Empire
Antarë i Respektuar
Çfarë është graviteti kuantik?
Shiko fotografinë 1698703
Graviteti ishte forca e parë themelore që njohu njerëzimi, por gjithsesi mbetet më pak e kuptuar. Fizikantët mund të parashikojnë ndikimin e gravitetit në yje dhe planetë me saktësi të hollë, por askush nuk e di se si bashkëvepron forca me grimcat atomike, apo kuantike. Kërkimi gati një shekullor për një teori të gravitetit kuantik - një përshkrim se si forca funksionon për pjesët më të vogla të universit - është nxitur nga pritja e thjeshtë se një rregullore gravitacionale duhet të qeverisë të gjitha galaktikat, kuarkat dhe gjithçka.
Shiko fotografinë 1698704
"Nëse nuk ka teori [të gravitetit kuantik], atëherë universi është thjesht kaos. Është thjesht i rastësishëm," tha Netta Engelhardt, një fizikante teorike në Institutin e Teknologjisë në Massachusetts. "Unë as nuk mund të them se do të ishte kaotike ose e rastësishme sepse ato janë në të vërtetë procese të ligjshme fizike."
Në zemër të problemit më të rëndë në fizikën teorike qëndron një përplasje midis dy triumfeve më të mëdhenj të fushës. Teoria e relativitetit të përgjithshëm të Albert Ajnshtajnit që zëvendësoi nocionin e Isaac Newton për tërheqje të thjeshtë midis objekteve, me një përshkrim të materies ose hapësirës së lakimit të energjisë dhe kohës përreth tij, dhe objekteve të afërta pas atyre shtigjeve të lakuara, duke vepruar sikur të tërhiqeshin nga njëri-tjetri. Në ekuacionet e Ajnshtajnit, graviteti është forma e vetë hapësirës. Teoria e tij mbante përshkrimin tradicional të një universi të qetë, klasik.
Shiko fotografinë 1698705
Relativiteti i përgjithshëm vazhdon të kalojë çdo provë që hedhin astrofizikantët, përfshirë situatat që Ajnshtajni kurrë nuk mund ta imagjinonte. Por shumica e ekspertëve presin që teoria e Ajnshtajnit të rrëzohet një ditë shumë shpejt, sepse universi përfundimisht duket me i trazuar, jo i qetë. Planetët dhe yjet janë me të vërtetë koleksione të atomeve, të cilat, nga ana tjetër, përbëhen nga elektrone dhe tufa kuarkesh. Këto grimca varen së bashku ose shkëputen duke shkëmbyer lloje të tjera grimcash, duke shkaktuar forca tërheqëse dhe zmbrapsjeje.
Forcat elektrike dhe magnetike, për shembull, vijnë nga objektet që shkëmbejnë grimca të njohura si fotone virtuale. Për shembull, forca që ngjitet një magnet në frigorifer mund të përshkruhet si një fushë magnetike e qetë, klasike, por detajet e shkëlqyera të fushës varen nga grimcat kuantike që e krijojnë atë. Nga katër forcat themelore të universit (graviteti, elektromagnetizmi dhe forcat bërthamore të forta dhe të dobëta), vetëm gravitetit i mungon përshkrimi "kuantik". Si rezultat, askush nuk e di me siguri (megjithëse ka shumë ide) nga vijnë fushat gravitacionale ose si veprojnë grimcat individuale brenda tyre.
Shiko fotografinë 1698706
Forca e çuditshme jashtë
Problemi është se edhe pse graviteti na mban të mbërthyer në tokë dhe në përgjithësi vepron si forcë, relativiteti i përgjithshëm sugjeron që është diçka më shumë - forma e vetë hapësirës. Teoritë e tjera kuantike e trajtojnë hapësirën si një sfond të sheshtë për të matur sa larg dhe shpejt fluturojnë grimcat. Injorimi i lakimit të hapësirës për grimcat funksionon sepse graviteti është aq më i dobët sesa forcat e tjera, sa që hapësira duket e sheshtë kur zmadhohet për diçka aq të vogël sa një elektron. Efektet e gravitetit dhe lakimi i hapësirës janë relativisht të dukshme në nivele më të zmadhuara, si planetët dhe yjet. Por kur fizikantët përpiqen të llogaritin lakimin e hapësirës përreth një elektroni, të vogël siç mund të jetë, matematika bëhet e pamundur.
