Cum abordeaza fizica cuantica problema singularitatii?

Una dintre problemele majore ale relativitatii generale, care o separa de alte descrieri ale universului, cum ar fi fizica cuantica, este existenta singularitatilor. Singularitatile sunt puncte care, atunci cand sunt descrise matematic, dau o valoare infinita si sugereaza zone ale universului in care legile fizicii ar inceta sa mai existe — de exemplu, punctele de la inceputul universului si din centrul gaurilor negre.

O noua lucrare publicata in Nuclear Physics B, de catre Roberto Casadio, Alexander Kamenshchik si Iberê Kuntz de la Departamentul de Fizica si Astronomie, de la Universitatea din Bologna, Italia, sugereaza ca extinderea modului in care sunt tratate singularitatile din fizica clasica in fizica cuantica ar putea ajuta la rezolvarea acestei disparitati intre ramurile fizicii.

„Nicio descriere a naturii nu este perfecta si completa. Fiecare teorie are domeniul sau de aplicabilitate, dincolo de care se prabuseste si predictiile sale nu mai au sens”, spune Casadio. Ca exemplu, el citeaza teoriile lui Newton, care sunt inca suficient de solide pentru a trimite rachete in spatiu, dar care se prabusesc atunci cand descriu lucrurile foarte mici sau cele extrem de masive.

Gaura neagra depistata in galaxia M87.

„Aceasta este o problema serioasa, deoarece relativitatea generala — teoria care descrie cel mai bine interactiunea gravitationala in prezent — prezice existenta singularitatilor in mod destul de generic”, spune Casadio. „Este ca si cum am avea o gaura in spatiu, in care nu poate exista nimic, dar in care observatorii si orice altceva vor cadea totusi”.

Casadio sugereaza ca aceasta poate fi imaginata ca o bucata de hartie cu o mica gaura in ea. „Poti misca varful stiloului pe hartie, ceea ce reprezinta miscarea unei particule, dar daca ajungi la gaura, stiloul tau se opreste brusc din desenat si particulele dispar brusc”, spune el. „Acest lucru ilustreaza modul in care singularitatile sunt obstacole teoretice care ne impiedica sa intelegem pe deplin natura”.

Roberto Casadio

Casadio adauga ca faptul ca fizica inceteaza sa mai existe in cazul singularitatilor duce la intrebari fara raspuns, cum ar fi: „Ce se intampla in cazul singularitatilor? Ce s-a intamplat cu adevarat la inceputul universului? S-a nascut totul dintr-un punct care nu a existat niciodata cu adevarat? Ce se intampla cu o particula atunci cand cade in centrul unei gauri negre?”

„Aceste intrebari deschise sunt chiar motivul pentru care suntem constransi de curiozitatea noastra sa urmarim aceasta linie de investigatie”, spune el. „Abordarea noastra se bazeaza in mare masura pe metodele teoriei campului cuantic (Quantum Field Theory): cadrul care combina mecanica cuantica si relativitatea speciala, si care da nastere modelului standard de mare succes al fizicii particulelor.”

Autorii au folosit instrumentele QFT pentru a construi un obiect matematic care poate semnala prezenta singularitatilor in cantitati masurabile experimental. Acest obiect, pe care ei l-au numit „numarul derulant functional”, este diferit de zero in prezenta singularitatilor si dispare in absenta acestora.

Aceasta abordare a aratat ca anumite singularitati prevazute teoretic nu afecteaza marimile care pot fi in principiu masurate experimental si, prin urmare, raman constructii matematice inofensive.

„Daca formalismul nostru ar supravietui examinarii stiintifice si s-ar dovedi a fi abordarea corecta, ar sugera existenta unui principiu fizic foarte profund, astfel incat alegerile variabilelor fizice sunt mai degraba lipsite de importanta”, conchide Casadio. „Acest lucru ar putea avea consecinte pentru intelegerea noastra in domeniul fizicii, chiar si dincolo de subiectul singularitatilor.”