Képzeljük el, hogy a következő dolgok találhatók a háztartásunkban: láncfûrész, fakalapács és egy pár bokszkesztyû. Nos, válasszuk ki közülük azt, amelyiknek a segítségével az atomok a leginkább széthasíthatóak lennének!
Ez így persze eléggé nevetségesnek tûnő feladat, és majdnem úgy hangzik, mintha gyerekek éppen kvantumgravitációt vizsgáló kutatókat játszanának. Olyan kutatókat, akik azt hiszik, hogy a téridő szövedéke gilisztajáratokból és - a protonoknál százmilliárdszor milliárddal kisebb méretû - apró fekete lyukakból áll. Ám az ezek vizsgálatára szánt eszközök is ugyanilyen szánalmasak, ugyanis a legjobb" részecskegyorsító segítségével is csak a kívánatosnál milliószor milliárddal nagyobb léptékben lennénk képesek megfigyelni vagy vizsgálni ezeket a jelenségeket.
Sokak szerint a kvantumgravitációt lehetetlen vizsgálni, sőt, akár még csak spekulációkat sem igen érdemes folytatni róla! John Ellis, a genfi európai részecskefizikai központ (CERN) elméleti fizikusa másképpen gondolja. Szerinte a kvantumgravitáció a teremtés első pillanataiban volt a legfontosabb, amikor még főleg a kvantumingadozások kormányozták a világegyetemet. E pillanatokra vonatkozóan a természet összes kölcsönhatását (erőit) összefogó Minden Elmélete segítségével lehetne csaknem pontosan értelmezni a történeteket. A Minden Elmélete megalkotásának kezdeményezése a 20. század legnagyobb elméleti fizikai kihívása, amelynek megalkotása, vizsgálata már a 21. századra marad - véli Ellis. - Ha több szempontból reménytelennek tûnik is ma még, gondolkozni azért feltétlenül szabad róla!"
Az elmúlt év kezdetétől a fizikusok számos kvantumhab-vizsgáló kísérletet javasoltak már. Ezeknek kellene fényt deríteniük a kvantumgravitációra. A felvetődött számtalan nehézség ellenére, most már nekikezdhetnénk végre az anyagi valóság legalacsonyabb szintjeinek a tanulmányozásához, főleg olyan területeken, ahol a kvantummechanika és a gravitáció találkozik. A kvantummechanika ugyanis leírja, ahogyan a részecskék egymással kölcsönhatásba kerülnek a természet különböző erőinek a hatására. (Vannak, akik itt kivételt tesznek a gravitációval, mások szerint ilyen megkülönböztetésre nincsen szükség.)
De hogyan teszi ezt? A gravitáció eddigi legjobb megfogalmazását, leírását Einstein általános relativitáselmélete szolgáltatja, ami a gravitációt a téridő görbületével hozza kapcsolatba. Az általános relativitás briliánsan mûködik" még olyan különleges objektumok esetén is, mint a - már Lagrangeáltal megsejtett - fekete lyukak. Nos, a problémák sokszor csupán felrémlenek, míg máskor feltornyosulnak - mondja Ellis. - Tudjuk, hogy a fekete lyukakkal kapcsolatos elméletekben következetlenségek vannak; nekünk most elsősorban arra kell figyelnünk, hogy ezek mikor és hol jelentkeznek a mért adatokban." A legjobb elmélet persze olyan lenne, amiből mind a kvantumelmélet, mind a relativitáselmélet következne (s ami sokak szerint nem is létezik).
Egyelőre persze azt sem sejtjük, mire volna képes egy efféle elmélet. A fizikusok azon elkeseredett kísérletei, hogy Einstein elképzeléseit házasítsák a kvantummechanikával, már hozott némi eredményt. 1971-ben Jakov Zeldovics orosz fizikus azon sejtésének adott hangot, hogy a fekete lyukak valójában nem teljesen feketék - értve ezen, hogy nem teljesen képtelenek részecskeemisszióra! Pontosabban: kvantummechanikai ingadozások közben hol fotonokat, hol egyéb részecskéket emittálnak. Az elgondolást nagyjából három évvel később fejlesztette tovább és bizonyította be Stephen Hawking. Ezért nevezik ezt az emissziót manapság Hawking-sugárzásnak.