Në fund të viteve 1940 fizikantët zhvilluan një teknikë, të quajtur renormalization, për trajtimin e mekanikës kuantike, të cilat lejojnë që një elektron të ngjitet në një udhëtim me larmi mënyrash. Për shembull, mund të shkrepë një foton. Ai foton mund të ndahet në një elektron dhe binjaku antimaterik i tij, pozitron. Ato çifte më pas mund të shkrepin më shumë fotone, të cilat mund të ndahen në më shumë binjake, etj. Ndërsa një llogaritje e përsosur do të kërkonte llogaritjen e shumëllojshmërisë së pafundme të udhëtimeve elektronike në rrugë, renormalizimi i le fizikanët të mbledhin mundësitë në disa numra të matshëm, si ngarkesa e elektronit dhe masa. Ata nuk mund të parashikojnë këto vlera, por ata mund të lidhnin rezultate nga eksperimente dhe t'i përdorin ato për të bërë parashikime të tjera, si vendi ku elektroni po shkon.
Renormalizimi ndalon punën kur grimcat e gravitetit teorik, të quajtur gravitone, hyjnë në skenë. Gravitonët gjithashtu kanë energjinë e tyre, e cila krijon më shumë shndërrim në hapësirë dhe më shumë gravitona, të cilat krijojnë më shumë luhatje, dhe më shumë gravitone, e kështu me radhë, përgjithësisht duke rezultuar në një rrëmujë gjigande matematikore. Edhe kur fizikantët përpiqen të grumbullojnë disa nga pafundësitë së bashku për të matur në mënyrë eksperimentale, ato përfundojnë duke u mbytur në një numër të pafundmë grumbujsh.
"Kjo do të thotë në mënyrë efektive që të keni nevojë për një numër të pafund eksperimentesh për të përcaktuar ndonjë gjë," tha Engelhardt, "dhe kjo nuk është një teori realiste".
Shiko fotografinë 1698707
Teoria e relativitetit të përgjithshëm thotë se universi është një pëlhurë e qetë, dhe mekanika kuantike thotë se është një rrëmujë e grimcave. Fizikantët thonë se nuk mund të jenë të dyja.
Në praktikë, ky dështim për t'u marrë me lakimin hapesir-kohes rreth grimcave rritet në situata kur masa dhe energjia e elektronove nuk merret konsiderat nga hapesir-koha.
"Natyra ka gjetur një mënyrë për të bërë ekzistimin e vrimave të zeza", shkroi Robbert Dijkgraaf, drejtori i Institutit për Studim të Avancuar në Princeton, New Jersey, në një botim për institutin. "Tani varet nga ne që të zbulojmë se çfarë di natyra dhe ne nuk dim ende."
Duke përdorur një përafrim të relativitetit të përgjithshëm (Engelhardt e quajti atë një "Band-Aid"), fizikantët kanë zhvilluar një nocion se si mund të duken gravitonët, por askush nuk pret që të shohë ndonjë së shpejti. Një eksperiment i menduar sugjeron se do të duheshin 100 vjet eksperimentim nga një kolektor grimcash aq i rëndë sa Jupiteri për të zbuluar një. Pra, ndërkohë, teoricienët po rimendojnë natyrën e elementeve më themelorë të universit.
Një teori, e njohur si graviteti kuantik i lakut, synon të zgjidhë konfliktin midis grimcave dhe hapësirës-kohë duke prishur hapësirën dhe kohën në copa të vogla - një rezolutë përfundimtare përtej së cilës nuk mund të bëhet zoom.
