Reyndar hafa margir af helstu kenningasmiðum síðustu alda, þ.m.t. Albert Einstein, eytt drjúgum starfstíma í að skýra hvers vegna málum er svo háttað.
Hinn heimsfrægi enski stærðfræðingur Roger Penrose við Oxford – háskóla hefur aldrei fyllilega sætt sig við skýringar þeirra. Hann hefur nú sett fram nýja tilgátu þar sem þyngdaraflið gegnir meginhlutverki.
Hafi Penrose á réttu að standa getum við ekki aðeins þakkað þyngdaraflinu að við stöndum bókstaflega með báða fætur á jörðinni, heldur einnig að líkamar okkar, líkt og aðrir hlutir, komast eldsnöggt á vel skilgreindan stað í alheimi eftir að hafa sundrast í marga parta.
Það kemur kannski sumum á óvart að eðlisfræðingar vinna reglulega með að atóm og aðrar öreindir geti verið á mörgum stöðum samtímis.
Fyrirbæri þetta stafar af því að fyrrnefndir hlutir geta hvort heldur sem verið öreind eða bylgja. Hvað bylgjur varðar hefur um langan tíma verið þekkt að þær mynda hliðrun (grípa inn í fyrir hver annari). Ef sem dæmi tvær 4 m háar vatnsbylgjur renna saman verður afleiðingin ein átta metra há alda. Ef á hinn bóginn 4 m há alda skellur á móti 4 m djúpum öldudal, þá upphefja þau hvort annað og árangurinn verður slétt yfirborð. Sama á við um ljósbylgjur.
Stærsti sigur eðlisfræðinnar
En það sem kemur mest á óvart er að þrátt fyrir að ljósbylgjur séu sendar ein í senn, þá á sér samt stað hliðrun.
Það þýðir að ljósbylgjan hliðrast við sjálfa sig. Eða með öðrum orðum: Hún er á tveimur stöðum í senn. Þetta var sannað í fyrsta sinn árið 1908 af Geoffrey Ingram Taylor.
Síðan hefur tilraunin verið endurtekin í mörgum tilbrigðum. Vísindamenn hafa fengið rafeindir, atóm og jafnvel stórar sameindir til að hliðrast með sjálfum sér. Í dag er hægt án erfiðleika að taka stakt atóm og staðsetja það á mismunandi stöðum, og láta það strax falla saman í eina stöðu.
Þessum undarlegu eiginleikum öreinda er lýst í skammtafræðinni. Kenning þessi er ein helsta stoð eðlisfræðinnar og er algerlega viðtekin. Hins vegar ríkir nokkur óeining um túlkanir innan skammtafræðinnar. Hvernig á mannshugurinn að viðurkenna að sama fyrirbæri geti hvort tveggja verið öreind á einum stað og ljósbylgja á öðrum?
Elsta og viðurkenndasta túlkunin er kennd við Kaupmannahöfn og er upprunnin frá Dananum Niels Bohr og samverkamanni hans, Werner Heisenberg. Fyrir Bohr var skammtafræðin sönnun þess að aðskilnaður sígildrar eðlisfræði milli manns og umheims væri blekking ein. Þar sem vísindamaðurinn hefur óhjákvæmileg áhrif á hið athugaða fyrirbæri með tilraunum sínum, mun hið athugaða koma fram á mismunandi máta undir ólíkum kringumstæðum. Í einni tilraun kemur ljóseind fram sem öreind – í annarri sem bylgja. Við getum aldrei vitað hvað ljóseind er í raun og veru.
Fýldur Einstein
Kaupmannahafnartúlkun Bohrs á skammtafræðinni hlaut ekki hvarvetna frábærar móttökur. Albert Einstein orðaði efasemdir sínar svo: „Huggunarheimspeki Heisinbergs og Bohrs – eða trúarbrögð? – eru svo tryggilega samansúrruð, að um þessar mundir býður hún hinum auðtrúa svo mjúkan kodda, sem er hreint ekki auðvelt að rísa upp frá. Leyfið þeim því að hvíla í friði.”
Einstein leit á túlkunina sem rökvillu. Í stað þess að þróa þau hugtök og aðferðir sem gætu gert heiminn skiljanlegri, hefðu eðlisfræðingar sópað vandamálunum undir teppið með geldum, heimspekilegum gervihugtökum. Dulhyggja í gervi vísinda.
Þrátt fyrir að viðbætur Bohrs hafi verið leiðandi í túlkun fram til dagsins í dag, hafa á sama tíma komið fram fjölmargar aðrar túlkanir.
Flestar leitast þær á einn eða annan máta að innleiða svonefnda hlutlæga ástandssmættun. Henni má lýsa svo: Ímyndið ykkur að öreind sé tyggigúmmíkúla. Ef hún er tekin og blásin upp í margar blöðrur sem klístrast saman og verka mismunandi hver á aðra, mætti ætla að um margar tyggjókúlur væri að ræða.
Þegar blöðrurnar springa allar og smættast aftur í sitt upprunalega form, verður ljóst að hér er aðeins einn hlutur – ein öreind.
