Μία εκδοχή της θεωρίας της κβαντικής βαρύτητας – η ενοποίηση της κβαντικής μηχανικής με τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν – μπορεί να βοηθήσει έτσι ώστε να λυθεί ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα της Κοσμολογίας, σύμφωνα με νέα έρευνα.
Εδώ και σχεδόν έναν αιώνα, οι επιστήμονες γνωρίζουν πως το Σύμπαν διαστέλλεται. Αλλά τις τελευταίες δεκαετίες, οι φυσικοί διαπίστωσαν ότι διαφορετικοί τύποι μετρήσεων του ρυθμού διαστολής – που ονομάζεται παράμετρος Hubble – παράγουν αινιγματικές ασυνέπειες.
Για να επιλυθεί αυτό το παράδοξο, μια νέα μελέτη προτείνει την ενσωμάτωση κβαντικών φαινομένων σε μια εξέχουσα θεωρία που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του ρυθμού διαστολής.
Ο P.K. Suresh, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Χιντεραμπάντ στην Ινδία και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης δήλωσε: «Προσπαθήσαμε να λύσουμε και να εξηγήσουμε τις διαφορές μεταξύ των τιμών της παραμέτρου του Hubble με βάση δύο διαφορετικούς τύπους παρατήρησης”
Η διαστολή του σύμπαντος
Η διαστολή του σύμπαντος αναγνωρίστηκε για πρώτη φορά από τον Έντουιν Χαμπλ το 1929. Οι παρατηρήσεις του με το μεγαλύτερο τηλεσκόπιο εκείνης της εποχής αποκάλυψαν ότι οι γαλαξίες που βρίσκονται πιο μακριά μας φαίνεται να απομακρύνονται με μεγαλύτερες ταχύτητες.
Παρόλο που ο Χαμπλ αρχικά υπερεκτίμησε τον ρυθμό διαστολής, μετέπειτα μετρήσεις βελτίωσαν την κατανόησή μας, καθιστώντας την παράμετρο Χαμπλ εξαιρετικά αξιόπιστη.
Αργότερα, κατά τον 20ο αιώνα, οι αστροφυσικοί εισήγαγαν μια νέα τεχνική για να μετρήσουν τον ρυθμό διαστολής του Σύμπαντος, μελετώντας την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, δηλαδή τα διάχυτα “υπολείμματα” της Μεγάλης Έκρηξης.
Το πρόβλημα
Ωστόσο, προέκυψε ένα σοβαρό πρόβλημα με αυτούς τους δύο τύπους μετρήσεων. Συγκεκριμένα, η νεότερη μέθοδος παρήγαγε μία τιμή για την παράμετρο Hubble η οποία ήταν σχεδόν 10% χαμηλότερη από εκείνη που προέκυψε από τις αστρονομικές παρατηρήσεις απομακρυσμένων κοσμικών αντικειμένων. Τέτοιες αποκλίσεις μεταξύ διαφορετικών μετρήσεων, που ονομάζονται «Hubble tension», υποδηλώνουν πιθανά κενά στην κατανόησή μας για την εξέλιξη του σύμπαντος.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Classical and Quantum Gravity, ο Suresh και η συνάδελφός του από το Πανεπιστήμιο της Χιντεραμπάντ, B. Anupama, πρότειναν μια λύση για να ευθυγραμμιστούν αυτά τα διαφορετικά αποτελέσματα.
Σημείωσαν πως οι φυσικοί συμπεραίνουν έμμεσα την παράμετρο Χαμπλ, χρησιμοποιώντας το μοντέλο εξέλιξης του σύμπαντός μας που βασίζεται στη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν.
Η ομάδα πρότεινε την αναθεώρηση αυτής της θεωρίας για να συμπεριλάβει κβαντικές επιδράσεις. Αυτά τα φαινόμενα, εγγενή στις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις, περιλαμβάνουν τυχαίες διακυμάνσεις πεδίου και τον αυθόρμητο σχηματισμό σωματιδίων από το κενό του διαστήματος.
