Sera Cremonini szerint az univerzum néhány legnagyobb rejtélyének titka a legapróbb alkotóelemek viselkedésében rejlik.
Gondoljunk csak az univerzum kezdetére. A 14 milliárd évvel ezelőtti ősrobbanás után a másodperc tört része alatt óriási mennyiségű, szorosan összezárt anyag robbant szubatomi részecskék szuperforró tengerévé.
És gondoljunk a hatalmas csillagok összeomlásakor keletkező fekete lyukakra. Ezek olyan sűrűn tömörítik az anyagot, hogy semmi, ami a területükre kerül, nem jut ki onnan, még a fény sem.
Hogyan hatottak egymásra a világegyetem első részecskéi? Hogyan alakultak kvarkokká, és hogyan egyesültek ezek az első protonok és neutronok kialakulásához? És milyen törvények szabályozzák a fekete lyukak “gravitációs szingularitását”, a téridő szövetének szakadását, ahol a sűrűség és a gravitáció végtelenné válik?
Cremonini, a fizika adjunktusa a húrelmélet szemüvegén keresztül vizsgálja ezeket a kérdéseket, amely szerint a világegyetem minden részecskéje apró, vibráló energiahúrokból áll. A mindössze 10-34 méteres húr mérete egy kvarkhoz hasonló, mint egy atomé a Földéhez.
A húr egydimenziós objektum, amely hosszúsággal rendelkezik, de szélességgel nem. Lehetnek nyílt végűek, képezhetnek zárt hurkot, vagy kapcsolódhatnak membránokhoz, vagy ágakhoz, amelyek lehetnek parányiak, vagy kitölthetik az egész univerzumot. Mint a különböző frekvenciákra hangolt gitárhúrok, a húrok rezgései az általunk ismert különböző részecskékhez kapcsolhatók. Ezek közül az egyik a gravitonnak felel meg, annak a részecskének, amelyről úgy gondolják, hogy a gravitációs erőt hordozza. Az a mód, ahogyan a húrok és hártyák elrendeződnek és kölcsönhatásba lépnek egymással, adja az általunk megfigyelt szubatomi részecskék tulajdonságait.
“A húrelmélet mögött álló ötlet egyszerű” – mondja Cremonini. “Nézzünk mélyen bármelyik részecske belsejébe, és meglátjuk ezt az apró, rezgő húrt. Ez az az alapvető egység, amit eddig kerestünk, az alapvető egység, amely mindent alkot.”
A húrelmélet, mondja Cremonini, az eddigi legjobb keretrendszer, amelyet a világegyetem működését leíró két összeegyeztethetetlen elmélet áthidalására találtak ki. Albert Einstein általános relativitáselmélete azt tanítja, hogy a gravitáció a tér és az idő elhajlását jelenti; determinisztikus, és nagyméretű jelenségeket ír le. A kvantummechanika valószínűségi alapú; az atomi és szubatomi részecskék viselkedését szabályozza.
“Einstein általános relativitáselmélete egy gyönyörű, jól bevált elmélet, amely megmondja, hogy a tömeges objektumok hogyan torzítják a téridő szövetét” – mondja Cremonini. “Ennek köszönhetően vannak GPS-rendszereink, megértjük a bolygók pályáját és a fény galaxisok körüli elhajlását. És csak tavaly a LIGO kísérlet először észlelte a gravitációs hullámokat, amelyeket Einstein 100 évvel korábban megjósolt. Ezek magának a téridőnek a fodrozódásai, amelyeket két fekete lyuk ütközése okoz, ami az általános relativitáselmélet látványos megerősítése.
“De az általános relativitáselmélet csak nagy távolságok vagy nagy léptékek esetén működik jól – egy bolygó, egy alma vagy egy repülőgép esetében. Az elmélet nem képes leírni a gravitációt az univerzumban mindenhol. Összeomlik, amikor nagyon-nagyon kis távolságokra megyünk, ahol a kvantummechanika hatásait nem lehet figyelmen kívül hagyni.”
“Az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika jól magyarázza a saját rendszerét, de szükségünk van egy elméletre, a kvantumgravitáció elméletére, amely egyesíti mindkettőt, hogy olyan helyzeteket írjunk le, amelyekben a gravitációs és a kvantumhatások egyaránt fontosak. A húrelmélet jelenleg a legígéretesebb és legkonzisztensebb keretrendszer, amellyel a gravitáció kvantumtermészetére fényt deríthetünk. Ez egy olyan eszközkészlet, amelynek segítségével választ kaphatunk az univerzum kezdetével, a fekete lyukak viselkedésével és tulajdonságaival, valamint a téridő szövetével kapcsolatos kérdésekre. Mindezek az elképzelések együtt járnak.”
Cremonini nemrég hároméves ösztöndíjat kapott a Nemzeti Tudományos Alapítványtól a téridő mikroszerkezetének tanulmányozására, vagyis annak a négydimenziós kontinuumnak a tanulmányozására, amelybe a három fizikai dimenzió az idővel együtt beleszövődik. A holográfiának nevezett technika segítségével reméli, hogy fényt deríthet a jelenségekre az ősrobbanás közvetlen utóhatásától kezdve a fekete lyukak szerkezetén és tulajdonságain át az olyan nem hagyományos anyagok viselkedéséig, mint a magas hőmérsékletű szupravezetők.
