Η βαρύτητα, η δύναμη που ελκύει τα αντικείμενα μεταξύ τους, ορίζεται επί του παρόντος από τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Αυτό το πλαίσιο περιγράφει τη βαρύτητα ως την καμπύλωση του χωροχρόνου, του αόρατου τετραδιάστατου ιστού του σύμπαντος.
Σε μια πρόσφατη εργασία που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters, ερευνητές από το Imperial College του Λονδίνου προσπάθησαν να προσεγγίσουν τη βαρύτητα χρησιμοποιώντας τη θερμοδυναμική, το πλαίσιο που περιγράφει πώς μετασχηματίζονται η ενέργεια και η θερμότητα. Η μελέτη τους βασίζεται σε μια θεμελιώδη εργασία του θεωρητικού φυσικού Ted Jacobson, η οποία δημοσιεύθηκε πριν από περισσότερες από τρεις δεκαετίες.
«Συνάντησα για πρώτη φορά τη θεμελιώδη εργασία του Jacobson του 1995 αμέσως μετά την ολοκλήρωση του διδακτορικού μου και βρήκα την ιδέα συναρπαστική», δήλωσε στο Phys.org ο João Magueijo, κύριος συγγραφέας της μελέτης.
«Ανέστρεψε τη λογική των επιχειρημάτων των Hawking και Bekenstein –ότι η βαρύτητα του Αϊνστάιν έχει θερμοκρασία και εντροπία– και αντίθετα χρησιμοποίησε τη θερμική φυσική για να παραγάγει τη βαρύτητα του Αϊνστάιν. Ήθελα να κάνω κάτι με αυτή την ιδέα εδώ και χρόνια, αλλά όλες μου οι προσπάθειες απέτυχαν παταγωδώς.
Στη συνέχεια, πέρυσι, κατά τη διάρκεια των διακοπών μου σε ένα απομακρυσμένο ελληνικό νησί – ένα μέρος όπου δεν είχε ίντερνετ, κάτι που ίσως βοήθησε– συνειδητοποίησα ότι οι περισσότερες προηγούμενες εργασίες είχαν προσπαθήσει να προσαρμόσουν εκ των υστέρων τις υπάρχουσες θεωρίες βαρύτητας στη δομή του Jacobson».
Βασιζόμενος σε αυτή τη διαπίστωση, ο Magueijo άρχισε να εξερευνά την πιθανότητα να περιγράψει τη βαρύτητα ξεκινώντας αποκλειστικά από τη θερμική φυσική, χωρίς να προσπαθεί να προεξοφλήσει ποιο είδος θεωρίας βαρύτητας θα προέκυπτε. Η ελπίδα του ήταν ότι αυτή η διαδικασία θα οδηγούσε σε εντελώς νέες θεωρίες για τη βαρύτητα, τις οποίες κανείς δεν είχε σκεφτεί μέχρι τότε.
Συνδέοντας τη βαρύτητα, τη θερμοδυναμική και το διαστελλόμενο σύμπαν
Για να αναπτύξει περαιτέρω τις ιδέες που επεξεργαζόταν, ο Magueijo άρχισε να συνεργάζεται με τον Ray Isichei, έναν διδακτορικό φοιτητή τον οποίο επέβλεπε στο Imperial College. Μαζί, οι δύο ερευνητές άρχισαν να εξετάζουν τη βαρύτητα από μια θερμοδυναμική σκοπιά, προσεγγίζοντάς την συγκεκριμένα ως έναν κύκλο Otto – μια θερμοδυναμική δομή που περιγράφει τον τρόπο λειτουργίας των βενζινοκινητήρων.
