Μια νέα θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, η οποία επιχειρεί να ενώσει την κβαντική φυσική με τη σχετικότητα του Αϊνστάιν, θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση του παζλ της διαστολής του σύμπαντος, προτείνει μια θεωρητική εργασία.

Μια παραλλαγή στη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας – η ενοποίηση της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν – θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση ενός από τους μεγαλύτερους γρίφους στην κοσμολογία, προτείνει νέα έρευνα.

Για σχεδόν έναν αιώνα, οι επιστήμονες γνώριζαν ότι το σύμπαν διαστέλλεται. Όμως, τις τελευταίες δεκαετίες, οι φυσικοί ανακάλυψαν 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 επιδράσεων σε μια εξέχουσα θεωρία που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του ρυθμού διαστολής.

«Προσπαθήσαμε να επιλύσουμε και να εξηγήσουμε την αναντιστοιχία μεταξύ των τιμών της παραμέτρου Hubble από δύο διαφορετικούς εξέχοντες τύπους παρατηρήσεων», δήλωσε στο Live Science μέσω email ο συν-συγγραφέας της μελέτης PK Suresh, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Hyderabad στην Ινδία.

Ένα πρόβλημα που διευρύνεται

Η διαστολή του σύμπαντος αναγνωρίστηκε για πρώτη φορά από τον Edwin Hubble το 1929. Οι παρατηρήσεις του με το μεγαλύτερο τηλεσκόπιο εκείνης της εποχής αποκάλυψαν ότι οι γαλαξίες που βρίσκονται πιο μακριά από εμάς φαίνεται να απομακρύνονται με μεγαλύτερες ταχύτητες. Αν και το Hubble αρχικά υπερεκτίμησε τον ρυθμό επέκτασης, οι μετέπειτα μετρήσεις βελτίωσαν την κατανόησή μας, καθιερώνοντας την τρέχουσα παράμετρο Hubble ως εξαιρετικά αξιόπιστη.

Αργότερα τον 20ο αιώνα, οι αστροφυσικοί εισήγαγαν μια νέα τεχνική για να μετρήσουν τον ρυθμό διαστολής εξετάζοντας το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, τη διάχυτη «μετά λάμψη» της Μεγάλης Έκρηξης.

Ωστόσο, προέκυψε ένα σοβαρό πρόβλημα με αυτούς τους δύο τύπους μετρήσεων. Συγκεκριμένα, η νεότερη μέθοδος παρήγαγε μια τιμή παραμέτρου Hubble σχεδόν 10% χαμηλότερη από αυτή που προκύπτει από τις αστρονομικές παρατηρήσεις μακρινών κοσμικών αντικειμένων. Τέτοιες αποκλίσεις μεταξύ των διαφορετικών μετρήσεων, που ονομάζονται τάση Hubble, σηματοδοτούν πιθανά ελαττώματα στην κατανόησή μας για την εξέλιξη του σύμπαντος.

Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Classical and Quantum Gravity, ο Suresh και ο συνάδελφός του από το Πανεπιστήμιο του Hyderabad, B. Anupama, πρότειναν μια λύση για την ευθυγράμμιση αυτών των ανόμοιων αποτελεσμάτων. Υπογράμμισαν ότι οι φυσικοί συμπεραίνουν την παράμετρο Hubble έμμεσα, χρησιμοποιώντας το εξελικτικό μοντέλο του σύμπαντος μας που βασίζεται στη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν.

Η ομάδα υποστήριξε την αναθεώρηση αυτής της θεωρίας για να ενσωματώσει τα κβαντικά φαινόμενα. Αυτές οι επιδράσεις, εγγενείς σε θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις, περιλαμβάνουν τυχαίες διακυμάνσεις πεδίου και την αυθόρμητη δημιουργία σωματιδίων από το κενό του χώρου.