Teoria e String, një tjetër kornizë popullore, merr një qasje të ndryshme dhe shkëmbejnë grimcat për fijet e ngjashme me fibrat, të cilat sillen më mirë matematikisht sesa homologët e tyre të ngjashëm me pikat. Ky ndryshim i thjeshtë ka pasoja komplekse, por një tipar i bukur është se graviteti thjesht bie jashtë matematikës. Edhe nëse Ajnshtajni dhe bashkëkohësit e tij nuk do të kishin zhvilluar kurrë një relativitet të përgjithshëm, tha Engelhardt, fizikantët do të kishin ngecur mbi të më vonë përmes teorisë së vargut. "Unë e shoh atë shumë të mrekullueshme", tha ajo.
Dhe teoricienët e vargjeve kanë zbuluar sugjerime të mëtejshme se ata janë në një rrugë prodhuese në dekadat e fundit, sipas Engelhardt. Ta themi thjesht, ideja e vetë hapësirës mund të jetë largimi i fizikantëve nga një strukturë më themelore e universit.
Teoricienët zbuluan në fund të viteve 1990 se përshkrimet e një universi të thjeshtë, të ngjashëm me kutinë, duke përfshirë edhe gravitetin, ishin matematikisht të barabarta me një pamje të një universi të sheshtë me vetëm fizikë kuantike (dhe pa gravitet). Aftësia për të kërcyer mbrapa dhe me radhë midis përshkrimeve sugjeron që hapësira mund të mos jetë një përbërës themelor i kozmosit, por më tepër një efekt anësor që del nga ndërveprimet e grimcave.
Sado e vështirë të jetë për ne që jemi të ngulitur në strukturën e hapësirës për t'u imagjinuar, marrëdhënia midis hapësirës dhe grimcave mund të jetë diçka si ajo midis temperaturës së dhomës dhe molekulave të ajrit. Fizikantët dikur mendonin për nxehtësinë si një lëng që rridhte nga një dhomë e ngrohtë në një dhomë të ftohtë, por zbulimi i molekulave zbuloi se ajo që ne e kuptojmë si temperatura "del" nga shpejtësia mesatare e molekulave të ajrit. Hapësira mund të paraqesë në mënyrë të ngjashme përvojën tonë në shkallë të gjerë të disa fenomeneve në shkallë të vogël. "Brenda teorisë së vargut, ka indikacione mjaft të mira në këtë pikë që hapësira është me të vërtetë e jashtëzakonshme," tha Engelhardt.
Por universi i teorisë së vargut në një kuti ka një formë të ndryshme nga ai që shohim (megjithëse Engelhardt tha se ky ndryshim mund të mos jetë një ndërprerje e marrëveshjeve, pasi që graviteti kuantik mund të veprojë në të njëjtën mënyrë për të gjitha format e mundshme të universit). Edhe nëse mësimet nga universi i kutive zbatohen në realitet, kuadri matematikor mbetet i përafërt. Fizikantët janë në një rrugë të gjatë nga prirja e lidhjeve të tyre teorike me hapësirën dhe arritja e një përshkrimi të saktë të gravitetit kuantik.