A gömbölyű tehén
Cremonini kutatásai nagy részét egy ceruzával és egy papírlappal kezdi, és nem sokkal bonyolultabb differenciálegyenleteket ír, mint amilyeneket a diákok az egyetemi matematikában tanulnak megoldani. Ezek az egyenletek az általános relativitáselmélet egyenletei a kvantumtérelmélettel és a húrelmélettel.
“Sok ilyen számításhoz fizikai intuícióra van szükség” – mondja. “Néhányat közülük kézzel is el lehet végezni. Ha egyszer megfelelő módon felállítottam egy problémát, akkor a számítógépet használom segítségül.”
A legtöbb fizikushoz hasonlóan Cremonini is sok közelítést és feltételezést tesz a valós világgal kapcsolatban. Ez különösen fontos a húrelmélet esetében, mivel a tudósok még nem fejlesztettek ki olyan eszközöket, amelyekkel húrláncokat lehetne előállítani vagy megfigyelni.
“Van egy vicc a fizikában a gömbölyű tehénről” – mondja. “A legtöbb probléma, amin a fizikusok dolgoznak, megköveteli, hogy közelítéseket tegyünk a valós világról, például vegyünk egy tehenet, és tegyük gömb alakúvá, mert egy gömböt sokkal könnyebb modellezni, mint egy valódi tehenet.”
“Nincsenek meg a matematikai eszközeink bizonyos problémák megoldásához, így kénytelenek vagyunk egyszerűsítéseket és közelítéseket tenni, hogy olyanra redukáljuk őket, amivel meg tudunk birkózni. Egy olyan problémát, amiről nem tudjuk, hogyan oldjuk meg, olyasmire kell vonatkoztatnunk, amiről tudjuk, hogy megoldható anélkül, hogy elveszítenénk az alapvető fizikai tulajdonságait.”
A gravitáció-kvantum szótár
A húrelméletben lévő kettősség – mondja Cremonini – betekintést nyújt abba, hogyan kapcsolódik a gravitáció a kvantummechanika világához. Szerinte a gravitációs téridő egyes aspektusainak alternatív leírásai vannak a kvantumvilágban.
“A húrelméletben megtudjuk, hogy a gravitáció bizonyos elméleteinek, amelyek egy bizonyos számú dimenzióban élnek, megfelelő és teljesen egyenértékű leírásai vannak az eggyel kevesebb dimenzióban élő kvantumelméletekben. A dimenziók száma közötti különbség miatt ezt holográfiának nevezzük, mivel a hologramra emlékeztet, amely egy 3D-s tárgy két dimenzióra való vetítése.”
Mint egy francia-német vagy japán-angol szótár, mondja Cremonini, egy gravitációs elmélet és a neki megfelelő kvantumelmélet ugyanannyi információt tartalmaz, de különböző szavakkal és konvenciókkal írják. A holográfia a kapcsolatok “gazdag hálóját” kínálja, mondja Cremonini, amely lehetővé teszi a gravitáció és a kvantumvilág közötti fordítást, és azt, hogy teljesen új módon gondolkodjunk ezek legnehezebb aspektusairól. Mint kiderül, az egyik tartományban nehezen megoldható probléma lefordítható a másikba – általában a gravitációs tartományba -, ahol könnyebben megoldható.
A valóság aszimmetriájának értékelése
Cremonini jelenlegi kutatásainak célja, hogy kiterjessze azon problémák körét, amelyekre a holografikus technikákat hatékonyan lehet alkalmazni.
“A holografikus technikákat eredetileg olyan egyszerű rendszerekhez fejlesztették ki, amelyek jól viselkednek, sok szimmetriával rendelkeznek és nem túl valósághűek” – mondja. “Rájöttünk, hogy ezek a technikák sokkal szélesebb körűek és meglehetősen hatékonyak. Azt kérdezem, hogy mennyire tudjuk kiterjeszteni és általánosítani ezeket az ötleteket összetettebb, kevesebb szimmetriával rendelkező rendszerekre, amelyek közelebb állnak a mi univerzumunkhoz, és ezért reálisabbak.”
“A fizikusok szeretnek szimmetriákban gondolkodni a dolgokról. A legtöbb fejlődésünk, különösen a részecskefizikában, a nagymértékben szimmetrikus rendszerek megértésén alapult; ezeket egyszerűen könnyebb megérteni. A való életben azonban a természetben számos mechanizmus van a szimmetriák megbontására, a folyamatok dinamikusak és sokkal bonyolultabbak.”
A fizikusok számára legnagyobb kihívást jelentő problémák – mondja Cremonini – általában olyan rendszereket érintenek, amelyek alkotóelemei – például elektronok – erősen kölcsönhatásba lépnek egymással. Ezekben az esetekben közismerten nehéz modellezni, hogyan viselkednek a rendszerek különböző hőmérsékleteken, vagy hogyan mennek át fázisátmeneteken egyik állapotból a másikba.
