Împreună, relativitatea generală și mecanica cuantică par să descrie toată realitatea observabilă. Și totuși, ele nu pot fi adevărate în același timp. Ele trebuie unite într-o teorie mai profundă, necunoscută deocamdată. După un secol de muncă din partea celor mai strălucite minți ale fizicii, de ce încă ne scapă această teorie unificată?

Primele decenii ale secolului al XX-lea au reprezentat o perioadă plină de miracole pentru fizică. La început, relativitatea lui Einstein a schimbat fundamental modul în care ne gândim la spațiu, timp, mișcare și gravitație. Apoi, revoluția cuantică a anilor '20 și '30 ne-a dat peste cap toate intuițiile pe care le aveam despre lumea subatomică. Împreună, relativitatea generală și mecanica cuantică ne-au permis să explicăm aproape toate fenomenele fundamentale observate și au prezis multe fenomene neașteptate care, între timp, au fost verificate.

Și totuși, aceste două teorii se contrazic reciproc în mod fundamental. În secolul care a trecut de la epoca de aur a fizicii am încercat să împăcăm cele două teorii, fără succes. Care sunt, mai exact, aceste conflicte dintre relativitatea generală și mecanica cuantică? Să începem cu rezumatele.

Relativitatea generală este marea teorie a gravitației lui Einstein. În ea, prezența masei și a energiei curbează structura spațiului și a timpului. Prin urmare, și mișcarea obiectelor este afectată. Asta rezultă în fenomenul pe care îl percepem ca gravitație. Relativitatea generală încorporează relativitatea specială care descrie cum percepția noastră a spațiului și a timpului depinde de mișcare. Spre deosebire de ideile anterioare ale lui Isaac Newton în care spațiul și timpul sunt tratate ca fiind separate și universale, relativitatea specială și generală le îmbină într-un spațiu-timp combinat, variabil.

În timp ce relativitatea generală descrie universul la scară mare, mecanica cuantică se ocupă de lumea subatomică. Ea descrie particulele ca fiind unde de probabilități infinite ale căror proprietăți observate sunt intrinsec incerte. Experiența noastră a universului pare să fie scoasă din acest peisaj de posibilități într-un mod straniu, dar matematic previzibil. Această matematică a început cu ecuația lui Schrodinger, care urmărește aceste unde de probabilități prin spațiu și timp. Dar ecuația lui Schrodinger tratează spațiul și timpul ca fiind fundamental separate, în modul newtonian. Deci, în mod clar, există o problemă. În zilele noastre, teoriile moderne ale câmpurilor cuantice încorporează pe deplin îmbinarea spațiului și a timpului prezisă de relativitatea specială, dar tot nu încorporează direct curbarea spațiu-timpului prezisă de relativitatea generală. Acest lucru provoacă probleme, unele simple și rezolvabile, altele catastrofale.

Începând cu cele simple, avem paradoxul informației din gaura neagră. Găurile negre ale relativității generale pure pot înghiți informația într-un mod care o poate elimina complet din univers, în special atunci când acele găuri negre se evaporă prin radiația Hawking. Acesta reprezintă un conflict cu teoria cuantică, care ne spune că informația cuantică nu poate fi distrusă. Totuși, radiația Hawking este o parte din soluția paradoxului informației. În urma lucrărilor lui Hawking, Jacom Bekenstein, Gerard't Hooft și alții, a devenit clar că informația înghițită de găurile negre poate fi radiată înapoi în univers prin intermediul radiației Hawking. Într-un fel, sursa și soluția paradoxului informației au provenit de la descoperirea radiației Hawking. Hawking, de fapt, a derivat soluția prin găsirea unei modalități de a uni relativitatea și teoria câmpurilor cuantice, dar acea unire a fost aproximativă și incompletă. Într-adevăr, a fost o scurtătură genială. De fapt, este foarte posibil să înghesuim geometria curbată a relativității generale în modul în care teoria câmpurilor cuantice se ocupă de spațiu și de timp, dar această abordare eșuează complet când dăm de efecte gravitaționale puternice la scări mici, cum ar fi în singularitatea unei găuri negre sau în timpul Big Bangului. Pentru acestea, este nevoie de o adevărată teorie cuantică a gravitației.

Dar chiar și gândirea la structura spațiu-timpului curbat la scări mici conduce la nebunie și conflicte catastrofale. Vom discuta despre ele în două feluri - mai întâi, foarte conceptual, iar apoi puțin mai tehnic. Să începem prin a ne gândi la ce înseamnă să definim o poziție într-un câmp gravitațional cu precizie perfectă, cu alte cuvinte, ce înseamnă să vorbim despre bucăți foarte mici din structura spațiului. Pentru a măsura o locație în spațiu - de exemplu, locația unei particule - trebuie să interacționăm cu aceasta. În mod normal, am face asta lovind obiectul cu un foton sau o altă particulă. Cu cât vrem să măsurăm poziția mai exact, cu atât trebuie să mărim energia interacțiunii. De aceea folosim microscoape electronice, raze X sau chiar raze gama pentru a vedea lucruri foarte mici. Deci, să spunem că lovim o particulă cu un fascicul de la un accelerator de particule pentru a-i detecta locația cu o precizie extrem de mare. Principiul de incertitudine al lui Heisenberg ne indică energia minimă a fasciculului pentru a măsura cu o anumită precizie. După calcule, aflăm că pentru a măsura o poziție cu o acuratețe mai bună decât o lungime Planck (în jur de 10-35 metri), cantitatea de energie care ar trebui pusă în acea regiune ar crea o mică gaură neagră cu un orizont al evenimentelor de o lungime Planck în diametru. Dacă încercăm să măsurăm și mai precis, avem nevoie de mai multă energie, ceea ce va rezulta într-o gaură neagră mai mare. Deci, relativitatea generală plus principiul lui Heisenberg spun că este imposibil să măsurăm o lungime mai mică decât lungimea Planck.

