόκληση του πειράματος

Προς το παρόν, η εργασία των Αζίζ και Χάουλ είναι μια μαθηματική πραγματεία. Θα μπορούσε το πείραμα να πραγματοποιηθεί στην πραγματική ζωή;

«Είναι ακόμα ανοιχτό το ερώτημα», είπε ο Χάουλ. «Θεωρητικά, τίποτα δεν λέει ότι δεν μπορείς να το κάνεις, αλλά πρέπει να εξαλείψεις κάθε αποσυνοχή [οτιδήποτε θα προκαλούσε την κατάρρευση της υπέρθεσης] και αυτό είναι μια απίστευτα δύσκολη πρόκληση».

Ο Χάουλ προβλέπει ότι θα υπάρξουν αντιδράσεις στις ιδέες της ομάδας, αλλά είναι αισιόδοξος ότι τις επόμενες δεκαετίες το πείραμα του Φάινμαν θα μπορούσε επιτέλους να πραγματοποιηθεί και να δώσει μια πραγματική απάντηση στο αν η κβαντική βαρύτητα είναι πραγματική ή όχι.