Gravitația a fost prima forță fundamentală pe care omenirea a recunoscut-o, dar rămâne cea mai puțin înțeleasă. Fizicienii pot prezice influența gravitației asupra bilelor de bowling, stelelor și planetelor cu o precizie rafinată, dar nimeni nu știe cum interacționează această forță cu particule minuscule, sau cuante. Căutarea de aproape un secol a unei teorii a gravitației cuantice – o descriere a modului în care funcționează forța pentru cele mai mici piese ale universului – este determinată de simpla așteptare că o singură carte de reguli gravitaționale ar trebui să guverneze toate galaxiile, quarcurile și tot ce se află între ele.
„Dacă nu există o teorie , atunci universul este doar haos. Este pur și simplu aleatoriu”, a declarat Netta Engelhardt, fizician teoretician la Massachusetts Institute of Technology. „Nici măcar nu pot spune că ar fi haotic sau aleatoriu, deoarece acestea sunt de fapt procese fizice legitime.”
La marginea relativității generale
În centrul celei mai spinoase probleme din fizica teoretică se află o ciocnire între cele mai mari două triumfuri ale domeniului. Teoria relativității generale a lui Albert Einstein a înlocuit noțiunea lui Isaac Newton de simplă atracție între obiecte cu o descriere a materiei sau energiei care curbează spațiul și timpul în jurul ei, iar obiectele din apropiere urmează aceste traiectorii curbate, acționând ca și cum ar fi atrase unele de altele. În ecuațiile lui Einstein, gravitația este forma spațiului însuși. Teoria sa a păstrat descrierea tradițională a unui univers neted, clasic – unul în care poți oricând să te apropii și mai mult de o porțiune mai mică de spațiu.
Relativitatea generală continuă să treacă cu brio toate testele pe care astrofizicienii i le fac, inclusiv situații pe care Einstein nu și le-ar fi putut imagina niciodată. Dar cei mai mulți experți se așteaptă ca teoria lui Einstein să eșueze într-o zi, deoarece universul pare în cele din urmă accidentat, nu neted. Planetele și stelele sunt de fapt colecții de atomi, care, la rândul lor, sunt alcătuite din electroni și mănunchiuri de quarci. Aceste particule se atârnă împreună sau se despart prin schimbarea altor tipuri de particule, dând naștere la forțe de atracție și repulsie.
Forțele electrice și magnetice, de exemplu, provin de la obiecte care fac schimb de particule cunoscute sub numele de fotoni virtuali. De exemplu, forța care lipește un magnet de frigider poate fi descrisă ca un câmp magnetic neted, clasic, dar detaliile fine ale câmpului depind de particulele cuantice care îl creează. Dintre cele patru forțe fundamentale ale universului (gravitația, electromagnetismul și forțele nucleare puternice și slabe), doar gravitației îi lipsește descrierea „cuantică”. Prin urmare, nimeni nu știe cu siguranță (deși există o mulțime de idei) de unde provin câmpurile gravitaționale sau cum acționează particulele individuale în interiorul lor.
Forța ciudată
Problema este că, deși gravitația ne ține lipiți de pământ și, în general, acționează ca o forță, relativitatea generală sugerează că este ceva mai mult – forma spațiului însuși. Alte teorii cuantice tratează spațiul ca pe un fundal plat pentru a măsura cât de departe și de repede zboară particulele. Ignorarea curburii spațiului pentru particule funcționează deoarece gravitația este mult mai slabă decât celelalte forțe, astfel încât spațiul pare plat atunci când se mărește ceva atât de mic precum un electron. Efectele gravitației și ale curburii spațiului sunt relativ evidente la niveluri mai extinse, cum ar fi planetele și stelele. Dar atunci când fizicienii încearcă să calculeze curbura spațiului în jurul unui electron, oricât de mică ar fi aceasta, calculele devin imposibile.
La sfârșitul anilor 1940, fizicienii au dezvoltat o tehnică, numită renormalizare, pentru a face față capriciilor mecanicii cuantice, care permit unui electron să condimenteze o călătorie plictisitoare într-o varietate infinită de moduri. Acesta poate, de exemplu, să lanseze un foton. Acel foton se poate diviza într-un electron și în geamănul său de antimaterie, pozitronul. Aceste perechi pot emite apoi mai mulți fotoni, care se pot diviza în mai mulți gemeni, și așa mai departe. În timp ce un calcul perfect ar necesita numărarea varietății infinite de călătorii ale electronilor, renormalizarea le-a permis fizicienilor să adune posibilitățile nebănuite în câteva numere măsurabile, cum ar fi sarcina și masa electronului. Ei nu puteau prezice aceste valori, dar puteau conecta rezultatele experimentelor și le puteau folosi pentru a face alte predicții, cum ar fi încotro se îndreaptă electronul.
Renormalizarea încetează să mai funcționeze atunci când intră în scenă particulele gravitaționale teoretice, numite gravitoni. Gravitonii au, de asemenea, propria lor energie, ceea ce creează mai multe deformări ale spațiului și mai mulți gravitoni, care creează și mai multe deformări, și mai mulți gravitoni, și așa mai departe, rezultând, în general, o uriașă harababură matematică. Chiar și atunci când fizicienii încearcă să îngrămădească unele dintre infinități pentru a le măsura experimental, ei sfârșesc prin a se îneca într-un număr infinit de grămezi.