A kvantumgravitáció valamennyi eddigi kezdetleges elmélete előállt egy-egy általános és ugyanakkor hajmeresztő előrejelzéssel: például azzal, hogy a kvantumgravitációra feltételezett görbület erősen különbözik az általános relativitáselmélet szolgáltatta enyhe görbületektől. Még 1950 körül jött rá John Wheeler amerikai fizikus arra, amennyiben 10-35 méter léptéknél szemléljük a dolgokat a kvantumfluktuációk eléggé erősek ahhoz, hogy a világegyetem geometriájával trükkös megoldásokat lehessen játszani. Tér és idő ilyenkor váltható át bolyhosságra" illetve habosságra". Amennyiben olyan méretû ûrhajónk volna, amelyik virtuális fekete lyukakon haladhatna át", vagy amelyet valamelyik gilisztajárat" beszippantana, az ide-oda ingázhatna a téridőben.
Ha a téridő-tajték" ezen ötlete eléggé bizonytalanul hangzik számunkra, ezzel az érzésünkkel nem vagyunk egyedül. Ez szerfölött bizonytalan dolog" - állítja Chriss Isham, a londoni Imperial College elméleti fizikusa. Az általános relativitás a téridőről szól, a kvantumelmélet pedig a dolgok kvantum-fluktuációiról. Nos, amennyiben kvantumgravitációról beszélünk, úgy nem tekinthetünk el a téridőt kialakító dolgok kvantumfluktuációitól sem.
A kvantumgravitáció egy sokkalta alapvetőbb modelljét ketten is megpróbálták bizonyítani napjainkban, Abhay Ashtekar, a Pennsylvania Állami Egyetem kutatójának elmélete szerint az univerzum elemei közül a tér és az idő bizony nem alapvetők! Ehelyett ezek feltételezései szerint mindössze egy matematikai elmélet részei. Ugyanakkor senki se lehet biztos abban, hogy miképpen is vezethet mindez olyan elemekhez, mint a tér, az idő és a gravitáció.
A másik változat pedig a szupersztring, vagy szuperhúr elmélete, ami tulajdonképpen a korábban már emlegetett Minden Elmélete alapján fogalmazódott meg. E változatban az anyag mint apró hurkok, 10-35 méter hosszúságú zsinegekből font" göbök formájában jelenik meg (amelyek a téridőn át úsznak, sodródnak). Az anyag e húrok speciális rezgéseként jelenik meg, ahogyan a hegedûhúrok bizonyos rezgéseivel azonosíthatók a hangok is. A húr-ötletnek óriási változata létezik, a Minden Elmélete, amit korábban Brooks még kedvencnek" titulált. Ez az elmélet tulajdonképpen az összes kölcsönhatást (erőt) magában foglalja. Az elmélet egyelőre még gyerekcipőben jár, így nehéz megmondani, hogy a kvantumgravitáció miképpen is jelenik majd meg az univerzumban.
A svájci Neuchâteli Egyetem kutatója Giovanni Amelino-Camelia most elhatározta, hogy nem várja meg, amíg az elméleti fizikusok egyetértése megszületik arról, hogy mi is folyik itt. A múlt évben közölt cikkében azt állítja, hogy a kvantumgravitáció végső soron kísérletekkel is megközelíthető, vizsgálható. Tekintsük most a téridőt - okoskodik Amelino- Camelia - buborékokat termelő és pusztító, tajtékzó" anyagnak. Az egyes buborékok születési és szétpattanási helyeinek különbségeit nyilván tekinthetjük akár valószínûségi változónak is. Majd nézzük e változó által leírt mennyiség fluktuációját, s máris kizárhatunk bizonyos elméleteket, illetve, közelebb juthatunk ahhoz, hogy milyen is a valódi" kvantumhab.
Olyan szokásos berendezés, mint a szupernagy teljesítményû részecskegyorsító - amire Amelino-Cameliának is szüksége volt -, jó zsinórmértéknek bizonyult. A Kaliforniai Technológiai Intézetnek (Caltech) van egy efféle berendezése. Interferométerük először kettéhasította a lézernyalábot, majd mindegyiküket visszatükröztette egy-egy, egyenként 40 méterre lévő tükörrel. Ezt követően a nyalábok interferálnak egymással. Ha a nyalábhoszszak változnak - fluktuálnak -, nyilván az interferenciakép is fluktuál: azaz, a kép zajos" lesz.
