Сто години след теорията на относителността

Тази година отбелязваме столетие от общата теория на Алберт Айнщайн, неговата изкусна работа, която изобразява гравитацията като изкривяване на пространството и времето.

И все пак, както се случва в науката, идеите на Айнщайн са снабдили физиците със същото количество въпроси, както и с отговори.

Търсенето на решения, които да удовлетворяват уравненията на Айнщайн – тоест пространство-времето, което описва кривината на нашата Вселена, – е трудна работа и затова неговата теория е развивана доста дълго.

Учените, провеждали ранните изследвания и първите важни тестове, са били принудени да използват само приближения. Били нужни десетилетия за разработването на методи за класификация и получаване на нови решения.

Но днес много решения са известни и други сложни проблеми – като гравитационното поле на две сблъскващи се звезди, може да бъдат изучени с помощта на компютри за изпълнение на изчисленията.

Теорията не само описва нашата Вселена – от Големия взрив до черните дупки, но тя също е научила физиците на актуалността на геометрията и симетрията – уроци, които се разпространяват от физиката на частиците до кристалографията. Но независимо от сходствата, които теорията на Айнщайн има с другите физични теории, тя е уникална със своя отказ да се свърже с квантовата механика – теория, която обяснява доминиращото поведение на веществото в атомните и субатомните изчисления.

Според теорията на Айнщайн гравитацията, за разлика от всички други физични сили, известни на човека, не се квантува. Тя не подлежи на прочутия принцип на неопределеност на Хайзенберг.

Електромагнитното поле на частицата, която преминава през двойния процеп, може да премине през двата процепа едновременно. Нейният гравитационен еквивалент не може. Това несъответствие между нашето разбиране за гравитация и квантовата теория на материята представляват огромна загадка за физиците теоретици, тъй като това води до математически противоречия.

Очевидно, че има елементи в комбинацията на квантовата теория и гравитацията, които остават неизвестни, а нашето разбиране за пространството, времето и материята зависи от разгадаването на тази връзка.

Търсенето на описание на гравитацията, което е съвместимо с нашето разбиране на квантовата физика, би могло да революционира космологията, да доведе до ново разбиране на първите моменти на нашата Вселена и да осигури по-дълбоко разбиране на теорията, на която се основава цялата съвременна физика.

Но независимо от огромния потенциал на въздействие на такъв пробив и усилията на поколения физици в нейното постижение, ние все още не знаем коя теория се явява правилна.

Въпреки начина, по който се чувствате, когато се опитвате да станете леглото сутрин, гравитацията днес се явява най-слабата фундаментална сила от всички, които сме определили.

Тя използва само статичното отблъскване на няколко електрона, за да накара косите ви да запазят форма, преодолявайки гравитационното привличане на цялата планета. В атомния и субатомния свят гравитацията няма значение в сравнение с това, което още се случва в рамките на квантовата теория.

Слабостта на силата на тежестта я прави много трудна за измерване на квантовите ефекти. В резултат ние нямаме никакви експериментални данни, за да помогнем на физиците в развитието на липсващата теория.

За откриването на гравитона – хипотетична частица, съставяща част от гравитационното поле – се изисква колайдер с размерите на Млечния път или детектор с масата на Юпитер.

Тези експерименти толкова не се съотнасят с нашите технологични възможности, че физиците започнали да се съсредоточават в опитите отначало да отстранят математическите противоречия чрез разработването на подходи, такива като теория на струните, примкова квантова гравитация и асимптотично безопасна гравитация. Но за да знаем коя теория описва физическата реалност, в края на краищата ще ни се наложи да разработим експериментални изпитания.

Именно затова през последното десетилетие физиците са започнали да търсят косвени доказателства за квантовата гравитация.

Вместо да се опитват да открият квант на гравитационното поле, изследователите търсят други последствия, които биха означавали, че гравитацията се явява квантова. Тези тестове работят така, както и тези, които използват стабилността на атомите като косвено доказателство за квантуването на електромагнитните сили.

Например някои учени търсят доказателства за флуктуациите на пространство-времето, които могат да размият изображенията на далечни звезди и да доведат до систематични изкривявания.

Други търсят нарушения на определени симетрии, които биха позволили съществуването на забранени разпади на частици, необясним шум в детекторите на гравитационни вълни или необясними загуби на квантова кохерентност.

Досега при такива опити не са откривани доказателства. И все пак те са довели до важни събития, защото отрицателните резултати изключват някои правдоподобни хипотези. И макар изследователите да не могат да намерят резултати, потвърждаващи някоя единна теория, те са придвижили науката към това, което най-добре определят наблюдателните критерии, които всяка квантова теория на гравитацията ще взема под внимание.

Докато ние отбелязваме постижението на Айнщайн, трябва също да се възползваме от възможността да отпразнуваме безмилостния дух на тези, които тласкат науката напред и се опитват да отговорят на въпросите, които неговата теория ни е оставила.

Това търсене е разцъфнало в удивително плодотворни научноизследователски области – такива като космология, численост в общата теория на относителността и квантова гравитация. Общата теория на относителността ни е донесла червееви дупки, изпаряващи се черни дупки и теорията на Големия взрив – тя лежи в основата на откритието, че Вселената се разширява и че т.нар. екзопланети се срещат доста по-често, отколкото някой си е мислил, и тя е дала съвсем ново определение на това, как мислим за нашето собствено място във Вселената, в крайна сметка дори поставяйки под въпрос явява ли се нашата Вселена самотна.

Нито едно от тези постижения не би било възможно, ако изследователите бяха работили в съответствие с тригодишните планове, които характеризират голяма част от сегашната научна общественост.

Затова тази година настъпва точният момент да оценим тези, които са разбирали, че устойчивият прогрес зависи от развитието на нови и добри теории, влиянието на които може да е напълно неосъзнато дори в продължение на много десетилетия… и това може да продължи и след сто години…

Project Syndicate