Spațiu-timpul ar putea fi doar un strat al unei realități mai profunde, sugerează un fizician

În Universul einsteinian în care trăim de mai bine de un secol, spațiu-timpul este scena, iar materia — actorii. Teoria generală a relativității spune că planetele, stelele, galaxiile și noi înșine ne mișcăm printr-o arenă cu 4 dimensiuni, în care materia și energia curbează și deformează scena de sub noi.

De aceea, unele dintre imaginile spectaculoase ale Telescopului Spațial James Webb pe care le devorăm online arată galaxii îndepărtate curbate în forme ciudate, asemănătoare cu bananele: galaxiile masive din prim-plan și roiurile de galaxii deformează spațiu-timpul și curbează traiectoria luminii care îl străbate.

Dar scena einsteiniană s-ar putea să nu fie atât de solidă pe cât credeam. Spațiu-timpul ar putea fi legat de un strat mai profund al realității, pe care încă nu îl înțelegem pe deplin — iar dacă e așa, universul ar fi mult mai complex decât ne-am fi așteptat vreodată.

Un fizician de la UCLA (Universitatea din California, Los Angeles) susține că propriile sale calcule indică tocmai această posibilitate.

Relativitatea generală și mecanica cuantică nu sunt încă unificate

Relativitatea generală funcționează spectaculos de bine la scară cosmică. Problemele apar când fizicienii încearcă să o concilieze cu mecanica cuantică, teoria care descrie lumea microscopică cu o precizie la fel de uimitoare.

Pus să se supună regulilor ciudate, probabilistice, ale mecanicii cuantice, spațiu-timpul uniform al lui Albert Einstein se dovedește încăpățânat de incompatibil cu ele. Un secol mai târziu, fizicienii încă încearcă să descopere cum pot fi corecte deopotrivă gravitația și mecanica cuantică — și cum se potrivesc cele două.

Dar poate că această incompatibilitate încearcă să spună ceva mult mai radical: spațiu-timpul s-ar putea să nu fie deloc stratul cel mai fundamental al realității.

Ipoteze despre ce s-ar afla sub spațiu-timp

Unii cercetători își imaginează spațiu-timpul ca fiind generat de structuri cuantice mai profunde. Fizicianul teoretician Mark Van Raamsdonk a explorat posibilitatea ca spațiu-timpul însuși să fie alcătuit din legături cuantice de entanglement, acele conexiuni ciudate care leagă sistemele cuantice. Dacă această legătură e redusă în descrierea sa matematică, regiunile spațiu-timpului încep să se separe unele de altele.

Cercetătorul în științe cognitive Donald Hoffman propune o perspectivă non-tradițională: spațiu-timpul ar semăna mai degrabă cu desktopul unui computer — o interfață utilă, care ascunde o realitate subiacentă construită, conform teoriei sale, din rețele de agenți conștienți.

Iar fizicianul teoretician Nima Arkani-Hamed a oferit probabil cel mai sumbru verdict: „spațiu-timpul este condamnat”.

Ce sugerează calculele despre dimensiuni suplimentare

Mayank Mehta, doctor în fizică, fizician și neuroștiințist la UCLA, consideră că propria sa matematică indică dincolo de cele trei dimensiuni familiare ale spațiului și de cea a timpului. Calculele sale, a spus el, sugerează că fizica Universului nostru ar putea fi încorporată într-un spațiu cu dimensiuni superioare, iar spațiu-timpul pe care îl experimentăm ar fi doar o parte a unei structuri mai mari, invizibile.

Pentru a înțelege cum a ajuns la această posibilitate, e nevoie de o întoarcere la conflictul vechi de un secol dintre relativitate și mecanica cuantică, și la fizicienii care au încercat primii să-l depășească.

De la soluțiile ciudate ale lui Dirac la supersimetrie

Povestea începe în Marea Britanie anilor 1920. Acolo, un tânăr fizician pe nume Paul Dirac încerca să integreze mecanica cuantică în universul relativist al lui Einstein, când matematica a început să se comporte ciudat: au apărut soluții cu energie negativă, aparent imposibile — stări care sugerau că electronii ar putea ocupa energii sub nivelul pe care fizicienii îl considerau cel mai scăzut posibil.

În timp ce Dirac se chinuia să înțeleagă ce ar putea însemna acele soluții, teoria sa a dus la o predicție uimitoare: electronul ar trebui să aibă un omolog oglindă, identic ca masă, dar cu sarcină opusă. În câțiva ani, oamenii de știință l-au descoperit. Antimateria era reală.