Amelino-Camelia összehasonlította a Caltech berendezésének zajszintjét a különböző kvantumgravitációs elméletekből várható zajszintekkel. Ez a kísérlet eddig egy lépéssel közelebb vitt a kvantumgravitáció felé. Azok az elméletek, amelyek mind az úgynevezett torzult Poincarészimmetria" alapján épültek, tulajdonképpen azt állítják, hogy a kvantummechanika eltorzítja a téridő egyes szimmetriáit - a forgás, a tükrözés és más hasonló transzformációkkal szembeni szimmetriát. Persze az is kiderült, hogy e változások sokkal nagyobb véletlen fluktuációt eredményeznének a Caltech-rendszer zajhatáránál. Emiatt Amelino-Camelia udvariasan azt veti közbe, hogy akkor az ő megközelítése valószínûleg rossz. Ez persze egyáltalában nem jelent hőstettet", mivel a szóban forgó fluktuációk legfeljebb akkorák, mint egy 1 méteres távolságváltozás a világegyetem átmérőjéhez viszonyítva.
Bomlás és átalakulás
Ellis segített egy másik terv kidolgozásában is a kvantumgravitáció kibontására, amit még 1995-ben vetett fel elsőként. Ez pedig a semleges kaonok csodálatos fizikája, amit a téridő kvantumfluktuációi befolyásolnak. Arról van szó ugyanis, hogy a kaonok és az antirészecskéik, az antikaonok lebomlanak illetve átalakulnak egymásba, ám ezt e részecskék egy picivel különböző sebességgel teszik (lásd a keretezett részt)! Ellis azt gondolja, hogy a kvantumgravitáció - persze csak egy parányi mértékben - befolyásolhatja a bomlást illetve az átalakulást. Ahogyan a gammasugár- kitöréseknél is, az effektus pontos előrejelzése erősen meghaladja az ezzel foglalkozó elméleti fizikusok lehetőségeit.
Nos, amíg arra várunk, hogy ezek a kísérletek beérjenek, az interferométerek egy egészen új generációja számos elméletet máris eleve érvénytelenített. Tudniillik, ezeket az új interferométereket mind úgy tervezték, hogy érzékenyek legyenek egy különleges gravitációs jelenségre, a gravitációs hullámokra. Noha a gravitációs hullámoknak tulajdonképpen közvetlenül semmi közük sincs a kvantumgravitációhoz, azért nagy lökést adhatnak az elméletkészítőknek. Amikor ugyanis igen nagy tömegû objektumok - például csillagok - mozdulnak meg hirtelen, akkor - az általános relativitáselmélet értelmében - a téridőben valamilyen gravitációs fodrozódás fut végig az univerzumon. Az asztrofizikusok erősen remélik a gravitációs hullámok észlelését, amelyeket például szupernóvarobbanások emittálnak, vagy pedig fekete lyukak egymás körüli keringése, vagy akár egymással való ütközése során keletkeznek.
(Berta Béla számítógépes fraktálgrafikája)
A legnagyobb új gravitációshullámdetektorok, (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory-LIGO) napjainkban épülnek Hanfordban (Washington államban) és Livingstone-ban (Louisiana államban) az Amerikai Egyesült Államokban. A két változatra" azért van szükség, hogy ki lehessen küszöbölni a szeizmikus hullámok zavaró hatását. Ugyanis, ugyanúgy ahogyan a Caltechinterferométernél, itt is az egyetlen forrásból eredő lézerfényt kellett két - egymásra merőleges - részre osztani és alkalmas berendezéssel visszatükröztetni a karok végeiről. Ám a LIGO karjai 4-4 km-esek, továbbá két újabb tükör is helyet foglal a karok érintkezésénél (keresztezésénél"). Ennek az a célja, hogy a fényt többször futtassa oda-vissza a karok mentén az interferenciáig". Ha gravitációs hullám söpör végig a térrészen, a karok hossza különböző mértékben változhat és így megváltoztathatják az interferenciaképet is.
