A gravitáció volt az első alapvető erő, amelyet az emberiség felismert, mégis ez a legkevésbé megértett. A fizikusok kitűnő pontossággal meg tudják jósolni a gravitáció hatását a bowlinggolyókra, csillagokra és bolygókra, de senki sem tudja, hogyan lép kölcsönhatásba ez az erő a parányi részecskékkel, vagyis a kvantumokkal. A kvantumgravitáció elméletének – az erő működésének leírása az univerzum legkisebb részecskéire vonatkozóan – közel egy évszázados kutatását az az egyszerű elvárás vezérli, hogy egyetlen gravitációs szabálykönyvnek kell irányítania az összes galaxist, kvarkot és mindent, ami a kettő között van.
“Ha nincs elmélet , akkor az univerzum csak káosz. Csak véletlenszerű” – mondta Netta Engelhardt, a Massachusetts Institute of Technology elméleti fizikusa. “Még azt sem mondhatom, hogy kaotikus vagy véletlenszerű lenne, mert ezek valójában legitim fizikai folyamatok.”
Az általános relativitáselmélet éle
Az elméleti fizika legégetőbb problémájának középpontjában a terület két legnagyobb diadalának összeütközése áll. Albert Einstein általános relativitáselmélete az Isaac Newton által a tárgyak közötti egyszerű vonzásról alkotott elképzelést felváltotta egy olyan leírással, amely szerint az anyag vagy az energia meghajlítja maga körül a teret és az időt, a közeli tárgyak pedig követik ezeket a görbült pályákat, és úgy viselkednek, mintha vonzódnának egymáshoz. Einstein egyenleteiben a gravitáció magának a térnek az alakja. Az ő elmélete megtartotta a sima, klasszikus univerzum hagyományos leírását – egy olyan univerzumét, ahol mindig tovább lehet nagyítani a tér egy kisebb foltjára.
Az általános relativitáselmélet továbbra is kitűnően teljesít minden tesztet, amit az asztrofizikusok elé vetnek, beleértve olyan helyzeteket is, amelyeket Einstein soha nem tudott volna elképzelni. A legtöbb szakértő azonban arra számít, hogy Einstein elmélete egy napon megbukik, mert a világegyetem végül is göröngyösnek tűnik, nem pedig simának. A bolygók és csillagok valójában atomok halmazai, amelyek viszont elektronokból és kvarkok kötegeiből állnak. Ezek a részecskék más típusú részecskék cseréjével lógnak össze vagy szakadnak szét, ami vonzó és taszító erőket eredményez.
Az elektromos és mágneses erők például virtuális fotonoknak nevezett részecskék cseréjéből származnak. Például a mágnest a hűtőszekrényhez tapadó erő leírható sima, klasszikus mágneses mezőként, de a mező finom részletei az azt létrehozó kvantumrészecskéktől függnek. A világegyetem négy alapvető ereje (gravitáció, elektromágnesesség, erős és gyenge magerő) közül csak a gravitációból hiányzik a “kvantumos” leírás. Ennek eredményeként senki sem tudja biztosan (bár rengeteg elképzelés van), hogy honnan származik a gravitációs mező, vagy hogy az egyes részecskék hogyan viselkednek benne.
A furcsa erő
A probléma az, hogy bár a gravitáció a földhöz tapadva tart minket, és általában erőként hat, az általános relativitáselmélet szerint valami többről van szó – magának a térnek az alakjáról. Más kvantumelméletek a teret lapos háttérként kezelik, amelyből mérhető, hogy a részecskék milyen messze és milyen gyorsan repülnek. A tér görbületének figyelmen kívül hagyása a részecskék esetében azért működik, mert a gravitáció annyira gyengébb, mint a többi erő, hogy a tér laposnak tűnik, ha olyan kicsire nagyítjuk, mint egy elektron. A gravitáció és a tér görbülete viszonylag nyilvánvalóvá válik a nagyításnál, például a bolygóknál és a csillagoknál. De amikor a fizikusok megpróbálják kiszámítani a tér görbületét egy elektron körül, bármilyen csekély is az, a matematika lehetetlenné válik.
Az 1940-es évek végén a fizikusok kifejlesztettek egy renormálásnak nevezett technikát a kvantummechanika szeszélyeinek kezelésére, amely lehetővé teszi, hogy egy elektron végtelenül sokféleképpen megfűszerezze az unalmas utazást. Például kilőhet egy fotont. Ez a foton szétválhat elektronra és annak antianyag ikertestvérére, a pozitronra. Ezek a párok aztán újabb fotonokat lőhetnek ki, amelyek újabb ikerpárokra oszthatók, és így tovább. Míg egy tökéletes számításhoz az elektronok végtelen sokféle útját kellene összeszámolni, a renormálás lehetővé tette a fizikusok számára, hogy a zabolátlan lehetőségeket néhány mérhető számba, például az elektron töltésébe és tömegébe gyűjtsék össze. Ezeket az értékeket nem tudták megjósolni, de be tudták illeszteni a kísérletekből származó eredményeket, és felhasználhatták őket más előrejelzésekhez, például ahhoz, hogy hová tart az elektron.
A renormalizáció nem működik, amikor az elméleti gravitációs részecskék, az úgynevezett gravitonok belépnek a színre. A gravitonoknak saját energiájuk is van, ami a tér további torzulását és még több gravitont hoz létre, ami még több torzulást és még több gravitont hoz létre, és így tovább, ami általában egy óriási matematikai zűrzavart eredményez. Még akkor is, amikor a fizikusok megpróbálnak a végtelenségek egy részét egymásra halmozni, hogy kísérletileg mérni tudják, a végén belefulladnak a végtelen számú halomba.
“Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy végtelen számú kísérletre van szükség ahhoz, hogy bármit is meghatározzunk” – mondta Engelhardt – “és ez nem egy reális elmélet.”
A gyakorlatban a részecskék körüli görbület kezelésének hiánya végzetessé válik olyan helyzetekben, amikor a sok tömeg és energia olyan szorosan megcsavarja a teret, hogy még az elektronok és társaik sem tehetnek róla – mint például a fekete lyukak esetében. De a téridő gödreihez nagyon közel – vagy ami még rosszabb, azokon belül – lévő részecskék bizonyára ismerik a játékszabályokat, még ha a fizikusok nem is.
“A természet megtalálta a módját annak, hogy a fekete lyukak létezzenek” – írta Robbert Dijkgraaf, a New Jersey állambeli Princetonban található Institute for Advanced Study igazgatója az intézet egyik kiadványában. “Most rajtunk múlik, hogy kiderítsük, mit tud a természet, amit mi még nem”.
A gravitáció beemelése a mederbe
Az általános relativitáselmélet egy közelítését használva (Engelhardt “sebtapasznak” nevezte), a fizikusok kidolgoztak egy elképzelést arról, hogyan nézhetnek ki a gravitonok, de senki sem számít arra, hogy egyhamar látni fognak egyet is. Egy gondolatkísérlet szerint 100 évnyi kísérletezésre lenne szükség egy olyan nehéz részecskeütköztetővel, mint a Jupiter, hogy észleljünk egyet. Addig is az elméletalkotók újragondolják az univerzum legalapvetőbb elemeinek természetét.
A hurokkvantumgravitáció néven ismert egyik elmélet a részecskék és a téridő közötti konfliktust úgy kívánja feloldani, hogy a teret és az időt apró darabokra bontja – egy olyan végső felbontás, amelyen túl nem történhet nagyítás.
A másik népszerű keretrendszer, a húrelmélet más megközelítést alkalmaz, és a részecskéket szálszerű húrokra cseréli, amelyek matematikailag jobban viselkednek, mint pontszerű társaik. Ennek az egyszerű változtatásnak összetett következményei vannak, de az egyik szép tulajdonsága, hogy a gravitáció egyszerűen kiesik a matematikából. Még ha Einstein és kortársai soha nem is fejlesztették volna ki az általános relativitáselméletet, mondta Engelhardt, a fizikusok később a húrelméleten keresztül bukkantak volna rá. “Ezt eléggé csodálatosnak találom” – mondta.
És a húrelmélet-elméleti szakemberek Engelhardt szerint az elmúlt évtizedekben további utalásokat fedeztek fel arra, hogy eredményes úton járnak. Egyszerűen fogalmazva, maga a tér gondolata talán elvonja a fizikusok figyelmét a világegyetem egy sokkal alapvetőbb szerkezetéről.
A teoretikusok az 1990-es évek végén felfedezték, hogy egy egyszerű, dobozszerű, gravitációt is tartalmazó univerzum leírása matematikailag egyenértékű egy lapos univerzum képével, amelyben csak kvantumfizika van (és nincs gravitáció). A leírások közötti ide-oda ugrálás képessége arra utal, hogy a tér talán nem a kozmosz alapvető összetevője, hanem inkább a részecskék kölcsönhatásaiból eredő mellékhatás.
Amilyen nehéz is elképzelni nekünk, a tér szövetébe ágyazott halandóknak, a tér és a részecskék közötti kapcsolat valami olyasmi lehet, mint a szobahőmérséklet és a levegőmolekulák között. A fizikusok egykor úgy gondoltak a hőre, mint egy folyadékra, amely egy meleg szobából egy hideg szobába áramlik, de a molekulák felfedezése felfedte, hogy amit mi hőmérsékletként érzékelünk, az a levegőmolekulák átlagos sebességéből “keletkezik”. A tér (és ennek megfelelően a gravitáció) hasonlóképpen képviselheti valamilyen kis léptékű jelenség nagyléptékű tapasztalatát. “A húrelméleten belül jelenleg elég jó jelek utalnak arra, hogy a tér valójában emergens” – mondta Engelhardt.”
A húrelmélet dobozban lévő univerzuma azonban más alakú, mint amit mi látunk (bár Engelhardt szerint ez a különbség nem feltétlenül döntő, hiszen a kvantumgravitáció ugyanúgy hathat minden lehetséges univerzumformára). Még ha a dobozos univerzum tanulságai a valóságban is érvényesek, a matematikai keret továbbra is durva marad. A fizikusok még messze vannak attól, hogy elvágják elméleti kötelékeiket az űrhöz, és elérjék a kvantumgravitáció pontos leírását a maga döcögős dicsőségében.
Míg továbbra is dolgoznak az elméleteik lényeges matematikai rögösségein, néhány fizikus reménykedik abban, hogy asztrofizikai megfigyeléseik egy nap talán a helyes irányba terelik őket. Eddig egyetlen kísérlet sem tért el az általános relativitáselmélet jóslataitól, de a jövőben a gravitációs hullámok sokféle hullámméretre érzékeny detektorai sokféleképpen foghatják meg a gravitonok finom suttogását. Azonban, mondta Engelhardt, “az én ösztönöm inkább a kozmoszra, mint a részecskeütköztetőkre irányulna”
.