Principiul incertitudinii vorbește despre compromisul dintre poziție și impuls, dar un impuls mare înseamnă, prin urmare, o energie mare. Principiul incertitudinii definește, de asemenea, compromisul dintre timp și energie. Deci același argument poate fi folosit pentru a sugera o fragmentare a timpului. Dacă încercăm să măsurăm o perioadă mai scurtă decât 10-43 secunde, timpul Planck, boom! - avem o gaură neagră. Totuși, aceste găuri negre nu apar cu adevărat. Mai degrabă, ele sunt o absurditate care ne spune că ceva ne lipsește în descrierea fie a teoriei cuantice, fie a relativității generale sau poate a amândurora, la scări mici.

Acum, să ne uităm la adevăratul conflict. Teoriile cuantice standard tratează structura spațiu-timpului ca fiind scena pe care toate fenomenele cuantice ciudate se desfășoară. Având în vedere această structură fundamentală sensibilă, aplicarea principiilor cuantice sau cuantificarea majorității forțelor naturii este destul de normală. De exemplu, electromagnetismul clasic devine electrodinamica cuantică atunci când câmpul de electroni și câmpul electromagnetic sunt cuantificate. În matematica ce rezultă din asta, noile câmpuri cuantice încă se află pe suprafața netedă, continuă a spațiu-timpului. Dar dacă vrem să cuantificăm gravitația? Câmpul gravitațional nu se află în spațiu-timp, el este spațiu-timpul. Pentru a cuantifica gravitația, ar trebui să cuantificăm spațiu-timpul în sine. Asta nu ne-ar lăsa cu niciun sistem de coordonate clar pe care să ne bazăm teoria. Sună enervant și este, de fapt, un dezastru. Asta duce la multe probleme, dar ne vom concentra asupra celeia care prezice în mod greșit găurile negre despre care am vorbit mai sus.

În relativitatea generală, prezența masei sau a energiei curbează câmpul gravitațional fără excepție. Orice cantitate de energie trebuie să curbeze spațiu-timpul, altfel am putea avea mașini de mișcare perpetuă, de exemplu, utilizând efectul Casimir. În gravitația cuantică, gravitația în sine devine o excitație în spațiu-timpul nostru cuantificat. Energia acelor excitații ar crea mai multă curbare a spațiu-timpul care ar deveni mai multe excitații. Cu alte cuvinte, gravitația ar produce și mai multă gravitație, ad infinitum. Acest tip de auto-interacțiune sau de auto-energie se găsește și în alte teorii ale câmpurilor cuantice și este greu de rezolvat, chiar și acolo. De exemplu, în electrodinamica cuantică, electronul interacționează cu el însuși datorită sarcinii sale electrice care interacționează cu câmpul electromagnetic care îl înconjoară. În electrodinamica cuantică, această problemă este rezolvată folosind teoria perturbațiilor. Este o metodă pentru a calcula o interacțiune complexă, cum ar fi câmpul electromagnetic fluctuant din jurul electronului, cu o serie de corecții către o interacțiune simplă, bine înțeleasă, cum ar fi electronul într-un câmp electromagnetic liniștit.

Teoria perturbațiilor este aplicată în toate teoriile câmpurilor cuantice din modelul standard. Ea funcționează pentru că, în primul rând, aceste corecții sunt mici, iar, în al doilea rând, chiar și în cazul în care aceste corecții par să fie mari sau chiar infinite, ele pot fi constrânse. Ele pot fi readuse în realitate prin măsurători fizice, reale ale câtorva numere simple, într-un proces numit renormalizare. De exemplu, măsurarea masei și sarcinii unui electron renormalizează electrodinamica cuantică pentru a ne permite calcularea incredibil de precisă a auto-energiei electronului. Asta nu funcționează, totuși, când încercăm să cuantificăm relativitatea generală. Când avem efecte gravitaționale puternice la scară cuantică, corecțiile auto-energiei tind spre infinit, dar, spre deosebire de celelalte teorii ale câmpurilor cuantice, nu există măsurători simple care pot fi făcute pentru a renormaliza corecțiile. De fapt, ne-ar trebui un număr infinit de măsurători pentru a face acest lucru. Un spațiu-timp cuantificat nu este renormalizabil. Această non-renormalizabilitate a relativității generale cuantificate este legată de ideea că particulele localizate precis creează găuri negre. Spațiul și timpul pur și simplu nu se pot comporta într-o manieră cunoscută sub scara Planck. Astfel, cea mai simplă abordare a cuantificării gravitației și a spațiu-timpului este greșită.

Generații de fizicieni, începând cu Einstein, și-au petrecut viața încercând să repare acest lucru, să unifice mecanica cuantică și relativitatea generală și încă încearcă. Chiar dacă nu avem o rezoluție acceptabilă, lupta nu a fost fără progrese. Există două abordări în momentul acesta. Prima este căutarea unei căi de cuantificare a relativității generale, într-un mod care ocolește infinitățiile și non-renormalizabilitatea. Exemplul principal al acesteia este gravitația cuantică de buclă. A doua abordare este presupunerea că relativitatea generală și, în sine, structura variabilă a spațiu-timpului sunt fenomene emergente ale unei teorii cuantice mai profunde decât teoriile acceptate în prezent. Asta este ce teoria corzilor cuantice încearcă să facă.

Traducere şi adaptare după videoclip de Vladimir Lazăr