Παρά την ικανότητα των επιστημόνων να ενσωματώσουν κβαντικά φαινόμενα σε θεωρίες άλλων πεδίων, η κβαντική βαρύτητα παραμένει δυσνόητη, καθιστώντας τους λεπτομερείς υπολογισμούς εξαιρετικά δύσκολους ή ακόμα και αδύνατους. Και για να γίνουν τα πράγματα χειρότερα, οι πειραματικές μελέτες αυτών των φαινομένων απαιτούν την επίτευξη θερμοκρασιών ή ενέργειες πολύ υψηλότερες από εκείνες που μπορούν να επιτευχθούν σε εργαστήριο.
Αναγνωρίζοντας αυτές τις δυσκολίες, ο Suresh και η Anupama, επικεντρώθηκαν σε ευρύτερες επιδράσεις της κβαντικής βαρύτητας, οι οποίες είναι κοινές σε πολλές θεωρίες.
«Η εξισωση μας δεν χρειάζεται να λαμβάνει υπόψη τα πάντα, αλλά αυτό δεν μας εμποδίζει να δοκιμάσουμε την κβαντική βαρύτητα ή τα αποτελέσματά της πειραματικά», λέει ο Suresh.
Η θεωρητική τους εξερεύνηση αποκάλυψε ότι ο υπολογισμός των κβαντικών επιδράσεων κατά την περιγραφή των βαρυτικών αλληλεπιδράσεων στο αρχικό στάδιο της διαστολής του σύμπαντος, που ονομάζεται κοσμικός πληθωρισμός, θα μπορούσε πράγματι να αλλάξει τις προβλέψεις της θεωρίας σχετικά με τις ιδιότητες της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου στο σήμερα, καθιστώντας τους δύο τύπους μετρήσεων της παραμέτρου Χαμπλ σύμφωνους μεταξύ τους.
Φυσικά, τελικά συμπεράσματα μπορούν να εξαχθούν μόνο όταν δημιουργηθεί μια ολοκληρωμένη θεωρία κβαντικής βαρύτητας, αλλά ακόμη και τα προκαταρκτικά ευρήματα είναι ενθαρρυντικά. Επιπλέον, η σύνδεση μεταξύ της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου και των κβαντικών βαρυτικών επιδράσεων ανοίγει το δρόμο για τη μελέτη αυτών των επιδράσεων πειραματικά στο εγγύς μέλλον, δήλωσε η ομάδα.
Σύμφωνα με τον Suresh: «Η κβαντική βαρύτητα υποτίθεται πως παίζει ρόλο στη δυναμική του πρώιμου σύμπαντος. Έτσι, η επίδρασή της μπορεί να παρατηρηθεί μέσα από μετρήσεις των ιδιοτήτων της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου».
«Μερικές από τις μελλοντικές αποστολές που θα αφιερωθούν στη μελέτη αυτού του ηλεκτρομαγνητικού υποβάθρου είναι πολύ πιθανό να ελέγξουν τη κβαντική βαρύτητα. … Παρέχει μια πολλά υποσχόμενη πρόταση για την επίλυση και την επικύρωση των πληθωριστικών μοντέλων της κοσμολογίας σε συνδυασμό με την κβαντική βαρύτητα.»
Επιπλέον, όπως διατυπώνουν οι συγγραφείς, τα φαινόμενα κβαντικής βαρύτητας στο πρώιμο σύμπαν θα μπορούσαν να έχουν διαμορφώσει τις ιδιότητες των βαρυτικών κυμάτων που εκπέμφθηκαν κατά εκείνη την περίοδο.
Ο εντοπισμός αυτών των κυμάτων μελλοντικά, θα μπορούσε να αποκαλύψει περαιτέρω τα χαρακτηριστικά της κβαντικής βαρύτητας.
«Έχουν παρατηρηθεί βαρυτικά κύματα μόνο από διάφορες πηγές αστροφυσικών, αλλά δεν έχουν ανιχνευθεί ακόμη βαρυτικά κύματα από το πρώιμο σύμπαν», λέει ο Suresh.
«Ελπίζουμε ότι η δουλειά μας θα βοηθήσει στον εντοπισμό του σωστού πληθωριστικού μοντέλου και στην ανίχνευση των πρωταρχικών βαρυτικών κυμάτων με χαρακτηριστικά κβαντικής βαρύτητας.»
