Az a bizonyos "baklövés", ami a fizika egyik legnagyobb rejtélyét oldhatja meg

Hadd meséljek valamiről, ami tényleg elképesztett, amikor beleástam magam a témába.

Tudod, amikor elkövetsz egy hibát, és kiderül, hogy az a hiba valójában zseniális? Nos, valami hasonló történt Albert Einstein-nel és valamivel, amit kozmológiai állandónak hívunk.

Mi a csuda ez az állandó?

Elmagyarázom egyszerűen. A kozmológiai állandó egy szám, ami leírja az üres térben lebegő energiát. Azt az energiát, ami miatt az univerzumunk egyre gyorsabban tágul. Egyszerűnek tűnik, ugye?

De itt jön a érdekes rész. A kvantumtérelmélet — ez a részecskefizika csúcselmélete — azt mondja, hogy az üres térnek rengeteg energiának kellene lennie benne. Hatalmas mennyiségnek. Olyan soknak, hogy az univerzumnak már rég szét kellett volna robbannia.

A probléma csak az, hogy amit ténylegesen mérünk? Ez az érték elképesztően, szinte felfoghatatlanul kicsi ahhoz képest, amit a matematika jósol.

És ez nem csak egy kis eltérés. Olyanról beszélünk, ami úgy 10^120 nagyságrendű — vagyis egyes egész, utána százhúsz nulla. Ez minden idők egyik legnagyobb ellentmondása az elmélet és a valóság között.

Einstein "nagy tévedése" visszatér

Itt jön a képbe Einstein. 1917-ben meg volt győződve, hogy az univerzum statikus — nem tágul, nem zsugorodik, egyszerűen csak van. De az általános relativitáselmélete azt jósolta, hogy a világegyetem összeomlik a saját gravitációja miatt.

Ezért hozzáadta a kozmológiai állandót — egyfajta "taszító erőként", ami egyensúlyban tartja a dolgokat. Ez volt az ő kis ravasz megoldása.

Aztán 1929-ben Edwin Hubble felfedezte, hogy az univerzum valójában tágul. Einstein állítólag akkor "legnagyobb baklövésnek" nevezte a kozmológiai állandót, és egyszerűen kihagyta az egyenleteiből.

Évtizedekig úgy tűnt, ezzel le is van tudva a történet.

Egészen 1998-ig, amikor a csillagászok valami megdöbbentőt találtak: az univerzum tágulása gyorsul. Hirtelen újra előkerült a kozmológiai állandó, mert tökéletesen megmagyarázta ezt a gyorsulást. Ma a "sötét energia" egyik kulcseleme.

A rejtély mélyül

És itt jön a valódi probléma. Amikor a kozmológiai állandó visszatért, a kvantumtérelmélet már a tudomány egyik legsikeresebb keretrendszere volt. Hihetetlen pontossággal írja le a részecskéket, erőket és az üres tér energiáját.

De a kvantumtérelmélet szerint a vákuum energiának óriásinak kellene lennie. A megfigyelések viszont azt mutatják, hogy parányi. Hogy lehet egyszerre igaz mind a kettő?

Ezt nevezik a fizikusok a "kozmológiai állandó problémájának", és évtizedek óta ez az egyik legnagyobb fejtörő a tudományban.

Megérkezik a Brown Egyetem kutatócsoportja

Most jön az igazán érdekes rész. A Brown Egyetem kutatói egy lehetséges megoldást javasoltak, és őszintén szólva, egészen gyönyörű.

Az ötletük a Chern-Simons-Kodama állapotra épít — ez egy javasolt kvantumgravitációs állapot, ami a kvantumtérelméletből származik. Nem megyek bele a matek részleteibe, de ez lényegében egy módja annak, hogy leírjuk, hogyan viselkedik a gravitáció a legkisebb, kvantumléptékű szinteken.

A vicces része ennek az, hogy a kutatók felfedezték: az ehhez kapcsolódó matematika meglepően hasonlít valamire, amit kvantum Hall-effektusnak hívunk — ez egy furcsa jelenség a kondenzált anyagok fizikájában, ahol az elektromos vezetés rendkívül pontos értékeket vesz fel.

A kvantum Hall-effektusban ezek az értékek sziklaszilárdan stabilak maradnak, még ha az anyag tökéletlenségeket is tartalmaz. Ennek oka a topológia — a rendszer alapvető matematikai "alakja" vagy szerkezete.

Lehet, hogy maga a tér az megoldás?

A csapat érvelése szerint hasonló topológiai jellemző létezhet magában a téridőben. Ha a térnek van ilyen nem-triviális topológiája, az természetesen elnyomhatná az összes kvantumfluktuációt, amelyeknek a kozmológiai állandót hatalmas értékekre kellene fújniuk.

Más szóval: az univerzum alakja talán aktívan kordában tartja a kozmológiai állandót.

Ahogy a kutatás társszerzője, Stephon Alexander fogalmazott: "Amit megmutattunk, az az, hogy ha a téridőnek van ez a nem-triviális topológiája, akkor az megoldja a kozmológiai állandó egyik leghalálosabb problémáját. Az összes kvantumperturbáció, amelynek fel kellene fújnia az értéket, tehetetlenné válik ettől a topológiától, amely stabilan tartja az állandó értékét."

Hát nem fantasztikus? A valóság szerkezete talán elegánsan old meg egy látszólag lehetetlen problémát.

Mit jelent ez az egész?

Őszintén szólva, még nincs minden válaszunk. A fizika nehéz (ez az évszázad legnagyobb alábecslése). De ez a kutatás egy igazán izgalmas utat kínál előre.

Az is csodálatos emlékeztető, hogy még a "baklövések" is rejtethetnek zseniális magokat. Einstein azért vezette be a kozmológiai állandót, hogy egyenletei működjenek, aztán hibának nevezte, amikor úgy gondolta, nem kell. És most, több mint egy évszázaddal később, még mindig bontogatjuk, mit is fedezett fel valójában.

Néha az univerzumnak ilyen humora van.

Ami a legjobban felvillanyoz, az az, hogy ez új módon kapcsolja össze a kvantumfizikát a gravitációval — talán közelebb visz minket a fizika szent gráljához: egy egységes elmélethez, ami mindenkit leír, a parányi részecskéktől a hatalmas galaxisokig.

És őszintén? Ez igazán izgalmas cucc egy csütörtökre.

Ha mélyebben bele akarsz ásni a kutatásba, az eredeti cikk a Physical Review Letters-ben jelent meg.