Grawitacja była pierwszą fundamentalną siłą, którą ludzkość poznała, jednak pozostaje ona najmniej zrozumiała. Fizycy potrafią z niezwykłą dokładnością przewidzieć wpływ grawitacji na kule do kręgli, gwiazdy i planety, ale nikt nie wie, jak siła ta oddziałuje z maleńkimi cząsteczkami, czyli kwantami. Trwające prawie sto lat poszukiwania teorii kwantowej grawitacji – opisu działania tej siły na najmniejsze cząstki wszechświata – wynikają z prostego oczekiwania, że jeden zbiór zasad grawitacji powinien rządzić wszystkimi galaktykami, kwarkami i wszystkim, co znajduje się pomiędzy nimi.
„Jeśli nie ma teorii, to wszechświat jest po prostu chaosem. Jest po prostu przypadkowy” – powiedziała Netta Engelhardt, fizyk teoretyczny z Massachusetts Institute of Technology. „Nie mogę nawet powiedzieć, że byłoby to chaotyczne lub przypadkowe, ponieważ są to faktycznie uzasadnione procesy fizyczne.”
Krawędź ogólnej teorii względności
W sercu najbardziej drażliwego problemu w fizyce teoretycznej leży starcie między dwoma największymi triumfami tej dziedziny. Ogólna teoria względności Alberta Einsteina zastąpiła pojęcie prostego przyciągania między obiektami Isaaca Newtona opisem materii lub energii zakrzywiającej przestrzeń i czas wokół siebie, a pobliskie obiekty podążają tymi zakrzywionymi ścieżkami, zachowując się tak, jakby się nawzajem przyciągały. W równaniach Einsteina grawitacja jest kształtem samej przestrzeni. Jego teoria zachowała tradycyjny opis gładkiego, klasycznego wszechświata – takiego, w którym zawsze można powiększyć mniejszy wycinek przestrzeni.
Ogólna teoria względności nadal zdaje każdy test, jaki astrofizycy na nią rzucają, włączając w to sytuacje, których Einstein nigdy nie mógłby sobie wyobrazić. Ale większość ekspertów spodziewa się, że teoria Einsteina kiedyś się nie sprawdzi, ponieważ wszechświat ostatecznie wydaje się wyboisty, a nie gładki. Planety i gwiazdy to tak naprawdę zbiory atomów, które z kolei składają się z elektronów i wiązek kwarków. Cząstki te łączą się lub rozpadają poprzez zamianę innych typów cząstek, dając początek siłom przyciągania i odpychania.
Elektryczne i magnetyczne siły, na przykład, pochodzą z obiektów wymiany cząstek znanych jako wirtualne fotony. Na przykład, siła przywierająca magnes do lodówki może być opisana jako gładkie, klasyczne pole magnetyczne, ale drobne szczegóły pola zależą od cząstek kwantowych, które je tworzą. Spośród czterech podstawowych sił wszechświata (grawitacji, elektromagnetyzmu oraz silnej i słabej siły jądrowej), tylko grawitacji brakuje „kwantowego” opisu. W rezultacie nikt nie wie na pewno (choć istnieje wiele pomysłów), skąd się biorą pola grawitacyjne i jak poszczególne cząstki zachowują się w ich wnętrzu.
The odd force out
Problem polega na tym, że chociaż grawitacja trzyma nas przy ziemi i ogólnie działa jak siła, ogólna teoria względności sugeruje, że jest to coś więcej – kształt samej przestrzeni. Inne teorie kwantowe traktują przestrzeń jako płaskie tło do mierzenia, jak daleko i szybko lecą cząstki. Ignorowanie zakrzywienia przestrzeni dla cząstek działa, ponieważ grawitacja jest tak słabsza od innych sił, że przestrzeń wydaje się płaska, gdy powiększa się ją na coś tak małego jak elektron. Efekty grawitacji i zakrzywienia przestrzeni są stosunkowo oczywiste na bardziej oddalonych poziomach, takich jak planety i gwiazdy. Ale kiedy fizycy próbują obliczyć zakrzywienie przestrzeni wokół elektronu, tak nieznaczne jak to może być, matematyka staje się niemożliwa.
W późnych latach czterdziestych fizycy opracowali technikę, zwaną renormalizacją, do radzenia sobie z kaprysami mechaniki kwantowej, które pozwalają elektronowi urozmaicić nudną podróż na nieskończenie wiele sposobów. Może on, na przykład, wystrzelić foton. Ten foton może rozdzielić się na elektron i jego bliźniaka z antymaterii, pozyton. Te pary mogą następnie wystrzelić więcej fotonów, które mogą rozdzielić się na więcej bliźniaków, i tak dalej. Podczas gdy idealne obliczenia wymagałyby policzenia nieskończonej różnorodności wycieczek elektronów, renormalizacja pozwoliła fizykom zebrać niesforne możliwości w kilka mierzalnych liczb, takich jak ładunek i masa elektronu. Nie byli w stanie przewidzieć tych wartości, ale mogli podłączyć wyniki z eksperymentów i użyć ich do innych przewidywań, jak to, dokąd zmierza elektron.
Renormalizacja przestaje działać, gdy na scenę wchodzą teoretyczne cząstki grawitacyjne, zwane grawitonami. Grawitony mają także swoją własną energię, która tworzy więcej odkształceń przestrzeni i więcej grawitonów, które tworzą więcej odkształceń i więcej grawitonów, i tak dalej, generalnie powodując gigantyczny matematyczny bałagan. Nawet kiedy fizycy próbują zebrać niektóre z tych nieskończoności razem, aby zmierzyć je doświadczalnie, kończą tonąc w nieskończonej liczbie stosów.