Bătăile de cap matematice nu au dispărut însă. În deceniile următoare, fizicieni printre care viitorii laureați ai Premiului Nobel Richard Feynman și Julian Schwinger au dezvoltat metode tot mai puternice de a descrie lumea cuantică.

O strategie deosebit de utilă a fost transpunerea calculelor din spațiu-timpul relativității într-o versiune matematic mai accesibilă, cunoscută sub numele de spațiu euclidian. În cazul particulelor de materie, precum electronii, transpunerea introduce însă propriile complicații: în unele formulări, obiectele matematice folosite pentru a descrie aceste particule trebuie dublate. Conform relatării lui Mehta, fizicienii reușeau să facă socotelile să iasă, dar tratau elementele suplimentare ca pe niște instrumente matematice, nu ca pe particule reale.

În anii 1970 a apărut supersimetria, o idee îndrăzneață care propune că fiecare particulă cunoscută are o contrapartidă ascunsă, un „superpartener”. Niciuna nu a fost găsită vreodată, dar dacă acești parteneri ipotetici sunt introduși în ecuații, unele efecte cuantice problematice se anulează reciproc, în mod armonios.

În jurul anului 1990, supersimetria a devenit subiectul cercetării de doctorat a lui Mehta, la Institutul Indian de Știință din Bangalore.

Problema identificată între fermionii euclidieni și supersimetrie

Analizând încercările anterioare de a descrie în spațiul euclidian fermionii — micile elemente constitutive ale materiei, printre care și binecunoscutul electron — și matematica ulterioară a supersimetriei, Mehta a identificat ceea ce a considerat a fi o problemă.

„Aceste două lumi nu au comunicat niciodată între ele”, a spus el, referindu-se la fermionii euclidieni și la supersimetrie. Mai precis, a explicat Mehta, fermionii suplimentari introduși în tratarea matematică anterioară au creat o problemă atunci când au fost integrați în supersimetrie.

Pentru a remedia acest lucru, Mehta a dezvoltat un cadru care a înlocuit ceea ce el consideră a fi „bandă adezivă” matematică a tratării anterioare cu o descriere matematică riguroasă a fermionilor euclidieni.

Mai radical, Mehta susține că elementele suplimentare care apar în matematică nu sunt doar instrumente de calcul: ele reprezintă un alt set de particule și antiparticule, care ar trebui să existe în realitate.

Un „Univers cvadruplu”, din care s-ar vedea doar un sfert

Luate în serios, aceste particule suplimentare ar însemna că universul conține mult mai mult decât materia și antimateria cu care suntem familiarizați. Matematica lui Mehta indică ceea ce el numește un „Univers cvadruplu”: materia și antimateria ar fi însoțite de un al doilea set, încă nedetectat, de materie și antimaterie.

„Materia pe care o vedem reprezintă doar 1/4. Trei sferturi din materie lipsesc, ascunse în aceste fermioane suplimentare, conform teoriei mele.”, a spus Mehta.

Dacă matematica lui prezice toată această materie suplimentară, rămâne de explicat unde se află ea.

Aici, povestea atinge un alt mister cosmic. Astronomii știu deja că materia obișnuită, pe care o putem vedea, reprezintă doar o mică fracțiune din cosmos: 5%, față de aproximativ 27% materie întunecată și 68% energie întunecată.

Mehta investighează acum dacă fermionii suplimentari preziși de calculele sale ar putea avea vreo legătură cu materia întunecată. Nu a finalizat însă aceste calcule, iar legătura rămâne o ipoteză.

De la concedierea din doctorat la publicarea în Physical Review Letters

Este o idee îndrăzneață. Atât de îndrăzneață încât, a povestit Mehta, atunci când și-a dezvoltat pentru prima dată teoria fermionilor euclidieni, ca student la doctorat, îndrumătorul său de teză a fost atât de consternat încât l-a concediat și i-a spus decanului universității că Mehta „și-a pierdut mințile” și „ar trebui internat într-un spital de psihiatrie”.

Teoria matematică a ajuns totuși să fie publicată. În 1990, Mehta a publicat în jurnalul științific Physical Review Letters un articol în care propunea o modalitate de a transporta fermionul Dirac din spațiu-timpul obișnuit în spațiul euclidian, fără a-i dubla gradele de libertate. Au urmat articole care explorau modul în care această abordare a fermionilor euclidieni interacționa cu supersimetria și cu dimensiunile superioare. Tocmai în aceste lucrări ulterioare au apărut, a spus el, fermionii suplimentari care stau la baza „universului cvadruplu”. Articolul din 1990 nu formula însă ipoteza unui «Univers cvadruplu»: el descria continuarea fermionului Dirac în spațiul euclidian fără dublarea gradelor de libertate.

