Képzeljük el, hogy a következõ dolgok találhatók a háztartásunkban: láncfûrész, fakalapács és egy pár bokszkesztyû. Nos, válasszuk ki közülük azt, amelyiknek a segítségével az atomok a leginkább széthasíthatóak lennének!
Ez így persze eléggé nevetségesnek tûnõ feladat, és majdnem úgy hangzik, mintha gyerekek éppen kvantumgravitációt vizsgáló kutatókat játszanának. Olyan kutatókat, akik azt hiszik, hogy a téridõ szövedéke gilisztajáratokból és - a protonoknál százmilliárdszor milliárddal kisebb méretû - apró fekete lyukakból áll. Ám az ezek vizsgálatára szánt eszközök is ugyanilyen szánalmasak, ugyanis a „legjobb" részecskegyorsító segítségével is csak a kívánatosnál milliószor milliárddal nagyobb léptékben lennénk képesek megfigyelni vagy vizsgálni ezeket a jelenségeket.
Sokak szerint a kvantumgravitációt lehetetlen vizsgálni, sõt, akár még csak spekulációkat sem igen érdemes folytatni róla! John Ellis, a genfi európai részecskefizikai központ (CERN) elméleti fizikusa másképpen gondolja. Szerinte a kvantumgravitáció a teremtés elsõ pillanataiban volt a legfontosabb, amikor még fõleg a kvantumingadozások kormányozták a világegyetemet. E pillanatokra vonatkozóan a természet összes kölcsönhatását (erõit) összefogó Minden Elmélete segítségével lehetne csaknem pontosan értelmezni a történeteket. „A Minden Elmélete megalkotásának kezdeményezése a 20. század legnagyobb elméleti fizikai kihívása, amelynek megalkotása, vizsgálata már a 21. századra marad - véli Ellis. - Ha több szempontból reménytelennek tûnik is ma még, gondolkozni azért feltétlenül szabad róla!"
Az elmúlt év kezdetétõl a fizikusok számos kvantumhab-vizsgáló kísérletet javasoltak már. Ezeknek kellene fényt deríteniük a kvantumgravitációra. A felvetõdött számtalan nehézség ellenére, most már nekikezdhetnénk végre az anyagi valóság legalacsonyabb szintjeinek a tanulmányozásához, fõleg olyan területeken, ahol a kvantummechanika és a gravitáció találkozik. A kvantummechanika ugyanis leírja, ahogyan a részecskék egymással kölcsönhatásba kerülnek a természet különbözõ erõinek a hatására. (Vannak, akik itt kivételt tesznek a gravitációval, mások szerint ilyen megkülönböztetésre nincsen szükség.)
De hogyan teszi ezt? A gravitáció eddigi legjobb megfogalmazását, leírását Einstein általános relativitáselmélete szolgáltatja, ami a gravitációt a téridõ görbületével hozza kapcsolatba. Az általános relativitás briliánsan „mûködik" még olyan különleges objektumok esetén is, mint a - már Lagrangeáltal megsejtett - fekete lyukak. „Nos, a problémák sokszor csupán felrémlenek, míg máskor feltornyosulnak - mondja Ellis. - Tudjuk, hogy a fekete lyukakkal kapcsolatos elméletekben következetlenségek vannak; nekünk most elsõsorban arra kell figyelnünk, hogy ezek mikor és hol jelentkeznek a mért adatokban." A legjobb elmélet persze olyan lenne, amibõl mind a kvantumelmélet, mind a relativitáselmélet következne (s ami sokak szerint nem is létezik).
Egyelõre persze azt sem sejtjük, mire volna képes egy efféle elmélet. A fizikusok azon elkeseredett kísérletei, hogy Einstein elképzeléseit házasítsák a kvantummechanikával, már hozott némi eredményt. 1971-ben Jakov Zeldovics orosz fizikus azon sejtésének adott hangot, hogy a fekete lyukak valójában nem teljesen feketék - értve ezen, hogy nem teljesen képtelenek részecskeemisszióra! Pontosabban: kvantummechanikai ingadozások közben hol fotonokat, hol egyéb részecskéket emittálnak. Az elgondolást nagyjából három évvel késõbb fejlesztette tovább és bizonyította be Stephen Hawking. Ezért nevezik ezt az emissziót manapság Hawking-sugárzásnak.
