Είναι άραγε ακριβής η Θεωρία της Σχετικότητας ή θα έπρεπε να προχωρήσουμε σε αναθεώρησή της; Το ερώτημα αυτό, που απασχολεί τους θεωρητικούς φυσικούς εδώ και χρόνια, ήρθε πάλι φέτος στο προσκήνιο, μετά την παρατήρηση ότι τα φωτόνια μιας αναλαμπής ακτίνων-γ, που συνέβη σε έναν μακρινό γαλαξία, δεν έφθασαν όλα την ίδια χρονική στιγμή. Μία από τις πιθανές ερμηνείες αυτού του φαινομένου είναι ότι η ταχύτητα του φωτός εξαρτάται από τη συχνότητά του (δηλαδή, για το ορατό φως, από το χρώμα του), φαινόμενο που έρχεται σε ευθεία αντίθεση με το σημαντικότερο αξίωμα της Θεωρίας της Σχετικότητας, το οποίο ορίζει ότι όλα τα φωτόνια, ανεξαρτήτως συχνότητας, διαδίδονται με την ίδια ταχύτητα.
Η ποθούμενη Κβαντική Βαρύτητα
Από τις αρχές του 20ού αιώνα, οπότε ο Αϊνστάιν εισήγαγε την ιδέα της Σχετικότητας στη Φυσική, η θεωρία του αποτέλεσε το αντικείμενο επανειλημμένων πειραμάτων με στόχο τον έλεγχό της. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων ως σήμερα συμφωνούσαν με τις προβλέψεις της θεωρίας, οι θεωρητικοί φυσικοί όμως εδώ και πολλά χρόνια προσπαθούν να τη συμπληρώσουν ή να την αντικαταστήσουν με μια γενικότερη θεωρία, ειδικά μάλιστα αφότου έγινε κατανοητό ότι η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, που αποτελεί τη σύγχρονη θεωρία της βαρύτητας και τον πρώτο πυλώνα της νεώτερης Φυσικής, δεν είναι συμβατή με τη Κβαντομηχανική, που αποτελεί τον δεύτερο.
Ετσι, τα τελευταία χρόνια πολλοί φυσικοί προσπαθούν να συνδυάσουν τους δύο αυτούς πυλώνες σε κάτι καινούργιο, που ονομάζεται Κβαντική Βαρύτητα. Ως σήμερα έχουν προταθεί πολλές θεωρίες Κβαντικής Βαρύτητας, καμιά όμως δεν έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά, κυρίως επειδή προβλέπουν φαινόμενα που δεν είναι δυνατό να παρατηρηθούν στη Γη, εξαιτίας των τεράστιων ενεργειών που απαιτούνται για την εμφάνισή τους. Προς το παρόν, λοιπόν, ο πειραματικός έλεγχος αυτών των θεωριών περιορίζεται στις παρατηρήσεις αστρονομικών αντικειμένων που εκπέμπουν ασύλληπτα ποσά ενέργειας, όπως είναι οι πυρήνες γαλαξιών που περιέχουν μελανές οπές.
Πριν από δυόμισι περίπου χρόνια το τηλεσκόπιο MAGIC, το όνομα του οποίου είναι αρκτικόλεξο του πλήρους τίτλου «Μεγάλο τηλεσκόπιο απεικόνισης ακτίνων-γ μέσω της ακτινοβολίας Τσερένκοβ», είχε μια μεγάλη επιτυχία. Παρατήρησε μια ασυνήθιστη αναλαμπή ακτίνων-γ από τον πυρήνα του Μαρκάριαν 501, ενός γαλαξία που βρίσκεται σε απόσταση 300 εκατομμυρίων ετών φωτός και έχει στον πυρήνα του μια μελανή οπή. Το ασυνήθιστο στοιχείο της αναλαμπής ήταν ότι τα φωτόνια των ακτίνων-γ με χαμηλή ενέργεια έφθασαν στη Γη τέσσερα λεπτά νωρίτερα από τα φωτόνια με υψηλή ενέργεια.