Παρά την ικανότητα των επιστημόνων να ενσωματώνουν τα κβαντικά φαινόμενα σε θεωρίες άλλων πεδίων, η κβαντική βαρύτητα παραμένει άπιαστη, καθιστώντας τους λεπτομερείς υπολογισμούς εξαιρετικά δύσκολους ή και αδύνατους. Για να γίνουν τα πράγματα χειρότερα, οι πειραματικές μελέτες αυτών των επιπτώσεων απαιτούν την επίτευξη θερμοκρασιών ή ενεργειών πολλές τάξεις μεγέθους υψηλότερες από αυτές που μπορούν να επιτευχθούν σε ένα εργαστήριο.

Αναγνωρίζοντας αυτές τις προκλήσεις, οι Suresh και Anupama εστίασαν σε ευρείες επιδράσεις κβαντικής βαρύτητας κοινές σε πολλές προτεινόμενες θεωρίες.

«Η εξίσωσή μας δεν χρειάζεται να λαμβάνει υπόψη τα πάντα, αλλά αυτό δεν μας εμποδίζει να δοκιμάσουμε την κβαντική βαρύτητα ή τα αποτελέσματά της πειραματικά», είπε ο Suresh.

Η θεωρητική τους εξερεύνηση αποκάλυψε ότι ο υπολογισμός των κβαντικών επιδράσεων κατά την περιγραφή των βαρυτικών αλληλεπιδράσεων στο πρώιμο στάδιο της διαστολής του σύμπαντος, που ονομάζεται κοσμικός πληθωρισμός, θα μπορούσε πράγματι να αλλάξει τις προβλέψεις της θεωρίας σχετικά με τις ιδιότητες του υποβάθρου μικροκυμάτων επί του παρόντος, δημιουργώντας τους δύο τύπους παραμέτρων Hubble μετρήσεις συνεπείς.

Φυσικά, τα τελικά συμπεράσματα μπορούν να εξαχθούν μόνο όταν είναι γνωστή μια πλήρης θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, αλλά ακόμη και τα προκαταρκτικά ευρήματα είναι ενθαρρυντικά. Επιπλέον, η σύνδεση μεταξύ του κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων και των κβαντικών βαρυτικών φαινομένων ανοίγει το δρόμο για πειραματική μελέτη αυτών των επιπτώσεων στο εγγύς μέλλον, είπε η ομάδα.

«Η κβαντική βαρύτητα υποτίθεται ότι παίζει ρόλο στη δυναμική του πρώιμου σύμπαντος. Έτσι η επίδρασή του μπορεί να παρατηρηθεί μέσω μετρήσεων των ιδιοτήτων του κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων», είπε ο Suresh.

«Ορισμένες από τις μελλοντικές αποστολές που είναι αφιερωμένες στη μελέτη αυτού του ηλεκτρομαγνητικού υποβάθρου είναι πολύ πιθανές και πολλά υποσχόμενες να δοκιμάσουν την 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, οι συγγραφείς υποστηρίζουν ότι τα κβαντικά βαρυτικά φαινόμενα στο πρώιμο σύμπαν μπορεί να έχουν διαμορφώσει τις ιδιότητες των βαρυτικών κυμάτων που εκπέμπονται κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Η ανίχνευση αυτών των κυμάτων με μελλοντικά παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσε να φωτίσει περαιτέρω τα κβαντικά βαρυτικά χαρακτηριστικά.

«Βαρυτικά κύματα από διάφορες αστροφυσικές πηγές έχουν παρατηρηθεί μόνο μέχρι στιγμής, αλλά τα βαρυτικά κύματα από το πρώιμο σύμπαν δεν έχουν ακόμη ανιχνευθεί», είπε ο Suresh. «Ας ελπίσουμε ότι η εργασία μας θα βοηθήσει στον εντοπισμό του σωστού πληθωριστικού μοντέλου και στην ανίχνευση των αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων με χαρακτηριστικά κβαντικής βαρύτητας».