„To efektywnie oznacza, że potrzebujesz nieskończonej liczby eksperymentów, aby cokolwiek ustalić”, powiedział Engelhardt, „a to nie jest realistyczna teoria.”
W praktyce, ta porażka w radzeniu sobie z krzywizną wokół cząstek staje się śmiertelna w sytuacjach, w których duża ilość masy i energii skręca przestrzeń tak mocno, że nawet elektrony i ich pokrewieństwo nie mogą pomóc, ale zwrócić na to uwagę – tak jak w przypadku czarnych dziur. Ale wszelkie cząstki znajdujące się bardzo blisko – lub co gorsza, wewnątrz – dołów czasoprzestrzeni z pewnością znają zasady zaangażowania, nawet jeśli fizycy ich nie znają.
„Natura znalazła sposób, aby czarne dziury istniały”, napisał Robbert Dijkgraaf, dyrektor Institute for Advanced Study w Princeton, New Jersey, w publikacji dla instytutu. „Teraz do nas należy odkrycie, co natura wie, a my jeszcze nie”.
Wprowadzenie grawitacji do złożenia
Używając przybliżenia ogólnej teorii względności (Engelhardt nazwał to „Band-Aidem”), fizycy rozwinęli wyobrażenie o tym, jak mogą wyglądać grawitony, ale nikt nie spodziewa się zobaczyć jednego w najbliższym czasie. Jeden z eksperymentów myślowych sugeruje, że potrzeba by 100 lat eksperymentów przy użyciu zderzacza cząstek tak ciężkich jak Jowisz, aby je wykryć. W międzyczasie teoretycy ponownie zastanawiają się nad naturą najbardziej fundamentalnych elementów wszechświata.
Jedna z teorii, znana jako pętlowa grawitacja kwantowa, ma na celu rozwiązanie konfliktu między cząstkami a czasoprzestrzenią poprzez rozbicie przestrzeni i czasu na małe kawałki – ostateczne rozwiązanie, poza którym nie może nastąpić żadne powiększenie.
Teoria strun, inna popularna teoria, przyjmuje inne podejście i zamienia cząstki na struny przypominające włókna, które zachowują się matematycznie lepiej niż ich punktowe odpowiedniki. Ta prosta zmiana ma złożone konsekwencje, ale jedną z miłych cech jest to, że grawitacja po prostu wypada z matematyki. Engelhardt twierdzi, że nawet gdyby Einstein i jego współcześni nigdy nie opracowali ogólnej teorii względności, fizycy natknęliby się na nią później dzięki teorii strun. „Uważam to za cudowne,” powiedziała.
A teoretycy teorii strun odkryli kolejne wskazówki, że są na dobrej drodze w ostatnich dekadach, według Engelhardt. Mówiąc wprost, sama idea przestrzeni może odwracać uwagę fizyków od bardziej fundamentalnej struktury wszechświata.
Teoretycy odkryli w późnych latach 90-tych, że opisy prostego, pudełkowatego wszechświata zawierającego grawitację były matematycznie równoważne obrazowi płaskiego wszechświata z tylko fizyką kwantową (i bez grawitacji). Zdolność do przeskakiwania tam i z powrotem pomiędzy tymi opisami sugeruje, że przestrzeń może nie być fundamentalnym składnikiem kosmosu, ale raczej efektem ubocznym, który wyłania się z interakcji cząsteczek.
As hard as it might be for us mortals embedded in the fabric of space to imagine, the relationship between space and particles might be something like the one between room temperature and air molecules. Fizycy myśleli kiedyś o cieple jako o płynie, który przepływa z ciepłego pokoju do chłodnego, ale odkrycie molekuł ujawniło, że to, co odczuwamy jako temperaturę, „wyłania się” ze średniej prędkości cząsteczek powietrza. Przestrzeń (i analogicznie grawitacja) może w podobny sposób reprezentować nasze wielkoskalowe doświadczenie jakiegoś małoskalowego zjawiska. „W teorii strun istnieją całkiem dobre przesłanki, że przestrzeń jest rzeczywiście emergentna,” powiedział Engelhardt.
Ale wszechświat w pudełku w teorii strun ma inny kształt niż ten, który widzimy (chociaż Engelhardt powiedział, że ta różnica może nie być przełomowa, ponieważ grawitacja kwantowa może działać w ten sam sposób dla wszystkich możliwych kształtów wszechświata). Nawet jeśli lekcje z pudełkowego wszechświata mają zastosowanie w rzeczywistości, matematyczne ramy pozostają surowe. Fizycy są dalecy od przecięcia swoich teoretycznych więzów z przestrzenią kosmiczną i osiągnięcia dokładnego opisu kwantowej grawitacji w całej jej wyboistej chwale.
Podczas gdy kontynuują pracę nad znacznymi matematycznymi zagięciami w swoich teoriach, niektórzy fizycy mają nadzieję, że ich astrofizyczne obserwacje mogą kiedyś popchnąć ich we właściwym kierunku. Żaden z dotychczasowych eksperymentów nie odbiega od przewidywań ogólnej teorii względności, ale w przyszłości różnorodny zestaw detektorów fal grawitacyjnych, czułych na wiele rozmiarów fal, mógłby wychwycić subtelne podszepty grawitonów. Jednak, jak powiedział Engelhardt, „mój instynkt kazałby mi patrzeć raczej na kosmos niż na kolidery cząstek”
.