«Αναρωτηθήκαμε τι συμβαίνει εάν η θερμοδυναμική διεργασία πίσω από τη βαρύτητα δεν είναι μόνο η ροή θερμότητας», εξήγησε ο Magueijo. «Στη συνήθη θερμοδυναμική, η θερμότητα σχεδόν ποτέ δεν είναι ολόκληρη η ιστορία: Μπορεί επίσης να υπάρχουν χημικές αντιδράσεις, εκτόνωση έναντι ενός εμβόλου, παραγωγή έργου ή άλλες συνεισφορές. Έτσι, προσθέσαμε αυτό το “κάτι άλλο” που έλειπε στο επιχείρημα, χωρίς προκαταλήψεις για το τι θα προέκυπτε από την άλλη πλευρά».
Προς έκπληξή τους, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η θεωρία βαρύτητας που παρήγαγαν επέτρεπε τη δημιουργία ή την καταστροφή της ύλης και της ενέργειας. Αυτό ήταν ένα απόλυτο σοκ, καθώς η διατήρηση της ενέργειας και της ύλης αποτελεί θεμελιώδη αρχή της φυσικής, γεγονός που σχεδόν τους ώθησε να εγκαταλείψουν τη θεωρία.
«Η ιδέα δεν κατέληξε στον κάλαθο των αχρήστων επειδή συνειδητοποιήσαμε ότι, όταν εφαρμόζεται στο σύμπαν ως σύνολο, θα μπορούσε να αναπαραγάγει την παρατηρούμενη επιτάχυνση της κοσμικής διαστολής χωρίς να χρειάζεται να υποθέσουμε την ύπαρξη της σκοτεινής ενέργειας, μιας κοσμολογικής σταθεράς ή οποιουδήποτε από τα συνήθη συστατικά που επιστρατεύονται για να την εξηγήσουν», δήλωσε ο Magueijo.
«Η κανονική ύλη θα έπρεπε να έλκει προς τα πίσω και να επιβραδύνει τη διαστολή του σύμπαντος, αλλά αυτό προϋποθέτει τους συνηθισμένους νόμους διατήρησης. Σε αυτό το μοντέλο, η κανονική ύλη της οποίας ο νόμος διατήρησης έχει τροποποιηθεί (επιτρέποντας τη συνεχή δημιουργία) μπορεί, αντίθετα, να οδηγήσει σε επιτάχυνση».
Τροφοδοτώντας νέες θεωρητικές μελέτες
Η μελέτη της ομάδας προσφέρει μια νέα και αντισυμβατική θεωρία για τη βαρύτητα, υποδηλώνοντας ότι η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν θα μπορούσε επίσης να προσεγγιστεί ως μια θερμοδυναμική διαδικασία.
Το θεωρητικό πλαίσιο θα μπορούσε να εξαλείψει την ανάγκη για μια συμβατική κοσμολογική σταθερά, βοηθώντας ενδεχομένως στην αντιμετώπιση ενός μακροχρόνιου προβλήματος της κοσμολογίας.
Αν και η νέα θεωρία που επινόησαν οι Magueijo και Isichei είναι συναρπαστική, παραμένει υποθετική και βρίσκεται σε πρώιμο στάδιο. Οι ερευνητές σχεδιάζουν τώρα περαιτέρω μελέτες με σκοπό να την αναπτύξουν περισσότερο και να συγκρίνουν τις προβλέψεις της με τα διαθέσιμα κοσμολογικά δεδομένα και τα πειραματικά αποτελέσματα.
«Πρέπει πλέον να γίνει πολλή δουλειά για τη λεπτομερή σύγκριση του μοντέλου με τις κοσμολογικές παρατηρήσεις», πρόσθεσε ο Magueijo. «Όταν ξεκίνησα το διδακτορικό μου, πίσω στο 1990, μπορούσες ακόμα να πεις σχεδόν οτιδήποτε στην κοσμολογία, επειδή η έλλειψη δεδομένων το επέτρεπε. Έκτοτε, η κοσμολογία έχει γίνει ένα αντικείμενο υψηλής ακρίβειας που βασίζεται στα δεδομένα. Οποιαδήποτε νέα ιδέα πρέπει τώρα να περάσει από τη δοκιμασία της παρατήρησης».