Përderisa ata vazhdojnë të punojnë me përfundime thelbësore matematikore në teoritë e tyre përkatëse, disa fizikantë shpresojnë që vëzhgimet e tyre astrofizike një ditë mund t'i shtyjnë ato në drejtimin e duhur. Asnjë eksperiment deri më tani nuk ka devijuar nga parashikimet e relativitetit të përgjithshëm, por në të ardhmen, një grup i larmishëm detektorësh me valë gravitacionale të ndjeshme ndaj shumë madhësive të valëve mund të kapnin pëshpëritjet delikate të gravitoneve. Sidoqoftë, Engelhardt tha, "instinkti im do të ishte ti shikoja në kozmos sesa ti shikoja në kolektorët e grimcave
Shiko fotografinë 1698703
Graviteti ishte forca e parë themelore që njohu njerëzimi, por gjithsesi mbetet më pak e kuptuar. Fizikantët mund të parashikojnë ndikimin e gravitetit në yje dhe planetë me saktësi të hollë, por askush nuk e di se si bashkëvepron forca me grimcat atomike, apo kuantike. Kërkimi gati një shekullor për një teori të gravitetit kuantik - një përshkrim se si forca funksionon për pjesët më të vogla të universit - është nxitur nga pritja e thjeshtë se një rregullore gravitacionale duhet të qeverisë të gjitha galaktikat, kuarkat dhe gjithçka.
Shiko fotografinë 1698704
"Nëse nuk ka teori [të gravitetit kuantik], atëherë universi është thjesht kaos. Është thjesht i rastësishëm," tha Netta Engelhardt, një fizikante teorike në Institutin e Teknologjisë në Massachusetts. "Unë as nuk mund të them se do të ishte kaotike ose e rastësishme sepse ato janë në të vërtetë procese të ligjshme fizike."
Në zemër të problemit më të rëndë në fizikën teorike qëndron një përplasje midis dy triumfeve më të mëdhenj të fushës. Teoria e relativitetit të përgjithshëm të Albert Ajnshtajnit që zëvendësoi nocionin e Isaac Newton për tërheqje të thjeshtë midis objekteve, me një përshkrim të materies ose hapësirës së lakimit të energjisë dhe kohës përreth tij, dhe objekteve të afërta pas atyre shtigjeve të lakuara, duke vepruar sikur të tërhiqeshin nga njëri-tjetri. Në ekuacionet e Ajnshtajnit, graviteti është forma e vetë hapësirës. Teoria e tij mbante përshkrimin tradicional të një universi të qetë, klasik.
Shiko fotografinë 1698705
Relativiteti i përgjithshëm vazhdon të kalojë çdo provë që hedhin astrofizikantët, përfshirë situatat që Ajnshtajni kurrë nuk mund ta imagjinonte. Por shumica e ekspertëve presin që teoria e Ajnshtajnit të rrëzohet një ditë shumë shpejt, sepse universi përfundimisht duket me i trazuar, jo i qetë. Planetët dhe yjet janë me të vërtetë koleksione të atomeve, të cilat, nga ana tjetër, përbëhen nga elektrone dhe tufa kuarkesh. Këto grimca varen së bashku ose shkëputen duke shkëmbyer lloje të tjera grimcash, duke shkaktuar forca tërheqëse dhe zmbrapsjeje.
Forcat elektrike dhe magnetike, për shembull, vijnë nga objektet që shkëmbejnë grimca të njohura si fotone virtuale. Për shembull, forca që ngjitet një magnet në frigorifer mund të përshkruhet si një fushë magnetike e qetë, klasike, por detajet e shkëlqyera të fushës varen nga grimcat kuantike që e krijojnë atë. Nga katër forcat themelore të universit (graviteti, elektromagnetizmi dhe forcat bërthamore të forta dhe të dobëta), vetëm gravitetit i mungon përshkrimi "kuantik". Si rezultat, askush nuk e di me siguri (megjithëse ka shumë ide) nga vijnë fushat gravitacionale ose si veprojnë grimcat individuale brenda tyre.
Shiko fotografinë 1698706
Forca e çuditshme jashtë
Problemi është se edhe pse graviteti na mban të mbërthyer në tokë dhe në përgjithësi vepron si forcë, relativiteti i përgjithshëm sugjeron që është diçka më shumë - forma e vetë hapësirës. Teoritë e tjera kuantike e trajtojnë hapësirën si një sfond të sheshtë për të matur sa larg dhe shpejt fluturojnë grimcat. Injorimi i lakimit të hapësirës për grimcat funksionon sepse graviteti është aq më i dobët sesa forcat e tjera, sa që hapësira duket e sheshtë kur zmadhohet për diçka aq të vogël sa një elektron. Efektet e gravitetit dhe lakimi i hapësirës janë relativisht të dukshme në nivele më të zmadhuara, si planetët dhe yjet. Por kur fizikantët përpiqen të llogaritin lakimin e hapësirës përreth një elektroni, të vogël siç mund të jetë, matematika bëhet e pamundur.
