Προς μια νέα θεωρία των πάντων: «Ένωσαν» μαθηματικά την κβαντική φυσική με τη θεωρία σχετικότητας

 Για πρώτη φορά, ένα μαθηματικό πλαίσιο αποδεικνύει ότι η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, η οποία εξηγεί τη σχέση μεταξύ χώρου, χρόνου και βαρύτητας, ευθυγραμμίζεται με την κβαντική φυσική - τον κλάδο της επιστήμης που περιγράφει τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων, των φωτονίων και άλλων θεμελιωδών σωματιδίων.

«Αποδείξαμε ότι η εξίσωση πεδίου του Αϊνστάιν από τη γενική σχετικότητα είναι στην πραγματικότητα μια σχετικιστική κβαντομηχανική εξίσωση», σημειώνουν οι ερευνητές στη μελέτη τους.

Με απλά λόγια, το νέο αυτό

πλαίσιο συνδέει την επιστήμη που καθορίζει τον μακροσκοπικό κόσμο με εκείνη του μικροσκοπικού κόσμου.

Ως εκ τούτου, έχει τη δυνατότητα να εξηγήσει κάθε φυσικό φαινόμενο που είναι γνωστό στην ανθρωπότητα, από τη μυστηριώδη σκοτεινή ύλη στο διάστημα μέχρι τα φωτόνια που εκπέμπει ο φακός του τηλεφώνου.

«Μέχρι σήμερα δεν έχει προταθεί καμία παγκοσμίως αποδεκτή θεωρία που να εξηγεί όλες τις φυσικές παρατηρήσεις», προσθέτουν οι ερευνητές. Ισχυρίζονται ότι η θεωρία τους μπορεί να αμφισβητήσει τα θεμέλια της φυσικής και να αλλάξει την κατανόησή μας για το σύμπαν.

Η διαφορά μεταξύ της σχετικότητας και του κβαντικού κόσμου

Η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν εξηγεί πώς λειτουργεί η βαρύτητα. Λέει ότι ογκώδη αντικείμενα όπως πλανήτες, αστέρια ή γαλαξίες «λυγίζουν» τον ιστό του χώρου και του χρόνου γύρω τους. Αυτή η κάμψη δημιουργεί αυτό που αισθανόμαστε ως βαρύτητα.

                    

Η κβαντική φυσική, από την άλλη πλευρά, ασχολείται με τη μελέτη της ασυνήθιστης «συμπεριφοράς» των πιο μικροσκοπικών σωματιδίων του σύμπαντος.

Για παράδειγμα, διερευνά πώς σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια μπορούν να υπάρχουν σε πολλαπλές καταστάσεις ή θέσεις ταυτόχρονα (υπέρθεση) μέχρι να τα μετρήσουμε. Αυτού του είδους η παράξενη «συμπεριφορά» δεν συναντάται στα αντικείμενα με τα οποία ασχολούμαστε τακτικά.

Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες δεν είχαν καταφέρει να συνδυάσουν τη γενική σχετικότητα και την κβαντική φυσική, επειδή οι δύο θεωρίες περιγράφουν το σύμπαν με θεμελιωδώς διαφορετικούς τρόπους. Όταν έγιναν προσπάθειες να εφαρμοστούν και οι δύο θεωρίες μαζί -όπως στην περίπτωση των μαύρων τρυπών- παρήγαγαν αντιφατικά αποτελέσματα, καθιστώντας δύσκολη την ενοποίησή τους σε ένα ενιαίο πλαίσιο.

Για παράδειγμα, η γενική σχετικότητα προβλέπει ότι ο πυρήνας μιας μαύρης τρύπας είναι απείρως πυκνός, ενώ η κβαντική φυσική υποδηλώνει ότι τέτοια άπειρα δεν μπορούν να υπάρξουν.

Γεφυρώνοντας το χάσμα μεταξύ σχετικότητας και κβαντικής φυσικής

Η γενική σχετικότητα «λειτουργεί καλά» για αντικείμενα μεγάλης κλίμακας, ενώ η κβαντική φυσική περιγράφει με ακρίβεια τα μικροσκοπικά φαινόμενα. Ποια είναι τότε η ανάγκη να τις ενώσουμε; Υπάρχουν δύο σημαντικοί λόγοι γι' αυτό.

Πρώτον, ο συνδυασμός τους θα παρείχε μια πλήρη κατανόηση του σύμπαντος σε όλες τις κλίμακες. Αυτό είναι σημαντικό, διότι πολλές έννοιες όπως οι μαύρες τρύπες ή η Μεγάλη Έκρηξη είναι πιθανώς αποτελέσματα των συνθηκών στις οποίες έπαιξαν ρόλο τόσο η κβαντική φυσική όσο και η γενική σχετικότητα. Η κατανόησή τους απαιτεί μια θεωρία που να ενσωματώνει και τις δύο.

Δεύτερον, δεν μπορεί κανείς να κατανοήσει πλήρως την επιστήμη πίσω από την κβαντική βαρύτητα, την ακτινοβολία Χόκινγκ, τη θεωρία των χορδών και διάφορα άλλα φαινόμενα χωρίς να συνδέσει τη θεωρία της γενικής σχετικότητας και τη κβαντική φυσική.

Μιλάμε δηλαδή για το «άγιο δισκοπότηρο» των επιστημόνων, δηλαδή μια θεωρία των πάντων!

Για να τις συνδέσουν, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα μαθηματικό πλαίσιο που «επαναπροσδιόρισε τη μάζα και το φορτίο των λεπτονίων (θεμελιώδη σωματίδια) με βάση τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ της ενέργειας του πεδίου και της καμπυλότητας του χωροχρόνου».

«Η εξίσωση που προέκυψε είναι ομοιοσταθής στο χωροχρόνο και αναλλοίωτη ως προς οποιαδήποτε κλίμακα Planck. Επομένως, τα «σταθερά» του σύμπαντος μπορούν να αναχθούν σε δύο μόνο μεγέθη: Μήκος Planck και χρόνος Planck», σημειώνουν οι ερευνητές.

Η εξίσωση αυτή απέδειξε μαθηματικά ότι η εξίσωση πεδίου του Αϊνστάιν που σχετίζεται με τη θεωρία της σχετικότητας είναι ίση με την κβαντική εξίσωση. Οι συγγραφείς της μελέτης υποστηρίζουν ότι μπορεί να δώσει απαντήσεις σε διάφορα ερωτήματα που αποτελούσαν μυστήριο.

Για παράδειγμα, μπορεί να εξηγήσει γιατί οι μαύρες τρύπες δεν καταρρέουν, ποιες ήταν οι συνθήκες κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης και πώς λειτουργεί η εμπλοκή του χωροχρόνου.

 

Επιπλέον, όπως δηλώνουν οι ερευνητές: «Τα τελευταία χρόνια, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) έχει παρατηρήσει διάφορα φαινόμενα, συμπεριλαμβανομένων γαλαξιών που υπήρχαν ήδη 300 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, οι οποίοι δεν είχαν ποτέ θεωρηθεί ότι υπήρχαν. Η προτεινόμενη θεωρία μας εξηγεί κατάλληλα αυτό το φαινόμενο».

Με πληροφορίες από Interesting Engineering

Από το newsbomb