Czy Einstein się mylił?
Czy Einstein ze wszystkim miał rację?

Czy Einstein się mylił?

Rewolucje są siłą napędowa nauki. W historii fizyki zdarzało się już kilka razy, że uczeni się mylili. Wielokrotnie próbowano udowodnić, że Albert Einstein – jeden z najwybitniejszych umysłów w historii ludzkości – się mylił. Czy tak faktycznie było?

Przez ponad 1000 lat ludzie wierzyli, że to Ziemia jest centrum Układu Słonecznego. Aż pojawił się Kopernik i zasugerował, że system byłby znacznie prostszy, gdyby Ziemia była kolejną planetą krążącą wokół Słońca. Pomimo wielu początkowych sprzeciwów, stary geocentryczny obraz świata ostatecznie upadł pod ciężarem dowodów.

Newton wyjaśnił, że to grawitacja jest powodem, dla którego planety krążą wokół Słońca. Stwierdził, że wszystkie obiekty obdarzone masą przyciągają się wzajemnie. Zgodnie z jego poglądami krążymy wokół Słońca, ponieważ ono nas przyciąga, a Księżyc krąży wokół Ziemi, ponieważ my przyciągamy go do niej. Newton rządził przez dwa i pół wieku, zanim Albert Einstein w 1916 r. opublikował ogólną teorię względności. Wyjaśniała ona niespójności w orbicie Merkurego i została potwierdzona przez obserwacje zaćmienia Słońca u wybrzeży Afryki w 1919 roku.

Zamiast przyciągania, Einstein postrzegał grawitację jako wynik zakrzywienia przestrzeni. Powiedział, że wszystkie obiekty we Wszechświecie znajdują się w gładkiej, czterowymiarowej tkaninie zwanej czasoprzestrzenią. Masywne obiekty, takie jak Słońce, zakrzywiają czasoprzestrzeń wokół siebie, a więc orbita Ziemi jest po prostu wynikiem podążania naszej planety za tą krzywizną. Dla nas wygląda to jak newtonowskie przyciąganie grawitacyjne. Ten obraz czasoprzestrzeni panuje na tronie od ponad 100 lat i jak dotąd pokonał wszystkich pretendentów korony. Odkrycie fal grawitacyjnych w 2015 roku było decydującym zwycięstwem, ale podobnie jak jego poprzednicy, również on może wkrótce upaść. A to dlatego, że jest ona fundamentalnie niezgodna z inną wielką bestią fizyki: teorią kwantową.

Inny świat, inne prawa

Wymiar kwantowy jest co najmniej dziwny. Pojedyncza cząstka może znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie (zasada superpozycji). Zanim zaczniemy ją obserwować, możemy jedynie przypisać prawdopodobieństwo jej wystąpienia w danym miejscu. Kiedy obserwacja się zaczyna „zmuszamy ją do wyboru”. W latach trzydziestych Erwin Schrödinger wymyślił słynny sposób na pokazanie, jak przewrotna jest ta idea. Wyobraził sobie kota w zapieczętowanym pudełku, któremu towarzyszy fiolka z trucizną przymocowana do młotka. Młotek jest podłączony do urządzenia, które mierzy stan kwantowy cząstki. To, czy młotek rozbije fiolkę i zabije kota, zależy od tego pomiaru, ale fizyka kwantowa mówi, że dopóki taki pomiar nie zostanie dokonany, cząstka znajduje się jednocześnie w obu stanach, co oznacza, że fiolka jest zarówno rozbita, jak i nietłukąca, a kot żywy i martwy.

Świat kwantów nie jest łatwo objąć rozumem

Takiego obrazu nie da się pogodzić z gładką, ciągłą tkaniną czasoprzestrzeni.

Pole grawitacyjne nie może znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie. Według Einsteina, czasoprzestrzeń jest wypaczona przez materię i energię, ale fizyka kwantowa mówi, że materia i energia istnieją w wielu stanach jednocześnie – mogą być zarówno tutaj, jak i tam. Więc gdzie jest pole grawitacyjne? Nikt nie ma odpowiedzi na to pytanie. To trochę żenujące.

Sabine Hossenfelder, fizyk teoretyczny z Frankfurt Institute for Advanced Studies

Naukowcy próbują użyć ogólnej teorii względności i teorii kwantowej razem, ale to nie działa.

Powyżej pewnej energii, otrzymujemy prawdopodobieństwa większe niż jeden. Jeden jest największym możliwym prawdopodobieństwem – oznacza, że wynik jest pewny. Nie można być bardziej pewnym niż pewnym. Tak samo obliczenia czasami dają odpowiedź nieskończoność, która nie ma prawdziwego fizycznego znaczenia. Te dwie teorie są zatem matematycznie niespójne. Naukowcy szukają więc rozwiązania, które połączyłoby obie teorie. Mowa o kwantowej grawitacji – ostatecznym dyplomatycznym posunięciu, mające na cel skłonienie dwóch rywali do podzielenia się tronem. W związku z tym teoretycy zwrócili się ku niektórym dziwacznym możliwościom.

Struny i pętle

Prawdopodobnie najsłynniejszą z nich jest teoria strun. Zakłada ona, że cząstki subatomowe, takie jak elektrony i kwarki, są zbudowane z maleńkich drgających strun. Tak jak można grać strunami na instrumencie muzycznym, aby uzyskać różne nuty, tak teoretycy teorii strun twierdzą, że różne kombinacje strun tworzą różne cząstki.

Atrakcyjność tej teorii polega na tym, że może ona pogodzić ogólną teorię względności i fizykę kwantową, przynajmniej na papierze. Jednak, aby wyciągnąć tego królika z kapelusza, struny muszą wibrować w jedenastu wymiarach – o siedem więcej niż cztery wymiary czasoprzestrzeni Einsteina.

Jak dotąd nie ma żadnych eksperymentalnych dowodów na to, że te dodatkowe wymiary naprawdę istnieją.

To może być interesująca matematyka, ale czy opisuje ona czasoprzestrzeń, w której żyjemy, tego nie wiemy, dopóki nie przeprowadzimy eksperymentu.

Jorma Louko z Uniwersytetu w Nottingham

Po części zainspirowani niedoskonałościami teorii strun, fizycy zwrócili się ku alternatywie zwanej Pętlową Kwantową Grawitacją (Loop Quantum Gravity – LQG). Łączy ona elementy grawitacji z fizyką kwantową, jeżeli wyeliminujemy jedno z głównych założeń ogólnej teorii względności – fakt, że czasoprzestrzeń jest gładką, ciągłą tkaniną. Zamiast tego naukowcy twierdzą, że czasoprzestrzeń składa się z serii splecionych pętli. To trochę tak, jak z kawałkiem tkaniny. Na pierwszy rzut oka wygląda jak jednorodna struktura, ale przy dokładniejszym zbadaniu okazuje się, że składa się z sieci szwów. Inną użyteczną analogią może być zdjęcie oglądane na ekranie komputera złożone z tysięcy pikseli.

Fale grawitacyjne to zmarszczki czasoprzestrzeni – dokładnie jak kręgi rozchodzące się po wodzie

Problem polega na tym, że kiedy fizycy LQG mówią małe, mają na myśli naprawdę małe. Te defekty czasoprzestrzeni byłyby widoczne tylko na poziomie skali Plancka – około trylionowej części trylionowej części trylionowej części metra. To jest tak małe, że w centymetrze sześciennym przestrzeni byłoby więcej pętli niż centymetrów sześciennych w całym obserwowalnym Wszechświecie.

Jeśli czasoprzestrzeń różni się tylko w skali Plancka, to byłoby to trudne do sprawdzenia w jakimkolwiek akceleratorze cząstek.

Jorma Louko

Potrzebny byłby akcelerator atomów o mocy 1000 trylionów razy większej niż Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w CERN. Jak zatem można wykryć tak małe defekty czasoprzestrzeni?

Czy Einstein miał rację?

Światło docierające do nas z najdalszych zakątków Wszechświata przebyło po drodze miliardy lat świetlnych czasoprzestrzeni. Podczas gdy efekt każdego z defektów czasoprzestrzennych byłby niewielki, na tych odległościach interakcje z wieloma defektami mogą złożyć się na potencjalnie możliwy do zaobserwowania efekt.

Najsłynniejsze równanie w historii fizyki

Przez ostatnią dekadę astronomowie używali światła z odległych wybuchów promieniowania gamma do poszukiwania dowodów na poparcie LQG. Te kosmiczne błyski są wynikiem zapadania się masywnych gwiazd u schyłku ich życia i jest coś w tych odległych detonacjach, czego obecnie nie potrafimy wyjaśnić. Ich widmo ma systematyczne zniekształcenia, ale nikt nie wie, czy jest to coś, co dzieje się po drodze, czy też jest to coś związanego ze źródłem samych wybuchów.

Wszystkie te rozważania doprowadzają nas do jednego kluczowego wniosku: Einstein albo się mylił, albo nie ze wszystkim miał rację. Fizyka wciąż czeka na rozwiązanie swoich największych tajemnic.

Chcesz być na bieżąco z CHIP? Obserwuj nas w Google News