De ce nu avem o teorie a gravitației cuantice?

Dimensiuni suplimentare / teoria stringurilor (concepție artist)

O teorie a gravitației cuantice va încerca să descrie gravitația în funcție de principiile cuantice, dar există dificultăți care, până în prezent, nu au putut fi depășite. Întrebarea este dacă vom reuși vreodată să depășim aceste dificultăți... Teoria cuantică asigură cadrul general pentru toate teoriile care descriu interacțiunile dintre particule. Cu o excepție: interacțiunea gravitațională.

Teoria care explică interacțiunile dintre particulele elementare este denumită „teoria modelului standard al particulelor elementare”. Cum spuneam, aceasta nu încorporează gravitația.

În schimb, gravitația este descrisă foarte precis de o teorie „clasică”, teoria generală a relativității, dezvoltată de Albert Einstein, care explică gravitația sub forma curbării continuumului spațiu-timp, curbare generată de prezența masei/energiei. Teoria lui Einstein este cea care a dus la înțelegerea curentă a evoluției universului și care explică modul în care obiectele cosmice masive se formează și interacționează între ele (galaxii, stele, planete etc.).


De ce este necesară o teorie cuantică a gravitației?
Primul motiv este unificarea, introducerea gravitației într-o teorie cuantică. Încercările de a construi o teorie semiclasică, în care gravitația să rămână clasică, iar celelalte câmpuri (asociate particulelor elementare) să fie cuantice, au eșuat.

Al doilea motiv are legătură cu începuturile universului și cu găurile negre. Pentru a înțelege condițiile inițiale ale universului și evoluția găurilor negre este necesară o teorie cuantică a gravitației, dat fiind că teoria relativității generale nu este adecvată.

În acord cu ecuațiile relativității generale, în contextul unei singularități de tipul Big Bang (nașterea universului) se manifestă „oscilații BKL” (în apropierea unei singularități, fiecare punct de spațiu evoluează independent de punctele vecine, într-o mișcare oscilantă), ce rămân a fi explicate de o viitoare teorie cuantică a gravitației.

Al treilea motiv este reprezentat de problema timpului, căci relativitatea generală și teoria cuantică au concepte complet diferite cu privire la timp. În teoria cuantică timpul este un element extern, care nu este descris de un operator, pe când în relativitatea generală spațiul este cuplat cu timpul și este dinamic („elastic”).

În fine, un al patrulea motiv este reprezentat de principiul superpoziției (conform mecanicii cuantice, o particulă este prezentă în mai multe poziții până în momentul măsurării, când „funcția de undă” colapsează, iar particula „obține” o poziție clară). Problema suplimentară care apare odată cu introducerea în „joc” a gravitației este aceea că un obiect cuantic are o anumită energie, iar asta înseamnă că generează un câmp gravitațional. Dar dacă particula se află în mai multe locuri simultan, atunci și câmpul gravitațional trebuie să fie prezent în aceste mai multe locuri simultan. Care sunt consecințele punerii împreună a acestor concepte? Care sunt consecințele „delocalizării” câmpurilor gravitaționale? Este necesară, așadar, o teorie cuantică în măsură să explice principiul superpoziției cuantice pentru gravitație.

În centrul fiecărei găuri negre se află o „singularitate”, adică un punct de masă infinită, în care curbarea spațiu-timpului este extremă

De ce este dificil de studiat gravitația cuantică?
Gravitația este extrem de slabă, în raport cu celelalte „forțe” (electromagnetică, nucleară tare și nucleară slabă). Deși gravitația nu joacă un rol importantă în multe procese fizice, sunt situații în care câmpurile gravitaționale sunt extrem de puternice, cum sunt cazurile expuse mai sus, cel al singularității din centrul găurii negre și momentele din apropierea Big Bangului.

〈 Interacțiunea electromagnetică este de 10³⁹ mai puternică (adică de 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 de ori) decât gravitația, pe când interacțiunea nucleară tare de 10⁴¹ ori mai puternică, iar interacțiunea nucleară slabă de 10³⁰ ori. Acesta este și motivul pentru care la nivel subatomic gravitația este practic neglijabilă. 〉

Principala problemă pentru studierea gravitației cuantice constă în lipsa datelor experimentale.

Studiul interacțiunilor particulelor elementare se face, de regulă, în acceleratoarele de particule, precum Marele Accelerator de Hadroni de la Cern, Elveția, unde fascicule de particule sunt ciocnite la viteze apropiate de viteza luminii, c.

Dar efectele gravitaționale în contextul interacțiunilor particulelor elementare sunt foarte slabe și imposibil de măsurat. „Atracția” gravitațională între doi electroni este, așa cum arătam mai sus, cu multe ordine de mărime mai slabă decât forța de respingere electromagnetică dintre aceștia; electronii sunt particule cu sarcină negativă, care se resping.


Teoria corzilor (stringurilor)
Cercetătorii implicați în crearea și dezvoltarea teoriei stringurilor (teoria corzilor, după cum mai este numită) susţine că dacă am avea la dispoziţie o tehnologie care să ne permită să vizualizăm materia la o scară mult mai mică decât observabilă cu instrumentele actuale, am constata că particule fundamentale nu sunt punctiforme, ci ar fi constituite din mici bucle unidimensionale, filamente minuscule care vibrează sau oscilează într-o singură dimensiune.