„Înseamnă efectiv că ai nevoie de un număr infinit de experimente pentru a determina ceva”, a spus Engelhardt, „iar aceasta nu este o teorie realistă.”
În practică, această incapacitate de a face față curburii din jurul particulelor devine fatală în situațiile în care o mulțime de masă și energie răsucesc spațiul atât de strâns încât chiar și electronii și cei de teapa lor nu se pot abține să nu observe – cum este cazul găurilor negre. Dar orice particule aflate foarte aproape – sau, mai rău, în interiorul – gropilor de spațiu-timp cunosc cu siguranță regulile de angajare, chiar dacă fizicienii nu le cunosc.
„Natura a găsit o modalitate de a face ca găurile negre să existe”, a scris Robbert Dijkgraaf, director al Institutului pentru Studii Avansate din Princeton, New Jersey, într-o publicație a institutului. „Acum depinde de noi să aflăm ce știe natura și noi nu știm încă.”
Aducând gravitația în pliant
Utilizând o aproximare a relativității generale (Engelhardt a numit-o un „plasture”), fizicienii au dezvoltat o noțiune despre cum ar putea arăta gravitonii, dar nimeni nu se așteaptă să vadă unul în curând. Un experiment de gândire sugerează că ar fi nevoie de 100 de ani de experimente cu un accelerator de particule la fel de greu ca Jupiter pentru a detecta unul. Așa că, între timp, teoreticienii regândesc natura celor mai fundamentale elemente ale universului.
O teorie, cunoscută sub numele de gravitație cuantică cu buclă, urmărește să rezolve conflictul dintre particule și spațiu-timp prin descompunerea spațiului și timpului în bucățele mici – o rezoluție finală dincolo de care nu poate avea loc nicio mărire.
Teoria corzilor, un alt cadru popular, are o abordare diferită și înlocuiește particulele cu corzi asemănătoare fibrelor, care se comportă mai bine din punct de vedere matematic decât omologii lor punctuali. Această schimbare simplă are consecințe complexe, dar o caracteristică plăcută este că gravitația iese pur și simplu din matematică. Chiar dacă Einstein și contemporanii săi nu ar fi dezvoltat niciodată relativitatea generală, a spus Engelhardt, fizicienii ar fi dat peste ea mai târziu prin teoria corzilor. „Mi se pare un lucru destul de miraculos”, a spus ea.
Și teoreticienii corzilor au descoperit și alte indicii că sunt pe o cale productivă în ultimele decenii, potrivit lui Engelhardt. Pur și simplu, ideea de spațiu în sine ar putea să-i distragă pe fizicieni de la o structură mai fundamentală a universului.
Teoreticienii au descoperit la sfârșitul anilor 1990 că descrierile unui univers simplu, în formă de cutie, care include gravitația, erau echivalente din punct de vedere matematic cu o imagine a unui univers plat cu doar fizică cuantică (și fără gravitație). Capacitatea de a sări înainte și înapoi între cele două descrieri sugerează că spațiul ar putea să nu fie un ingredient fundamental al cosmosului, ci mai degrabă un efect secundar care apare în urma interacțiunilor dintre particule.
Oricât de greu de imaginat ar fi pentru noi, muritorii încorporați în țesătura spațiului, relația dintre spațiu și particule ar putea fi ceva asemănător cu cea dintre temperatura camerei și moleculele de aer. Fizicienii se gândeau cândva la căldură ca la un fluid care curgea dintr-o cameră caldă într-o cameră rece, dar descoperirea moleculelor a dezvăluit că ceea ce noi percepem ca temperatură „apare” din viteza medie a moleculelor de aer. Spațiul (și, în mod echivalent, gravitația) poate reprezenta în mod similar experiența noastră la scară mare a unui fenomen la scară mică. „În cadrul teoriei corzilor, există indicații destul de bune în acest moment că spațiul este de fapt emergent”, a spus Engelhardt.
Dar universul într-o cutie al teoriei corzilor are o formă diferită de cea pe care o vedem noi (deși Engelhardt a spus că această diferență ar putea să nu fie o problemă, deoarece gravitația cuantică ar putea acționa în același mod pentru toate formele posibile ale universului). Chiar dacă lecțiile din universul în cutie se aplică în realitate, cadrul matematic rămâne aproximativ. Fizicienii sunt departe de a tăia legăturile teoretice cu spațiul și de a realiza o descriere exactă a gravitației cuantice în toată gloria sa accidentată.
În timp ce continuă să rezolve problemele matematice substanțiale ale teoriilor lor respective, unii fizicieni nutresc speranța că observațiile lor astrofizice îi vor putea împinge într-o zi în direcția cea bună. Până în prezent, niciun experiment nu a deviat de la predicțiile relativității generale, dar în viitor, o gamă diversă de detectoare de unde gravitaționale sensibile la mai multe mărimi de unde ar putea surprinde șoaptele subtile ale gravitonilor. Cu toate acestea, a spus Engelhardt, „instinctul meu ar fi să mă uit la cosmos mai degrabă decât să mă uit la ciocnitori de particule.”
.