Në fund të viteve 1940 fizikantët zhvilluan një teknikë, të quajtur renormalization, për trajtimin e mekanikës kuantike, të cilat lejojnë që një elektron të ngjitet në një udhëtim me larmi mënyrash. Për shembull, mund të shkrepë një foton. Ai foton mund të ndahet në një elektron dhe binjaku antimaterik i tij, pozitron. Ato çifte më pas mund të shkrepin më shumë fotone, të cilat mund të ndahen në më shumë binjake, etj. Ndërsa një llogaritje e përsosur do të kërkonte llogaritjen e shumëllojshmërisë së pafundme të udhëtimeve elektronike në rrugë, renormalizimi i le fizikanët të mbledhin mundësitë në disa numra të matshëm, si ngarkesa e elektronit dhe masa. Ata nuk mund të parashikojnë këto vlera, por ata mund të lidhnin rezultate nga eksperimente dhe t'i përdorin ato për të bërë parashikime të tjera, si vendi ku elektroni po shkon.
Renormalizimi ndalon punën kur grimcat e gravitetit teorik, të quajtur gravitone, hyjnë në skenë. Gravitonët gjithashtu kanë energjinë e tyre, e cila krijon më shumë shndërrim në hapësirë dhe më shumë gravitona, të cilat krijojnë më shumë luhatje, dhe më shumë gravitone, e kështu me radhë, përgjithësisht duke rezultuar në një rrëmujë gjigande matematikore. Edhe kur fizikantët përpiqen të grumbullojnë disa nga pafundësitë së bashku për të matur në mënyrë eksperimentale, ato përfundojnë duke u mbytur në një numër të pafundmë grumbujsh.
"Kjo do të thotë në mënyrë efektive që të keni nevojë për një numër të pafund eksperimentesh për të përcaktuar ndonjë gjë," tha Engelhardt, "dhe kjo nuk është një teori realiste".
Shiko fotografinë 1698707
Teoria e relativitetit të përgjithshëm thotë se universi është një pëlhurë e qetë, dhe mekanika kuantike thotë se është një rrëmujë e grimcave. Fizikantët thonë se nuk mund të jenë të dyja.
Në praktikë, ky dështim për t'u marrë me lakimin hapesir-kohes rreth grimcave rritet në situata kur masa dhe energjia e elektronove nuk merret konsiderat nga hapesir-koha.
"Natyra ka gjetur një mënyrë për të bërë ekzistimin e vrimave të zeza", shkroi Robbert Dijkgraaf, drejtori i Institutit për Studim të Avancuar në Princeton, New Jersey, në një botim për institutin. "Tani varet nga ne që të zbulojmë se çfarë di natyra dhe ne nuk dim ende."
Duke përdorur një përafrim të relativitetit të përgjithshëm (Engelhardt e quajti atë një "Band-Aid"), fizikantët kanë zhvilluar një nocion se si mund të duken gravitonët, por askush nuk pret që të shohë ndonjë së shpejti. Një eksperiment i menduar sugjeron se do të duheshin 100 vjet eksperimentim nga një kolektor grimcash aq i rëndë sa Jupiteri për të zbuluar një. Pra, ndërkohë, teoricienët po rimendojnë natyrën e elementeve më themelorë të universit.
Një teori, e njohur si graviteti kuantik i lakut, synon të zgjidhë konfliktin midis grimcave dhe hapësirës-kohë duke prishur hapësirën dhe kohën në copa të vogla - një rezolutë përfundimtare përtej së cilës nuk mund të bëhet zoom.