A kvantumgravitáció valamennyi eddigi kezdetleges elmélete elõállt egy-egy általános és ugyanakkor hajmeresztõ elõrejelzéssel: például azzal, hogy a kvantumgravitációra feltételezett görbület erõsen különbözik az általános relativitáselmélet szolgáltatta enyhe görbületektõl. Még 1950 körül jött rá John Wheeler amerikai fizikus arra, amennyiben 10-35 méter léptéknél szemléljük a dolgokat a kvantumfluktuációk eléggé erõsek ahhoz, hogy a világegyetem geometriájával trükkös megoldásokat lehessen játszani. Tér és idõ ilyenkor váltható át „bolyhosságra" illetve „habosságra". Amennyiben olyan méretû ûrhajónk volna, amelyik virtuális fekete lyukakon „haladhatna át", vagy amelyet valamelyik „gilisztajárat" beszippantana, az ide-oda ingázhatna a téridõben.
Ha a „téridõ-tajték" ezen ötlete eléggé bizonytalanul hangzik számunkra, ezzel az érzésünkkel nem vagyunk egyedül. „Ez szerfölött bizonytalan dolog" - állítja Chriss Isham, a londoni Imperial College elméleti fizikusa. Az általános relativitás a téridõrõl szól, a kvantumelmélet pedig a dolgok kvantum-fluktuációiról. Nos, amennyiben kvantumgravitációról beszélünk, úgy nem tekinthetünk el a téridõt kialakító dolgok kvantumfluktuációitól sem.
A kvantumgravitáció egy sokkalta alapvetõbb modelljét ketten is megpróbálták bizonyítani napjainkban, Abhay Ashtekar, a Pennsylvania Állami Egyetem kutatójának elmélete szerint az univerzum elemei közül a tér és az idõ bizony nem alapvetõk! Ehelyett ezek feltételezései szerint mindössze egy matematikai elmélet részei. Ugyanakkor senki se lehet biztos abban, hogy miképpen is vezethet mindez olyan elemekhez, mint a tér, az idõ és a gravitáció.
A másik változat pedig a szupersztring, vagy szuperhúr elmélete, ami tulajdonképpen a korábban már emlegetett Minden Elmélete alapján fogalmazódott meg. E változatban az anyag mint apró hurkok, 10-35 méter hosszúságú „zsinegekbõl font" göbök formájában jelenik meg (amelyek a téridõn át úsznak, sodródnak). Az anyag e húrok speciális rezgéseként jelenik meg, ahogyan a hegedûhúrok bizonyos rezgéseivel azonosíthatók a hangok is. A húr-ötletnek óriási változata létezik, a Minden Elmélete, amit korábban Brooks még „kedvencnek" titulált. Ez az elmélet tulajdonképpen az összes kölcsönhatást (erõt) magában foglalja. Az elmélet egyelõre még gyerekcipõben jár, így nehéz megmondani, hogy a kvantumgravitáció miképpen is jelenik majd meg az univerzumban.
A svájci Neuchâteli Egyetem kutatója Giovanni Amelino-Camelia most elhatározta, hogy nem várja meg, amíg az elméleti fizikusok egyetértése megszületik arról, hogy mi is folyik itt. A múlt évben közölt cikkében azt állítja, hogy a kvantumgravitáció végsõ soron kísérletekkel is megközelíthetõ, vizsgálható. „Tekintsük most a téridõt - okoskodik Amelino- Camelia - buborékokat termelõ és pusztító, „tajtékzó" anyagnak. Az egyes buborékok születési és szétpattanási helyeinek különbségeit nyilván tekinthetjük akár valószínûségi változónak is. Majd nézzük e változó által leírt mennyiség fluktuációját, s máris kizárhatunk bizonyos elméleteket, illetve, közelebb juthatunk ahhoz, hogy milyen is a „valódi" kvantumhab.
