Το διαζύγιο του χωροχρόνου

ΥΠΕΡΣΥΜΜΕΤΡΙΑ
Το παράθυρο για μια καινούργια πραγματικότητα
Το καθιερωμένο μοντέλο της φυσικής σωματιδίων είναι ταυτοχρόνως εκπληκτικά επιτυχημένο και εμφανώς ημιτελές. Οταν σκεφτόμαστε τι θα μπορούσε να επεκτείνει και να εμβαθύνει την κατανόησή μας γύρω από τα πιο βασικά έργα της φύσης συχνά η απάντηση κρύβεται σε μια λέξη: υπερσυμμετρία.

Η υπερσυμμετρία είναι σαν ένα θαυματουργό φάρμακο. Βοηθάει να ενωθούν οι διάφορες θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις της φύσης. Παίζει κεντρικό ρόλο στις κβαντικές θεωρίες της βαρύτητας που βασίζονται στη θεωρία των χορδών. Θα μπορούσε ακόμη και να εξηγήσει από τι είναι φτιαγμένη η σκοτεινή ύλη που γεμίζει το Σύμπαν. Στην καρδιά της βρίσκεται μια απλή ιδέα: ότι όλα τα γνωστά σωματίδια έχουν ένα βαρύτερο «υπερσωματίδιο» εταίρο με διαφορετικό κβαντομηχανικό σπιν. Σωματίδια και υπερσωματίδια συνδέονται μαθηματικά από έναν «υπερχώρο», οι διαστάσεις του οποίου- και εδώ είναι που τα πράγματα αρχίζουν να δυσκολεύουν- ισούνται με τις τετραγωνικές ρίζες των διαστάσεων του κανονικού χώρου μας.

Η φυσική, η τεχνολογία, ακόμη και η φιλοσοφία, άλλαξαν εκ βάθρων όταν η Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν μας έμαθε να βλέπουμε τον χρόνο σαν μια τέταρτη διάσταση. Μπορεί η ιδέα ότι οι οικείες διαστάσεις του χωροχρόνου έχουν τετραγωνικές ρίζες να αποδειχθεί εξίσου επαναστατική; Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων του CΕRΝ που αναζητεί τα ίχνη της υπερσυμμετρίας θα μας βοηθήσει να το μάθουμε.

JOHN ELLIS Ο κ. Τζον Ελις είναι θεωρητικός φυσικός στο CΕRΝ και στο Κing΄s College του Λονδίνου. H ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΙΑ ADS/CFT
Υπεραγωγοί από μαύρες τρύπες
Από όλα τα πράγματα στη φυσική οι μαύρες τρύπες έχουν ίσως την περισσότερη γοητεία. Παράξενα ακραίες, αφθονούν στο Σύμπαν. Στην ουσία, μάλλον μια από αυτές βρίσκεται σε κάποιο κοντινό σας εργαστήριο- αν και θα χρειαστείτε μια από τις πιο αλλόκοτες θεωρίες της πρόσφατης φυσικής για να την προσέξετε. Αυτή έχει την πομπώδη ονομασία «anti-de-Sitter/conformal field theory correspondence»- «αντι-ντε-Σίτερ/σύμμορφη αντιστοιχία θεωρίας πεδίου» ή για συντομία ΑdS/CFΤ. Εχει εξαχθεί από τη θεωρία των χορδών και υποστηρίζει ότι τα βαρυτικά αντικείμενα όπως οι μαύρες τρύπες κωδικοποιούνται με ένα πολύ συγκεκριμένο, αν και έμμεσο, τρόπο στις ιδιότητες της εξωτικής κβαντικής ύλης που ανιχνεύεται σε πολλά εργαστήρια φυσικής σε όλον τον κόσμο.

Γιατί αυτό έχει σημασία; Επειδή αν και η κβαντική ύλη αποτελεί σε μεγάλο βαθμό ένα μυστήριο ακόμη και για τους μυημένους, αυτή τη στιγμή διαθέτουμε ένα αρκετά εκτεταμένο κουτί με εργαλεία για να προσεγγίσουμε τις μαύρες τρύπες και τα άλλα σχετικά. Με την ΑdS/CFΤ μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το ένα μυστήριο για να εξηγήσουμε το άλλο. Αυτό ίσως μας επιτρέψει, για παράδειγμα, να λύσουμε τον 24χρονο γρίφο των υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας, υλικών που οι κβαντικές λειτουργίες τους τους επιτρέπουν να μεταφέρουν ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση σε θερμοκρασίες πολύ πιο πάνω από το απόλυτο μηδέν. Αν μέσω αυτού μπορέσουμε να υλοποιήσουμε το όνειρο της υπεραγωγιμότητας σε θερμοκρασία δωματίου θα μπορούσαμε να ξαναγράψουμε τους όρους της συζήτησης για την ενέργεια.

Τα πιο μεγαλειώδη όνειρα των φυσικών έχουν να κάνουν με αυτό που η αντιστοιχία ΑdS/CFΤ μπορεί να προσφέρει σε μια άλλη κατεύθυνση: θα μπορούσαν να γίνουν πειράματα κβαντικής ύλης για μια καλύτερη κατανόηση της βαρύτητας, οδηγώντας ίσως σε μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας η οποία θα ενώνει όλη τη φυσική; Η υπόσχεση αυτή συναρπάζει τόσο εμένα όσο και πολλούς άλλους.

JAN ZAANEN Ο κ. Γιαν Ζάανεν είναι καθηγητής της Θεωρητικής Φυσικής της Συμπυκνωμένης Υλης στο Πανεπιστήμιο του Λάιντεν της Ολλανδίας. KΒΑΝΤΙΚΟΣ ΔΑΡΒΙΝΙΣΜΟΣ
Ο ικανότερος δυνατός κόσμος
Εχει μπερδέψει τα καλύτερα μυαλά μετά την έλευση της κβαντικής θεωρίας. Τα κβαντικά πράγματα μπορούν να υπάρχουν σε πολλά μέρη ταυτοχρόνως ή να περιστρέφονται ανάλογα ή αντίστροφα από τη φορά του ρολογιού ταυτοχρόνως. Οταν όμως κάνουμε μια μέτρηση πάντα παίρνουμε μία μόνο απάντηση. Γιατί;

Ισως εξαιτίας ενός δαρβινικού τύπου αγώνα για την επιβίωση οι κβαντικές καταστάσεις ανταγωνίζονται μεταξύ τους για να αποσπάσουν την προσοχή μας και εμείς βλέπουμε μόνο την «ικανότερη» κατάσταση που επηρεάζει περισσότερο το περιβάλλον της.

Πειράματα που έγιναν εφέτος με τη διερεύνηση μικρών συγκεντρώσεων ηλεκτρονίων που βρίσκονται στις κβαντικές κουκκίδες φαίνεται να επιβεβαιώνουν κάποιες προβλέψεις αυτού του «κβαντικού Δαρβινισμού». Αν η ιδέα αποδειχθεί σωστή θα επιβεβαιώσει τις υποψίες μας ότι τα πειράματα μπορούν να ανιχνεύσουν μόνο την επίδραση ενός κβαντικού συστήματος στο περιβάλλον του, αλλά ποτέ το ίδιο το σύστημα.

ΘΕΩΡΙΑ ΤΥΧΑΙΩΝ ΠΙΝΑΚΩΝ
Δεν είναι όλα τα τυχαία ίδια
Το τυχαίο συχνά δεν φαίνεται τυχαίο. Στην κλήρωση ενός λαχείου, όπως ας πούμε σε αυτή του Εθνικού Λαχείου της Βρετανίας, στην οποία από 49 μπάλες βγαίνουν έξι, οι αριθμοί συσσωρεύονται: οι μισές δυνατές κληρώσεις περιλαμβάνουν δύο διαδοχικούς αριθμούς.

Αυτό είναι το παραδοσιακό τυχαίο. Μια καινούργια όμως μη σωρευτική μορφή τυχαίου φαίνεται τώρα να εμφανίζεται σε δεδομένα παντού στα μαθηματικά και στην επιστήμη, με την υπογραφή μιας μαθηματικής παραδοξότητας που ονομάζεται θεωρία τυχαίων πινάκων.

Ενας πίνακας είναι μια ορθογώνια διάταξη αριθμών που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κωδικοποιήσει χωρικές μεταβολές. Η διάταση ή η συρρίκνωση που προκαλείται από έναν πίνακα σε βασικές κατευθύνσεις του χώρου δίδεται από την «ιδιοαξία» του πίνακα. Οι τυχαίοι πίνακες είναι πίνακες συμπληρωμένοι με αριθμούς που έχουν επιλεγεί τυχαία και τα πρότυπα των ιδιοτιμών τους- που είναι κατανεμημένα τυχαία, αλλά χωρίς συσσώρευση- είναι αυτά που βλέπουμε παντού σήμερα.

Ξεπροβάλλουν στην κατανομή των επιπέδων της ενέργειας στους πυρήνες βαρέων στοιχείων όπως το ουράνιο, στην κατανομή των μηδενικών τιμών της Συνάρτησης Ζήτα του Ρίμαν, η οποία καθορίζει πώς κατανέμονται οι πρώτοι αριθμοί, ακόμη και στους χρόνους άφιξης των λεωφορείων σε μια πόλη στο Μεξικό όπου οι οδηγοί προσδιορίζουν οι ίδιοι τα δρομολόγιά τους. Το να διερευνήσουμε το γιατί θα αποτελέσει μια γόνιμη νέα κατεύθυνση για τα μαθηματικά.

ΜARCUS DU SAUTOY Ο κ. Μάρκους ντι Σότοϊ είναι καθηγητής των Μαθηματικών και της Κατανόησης της Επιστήμης από το κοινό στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. H ΒΑΡΥΤΗΤΑ XΟΡΑΒΑ
Το τέλος του χωροχρόνου

Από τότε που ο Αϊνστάιν δημοσίευσε τη γενική θεωρία του της σχετικότητας, το 1915, ο χώρος και ο χρόνος έγιναν ένα: ο χωροχρόνος. Σχεδόν έναν αιώνα μετά ίσως οδεύουν προς το διαζύγιο.

Η γενική σχετικότητα προσφέρει μια εξήγηση για τη δύναμη που αποκαλούμε βαρύτητα. Αυτή η θεωρία όμως δεν είναι κβαντική, όπως οι θεωρίες που περιγράφουν τις άλλες τρεις δυνάμεις της φύσης. Πέρυσι ωστόσο ο τσέχος φυσικός Πετρ Χοράβα διατύπωσε το συμπέρασμα ότι επιτρέποντας στον χώρο και στον χρόνο να αλλάξουν ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον η βαρύτητα γίνεται επιρρεπής στις προτάσεις της κβαντικής θεωρίας.

Ενας γάμος των δύο θα μπορούσε να αποτελέσει το μεγαλύτερο επίτευγμα της φυσικής- μια «θεωρία των πάντων» που θα απαντά σε όλα τα ερωτήματα όπως το τι συνέβη στη Μεγάλη Εκρηξη, όταν μικροσκοπικοί όγκοι συνάντησαν έντονη βαρύτητα. Πιο σύνθετες προτάσεις, όπως η θεωρία των χορδών, προσπαθούν ήδη να επιτύχουν το ίδιο, και είναι εξίσου μη επαληθευμένες με πειράματα. Μόνον ο χρόνος θα μας πει ποια προσέγγιση είναι η σωστή.