Για δεκαετίες, οι φυσικοί προσπαθούν να δημιουργήσουν ένα μοντέλο κβαντικής βαρύτητας που θα ενοποιήσει την κβαντική βαρύτητα.
Αλλά μερικά από τα μοντέλα προβλέπουν το αποτέλεσμαπου μπορεί να διερευνηθεί στο εργαστήριο: μια ελαφρά παραβίαση μιας θεμελιώδους κβαντικής αρχής γνωστής ως αρχή αποκλεισμού Pauli. Καθορίζει, για παράδειγμα, πώς τα ηλεκτρόνια είναι διατεταγμένα στα άτομα. Αυτό ακριβώς εργάζονται οι εργαζόμενοι του έργου του υπόγειου εργαστηρίου INFN κάτω από τα βουνά Gran Sasso στην Ιταλία. Στόχος τους είναι να αναζητήσουν σημάδια ακτινοβολίας που προκαλούνται από μια τέτοια παραβίαση, με τη μορφή ατομικών μεταπτώσεων που απαγορεύονται από την αρχή Pauli.
Σε δύο εργασίες που δημοσιεύτηκαν στα περιοδικά Physical Review Letters και Physical Review D, οι επιστήμονες περιέγραψαν αν τα κατάφεραν.
Πώς λειτουργεί η αρχή Pauli;
Στα σχολικά μαθήματα χημείας, διδάσκουν ότι τα ηλεκτρόνιαδιατεταγμένα σε άτομα μόνο με συγκεκριμένο τρόπο. Αποδεικνύεται ότι αυτό οφείλεται στην αρχή του αποκλεισμού Pauli. Στο κέντρο ενός ατόμου βρίσκεται ο ατομικός πυρήνας, που περιβάλλεται από τροχιακά με ηλεκτρόνια. Το πρώτο τροχιακό, για παράδειγμα, περιέχει μόνο δύο ηλεκτρόνια.
Διατυπώθηκε η αρχή του αποκλεισμού PauliΟ Αυστριακός φυσικός Wolfang Pauli το 1925 δηλώνει ότι κανένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να έχει την ίδια κβαντική κατάσταση. Έτσι, στο πρώτο τροχιακό ενός ατόμου, δύο ηλεκτρόνια μπορούν να έχουν αντίθετα κατευθυνόμενα σπιν. Αυτή η κβαντική εγγενής ιδιότητα συνήθως απεικονίζεται ως άνω ή κάτω άξονας περιστροφής, αν και το ηλεκτρόνιο δεν έχει άξονα με κυριολεκτική έννοια.
Κβαντική βαρυτική φυλή φωτονίων. Φωτογραφία: NASA
Ουσιαστικά, αυτό σημαίνει ότι η ύλη από μόνη της δεν μπορείπεράσουν από άλλο. Όπως εξηγούν οι επιστήμονες, αυτό λειτουργεί παντού - «εσύ, εγώ, βασιζόμαστε στην αρχή του αποκλεισμού Pauli». Το απλούστερο παράδειγμα αυτού του νόμου είναι το γεγονός ότι οι άνθρωποι δεν μπορούν να περάσουν μέσα από τοίχους.
Αυτή η αρχή ισχύει για όλα τα στοιχειώδησωματίδια που ανήκουν στην ίδια οικογένεια με τα ηλεκτρόνια και είναι γνωστά ως φερμιόνια. Προέκυψε μαθηματικά από ένα θεμελιώδες θεώρημα γνωστό ως θεώρημα στατιστικής περιστροφής. Επίσης, η αρχή του αποκλεισμού Pauli επιβεβαιώθηκε πειραματικά. Μέχρι τώρα, αυτό εθεωρείτο ότι ίσχυε για όλα τα φερμιόνια. Η αρχή του αποκλεισμού Pauli είναι μια από τις βασικές αρχές του Καθιερωμένου Μοντέλου της Φυσικής των Σωματιδίων.
Παραβίαση της αρχής
Αλλά σύμφωνα με ορισμένες εικασιακές θεωρίες,που υπερβαίνουν το Καθιερωμένο Μοντέλο, αυτή η αρχή μπορεί να παραβιαστεί. Για δεκαετίες, οι φυσικοί αναζητούσαν μια θεμελιώδη θεωρία της πραγματικότητας. Το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι εξαιρετικό στο να εξηγεί τη συμπεριφορά των σωματιδίων, τις αλληλεπιδράσεις και τις κβαντικές διεργασίες σε μικροεπίπεδο. Ωστόσο, δεν περιλαμβάνει τη βαρύτητα.
Έτσι, οι φυσικοί προσπαθούν να αναπτύξουν μια ενωτικήη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, ορισμένες εκδοχές της οποίας προβλέπουν ότι διάφορες ιδιότητες που αποτελούν τη βάση του Καθιερωμένου Μοντέλου, όπως η αρχή του αποκλεισμού Pauli, μπορούν να παραβιαστούν υπό ακραίες συνθήκες.
Για παράδειγμα, πολλές από αυτές τις διαταραχές είναι φυσικάεμφανίζονται στις λεγόμενες μη-ανταλλάξιμες θεωρίες και μοντέλα κβαντικής βαρύτητας. Ένα από τα πιο δημοφιλή είναι η θεωρία χορδών. Περιγράφει τα θεμελιώδη σωματίδια ως μικροσκοπικά δονούμενα νήματα ενέργειας σε πολυδιάστατους χώρους. Ορισμένα μοντέλα θεωρίας χορδών προβλέπουν επίσης μια τέτοια παραβίαση.