Olyan szokásos berendezés, mint a szupernagy teljesítményû részecskegyorsító - amire Amelino-Cameliának is szüksége volt -, jó zsinórmértéknek bizonyult. A Kaliforniai Technológiai Intézetnek (Caltech) van egy efféle berendezése. Interferométerük elõször kettéhasította a lézernyalábot, majd mindegyiküket visszatükröztette egy-egy, egyenként 40 méterre lévõ tükörrel. Ezt követõen a nyalábok interferálnak egymással. Ha a nyalábhoszszak változnak - fluktuálnak -, nyilván az interferenciakép is fluktuál: azaz, a kép „zajos" lesz.
Amelino-Camelia összehasonlította a Caltech berendezésének zajszintjét a különbözõ kvantumgravitációs elméletekbõl várható zajszintekkel. Ez a kísérlet eddig egy lépéssel közelebb vitt a kvantumgravitáció felé. Azok az elméletek, amelyek mind az úgynevezett „torzult Poincarészimmetria" alapján épültek, tulajdonképpen azt állítják, hogy a kvantummechanika eltorzítja a téridõ egyes szimmetriáit - a forgás, a tükrözés és más hasonló transzformációkkal szembeni szimmetriát. Persze az is kiderült, hogy e változások sokkal nagyobb véletlen fluktuációt eredményeznének a Caltech-rendszer zajhatáránál. Emiatt Amelino-Camelia udvariasan azt veti közbe, hogy akkor az õ megközelítése valószínûleg rossz. Ez persze egyáltalában nem jelent „hõstettet", mivel a szóban forgó fluktuációk legfeljebb akkorák, mint egy 1 méteres távolságváltozás a világegyetem átmérõjéhez viszonyítva.
Bomlás és átalakulás
Ellis segített egy másik terv kidolgozásában is a kvantumgravitáció kibontására, amit még 1995-ben vetett fel elsõként. Ez pedig a semleges kaonok csodálatos fizikája, amit a téridõ kvantumfluktuációi befolyásolnak. Arról van szó ugyanis, hogy a kaonok és az antirészecskéik, az antikaonok lebomlanak illetve átalakulnak egymásba, ám ezt e részecskék egy picivel különbözõ sebességgel teszik (lásd a keretezett részt)! Ellis azt gondolja, hogy a kvantumgravitáció - persze csak egy parányi mértékben - befolyásolhatja a bomlást illetve az átalakulást. Ahogyan a gammasugár- kitöréseknél is, az effektus pontos elõrejelzése erõsen meghaladja az ezzel foglalkozó elméleti fizikusok lehetõségeit.
Nos, amíg arra várunk, hogy ezek a kísérletek beérjenek, az interferométerek egy egészen új generációja számos elméletet máris eleve érvénytelenített. Tudniillik, ezeket az új interferométereket mind úgy tervezték, hogy érzékenyek legyenek egy különleges gravitációs jelenségre, a gravitációs hullámokra. Noha a gravitációs hullámoknak tulajdonképpen közvetlenül semmi közük sincs a kvantumgravitációhoz, azért nagy lökést adhatnak az elméletkészítõknek. Amikor ugyanis igen nagy tömegû objektumok - például csillagok - mozdulnak meg hirtelen, akkor - az általános relativitáselmélet értelmében - a téridõben valamilyen gravitációs fodrozódás fut végig az univerzumon. Az asztrofizikusok erõsen remélik a gravitációs hullámok észlelését, amelyeket például szupernóvarobbanások emittálnak, vagy pedig fekete lyukak egymás körüli keringése, vagy akár egymással való ütközése során keletkeznek.