Teoria e String, një tjetër kornizë popullore, merr një qasje të ndryshme dhe shkëmbejnë grimcat për fijet e ngjashme me fibrat, të cilat sillen më mirë matematikisht sesa homologët e tyre të ngjashëm me pikat. Ky ndryshim i thjeshtë ka pasoja komplekse, por një tipar i bukur është se graviteti thjesht bie jashtë matematikës. Edhe nëse Ajnshtajni dhe bashkëkohësit e tij nuk do të kishin zhvilluar kurrë një relativitet të përgjithshëm, tha Engelhardt, fizikantët do të kishin ngecur mbi të më vonë përmes teorisë së vargut. "Unë e shoh atë shumë të mrekullueshme", tha ajo.
Dhe teoricienët e vargjeve kanë zbuluar sugjerime të mëtejshme se ata janë në një rrugë prodhuese në dekadat e fundit, sipas Engelhardt. Ta themi thjesht, ideja e vetë hapësirës mund të jetë largimi i fizikantëve nga një strukturë më themelore e universit.
Teoricienët zbuluan në fund të viteve 1990 se përshkrimet e një universi të thjeshtë, të ngjashëm me kutinë, duke përfshirë edhe gravitetin, ishin matematikisht të barabarta me një pamje të një universi të sheshtë me vetëm fizikë kuantike (dhe pa gravitet). Aftësia për të kërcyer mbrapa dhe me radhë midis përshkrimeve sugjeron që hapësira mund të mos jetë një përbërës themelor i kozmosit, por më tepër një efekt anësor që del nga ndërveprimet e grimcave.
Sado e vështirë të jetë për ne që jemi të ngulitur në strukturën e hapësirës për t'u imagjinuar, marrëdhënia midis hapësirës dhe grimcave mund të jetë diçka si ajo midis temperaturës së dhomës dhe molekulave të ajrit. Fizikantët dikur mendonin për nxehtësinë si një lëng që rridhte nga një dhomë e ngrohtë në një dhomë të ftohtë, por zbulimi i molekulave zbuloi se ajo që ne e kuptojmë si temperatura "del" nga shpejtësia mesatare e molekulave të ajrit. Hapësira mund të paraqesë në mënyrë të ngjashme përvojën tonë në shkallë të gjerë të disa fenomeneve në shkallë të vogël. "Brenda teorisë së vargut, ka indikacione mjaft të mira në këtë pikë që hapësira është me të vërtetë e jashtëzakonshme," tha Engelhardt.
Por universi i teorisë së vargut në një kuti ka një formë të ndryshme nga ai që shohim (megjithëse Engelhardt tha se ky ndryshim mund të mos jetë një ndërprerje e marrëveshjeve, pasi që graviteti kuantik mund të veprojë në të njëjtën mënyrë për të gjitha format e mundshme të universit). Edhe nëse mësimet nga universi i kutive zbatohen në realitet, kuadri matematikor mbetet i përafërt. Fizikantët janë në një rrugë të gjatë nga prirja e lidhjeve të tyre teorike me hapësirën dhe arritja e një përshkrimi të saktë të gravitetit kuantik.
Përderisa ata vazhdojnë të punojnë me përfundime thelbësore matematikore në teoritë e tyre përkatëse, disa fizikantë shpresojnë që vëzhgimet e tyre astrofizike një ditë mund t'i shtyjnë ato në drejtimin e duhur. Asnjë eksperiment deri më tani nuk ka devijuar nga parashikimet e relativitetit të përgjithshëm, por në të ardhmen, një grup i larmishëm detektorësh me valë gravitacionale të ndjeshme ndaj shumë madhësive të valëve mund të kapnin pëshpëritjet delikate të gravitoneve. Sidoqoftë, Engelhardt tha, "instinkti im do të ishte ti shikoja në kozmos sesa ti shikoja në kolektorët e grimcave