În teoria corzilor gravitonii (ipotetice particule purtătoare ale interacțiunii gravitaționale) interacționează cu celelalte particule în acord cu principiile fizicii, ceea ce face din această teorie un candidat decent pentru o teorie a gravitației cuantice. Dar teoria corzilor este deocamdată doar o ipoteză, lipsind dovezile experimentale. O complicație este aceea că o versiune a teoriei prezice existența a 10 dimensiuni; dar nu știm cum am putea obține geometria celor 6 dimensiuni suplimentare...

Cercetările în domeniul teoriei stringurilor au dus la crearea unor instrumente teoretice utile, denumite „dualitatea holografică” sau „corespondența holografică”.

Ideea ar fi aceea că un univers cu 10 dimensiuni este o proiecție a unui univers cu mai puține dimensiuni (ca o hologramă), care nu are câmpuri gravitaționale. În felul acesta, scăpând de gravitație, scăpăm și de problema necesității unificării mecanicii cuantice cu relativitatea generală.


Teoria gravitației cuantice cu bucle
În teoria gravitaţiei cuantice cu bucle se renunță la continuumul spațiu-timp din relativitatea generală, spaţiul având o structură atomică, însemnând că spaţiul este format din structuri discrete, abstracte de spaţiu. Aceşti „atomi de spațiu” ar un fel de bucle unidimensionale. Spaţiul este, aşadar, „ţesut” din aceste obiecte unidimensionale.

Aceşti atomi de spaţiu au capacitatea să se dividă, formând alţi atomi de spaţiu. Într-un univers ca al nostru, aflat în expansiune, este nevoie de această soluţie care să permită „întinderea” spaţiului.

Orice volum din univers este format din aceşti atomi de spaţiu. Teoria permite lipsa acestor atomi, deci o formă de vid caracterizată de lipsa spaţiului! Un concept imposibil de vizualizat mental. Această stare de vid absolut a fost numită „stare infernală”. Starea infernală are o importanţă deosebită în problema singularităţii (cum ar fi în centrul unei găuri negre), unde spaţiul a colapsat cu totul, unde densitatea este infinită.

Am publicat un articol dedicat acestei teorii aici.


Ce speranțe sunt pentru dezvoltarea unei teorii a gravitației cuantice?
Pe de-o parte, este posibil ca vreuna dintre ipotezele prezentare mai sus, sau altele aflate în atenția fizicienilor, să se maturizeze.

Pe de altă parte, au fost propuse metode noi pentru studiu gravitației. Una dintre acestea se bazează pe studierea undelor gravitaționale prin intermediul interferometrelor, care ne-au permis să identificăm aceste unde în septembrie 2015.

〈 Pe scurt, mişcarea obiectelor masive prin spaţiu-timp perturbă structura acestuia, generând un semnal care se propagă ca o perturbaţie a structurii spaţiu-timpului: undele gravitaţionale. Această perturbare a structurii spațiu-timpului este detectată de aceste instrumente super-sensibile denumite interferometre. 〉

Fizicienii pot calcula spectrul acestor unde gravitaționale, iar discrepanțele dintre observații și rezultatele calculelor ar putea să constituie o contribuție importantă în ce privește efectele cuantice ale gravitației. Noi interferometre, precum LISA (spațial) și Telescopul Einstein (terestru) ar putea ajuta eforturile cercetătorilor.

În fine, o altă abordare constă în studierea radiației cosmice de fond.

〈 La 380 de mii de ani după inflaţie supa de particule s-a răcit suficient pentru a permite electronilor să se ataşeze nucleelor şi să formeze atomi neutri din punct de vedere electric. În cadrul acestui proces - cunoscut sub numele de  „recombinare” - fotonii au devenit liberi să călătorească prin univers. Radiația cosmică de fond reprezintă fotonii care s-au decuplat de plasmă la 380 mii de ani după nașterea universului. 〉

O ipoteză este aceea că proprietățile acestei radiații au fost influențate de procesele de la începutul universului, când efectele cuantice asupra gravitației au fost semnificative. Unii fizicieni cred că măsurătorile efectuate asupra radiației cosmice de fond confirmă existența gravitonilor în universul timpuriu, confirmând astfel ipoteza conform căreia interacțiunea gravitațională este mediată de particule (gravitoni), așa cum este cazul cu celelalte interacțiuni cunoscute (electromagnetică, nucleară tare și nucleară slabă).

După cum se poate observa, deși cercetările se derulează pe mai multe direcții, există dificultăți majore în stabilirea unei teorii a gravitației cuantice.

Einstein și-a petrecut o bună parte din viață încercând să unifice mecanica cuantică cu relativitatea generală, fără mare succes. Poate este timpul pentru un nou Einstein! Dacă ai ajuns aici cu lectura acestui articol, atunci ai dovedit că ai o calitate necesară pentru a deveni următorul Einstein, răbdarea 😃. În plus, acum știi care este drumul pe care să-l iei în viață pentru a intra definitiv în istoria omenirii, căci cel care va unifica cele două teorii, cu certitudine va avea parte de faimă eternă 😃.