A Cremonini által vizsgált fázisátmenetek egyike a kvark-gluon plazma nevű kvantumrendszerben történik. A kvantumkromodinamika (QCD) elmélete szerint az atommagot alkotó protonok és neutronok maguk is három kis kvarkból állnak, amelyeket a gluonoknak nevezett részecskék szorosan összekötnek egymással. Megfelelően nagy energiáknál, a korai világegyetem állapotát idéző jelenség során a kvarkok és a gluonok fizikailag szétválnak és szabadon lebegnek egy forró levesben, a plazmában. A kvarkokat feloldó fázisátalakulást QCD-dekonfiníciónak nevezik, és a Brookhaven Nemzeti Laboratóriumban működő Relativistic Heavy Ion Colliderben, valamint a svájci CERN-ben, az Európai Nukleáris Kutatási Szervezetben működő Nagy Hadronütköztetőben végzett kísérletek tárgya.
“A kvarkok és gluonok közötti erős kölcsönhatások miatt” – mondja Cremonini – “ezt a rendszert nagyon nehéz tanulmányozni. De leképezhető egy megfelelő gravitációs rendszerre, ahol egyes tulajdonságai sokkal könnyebben vizsgálhatók.”
Ahol az energia irányítja a viselkedést
NSF-projektjében Cremonini holografikus technikák segítségével igyekszik tanulmányozni az anyag olyan kvantumfázisait, amelyek viselkedése éppen az ilyen erős kölcsönhatások miatt kevéssé ismert. Ilyen például a magas hőmérsékletű szupravezetők, amelyek akár -70 Celsius-fokos hőmérsékleten is elérik a szupravezetést, szemben a közönséges fém szupravezető anyagok -240 fokos küszöbértékével.
Mivel Cemonini szerint a magas hőmérsékletű szupravezetők modellezése sokkal nagyobb kihívást jelent, mint a közönséges szupravezetőké.
“A magas hőmérsékletű szupravezetők nagyon érdekes anyagok, de nincs mély megértés arról, hogy miért szupravezetnek” – mondja. “Ezen anyagok alkotóelemeinek viselkedése nagyon furcsa. Az elektronjaik annyira összefonódnak és olyan erősen kölcsönhatásba lépnek, hogy nem igazán tudjuk megérteni a viselkedésüket azokkal a technikákkal, amelyeket általában a hagyományos szupravezetők vagy a hagyományos fémek esetében használnánk. A holografikus technikák módot adnak arra, hogy követhető számításokat írjunk, amelyek lehetővé teszik ezeknek a rendszereknek és szokatlan tulajdonságaiknak a modellezését.”
Sok rendszer viselkedése a cukor okozta mámorban lévő gyerekek viselkedéséhez hasonlítható. Amikor energiát vonunk el egy rendszerből, mondja Cremonini, a rendszer a nulla energiájú vagy alapállapotba relaxál. Amikor energiát adunk hozzá, gyakran hő alkalmazásával, a rendszer gerjesztetté válik, és gazdag viselkedést mutat.
“A fizikában fontos megérteni, hogyan viselkednek a rendszerek, amikor energiát vonunk el tőlük, és milyen állapotba relaxálnak. A viselkedés az energia függvénye.”
“Gondoljunk arra, mi történik, amikor a víz felforr. Egy buborék képződik – egy instabilitás a rendszerben – és elkezd növekedni. Aztán még több buborék képződik, és gőzölgő masszává nő. Így gondolkodunk a fázisátmenetekről; azért vannak ott, mert egy instabilitás kialakul, majd növekszik. Munkám során a különböző kvantumfázisokat és az ebből adódó instabilitástípusokat vizsgálom.”
NSF-projektjében Cremonini azt is kutatja, hogy a gravitáció miként keletkezik mikroszkopikus, kvantummechanikai alkotóelemekből. Reméli, hogy válaszai fényt derítenek majd a téridő szerkezetére, a világegyetem kezdetére és korai fejlődésére, valamint a fekete lyukak fizikájára.
“A húrelmélet rengeteg felismerést adott nekünk az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika kapcsolatáról, különösen az elmúlt 20 évben. Segített megismerni a fekete lyukak alapvető szerkezetét. Tudjuk, hogy a fekete lyukaknak van hőmérsékletük, ami azt jelenti, hogy entrópia kapcsolódik hozzájuk. Az entrópia azonban nem csak a rendezetlenség mértékegysége. Azt is elárulja, hogy a fekete lyuknak mikroszkopikus bitek halmazából kell állnia. A húrelmélet egyik nagy sikere, hogy módot adott arra, hogy kiszámítsuk a mikroszkopikus biteket, amelyek bizonyos fekete lyukakat alkotnak, és nagyon pontosan reprodukálta az entrópiájukat. Ez figyelemre méltó, és a kvantumgravitáció bármelyik elméletéhez elengedhetetlen.”
“Talán létezik egy másik elmélet, amely képes leírni mindezeket a jelenségeket. Ez lehetséges, de egyelőre a húrelmélet a legjobb keret, amivel rendelkezünk.”
Szöveg: Kurt Pfitzer