Επειδή η ενέργεια ενός φωτονίου είναι ανάλογη της συχνότητάς του, η παρατήρηση αυτή μπορεί να ερμηνευθεί με δύο τρόπους. Ο πρώτος είναι ότι από τον πυρήνα του γαλαξία εκπέμφθηκαν πρώτα τα φωτόνια με χαμηλή συχνότητα και στη συνέχεια αυτά με υψηλή, και ο δεύτερος ότι τα τελευταία «καθυστέρησαν» στον δρόμο, επειδή οι υψηλές συχνότητες διαδίδονται με χαμηλότερη ταχύτητα από ό,τι οι χαμηλές. Η δεύτερη ερμηνεία έρχεται σε ευθεία αντίθεση με τη Θεωρία της Σχετικότητας, η οποία στηρίζεται στο αξίωμα ότι το φως έχει την ίδια πάντα ταχύτητα, 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, ανεξάρτητα από τη συχνότητά του. Η εξάρτηση της ταχύτητας των φωτονίων από τη συχνότητα προβλέπεται από τις θεωρίες της Κβαντικής Βαρύτητας, οπότε οι θεωρίες αυτές βρέθηκαν στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος του ευρύτερου κοινού και όχι μόνο των περισσότερο ειδικών επιστημόνων, όπως συνέβαινε ως σήμερα. Εχει άραγε φτάσει το τέλος της Θεωρίας της Σχετικότητας του Αϊνστάιν; Και αν ναι, ποια θεωρία θα πρέπει να υιοθετήσουμε στη θέση της;
Τρίζει η Θεωρία της Σχετικότητας;
Η κατάρριψη μιας θεωρίας και η αντικατάστασή της από μια νεότερη δεν είναι απλή υπόθεση. Για να εγκαταλείψουμε μια θεωρία που μας έχει «υπηρετήσει πιστά» για 100 χρόνια θα πρέπει να έχουμε στα χέρια μας αδιάσειστες αποδείξεις για την αδυναμία της να ερμηνεύσει πειραματικά αποτελέσματα. Η δημοσίευση των πρόσφατων αποτελεσμάτων της ομάδας του τηλεσκοπίου MAGIC σίγουρα προκάλεσε αίσθηση στη διεθνή επιστημονική κοινότητα, αλλά η κρατούσα άποψη είναι ότι, προς το παρόν, η παρατήρηση αυτή δεν μπορεί να θεωρηθεί ως αδιάσειστη απόδειξη της παραβίασης της Θεωρίας της Σχετικότητας.
Ο λόγος είναι ότι η «καθυστέρηση» των φωτονίων υψηλών συχνοτήτων είναι δυνατό να οφείλεται στον μηχανισμό εκπομπής στο εσωτερικό του γαλαξία, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, και όχι στη διάδοσή τους στον μεασογαλαξιακό χώρο, από τον Μαρκάριαν 501 ως τη Γη. Για παράδειγμα, είναι δυνατόν τα χαμηλής ενέργειας φωτόνια να εκπέμφθηκαν από την «ψυχρή επιφάνεια» του γαλαξιακού πυρήνα και τα υψηλής ενέργειας από το «θερμό κέντρο» του, οπότε τα τελευταία ακολούθησαν «τεθλασμένη» πορεία, λόγω συγκρούσεων με ατομικούς πυρήνες, και έτσι διένυσαν μεγαλύτερη διαδρομή. Αλλωστε, αν τα χαμηλής ενέργειας φωτόνια διαδίδονται με μεγαλύτερες ταχύτητες από ό,τι τα υψηλής, τότε «καθυστερήσεις» του είδους που παρατηρήθηκαν πρόσφατα θα έπρεπε να εμφανίζονται συστηματικά σε αναλαμπές ακτίνων-γ και από άλλους μακρινούς γαλαξίες. Επειδή μέχρι στιγμής έχουμε μία μόνο παρατήρηση αυτού του είδους, θα πρέπει να περιμένουμε για περισσότερα πειραματικά δεδομένα, προτού «αναγγείλουμε επίσημα» τον θάνατο της Θεωρίας της Σχετικότητας.
Ποια θεωρία Κβαντικής Βαρύτητας;
Αν τελικά οι παρατηρήσεις επιβεβαιώσουν τη διαφοροποίηση της ταχύτητας των φωτονίων με τη συχνότητα, τότε θα πρέπει να ασχοληθούμε με το ποια από όλες τις θεωρίες κβαντικής βαρύτητας είναι η σωστή. Οι θεωρίες αυτές είναι δυνατόν να καταταγούν, γενικά, σε δύο κατηγορίες: σε αυτές που προϋποθέτουν το «σπάσιμο» της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας, όπως είναι οι θεωρίες χορδών (string theories), και σε αυτές που προβλέπουν την «παραμόρφωση» της θεωρίας αυτής, όπως η Διπλή Ειδική Θεωρία Σχετικότητας. Επειδή, πέρα από τη μη σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός, καθεμιά από αυτές προβλέπει και άλλα, διαφορετικά φαινόμενα, σίγουρα θα γίνει δυνατό στο μέλλον να αποφασίσουμε ποια από όλες τις θεωρίες συμφωνεί με τις παρατηρήσεις. Οι φυσικοί σήμερα περιμένουν με ανυπομονησία να δουν αν οι αρχές του 21ου αιώνα θα φέρουν μια επανάσταση στην επιστήμη τους, ανάλογη με αυτήν που έφεραν η Θεωρία της Σχετικότητας και η Κβαντομηχανική στις αρχές του 20ού αιώνα.
Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.