2002-re várható, hogy a LIGO, a világ eddigi legnagyobb precíziós optikai berendezése mûködőképes állapotba kerül. Eza mûszer olyan érzékeny, hogy a résztvevő hatalmas tömegek ellenére detektálni képes, egészen apró, mindössze 10-18 méteres elmozdulásokat, ami csupán ezred része egy proton átmérőjének! (AVIRGO-nak, a valamivel kisebb méretû, európai interferométernek nagyjából ugyanekkora az érzékenysége.)
Amelino-Camelia szerint a LIGO zajszintje újabb határt jelent a kvantumgravitációs kutatásokban. Mark Coles, a LIGO livingstoni obszervatóriumának vezetője korántsem ennyire biztos a dologban. Sajnos, semmi mûködésbeli tapasztalattal sem rendelkezünk, így zajelőrejelzésünk csupán a Caltech interferométere zajszintjének egyszerû extrapolációjának tekintendő."
Ha még mindez igaz is, létezik egy olyan rendszer, ami még ennél is hatalmasabb, ez a LISA (Laser Interferometer Space Antenna azaz, Lézer Interferométer Ûr Antenna). E berendezés hat, egymástól fizikailag független ûrszerkezetből áll majd. Ezek valamennyien párokban helyezkednek el egy egyenlő oldalú háromszögû alakzat csúcsaiban. A LISA Nap körüli pályán kering majd, millió kilométeres távolságokra terjesztve így ki az interferométert. A tervek szerint a LISA 2015-re készül majd el.
Létezik egy másik interferometrikus megközelítés is a kvantumgravitációs kutatásokhoz. Ez az úgynevezett atom-interferometria. Arról van szó, hogy Ian Percival elméleti fizikus (Mária Királynő Egyetem, London, Westfield College) úgy gondolja, hogy az atominterferometria - ahol is a lézerfényt atomnyalábokra cseréljük - komoly előnyökkel bírhat a fluktuációk kutatásában, legalábbis, Percival megfogalmazásában: a habelemek időtartományában".
A kvantummechanika szerint az atomoknak hullámszerû természete van, így egy magányos atom akár szét is hasadhat két különböző hullámra, amelyek különböző utakat járhatnak be. Amikor pedig a két pályán haladó hullám - valamilyen különös véletlen folytán - találkozik egymással, interferál belső óráik" különböző járása és a kvantumgravitációs effektusok miatt.
Percivalnak sok ötlete van, ám még senki sem tudja, hogy valójában mi is történik. Néhányan úgy gondolják, hogy a kvantumgravitáció kielégítő elmélete már csak karnyújtásnyira van. Lehetséges, hogy az aktuális elmélet annyira különbözik minden általunk ismert elmélettől, mintha csak több száz évre volna tőlünk" - gondolja Ellis. De most, hogy a kísérletek lassan lehetségessé válnak, a dolgok talán új megvilágításba kerülnek. Végül talán az univerzum szerkezetének igazi leírását egyetlen egyre csökkenthetjük. Az alma már lehullott a fáról, már elvált, de még senki sem tudja, hol is ér majd földet.
Összeállította: BÕDY ZOLTÁN
IRODALOM
Brooks, M.: Quantum foam. New Scientist, 1999. június 19. 28. old. Ashtekar, A.: Beyond space and time, 1997. május 17., 38. old. Simonyi K.: A fizikai kutatások frontvonala a harmadik évezred küszöbén. A Természet Világa pótfüzete, 1995. szeptember Amelio-Camelia, G.: Gravity-wave interferometers as quantum-gravity detectors. Nature, 1999. vol. 398. 216. old.
A kaonok fizikája
A semleges K° kaon és antirészecskéje az K° antikaon, a többi elemi részecskétől némileg eltérő módon viselkedik. Tekintve, hogy a K° és az K° egymástól csak olyan kvantumszámban - az S ritkaságban - különbözik, amelyre abszolút megmaradási tétel nem áll fenn, az eredetileg keletkező K° egy bizonyos százalékban átalakul K°-á. A jelenlévő részecske - kvantumelméleti eleganciával szólva - K° és K° szuperponált állapota lesz.
