A modern fizika két rendkívül sikeres alappilléren nyugszik: az általános relativitáselméleten és a kvantumtérelméleten. Mégis, e két elmélet alapvetően összeegyeztethetetlen sok tekintetben. Ez a cikk azt vizsgálja, milyen feltételezésekre épülnek ezek az elméletek, hol ütköznek egymással, és vajon valóban szükség van-e olyan fogalmakra, mint a vákuumenergia, a zérusponti fluktuációk vagy épp a graviton. Occam borotvájának szemszögéből újragondoljuk a téridő-görbületet, a Casimir-effektust és a kvantumvákuumot, és megkérdőjelezzük azokat az értelmezéseket, amelyeket sokan adottnak vesznek – pedig talán sosem volt rájuk valódi szükség.
Speciális relativitáselmélet
Einstein a speciális relativitáselmélettel megszüntette az éter szükségességét, és a három euklideszi térdimenzióhoz hozzáadta az időt, létrehozva azt, amit ma Minkowski-térnek nevezünk.
E térben két pont közötti távolságot az alábbi módon definiáljuk:
Itt c a fénysebesség; t₁, t₂ az időkoordináták, míg x, y, z a térbeli koordinátákat jelentik, ahogy azt ismerjük.
A lényeg az, hogy a Minkowski-tér nem görbült. Síkjait négyzetekre osztják – mint a négyzetrácsos papírt – és a teret kockákra.
Ami ezt megkülönbözteti a megszokott terünktől, hogy amikor objektumok a fénysebességhez közelítenek – vagy bármilyen jelentős sebességgel mozognak –, a hosszúságok összehúzódnak, az idő lelassul, a tömegek és energiák pedig megnőnek.
Ebben a keretrendszerben az éterre már nem volt szükség, így azt elvetették – összhangban Occam borotvájával, amely kimondja, hogy az egyszerűbb magyarázatokat általában előnyben kell részesíteni.
Formálisan:
„Nem szabad szükségtelen entitásokat feltételezni.”
„Csak akkor vezessünk be bonyolultságot, ha az elkerülhetetlen.”
„Ne vezess be felesleges elemeket.”
Speciális QFT
A kvantumtérelméletet (QFT) – teljesen jogosan – a Minkowski-térre alapozták. Az elemi részecskék olyan egyenes pályákat követnek, amennyire kvantumos természetük ezt lehetővé teszi.
Például: ha egy fényforrás és egy fal közé egy képernyőt helyezünk, árnyékot látunk a falon. Hasonlóképp, ha egy galaxis mögött egy másik található (a mi nézőpontunkból), és abban a hátsó galaxisban szupernóva robban, nem fogjuk látni – az elülső galaxis eltakarja a kilátást a Minkowski-térben.
Általános relativitáselmélet
Később Einstein kiterjesztette a speciális relativitást a gravitációval. Most már nemcsak az idő torzult – még az egyenes vonalak is elkezdtek görbülni. A gravitáció hatására úgy tűnik, a rács négyzetei meghajlanak és elmozdulnak – a gravitáció irányába gyorsulnak.
Ezt nevezzük téridő-görbületnek. A rács most másképp néz ki a Hold, a Föld, a Nap, fekete lyukak, galaxisok és galaxishalmazok körül.
Ebben a térben, ha egy galaxis eltakar egy másikat, amelyben szupernóva robban, mégis láthatjuk a robbanást több irányból is. A balra vagy jobbra induló fény meghajlik, és visszafordul felénk. A gravitáció elgörbítette az útját — ezt a jelenséget gravitációs lencsézésnek nevezik.
Általános QFT
Mivel a fény és minden elemi részecske görbült pályákon halad az általános relativitásban, logikus lenne, ha a QFT is ehhez igazítaná a terét.
De — amennyire tudom — ez nem történt meg olyan formában, amely kizárja a gravitont és a fizikai (valóságos, ontológiai) vákuumot.
Sőt: az éter fogalma visszatért a kvantumfluktuációk és a zérusponti energia formájában. Egyesek az általános relativitást próbálják hozzáigazítani az elavult QFT-khez, megpróbálják kvantálni a gravitációt, és keresik a megfoghatatlan gravitont.
Az éter
A zérusponti energia és a vákuumfluktuációk ellentmondásokhoz, paradoxonokhoz és nehezen értelmezhető elméletekhez vezettek – még ha matematikailag elegánsak is. Ezeket egyszerűen el lehetne vetni Occam borotvájával.
Egyre több fizikus ért egyet abban, hogy talán nincs is szükség vákuumenergiára. Az egyetlen erős bizonyíték a Lamb-eltolódás, de az Feynman útintegráljával is magyarázható – nincs szükség zérusponti energiára.
Egy másik gyakran idézett bizonyíték a Casimir-effektus – amit sokszor a vákuumfluktuációk, vagy „modern éter” létezésének alátámasztásaként említenek. Ugyanakkor az effektus teljes mértékben levezethető a kvantumtérelmélet keretein belül pusztán határfeltételek alkalmazásával, anélkül, hogy fizikai értelemben vett vákuumenergiát kellene feltételezni. Occam borotvája alapján nem szükséges többet állítani, mint ami elengedhetetlen.
A graviton
A graviton állítólag egy bozon – azaz olyan részecske, amely más részecskék közötti kölcsönhatásokat közvetít – például a fermionok között.
Ha léteznek is, a gravitongravitáció hatással lenne a fény mozgására, de ez nem jelenti azt, hogy a fotonokkal közvetlenül kölcsönhatásba lépnének. A gravitáció a téridő geometriáját módosítja, amelyen a fény áthalad – nem a fényt „célozza”. Nincs szükség gravitonnal való közvetlen kölcsönhatás feltételezésére.
QFT görbült téridőben
A QFT azon része, amely Feynman útintegráljára épül, kiválóan működik – laboratóriumi körülmények között, itt a Földön.
De mi történne, ha egy ilyen labort – vagy egy részecskegyorsítót – a Jupiter, a Nap vagy egy fekete lyuk közelébe helyeznénk, ahol a gravitáció már nem elhanyagolható?
Mindenki számára nyilvánvalónak kellene lennie: az eredmények mások lennének, és az előrejelzések is.
A QFT-nek engednie kell a relativitásnak. Nincs más út. Csak idő kérdése.
Nehéz lesz? Igen, természetesen.
Most már görbült téridőben kell kiszámítani a Feynman-pályákat, ami sokkal bonyolultabb, mint a sík Minkowski-térben. De enélkül értelmetlen elvárni, hogy a QFT választ adjon kozmológiai kérdésekre.
Az eredeti angol cikk The Special and General Quantum Field Theory (QFT)