|
A legnagyobb új gravitációshullámdetektorok, (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory-LIGO) napjainkban épülnek Hanfordban (Washington államban) és Livingstone-ban (Louisiana államban) az Amerikai Egyesült Államokban. A két „ változatra" azért van szükség, hogy ki lehessen küszöbölni a szeizmikus hullámok zavaró hatását. Ugyanis, ugyanúgy ahogyan a Caltechinterferométernél, itt is az egyetlen forrásból eredõ lézerfényt kellett két - egymásra merõleges - részre osztani és alkalmas berendezéssel visszatükröztetni a karok végeirõl. Ám a LIGO karjai 4-4 km-esek, továbbá két újabb tükör is helyet foglal a karok érintkezésénél („keresztezésénél"). Ennek az a célja, hogy a fényt többször futtassa oda-vissza a karok mentén az „interferenciáig". Ha gravitációs hullám söpör végig a térrészen, a karok hossza különbözõ mértékben változhat és így megváltoztathatják az interferenciaképet is.
2002-re várható, hogy a LIGO, a világ eddigi legnagyobb precíziós optikai berendezése mûködõképes állapotba kerül. Eza mûszer olyan érzékeny, hogy a résztvevõ hatalmas tömegek ellenére detektálni képes, egészen apró, mindössze 10-18 méteres elmozdulásokat, ami csupán ezred része egy proton átmérõjének! (AVIRGO-nak, a valamivel kisebb méretû, európai interferométernek nagyjából ugyanekkora az érzékenysége.)
Amelino-Camelia szerint a LIGO zajszintje újabb határt jelent a kvantumgravitációs kutatásokban. Mark Coles, a LIGO livingstoni obszervatóriumának vezetõje korántsem ennyire biztos a dologban. „Sajnos, semmi mûködésbeli tapasztalattal sem rendelkezünk, így zajelõrejelzésünk csupán a Caltech interferométere zajszintjének egyszerû extrapolációjának tekintendõ."
Ha még mindez igaz is, létezik egy olyan rendszer, ami még ennél is hatalmasabb, ez a LISA (Laser Interferometer Space Antenna azaz, Lézer Interferométer Ûr Antenna). E berendezés hat, egymástól fizikailag független ûrszerkezetbõl áll majd. Ezek valamennyien párokban helyezkednek el egy egyenlõ oldalú háromszögû alakzat csúcsaiban. A LISA Nap körüli pályán kering majd, millió kilométeres távolságokra terjesztve így ki az interferométert. A tervek szerint a LISA 2015-re készül majd el.
Létezik egy másik interferometrikus megközelítés is a kvantumgravitációs kutatásokhoz. Ez az úgynevezett atom-interferometria. Arról van szó, hogy Ian Percival elméleti fizikus (Mária Királynõ Egyetem, London, Westfield College) úgy gondolja, hogy az atominterferometria - ahol is a lézerfényt atomnyalábokra cseréljük - komoly elõnyökkel bírhat a fluktuációk kutatásában, legalábbis, Percival megfogalmazásában: „a habelemek idõtartományában".
A kvantummechanika szerint az atomoknak hullámszerû természete van, így egy magányos atom akár szét is hasadhat két különbözõ hullámra, amelyek különbözõ utakat járhatnak be. Amikor pedig a két pályán haladó hullám - valamilyen különös véletlen folytán - találkozik egymással, interferál „belsõ óráik" különbözõ járása és a kvantumgravitációs effektusok miatt.
|
Percivalnak sok ötlete van, ám még senki sem tudja, hogy valójában mi is történik. Néhányan úgy gondolják, hogy a kvantumgravitáció kielégítõ elmélete már csak karnyújtásnyira van. „Lehetséges, hogy az aktuális elmélet annyira különbözik minden általunk ismert elmélettõl, mintha csak több száz évre volna tõlünk" - gondolja Ellis. De most, hogy a kísérletek lassan lehetségessé válnak, a dolgok talán új megvilágításba kerülnek. Végül talán az univerzum szerkezetének igazi leírását egyetlen egyre csökkenthetjük. Az alma már lehullott a fáról, már elvált, de még senki sem tudja, hol is ér majd földet.
Összeállította: BÕDY ZOLTÁN
Forrás:Sulinet / Természet Világa
|
|