Δυσκολία επαλήθευσης
Παραδοσιακά πιστεύεται ότι τέτοιες προβλέψειςδύσκολο να ελεγχθεί. Η κβαντική βαρύτητα είναι «οργανική» μόνο για μέρη όπου συγκεντρώνεται τεράστια ποσότητα βαρύτητας σε ένα μικροσκοπικό χώρο. Το πιο απλό παράδειγμα είναι το κέντρο μιας μαύρης τρύπας, η γενέτειρα του σύμπαντος.
Ωστόσο, οι συγγραφείς της νέας μελέτης βρήκαν μια εναλλακτική. Το αποτέλεσμα της παραβίασης της αρχής του αποκλεισμού και του θεωρήματος της στατιστικής περιστροφής μπορεί να ανιχνευθεί σε εργαστηριακά πειράματα στη Γη.
Βαθιά κάτω από τα βουνά Gran Sasso, κοντά στην πόλη L'Aquila στην Ιταλία, οι φυσικοί εργάζονταιΣτην καρδιά της ειδικής συσκευής υπάρχει ένα παχύ μπλοκ ρωμαϊκού μολύβδου, δίπλα στο οποίο υπάρχει ένας ανιχνευτής γερμανίου.Παίρνει μικρά σημάδια ακτινοβολίας που προέρχονται από το μέταλλο.
Υπόγειο εργαστήριο χαμηλής ραδιενέργειας στο Gran Sasso.
Φωτογραφία: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
Η ιδέα είναι ότι εάν η αρχή της απαγόρευσηςΤο Pauli θα παραβιαστεί, μέσα στο μόλυβδο θα υπάρχει μια «απαγορευμένη» ατομική μετάβαση, δημιουργώντας ακτίνες Χ με διακριτό ενεργειακό σήμα. Θα παραληφθεί από ανιχνευτή γερμανίου.
Διαστημική σιωπή
Το εργαστήριο ήταν ειδικά τοποθετημένο υπόγειο,επειδή η ακτινοβολία από μια τέτοια διαδικασία θα ήταν τόσο αδύναμη που διαφορετικά θα πνιγόταν από τη γενική ακτινοβολία υποβάθρου από τις κοσμικές ακτίνες στη Γη. Όπως εξηγούν Ιταλοί επιστήμονες, το εργαστήριό τους παρέχει τη λεγόμενη κοσμική σιωπή - το όρος Gran Sasso μειώνει τη ροή των κοσμικών ακτίνων κατά ένα εκατομμύριο φορές. Ωστόσο, αυτό από μόνο του δεν ήταν αρκετό.
Η συχνότητα των σημάτων που αναζητούν οι φυσικοί είναιμόνο μία ή δύο εκδηλώσεις την ημέρα ή λιγότερο. Αυτό σημαίνει ότι τα υλικά που χρησιμοποιούνται στο πείραμα πρέπει από μόνα τους να είναι «ραδιοκαθαρά» - δεν πρέπει να εκπέμπουν τίποτα. Και ο εξοπλισμός πρέπει να θωρακίζεται από την ακτινοβολία των βράχων. Στους σύγχρονους επιταχυντές, αυτό είναι αδύνατο, γράφουν οι επιστήμονες.
Τι έχουν κάνει οι επιστήμονες;
Μετά τη διεξαγωγή ενός πειράματος σε ένα υπόγειο εργαστήριο,Οι επιστήμονες δεν βρήκαν κανένα στοιχείο παραβίασης της αρχής Pauli. Αυτό αποκλείει ορισμένα μοντέλα κβαντικής βαρύτητας. Με άλλα λόγια, οι φυσικοί δεν έπιασαν το σήμα του «απαγορευμένου». Τέλος πάντων, προς το παρόν.
Επίσης, στο πλαίσιο του έργου, οι φυσικοί ανέλυσανπροβλέψεις του μοντέλου θήτα του Πουανκαρέ και απέκλεισε ορισμένες εκδοχές του μοντέλου στην κλίμακα Planck (η κλίμακα στην οποία παραβιάζονται οι γνωστοί κλασικοί νόμοι της βαρύτητας). Επιπλέον, η ανάλυσή τους έρχεται σε αντίθεση με ορισμένες συγκεκριμένες εφαρμογές της κβαντικής βαρύτητας.
Τι άλλο;
Οι ερευνητές σχεδιάζουν τώρα να επεκτείνουν την έρευνά τους σεάλλα μοντέλα κβαντικής βαρύτητας μαζί με Κινέζους φυσικούς. Θα χρησιμοποιήσουν νέα υλικά και μεθόδους ανάλυσης για να αναζητήσουν αδύναμα σήματα προκειμένου να «αποκαλύψουν τον ιστό του χωροχρόνου», εξηγούν οι συγγραφείς των πειραμάτων.
«Το ενδιαφέρον είναι ότι μπορούμε να εξερευνήσουμε μερικάμοντέλα κβαντικής βαρύτητας με τόσο υψηλή ακρίβεια που είναι αδύνατο να γίνουν σε σύγχρονους επιταχυντές», καταλήγουν οι επιστήμονες. «Αυτό είναι ένα μεγάλο άλμα τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά».
Διαβάστε περισσότερα:
Ένας 17χρονος μηχανικός βρήκε έναν κινητήρα χωρίς μαγνήτη: μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ηλεκτρικά οχήματα
Δύο πλανήτες έχουν βρεθεί όχι μακριά από τη Γη. Ίσως κατοικούνται
Ένας μοναδικός μετεωρίτης ξαναέγραψε την ιστορία του ηλιακού συστήματος: από πού προήλθε
Φωτογραφία εξωφύλλου: Wikipedia