Czy jest możliwa kwantowa teoria grawitacji?

Czy jest możliwa kwantowa teoria grawitacji?

Jeżeli największą rzeczą, o której jesteśmy w stanie pomyśleć, jest cały Wszechświat, to najmniejszą mógłby być elektron lub kwark. Fizyk teoretyk wierzy w głębi serca, że obydwie rzeczy objaśnia jedno prawo – jeden sposób opisu. Zastanawiające jest to, że główną przeszkodą w poszukiwaniu tego prawa jest pełne zrozumienie najbardziej znanej siły w przyrodzie – grawitacji.

W naszej codzienności uważamy siły za coś prostego – odpychanie albo przyciąganie. Na początku naszego wieku Albert Einstein rozwinął ogólną teorię względności. Teoria ta daje dotychczas najlepszą możliwość opisu siły grawitacji i jest szczególnie użyteczna w opisywaniu oddziaływań na wielkie odległości, jak w przypadku galaktyk, albo wokół obiektów bardzo masywnych, jak czarne dziury.

W ogólnej teorii względności o grawitacji myśli się jako o sile powstającej w wyniku zakrzywienia czasoprzestrzeni. Gdy promień świetlny ugina się, przechodząc w pobliżu Słońca, interpretujemy to jako zniekształcenie w przestrzeni wokół Słońca przez jego masę, mniej więcej w taki sposób, w jaki duży ciężar odkształciłby naprężoną tkaninę. Światło, wchodząc w zakrzywiony obszar, zakręca, a my interpretujemy ten efekt jako skutek działania siły grawitacji. W einsteinowskiej teorii Wszechświata nie ma siły grawitacji, jest tylko geometria zakrzywionego kontinuum czasoprzestrzennego.

Na drugim końcu skali rozmiarów teorią opisującą wzajemne oddziaływania cząstek wewnątrz atomu jest mechanika kwantowa. Gdy mówimy o sile elektrycznej utrzymującej elektron na orbicie wokół jądra, wyobrażamy ją sobie jako wynik wymiany cząstek obdarzonych masą i energią. Wyobraźmy sobie dwoje ludzie spacerujących ulicą i rzucających do siebie piłkę do koszykówki. Aby to robić, ludzie ci muszą być dość blisko siebie i w związku z tym zewnętrzny obserwator mógłby traktować piłkę jako czynnik wywołujący siłę utrzymującą tych ludzi razem. Mechanika kwantowa opisuje wiązanie się cząstek w atomie przez wymianę innych cząstek. Elektron krąży po orbicie wokół jądra, ponieważ oba wymieniają ze sobą fotony. Podobnie człowiek nie może ulecieć w przestrzeń, gdyż między nim a Ziemią następuje wymiana potoków cząstek zwanych grawitonami, generująca siłę grawitacji. Oczywiste jest, że taka interpretacja grawitacji znacznie się różni od opisu w ogólnej teorii względności.

Zwykle różnica ta nie ma dla naukowców znaczenia, ponieważ zajmują się oni problemami, w których musi być brana pod uwagę jedynie albo mechanika kwantowa, albo teoria względności. Jeśli na przykład w obliczeniach dotyczących siły elektromagnetycznej działającej między elektronem a jądrem w atomie chcielibyśmy uwzględnić grawitację, stwierdzilibyśmy, że odgrywa ona rolę dopiero na trzydziestym siódmym miejscu po przecinku! Podobnie to, co dzieje się wewnątrz pojedynczego atomu, nie ma prawie żadnego wpływu na zachowanie się galaktyki.

Lecz co powiemy o wczesnym Wszechświecie, gdy cała jego masa zawarta była w objętości mniejszej od pojedynczego atomu? Co powiemy o czarnych dziurach, gdzie wielka koncentracja masy wytwarza kolosalne siły grawitacyjne? Tu naukowcy muszą stanąć w obliczu fundamentalnej różnicy między grawitacją a innymi siłami.

Teoria, która traktuje grawitację jako siłę generowaną przez wymianę cząstek, powinna się nazywać kwantową teorią grawitacji lub prościej grawitacją kwantową. Chociaż uczeni przez ostatnie pół wieku starali się stworzyć taką teorię, do tej pory jej nie mamy. Kwantowa teoria grawitacji byłaby nie tylko wielkim krokiem na drodze do Teorii Wszystkiego, lecz – jak na to również wskazywano – mogłaby dać nam nowy wgląd w pewne niesamowite cechy układów kwantomechanicznych.

Przedstawmy sobie problem tworzenia kwantowej grawitacji jako coś podobnego do wspinaczki na wysoką górę. Możliwe są dwie strategie. Po pierwsze, można po prostu wspiąć się na nią za jednym podejściem. Taki sposób wydaje się na pierwszy rzut oka prostszy, lecz ryzykujemy, że nie osiągniemy zamierzonego celu. Możemy również zacząć wspinać się na mniejsze wzgórza. Wiemy wówczas, że jesteśmy w stanie zdobyć ich szczyty, i mamy nadzieję, iż nauka ta pomoże w późniejszym ataku na szczyt góry.

Ludzie podchodzący w pierwszy sposób do problemu kwantowej grawitacji rozwijają konkretne teorie od samego początku, teorie o nazwach „supersymetria” czy „teoria strun”. Wymagają one niezwykle trudnych obliczeń matematycznych i po dziś dzień nikt nie potrafił przez nie się przedrzeć. Są to wspaniałe próby wejścia na szczyt góry za jednym podejściem, lecz podobnie jak wszystkie tego rodzaju ambitne zamierzenia, są bardzo trudne do zrealizowania.

Inni ludzie (a w szczególności Stephen Hawking) próbowali drugiego sposobu wejścia na szczyt. Ich teorie łączą w sobie zazwyczaj fragmenty zarówno teorii względności, jak i mechaniki kwantowej, lecz obecnie możemy rozwiązać jedynie te części, z których wynikają konkretne równania. Próby te przyniosły pewien sukces. Dowiedzieliśmy się na przykład, że z czarnej dziury wypływa ciągły strumień cząstek (zwany promieniowaniem Hawkinga) i w ciągu bardzo długiego czasu może ona zupełnie wyparować. Pełna teoria da nam przypuszczalnie jeszcze bardziej interesującą wiedzę o naturze czarnych dziur i początkach Wszechświata.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *