Mε το ξεκίνημα της νέας χιλιετίας, το έτος 2000, οι φυσικοί δημιούργησαν μια λίστα με τα δέκα σημαντικότερα άλυτα προβλήματα στον τομέα τους. Έκτοτε πέρασαν 25 χρόνια. Άραγε υπήρξε κάποια πρόοδος όσον αφορά την επίλυσή τους;
Το 1900, ο David Hilbert παρουσίασε 23 άλυτα προβλήματα για να προκαλέσει το ενδιαφέρον των μαθηματικών στον επερχόμενο αιώνα. Μετά από έναν αιώνα οι φυσικοί έκαναν κάτι παρόμοιο. Το 2000, οι φυσικοί συγκεντρώθηκαν για να συνθέσουν μια λίστα με τα 10 πιο σημαντικά άλυτα προβλήματα στη θεμελιώδη φυσική, με τους θρύλους της φυσικής Michael Duff, David Gross και Ed Witten να αποτελούν την επιτροπή επιλογής.
Πλέον έχει περάσει το ένα τέταρτο του αιώνα (και το 1/40 της χιλιετίας), αλλά τα περισσότερα από αυτά τα «προβλήματα της χιλιετίας» παραμένουν το ίδιο σκοτεινά όπως και στον παρελθόν. Ας τα δούμε με τη σειρά:
1. Είναι όλες οι (μετρήσιμες) αδιάστατες παράμετροι που χαρακτηρίζουν το φυσικό σύμπαν κατ’ αρχήν υπολογίσιμες ή μήπως κάποιες από αυτές απλώς έτυχε να έχουν τις τιμές που έχουν, λόγω της ιστορίας του σύμπαντος ή τυχαίων κβαντομηχανικών φαινομένων και επομένως δεν μπορούν να υπολογιστούν θεωρητικά;
Πρόκειται για ένα ζωτικό ερώτημα σχετικά με την φύση της πραγματικότητας. Το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων μας προσφέρει ένα πλαίσιο για την περιγραφή της πραγματικότητας: μας λέει πόσα και ποιά είδη θεμελιωδών σωματιδίων θα έπρεπε να υπάρχουν και μας λέει επίσης πώς αυτά τα σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Ωστόσο, υπάρχουν πτυχές του Καθιερωμένου Προτύπου, όπως:
● ή ισχύς των διαφόρων αλληλεπιδράσεων/δυνάμεων,
● οι μάζες/ενέργειες ηρεμίας των θεμελιωδών σωματιδίων, και
● το πώς αναμειγνύονται σωματίδια με τους ίδιους κβαντικούς αριθμούς
που δεν μπορεί να προβλέψει η θεωρία του Καθιερωμένου Προτύπου. Αντίθετα, για να γίνουν γνωστά πρέπει να μετρηθούν πειραματικά.
Οι «αδιάστατες παράμετροι» είναι επίσης γνωστές και ως «θεμελιώδεις σταθερές». Και ένας από τους στόχους της φυσικής είναι να βρει αν αυτές οι σταθερές έχουν κάποια βαθύτερη προέλευση ή αν απλώς είναι αριθμοί που επιλέχθηκαν τυχαία από τη φύση, χωρίς κάποια βαθύτερη εξήγηση. Ορισμένες επεκτάσεις του Καθιερωμένου Προτύπου δίνουν κάποιες ελπίδες ότι ίσως δοθεί κάποια απάντηση, ενώ μια μυστηριώδης εμπειρική εξίσωση, γνωστή ως τύπος Koide, φαίνεται να συνδέει προσεγγιστικά μερικές από αυτές τις σταθερές. Όμως ο 21ος αιώνας, μέχρι στιγμής, όχι μόνο δεν έχει δώσει πειστικές απαντήσεις, αλλά μας έχει παρουσιάσει στοιχεία ότι υπάρχουν ακόμη περισσότερες μη καταγεγραμμένες αδιάστατες παράμετροι που δεν κατανοούμε, σε σχέση με αυτές που γνωρίζαμε πριν από 25 χρόνια. Όχι μόνο δεν έχουμε σημειώσει ουσιαστική πρόοδο σε αυτό το μέτωπο, αλλά το πρόβλημα προς το παρόν φαίνεται πολύ μεγαλύτερο από ποτέ.
2. Μπορεί η κβαντική βαρύτητα να εξηγήσει την προέλευση του σύμπαντος;
Αυτό το ερώτημα δεν είναι απλώς βαθυστόχαστο. Είναι πολύ πιο σύνθετο απ’ όσο δείχνει η φαινομενικά απλή διατύπωσή του. Γνωρίζουμε ότι οι δύο βασικές περιγραφές της πραγματικότητας – η κβαντική θεωρία πεδίου για την ηλεκτρομαγνητική, την ασθενή και την ισχυρή πυρηνική, και την αλληλεπίδραση Higgs και η γενική σχετικότητα για τη βαρύτητα – είναι θεμελιωδώς ασύμβατες. Γνωρίζουμε επίσης ότι, σε εξαιρετικά αρχέγονες εποχές, το σύμπαν βρισκόταν σε κατάσταση πολύ υψηλής ενέργειας όπου αναμένεται τα κβαντικά φαινόμενα να γίνονται σημαντικά παντού, ακόμη και για την βαρύτητα.
Πώς λοιπόν μπορεί κανείς να ενοποιήσει αυτές τις δύο εικόνες; Η συνήθης υπόθεση είναι ότι απαιτείται μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας και επομένως, πρέπει να υπάρχουν κβαντικά σωματίδια που μεταφέρουν την βαρυτική αλληλεπίδραση (τα βαρυτόνια), όπως ακριβώς τα φωτόνια μεταφέρουν την ηλεκτρομαγνητική και τα γλοιόνια την ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση.
Πιθανότατα, σε κάποιο πολύ αρχέγονο στάδιο – πριν από την έναρξη της θερμής Μεγάλης Έκρηξης, ακόμη και πριν από την αρχή της κοσμικής πληθωριστικής διαστολής – υπήρξε ένα αρχικό γεγονός που ξεκίνησε τα πάντα. Ωστόσο, αυτό δεν είναι απολύτως τεκμηριωμένο. Αποτελεί απλώς μία δυνατή (αν και έντονα προτιμώμενη από πολλούς) εκδοχή. Αν και εφόσον συνέβη κάτι τέτοιο, τότε τα κβαντικά βαρυτικά φαινόμενα θα ήταν σημαντικά. Και ενδεχομένως αυτές οι δύο (υποθετικές και άγνωστες) πτυχές του σύμπαντος να συνδέονται μεταξύ τους.
25 χρόνια μετά τη διατύπωση αυτού του ερωτήματος, έχει σημειωθεί κάποια πρόοδος στον αποκλεισμό πιθανών σεναρίων για την προέλευση του σύμπαντος που αποφεύγουν μια μη ιδιόμορφη αρχή, αλλά κατά τα άλλα η αβεβαιότητα παραμένει όσο μεγάλη ήταν πάντα. Αν και πολλοί που εργάζονται πάνω σε αυτό θα διαφωνήσουν, θα τολμούσα να υποστηρίξω ότι δεν έχει σημειωθεί ουσιαστική πρόοδος στο ζήτημα της κβαντικής βαρύτητας από τότε που το ερώτημα αυτό διατυπώθηκε για πρώτη φορά.
3. Ποιος είναι ο χρόνος ζωής του πρωτονίου και πώς τον κατανοούμε;
Αυτή η ερώτηση μπορεί να εκπλήξει τους μη φυσικούς, οι οποίοι μπορούν να αναρωτηθούν: «Μα το πρωτόνιο δεν είναι σταθερό σωματίδιο και επομένως έχει άπειρο χρόνο ζωής;»
Και η απάντηση είναι ότι πράγματι, το πρωτόνιο είναι σταθερό. Όσο χρονικό διάστημα το έχουμε παρατηρήσει. Ως το ελαφρύτερο είδος βαρυονίου (αποτελείται από τρία κουάρκ), δεν υπάρχει γνωστό κανάλι για την διάσπαση του πρωτονίου, καθώς οποιαδήποτε διάσπαση (όπως σε πιόνια και λεπτόνια) θα παραβίαζε την διατήρηση του αριθμού των βαρυονίων.
Ωστόσο, υπάρχουν δύο λόγοι για να θεωρήσουμε ότι το πρωτόνιο θα μπορούσε να διασπαστεί:
● Στο Καθιερωμένο Πρότυπο, ο «αριθμός βαρυονίων» δεν είναι μια ρητά διατηρούμενη ποσότητα. Είναι δυνατό να παραβιαστεί ο αριθμός βαρυονίων μέσω ενός συνόλου αλληλεπιδράσεων (γνωστές ως σφάλερον αλληλεπιδράσεις) εφόσον διατηρείται η διαφορά του «αριθμού βαρυονίων μείον τον αριθμό λεπτονίων».
● Και σε επεκτάσεις του Καθιερωμένου Προτύπου, συμπεριλαμβανομένων σχεδόν όλων Μεγάλων Θεωριών Ενοποίησης και σε όλες τις εκδοχές της θεωρίας χορδών, τα υπερβαρέα μποζόνια που διευκολύνουν την επιτρεπόμενη διάσπαση των πρωτονίων είναι υποχρεωτικά.
Μέχρι σήμερα δεν έχουμε παρατηρήσει διάσπαση πρωτονίων. Το μόνο που έχουμε καταφέρει είναι να θέσουμε ένα κάτω όριο, στον πιθανό μέσο χρόνο ζωής τους. Είναι μεγαλύτερος από 2×1034 έτη, γεγονός που αποκλείει τον απλούστερο τύπο της μεγάλης ενοποιημένης θεωρίας Georgi-Glashow SU(5). Αυτός ο περιορισμός είναι περίπου 10 φορές μεγαλύτερος από ό,τι ήταν πριν από 25 χρόνια, αλλά δεν είμαστε πιο κοντά στην κατανόηση της σταθερότητας του πρωτονίου από ό,τι ήμασταν το έτος 2000.
4. Είναι η Φύση υπερσυμμετρική και, αν ναι, πώς σπάζει η υπερσυμμετρία;
Η έννοια των συμμετριών στη φυσική είναι πάρα πολύ ισχυρή, αρκεί κανείς να σκεφτεί την θεμελιώδη σύνδεση μεταξύ των συμμετριών και των νόμων διατήρησης στη Φυσική. Φυσικά, το σύμπαν μας δεν είναι τέλεια συμμετρικό από πολλές απόψεις: έχουμε ηλεκτρικά φορτία αλλά όχι μαγνητικά, οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις παραβιάζουν θεμελιωδώς την κατοπτρική συμμετρία, την συμμετρία ύλης-αντιύλης και τη συμμετρία αντιστροφής του χρόνου. Και όλα τα νετρίνα φαίνεται να είναι αριστερόστροφα, ενώ όλα τα αντινετρίνα φαίνεται να είναι δεξιόστροφα.
Παρ’ όλα αυτά, είναι πιθανό να υπάρχουν επιπλέον συμμετρίες στη φύση, που δεν ανακαλύφθηκαν ακόμα, με ένα από τα πιο πολυσυζητημένα και συναρπαστικά φυσικά σενάρια να είναι η υπερσυμμετρία. Το πιο συναρπαστικό είναι ότι η υπερσυμμετρία – η οποία υποθέτει την ύπαρξη τουλάχιστον ενός σωματιδίου, υπερσυμμετρικού συντρόφου για κάθε ένα από τα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου – προσφέροντας ταυτόχρονα μια πιθανή λύση στον γρίφο της σκοτεινής ύλης, στον γρίφο της ενοποίησης στις υψηλές ενέργειες της ισχυρής δύναμης και στο πρόβλημα της ιεραρχίας (εμφανίζεται στη συνέχεια στο νούμερο 9).
Δυστυχώς, αν η υπερσυμμετρία ήταν «η λύση» στο πρόβλημα της ιεραρχίας, θα είχε ήδη εμφανιστεί στα υπάρχοντα δεδομένα του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC). Πριν από 25 χρόνια, πολλοί υπέθεταν ότι όχι μόνο η φύση ήταν θεμελιωδώς υπερσυμμετρική, αλλά ότι τα υπερσυμμετρικά σωματίδια ήταν βέβαιο πως θα εμφανίζονταν στον LHC. Αντίθετα, ο LHC μας έδειξε ότι αυτές οι υποθέσεις ήταν στην πραγματικότητα εσφαλμένες και δεν επιβεβαιώθηκαν από την φυσική πραγματικότητα.
Η φύση μπορεί να εξακολουθεί να είναι υπερσυμμετρική σε κάποια πολύ υψηλότερη ενεργειακή κλίμακα, αλλά όχι μόνο δεν υπάρχουν πειραματικά στοιχεία που να ευνοούν αυτό το σενάριο, αλλά ακόμη κι αν η φύση είναι υπερσυμμετρική σε κάποιο σημείο, δεν θα λύσει το ένα πρόβλημα (το πρόβλημα της ιεραρχίας) που παρείχε το θεωρητικό κίνητρο για την αρχική πρότασή της. Αυτό το ερώτημα, το οποίο υπέθετε ότι η απάντηση στο πρώτο μέρος θα ήταν «ναι», δεν έχει δώσει καμία ένδειξη που να δείχνει κάτι άλλο εκτός από «όχι».
5. Γιατί το σύμπαν φαίνεται να έχει μία χρονική και τρεις χωρικές διαστάσεις;
Στο σύμπαν μας, μπορούμε να μετρήσουμε και να επιβεβαιώσουμε ότι υπάρχουν τρεις διαστάσεις του χώρου και μία (και μόνο μία) διάσταση του χρόνου. Δυνάμεις, όπως ο ηλεκτρομαγνητισμός και η βαρύτητα, διαδίδονται και στις τρεις χωρικές διαστάσεις καθώς απομακρυνόμαστε από τις πηγές (δηλαδή, τα φορτία και τις μάζες) που προκαλούν αυτές τις δυνάμεις. Κι αυτό εξηγεί γιατί είναι αντιστρόφως ανάλογες με το τετράγωνο της απόστασης από τις πηγές. Ωστόσο, φαίνεται ότι πολλές άλλες επιλογές θα μπορούσαν να ήταν δυνατές και ότι αν υπάρχουν περαιτέρω ενοποιήσεις των δυνάμεων, συμπεριλαμβανομένης μιας πιθανής θεωρίας των πάντων, αυτό θα σήμαινε ότι το σύμπαν μας σε κάποια πολύ πρώιμη φάση του, διέθετε περισσότερες διαστάσεις από τις τέσσερις που αντιλαμβανόμαστε σήμερα. Η ύπαρξη τέτοιων «επιπλέον διαστάσεων» αποτελεί μία από τις βασικές προβλέψεις της θεωρίας χορδών.
Από θεωρητική άποψη, δεν έχουμε ιδέα ποια θα ήταν η δυναμική που θα μας οδηγούσε από μια πλήρη θεωρία χορδών – η οποία προβλέπει (τουλάχιστον) έναν 10-διάστατο χωροχρόνο που διέπεται από μια θεωρία βαρύτητας τύπου Brans-Dicke (βαθμωτή + τανυστική), μαζί με ένα τεράστιο φάσμα σωματιδίων και αλληλεπιδράσεων – στο σύμπαν στο οποίο βρισκόμαστε σήμερα: με μόνο έναν τετραδιάστατο χωροχρόνο χωρίς βαθμωτές συνεισφορές στη βαρύτητα, με το περιορισμένο φάσμα σωματιδίων και αλληλεπιδράσεων του Καθιερωμένου Προτύπου που παρατηρούμε.
Κι αυτό λοιπόν είναι ένα ακόμη ερώτημα στο οποίο δεν είμαστε πιο κοντά στην απάντηση στο τέλος του 2025 από ό,τι ήμασταν πριν από 25 χρόνια.
6. Γιατί η κοσμολογική σταθερά έχει την τιμή που έχει; Είναι μηδενική; Είναι πράγματι σταθερή;
Είναι δύσκολο να το πιστέψει κανείς, αλλά στο έτος 2000, η «κοσμολογική σταθερά» που παρατηρούμε μέσα στο σύμπαν – δηλαδή η ένδειξη για την ύπαρξη της σκοτεινής ενέργειας – ήταν κάτι εντελώς καινούργιο. Τα πρώτα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν το 1998, έδειχναν όχι μόνο ότι το σύμπαν διαστέλλεται, αλλά και ότι η διαστολή του είναι επιταχυνόμενη. Αυτή η ιδέα άρχισε σταδιακά να γίνεται αποδεκτή στην κοινότητα των φυσικών, αν και πολλοί τότε αντιστέκονταν, εξαιτίας των (τότε σημαντικών) αβεβαιοτήτων στα αρχικά δεδομένα.
● Βρισκόταν πράγματι το σύμπαν σε επιταχυνόμενη διαστολή;
● Επιταχυνόταν με τρόπο που να αντιστοιχεί στην ύπαρξη κοσμολογικής σταθεράς;
● Κι αυτή η κοσμολογική σταθερά – που εμφανίζεται στη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν – είναι η ίδια με την αναμενόμενη τιμή της ενέργειας του κενού (μηδενικής ενέργειας) που προκύπτει από τις κβαντικές θεωρίες πεδίου;
25 χρόνια μετά, έχουμε μερικές μόνο απαντήσεις. Το σύμπαν πράγματι επιταχύνεται και η παρατηρούμενη επιτάχυνση είναι συμβατή με το να προκαλείται από μια κοσμολογική σταθερά. Αν και χρειάζεται περαιτέρω έρευνα για να διαπιστωθεί αν η «ενεργειακή πυκνότητα» της σκοτεινής ενέργειας είναι πραγματικά σταθερή ή αν μεταβάλλεται με τον χρόνο, όπως δείχνουν ορισμένα πρόσφατα δεδομένα. Όμως το τρίτο ερώτημα – αν δηλαδή (και με ποιον τρόπο) η παρατηρούμενη επιτάχυνση του σύμπαντος συνδέεται με τη μηδενική ενέργεια του κενού της κβαντικής θεωρίας πεδίου – παραμένει το ίδιο δυσεπίλυτο όπως πάντα, καθώς οι θεωρητικοί υπολογισμοί δίνουν τιμές για την ενεργειακή πυκνότητα που είναι τεράστιες και σαφώς ασύμβατες με τις παρατηρήσεις.
Παραμένει βέβαια το ενδεχόμενο η τιμή της κοσμολογικής σταθεράς να αποδειχθεί μικρή αλλά μη μηδενική και να συμφωνεί τελικά με τις προβλέψεις των κβαντικών θεωριών πεδίου. Όμως, αυτός είναι ένας υπολογισμός που δεν έχουμε καταφέρει να κάνουμε και στον οποίο δεν έχει σημειωθεί ουσιαστική πρόοδος τα τελευταία 25 χρόνια. Η κοσμολογική σταθερά φαίνεται να αποτελεί πραγματικό χαρακτηριστικό του σύμπαντος και να συνεισφέρει το μεγαλύτερο μέρος της συνολικής του ενέργειας, αλλά δεν είμαστε σήμερα πιο κοντά στο να κατανοήσουμε την τιμή της.
7. Ποιοι είναι οι θεμελιώδεις βαθμοί ελευθερίας της θεωρίας Μ (της θεωρίας της οποίας το χαμηλής ενέργειας όριο είναι η ενδεκαδιάστατη υπερβαρύτητα και η οποία περιλαμβάνει τις πέντε συνεπείς θεωρίες υπερχορδών); Περιγράφει την Φύση αυτή η θεωρία;
Υπήρχαν πολλοί άνθρωποι που περίμεναν ότι θα είχε σημειωθεί πρόοδος σε αυτά τα ζητήματα, καθώς θα ήταν μια τεράστια ανακάλυψη το ότι οι διαφορετικές θεωρίες υπερχορδών ήταν όλες ισοδύναμες κατά κάποιο τρόπο: ότι αποτελούν διαφορετικές διατυπώσεις της ίδιας βαθύτερης θεωρίας, γνωστής ως θεωρία Μ. Το Καθιερωμένο Πρότυπο συχνά γράφεται με βάση την άλγεβρα Lie: ως SU(3)×SU(2)×U(1), κι αν έχετε δει ποτέ ομάδες όπως E(8)×E(8) ή SO(32), τότε γνωρίζετε ότι αυτές είναι δύο (από τα πέντε) παραδείγματα θεωρίας υπερχορδών που αποδεικνύονται ισοδύναμα διαμέσου της θεωρίας Μ.
Το μεγάλο πρόβλημα είναι ότι αυτές οι θεωρίες υπερχορδών είναι τεράστιες, εξαιρετικά πολύπλοκες και περιλαμβάνουν πάρα πολλά στοιχεία – επιπλέον διαστάσεις, επιπλέον σωματίδια, επιπλέον συμμετρίες, επιπλέον σχέσεις κ.λπ. Όλα αυτά θα έπρεπε, με κάποιον τρόπο, να «εξαλειφθούν» πλήρως ώστε να καταλήξουμε στο σύμπαν που παρατηρούμε. Παρά την τεράστια προσπάθεια και τη συμβολή πάρα πολλών εξαιρετικά ικανών φυσικών, ισχύουν ταυτόχρονα δύο πράγματα:
● δεν έχουμε ιδέα ποιοι είναι οι θεμελιώδεις βαθμοί ελευθερίας της θεωρίας Μ, και
● δεν έχουμε ιδέα αν η θεωρία Μ περιγράφει την «Φύση» ή την πραγματικότητά μας.
Εν ολίγοις, και πάλι δεν έχει σημειωθεί καμία ουσιαστική πρόοδος σε αυτό το ζήτημα τα τελευταία 25 χρόνια.
8. Ποια είναι η λύση του παραδόξου της πληροφορίας των μαύρων τρυπών;
Αυτό, τουλάχιστον, είναι ένα πρόβλημα στο οποίο έχει γίνει εκτεταμένη έρευνα και έχουν αποκαλυφθεί πολλές ενδιαφέρουσες πτυχές τα τελευταία 25 χρόνια, ακόμη κι αν η τελική απάντηση παραμένει: «εξακολουθεί να είναι άλυτο». Το παράδοξο της πληροφορίας της μαύρης τρύπας, πολύ απλά, δηλώνει ότι όταν η ύλη σχηματίζεται ή πέφτει σε μια μαύρη τρύπα, έχει ιδιότητες ή πληροφορίες που σχετίζονται με αυτήν. Αυτές οι πληροφορίες περιλαμβάνουν:
● κβαντικούς αριθμούς των σωματιδίων που πέφτουν μέσα,
● τους δεσμούς και τις κβαντικές συμπλέξεις μεταξύ αυτών των σωματιδίων, και
● τα είδη και τις φυσικές ιδιότητες των σωματιδίων που πέφτουν στην μαύρη τρύπα.
Το «παράδοξο» προκύπτει επειδή αυτές οι μαύρες τρύπες δεν είναι θεμελιωδώς σταθερές και θα αποσυντεθούν, με την πάροδο του χρόνου, διαμέσου της ακτινοβολίας Hawking, όπου η ενέργεια, που εκπέμπεται κυρίως με τη μορφή φωτονίων, απομακρύνεται από τη μαύρη τρύπα μέχρις ότου μετά από ένα μεγάλο χρονικό διάστημα, ~1067 χρόνια ή περισσότερο, η μαύρη τρύπα έχει εξατμιστεί εντελώς.
Το ερώτημα λοιπόν είναι: πού καταλήγει η «πληροφορία» για τα σωματίδια που δημιούργησαν τη μαύρη οπή; Χάνεται; Διατηρείται και, με κάποιον τρόπο, μήπως κωδικοποιείται στην εξερχόμενη ακτινοβολία; Ή υπάρχει κάποια άλλη λύση στο παράδοξο;
Αν και οι περισσότεροι φυσικοί τείνουν προς την εκδοχή ότι η πληροφορία διατηρείται και είναι με κάποιον τρόπο κρυπτογραφημένη στην ακτινοβολία Hawking, και παρότι έχουν γίνει πολλές ενδιαφέρουσες μελέτες – όπως για τα λεγόμενα «τείχη προστασίας (firewalls)» και άλλα συναφή φαινόμενα – η ειλικρινής απάντηση είναι ότι ακόμη δεν γνωρίζουμε τη λύση. Θα έλεγα ότι έχει σημειωθεί κάποια πρόοδος, αλλά μια οριστική απάντηση φαίνεται να απέχει πολύ, ακριβώς όπως συνέβαινε και πριν από 25 χρόνια.
9. Ποια φυσική εξηγεί την τεράστια διαφορά μεταξύ της κλίμακας της βαρύτητας και της τυπικής κλίμακας μαζών των στοιχειωδών σωματιδίων;
Πρόκειται για το πρόβλημα της ιεραρχίας. Αν αναζητήσει κανείς μια «φυσική» κλίμακα μάζας στη φυσική των σωματιδίων, θα βρει μία: την μάζα Planck, η οποία είναι ~1022 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του ηλεκτρονίου. Ακόμη και τα βαρύτερα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου, όπως το κουάρκ top και το μποζόνιο Higgs, είναι ~1017 φορές ελαφρύτερα από τη μάζα Planck, η οποία με τη σειρά της αποτελεί μέτρο της κλίμακας της βαρύτητας.
Έχουν προταθεί πολλές θεωρίες για να εξηγηθεί αυτή η τεράστια διαφορά, όπως ακριβώς έχουν προταθεί πολλές ιδέες και για να εξηγηθεί το ερώτημα #6: γιατί η κοσμολογική σταθερά είναι τόσο ασθενής σε σύγκριση με την ενεργειακή κλίμακα που προβλέπουν οι κβαντικές θεωρίες πεδίου. Δυστυχώς, παρά τα όσα έχουμε μάθει, το μόνο που μπορούμε να πούμε με βεβαιότητα είναι μια μακριά λίστα από πράγματα που δεν μπορούν να αποτελούν την αιτία.
Τι εξηγεί αυτές τις τεράστιες διαφορές; Πώς μπορούμε να κατανοήσουμε ποιες είναι οι μάζες των θεμελιωδών σωματιδίων; Σχετίζονται το πρόβλημα της «κοσμολογικής σταθεράς» και το «πρόβλημα της ιεραρχίας», αφού και τα δύο αφορούν την μεγάλη απόκλιση ανάμεσα στις (απλοϊκά) προβλεπόμενες τιμές και στις παρατηρούμενες; Και έχει κάποια σημασία η παρατήρηση ότι, αν – αντί για τη μάζα Planck- εισαγάγουμε κάτι όπως μια «μάζα νετρίνου» στο πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς, παίρνουμε μια απάντηση που συμφωνεί με την πραγματικότητα;
Αυτό το αίνιγμα παραμένει άλυτο, αλλά έχει υπάρξει πρόοδος στον περιορισμό του τι δεν μπορεί να είναι η λύση, με την «υπερσυμμετρία» να αποκλείεται ως η λύση, σηματοδοτώντας ίσως την πιο ουσιαστική πρόοδο.
10. Μπορούμε να κατανοήσουμε ποσοτικά τον εγκλεισμό κουάρκ και γλοιονίων στην Κβαντική Χρωμοδυναμική και την ύπαρξη ενεργειακού χάσματος μάζας;
Μπορεί να φτάσατε στο τέλος αυτής της λίστας και να νιώσατε μια μικρή απογοήτευση. Από τα εννέα προηγούμενα ερωτήματα, στα έξι θα μπορούσε να πει κανείς ότι δεν υπάρχει καμία πρόοδος, για τα δύο, εντάξει, σίγουρα δεν είναι η υπερσυμμετρία, και για το ένα πως έχουμε καταγράψει ορισμένα παρατηρησιακά δεδομένα για τη σκοτεινή ενέργεια, αλλά δεν κατανοούμε θεωρητικά την τιμή της.
Αλλά το δέκατο πρόβλημα αλλάζει ουσιαστικά την ιστορία, διότι σ’ αυτό έχει πράγματι σημειωθεί τεράστια πρόοδος, χάρη σε μια νέα τεχνική (Lattice QCD), μια υπολογιστική μέθοδο για την μελέτη της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής (QCD), η οποία αναπτύχθηκε στον 21ο αιώνα. Σε αντίθεση με την κβαντική ηλεκτροδυναμική, όπου μπορούμε να κάνουμε υπολογισμούς με διαταρακτικές μεθόδους – καθώς όλο και περισσότερα ανταλλασσόμενα σωματίδια συνεισφέρουν όλο και λιγότερο στην ένταση της αλληλεπίδρασης – η κβαντική χρωμοδυναμική (QCD) είναι μη διαταρακτική θεωρία.
Η τεράστια αύξηση της υπολογιστικής ισχύος και οι βελτιώσεις στις μεθόδους υπολογισμού της Lattice QCD τα τελευταία 25 χρόνια έχουν αλλάξει ριζικά την κατάσταση. Η απάντηση στο ερώτημα αυτό μπορούμε να πούμε ότι είναι ξεκάθαρα «ναι»: είναι δυνατό να κατανοήσουμε τον εγκλεισμό των κουάρκ και των γλοιονίων, καθώς και την ύπαρξη (ή μη) και το μέγεθος ενός ενεργειακού χάσματος μάζας, και ο τρόπος για να γίνει αυτό είναι διαμέσου της Lattice QCD. Επιπλέον, η Lattice QCD φαίνεται ότι (με πολύ μεγάλη πιθανότητα) περιέχει και την λύση στον παλιό γρίφο g−2 του μιονίου, όπως έχει αναδειχθεί τα τελευταία χρόνια.
Το γεγονός ότι έστω και ένα από αυτά τα «προβλήματα του 21ου αιώνα» έχει ουσιαστικά επιλυθεί μέσα στα πρώτα 25 χρόνια, θα πρέπει να μας δίνει αισιοδοξία για την αντιμετώπιση και των υπολοίπων. Πολύ συχνά, προσπαθώντας να πετύχουμε το «αδύνατο», καταλήγουμε να επιτυγχάνουμε το αξιοσημείωτο – και από αυτή την άποψη, η θεμελιώδης φυσική δεν διαφέρει από καμία άλλη ανθρώπινη προσπάθεια.
Γιατί λοιπόν υπάρχει κάτι αντί για το τίποτα; Γιατί υπάρχουμε εμείς; Γιατί αυτό το σύνολο νόμων και όχι κάποιο άλλο; Μπορούμε να απαντήσουμε στο έσχατο ερώτημα της Ζωής, του Σύμπαντος και των Πάντων; Ναι, αρκεί να διαθέτουμε λίγο χιούμορ.
Δείτε το σχετικό απόσπασμα από την ταινία«The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy» (Γυρίστε τον Γαλαξία με ωτοστόπ):
Πηγή:https://physicsgg.me/
tinanantsou.blogspot.gr