Niels Bohr og Albert Einstein
Ef náttúran hefur á sama máta innbyggða virkni sem við sum skilyrði dregur bylgjurnar saman í öreind, mætti skýra hliðrunaráhrifin. Þegar öreindin er í bylgjufasa sínum dreifist hún yfir stærra svæði og virðist vera á mörgum stöðum samtímis. Síðan falla bylgjurnar saman í upprunalega öreind. Þetta hefur ekkert með manneskjuna eða athuganir hennar að gera – öreindin skiptir aðeins um birtingarform.
Þyngdaraflið í meginhlutverki
Hin nýja tilgáta sem Roger Penrose hefur þróað byggir á viðlíka hugmynd. Ferlið þegar tyggjóið springur er hin hlutlæga ástandssmættun.
Vandamálið felst í að túlkun Bohrs veitir ekki viðhlítandi svar við veigamikilli spurningu: Þegar allar öreinda hafa eiginleika bylgju og geta teigst út í marga hluta, því á ekki það sama við um menn og stærri hluti?
Hvers vegna er það aðeins hinn míkróskópíski heimur og ekki sá makróskópíski, sem býr yfir þessari þverstæðukenndu tvívirkni? Ættum við ekki öll að geta sinnt börnum okkar og verið í vinnunni á sama tíma?
Málum er augljóslega ekki þannig háttað. Stórir hlutir sýna aldrei sín mjúku bylgjuform, en örsmáir gera það. Þar sem stærð skiptir greinilega máli gerir Penrose ráð fyrir að þyngdaraflið sé ábyrgt fyrir hinni hlutlægu ástandssmættun. Þetta má skýra með hversdagslegu dæmi:
Vegna þyngdaraflsins hefur uppreist tré meiri stöðuorku, en tré sem liggur á hliðinni. Þar sem allt stefnir í minnstu mögulegu stöðuorku, þýðir það að tréð mun fyrr eða síðar velta um koll.
Samsvarandi gæti gerst fyrir manneskju, sem skyndilega skiptist í tvennt. Ólíkir hlutar hennar munu óhjákvæmilega hafa mismunandi orku með tilliti til þyngdaraflsins, og því mun hin skipta manneskja „falla” niður í lægsta orkuástand.
Roger Penrose
Penrose hefur reiknað út hve langan tíma tekur fyrir manneskjuna að falla saman. Fyrir stóran hlut á við mann er það að jafnaði 10 sekúndur, meðan rafeind getur haldist í bylgjuformi í milljónir ára. Hvort tveggja er í samræmi við reynslu okkar.
Þar sem svo öfgakenndur tímamunur er á öreindum og mönnum í ofangreindu dæmi, hafa Penrose og samverkamenn hans hugsað upp tilraun sem grundvallast á muninum á hinu minnsta og því stærsta.
Hann ætlar að mæla hlut sem breytist frá því að vera bylgja í að vera öreind, til að sjá hvort tímamunurinn stenst útreikningana hans. Við tilraunina á m.a. að nota spegil, sem er 1/100 mm á hverja hlið – um tíundi hluti hársbreiddar – og vegur fimm milljörðustu hluta úr grammi. Þetta er afar smátt miðað við manneskju, en stór miðað við atóm. Þess vegna ætti tíminn sem líður frá „fallinu” að vera mitt á milli.
Penrose þarf fyrst að kljúfa staka ljóseind í tvær bylgjur og láta þær sveiflast, meðan önnur bylgjan hittir ekki á spegilinn.
Hriktir í stoðum eðlisfræðinnar
Hugmyndin að baki tilrauninni er þessi: Þegar ljóseindin endurspeglast og ekki – endurspeglast á sama tíma mun spegillinn sveiflast og ekki – sveiflast samtímis!
Þá munu Penrose og félagar strax sjá hvort hvort stærri hlutir (spegillinn) geti verið á fleiri en einum stað í senn.
Gagnstætt sígildri eðlisfræði telja þeir nefnilega að það geti aðeins gerst í afar skamman tíma. Auk þess gerir tilraunin kleift að kanna þann tíma sem, ef að líkum lætur, líður áður en spegillinn fellur úr tvíeðli sínu og annað hvort sveiflast eða ekki – sveiflast.
Ef tímamunurinn er 0,1 sekúnda hefur Penrose fengið risastóra fjöður í sinn hatt og þá mun hrikta í stoðum eðlisfræðinnar. Hafi Bohr rétt fyrir sér gæti spegillinn haldi tvíeðli sínu nánast óendanlega lengi, og þá verða eðlisfræðingar að sætta sig við túlkun hans. Kannski er heimurinn að grunni til óskiljanlegur mönnum.
Vísindamenn vinna nú hörðum höndum að nýju tilrauninni og reikna með að verða tilbúnir innan þriggja ára. Ástæða þess að ekki er hægt að hraða henni stafar af því að kæla þarf búnaðinn niður í 60 milljónustu hluta úr gráðu yfir alkuli og tilraunin þarf að eiga sér stað í ofurlofttæmi, því annars myndu atóm hafa áhrif á mælingarniðurstöður.
Kannski er þyngdaraflið svarið við hinni gömlu gátu um hvort stórir hlutir geti verið á fleiri stöðum í senn. Þá gæti gamla viðkvæðið fengið nýja merkingu: „Hvað er þetta! – ég get vel verið á mörgum stöðum á sama tíma – bara ekki mjög lengi.”