Reacția unor fizicieni eminenți l-a surprins, a spus Mehta. Un laureat al Premiului Nobel i-a scris și a calificat lucrarea drept „cea mai mare descoperire de la teoria relativității încoace”, și-a amintit el. Mai târziu, a spus tot el, laureatul Premiului Nobel Abdus Salam i-a examinat demonstrația și l-a încurajat să o aprofundeze — dar l-a avertizat că o afirmație atât de extraordinară ar avea dificultăți în a fi acceptată fără sprijinul unor personalități consacrate.

Legătura dintre particulele lipsă și scena lui Einstein

Chiar dacă particulele lipsă ale profesorului de la UCLA există, rămâne o întrebare evidentă: ce legătură au ele cu spațiu-timpul în sine. Teoria lui a adăugat noi actori în univers, dar nu e clar dacă a schimbat cu adevărat scena lui Einstein.

Mehta crede că răspunsul ar putea fi da. Revenind la Dirac: o încercare de a face mecanica cuantică să funcționeze împreună cu relativitatea lui Einstein a sfârșit prin a prezice o formă cu totul nouă de materie — antimateria. Pentru Mehta, acesta e un indiciu că scena și actorii, materia și spațiu-timpul, s-ar putea să nu fie deloc lucruri fundamental separate. Matematica care guvernează una dintre ele, a spus el, continuă să aibă consecințe neașteptate pentru cealaltă.

Un matematician cere mai mult decât un conflict nerezolvat

Nu toată lumea e convinsă însă că există ceva în spatele scenei lui Einstein. Nicola Kistler, doctor în matematică la Universitatea Goethe din Frankfurt, susține că eșecul de un secol de a reconcilia relativitatea cu mecanica cuantică nu demonstrează în sine că spațiu-timpul este emergent — sau condamnat.

„Aș fi extrem, extrem de precaut”, a spus Kistler. Înainte de a renunța la spațiu-timp ca element fundamental, el vrea ceva considerabil mai solid decât un conflict teoretic nerezolvat: „un contraexemplu, o dovadă incontestabilă” — ceva fundamentat pe matematică sau pe experiment.

La urma urmei, un secol poate părea o eternitate în fizică, dar nu neapărat în matematică. Eșecul de a rezolva o problemă, susține Kistler, nu ne spune că premisele acesteia sunt greșite. Poate că relativitatea și mecanica cuantică sunt într-adevăr „clădite […] pe nisip”, după cum spune el. Sau poate că matematica necesară pentru a le reconcilia este pur și simplu extraordinar de dificilă.

Modelul Standard, într-un spațiu cu dimensiuni superioare

Locul spațiu-timpului în toată povestea rămâne, așadar, de stabilit.

Mehta crede că ar putea exista o altă posibilitate. Calculele sale, a spus el, indică dincolo de imaginea familiară în 4 dimensiuni: Modelul Standard — rețeta remarcabil de reușită a fizicii pentru a explica aproape tot ce se întâmplă la cele mai mici scări, cu gravitația ca excepție notabilă — pare să fie „încorporat într-un spațiu cu dimensiuni superioare”.

Dacă e așa, cele trei dimensiuni ale spațiului și cea a timpului cu care suntem obișnuiți ar putea fi doar un strat al unei structuri care se extinde dincolo de dimensiunile pe care le experimentăm în mod obișnuit.

Deocamdată, o teorie fără predicție testabilă

Mehta însuși e sceptic față de afirmațiile care nu pot fi testate în cele din urmă. Matematica frumoasă nu e suficientă pentru a rescrie realitatea.

La aceeași întâlnire, discutând o altă idee speculativă, el a subliniat că, în cele din urmă, o teorie trebuie să facă o predicție pe care oamenii de știință să o poată testa efectiv. Până atunci, a spus el, rămâne „în lumea posibilităților”.

Dacă spațiu-timpul e întreaga scenă sau doar un nivel al unei realități mai vaste, care se extinde dincolo de cele patru dimensiuni în care trăim, rămâne de văzut. Un lucru e însă cert: spațiu-timpul lui Einstein nu este condamnat — încă.

Merită să știe și alții asta?

Votează dacă ți-a plăcut articolul.

DA NU