Μπορεί να σκεφτείτε τη φυσική ως έναν τρόπο να εξηγήσετε τη συμπεριφορά πραγμάτων όπως μαύρες τρύπες, συγκρούσεις σωματιδίων, πτώση μήλων και κβαντικοί υπολογιστές. Αλλά μια μικρή ομάδα φυσικών σήμερα εργάζεται πάνω σε μια θεωρία που δεν μελετά μόνο μεμονωμένα φαινόμενα. Πρόκειται για εντελώς νέο τρόπο να περιγράψουμε το ίδιο το σύμπαν. Αυτή η θεωρία μπορεί να λύσει ευρύτερα προβλήματα, όπως γιατί είναι δυνατή η βιολογική εξέλιξη και πώς αφηρημένα πράγματα όπως οι ιδέες και οι πληροφορίες φαίνεται να έχουν ιδιότητες που είναι ανεξάρτητες από οποιοδήποτε φυσικό σύστημα.
Λέγεται Constructor Theory (Θεωρία Κατασκευαστή), αλλά όσο συναρπαστικό και αν δείχνει, υπάρχει ένα σοβαρό πρόβλημα: πώς να δοκιμαστεί (πειραματικά).
Ως νέα ερευνήτρια φυσικής στη δεκαετία του 2010, η Chiara Marletto ενδιαφερόταν για προβλήματα σχετικά με τις βιολογικές διαδικασίες. Οι νόμοι της φυσικής δεν λένε τίποτα για την πιθανότητα ζωής - αλλά ακόμη και μια μικρή τροποποίηση οποιασδήποτε από τις σταθερές της φυσικής θα καθιστούσε τη ζωή όπως τη γνωρίζουμε αδύνατη. Γιατί λοιπόν είναι εφικτή η εξέλιξη με φυσική επιλογή; Ανεξάρτητα από το πόσο καιρό κοιτάζατε τις εξισώσεις της φυσικής, δεν θα σας προέκυπτε ότι επιτρέπουν τη βιολογική εξέλιξη – και όμως, προφανώς, το κάνουν.
Η Μαρλέτο ήταν δυσαρεστημένη από αυτό το παράδοξο. Ήθελε να εξηγήσει γιατί η εμφάνιση και η εξέλιξη της ζωής είναι δυνατή, όταν οι νόμοι της φυσικής δεν περιέχουν καμία ένδειξη ότι θα έπρεπε. Εντόπισε ένα έγγραφο του 2013 που γράφτηκε από τον David Deutsch, Φυσικό της Οξφόρδης και πρωτοπόρο των κβαντικών υπολογιστών, όπου αυτός έθεσε τα θεμέλια για τη Θεωρία των Κατασκευαστών, η θεμελιώδης αρχή της οποίας είναι: “Όλοι οι άλλοι Νόμοι της Φυσικής μπορούν να εκφραστούν αποκλειστικά από δηλώσεις περί του ποίοι φυσικοί μετασχηματισμοί είναι πιθανοί και ποίοι όχι, και γιατί”.
Ενώ πολλές θεωρίες ασχολούνται με το τι συμβαίνει, η Θεωρία του Κατασκευαστή αφορά το τι είναι πιθανό να συμβεί.
Η Φυσική έχει προχωρήσει πολύ από τις ημέρες της Επιστημονικής Επανάστασης. Το 1687, ο Ισαάκ Νεύτωνας πρότεινε την συνολική φυσική του θεωρία στο μεγάλο έργο του, "Principia Mathematica". Η θεωρία του Νεύτωνα, που ονομάζεται κλασική μηχανική, βασίστηκε στους τρεις διάσημους νόμους της κίνησης.
Στις πρώτες δεκαετίες του 20ού αιώνα, η κλασική μηχανική αποδείχθηκε ότι ήταν λανθασμένη, από δύο κατευθύνσεις. Η κβαντική μηχανική ανέτρεψε τη θεωρία του Νεύτωνα, εξηγώντας τη φυσική του μικρόκοσμου. Η γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν αντικατέστησε την κλασική μηχανική και εμβάθυνε την κατανόησή μας για τη βαρύτητα και τη φύση της μάζας, του χώρου και του χρόνου. Παρόλο που οι λεπτομέρειες διαφέρουν μεταξύ των τριών θεωριών - της κλασικής μηχανικής, της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας - ωστόσο όλες εκφράζονται μέσω των αρχικών συνθηκών και των δυναμικών νόμων κίνησης, που επιτρέπουν σε κάποιον να προβλέψει την κατάσταση της τροχιάς ενός συστήματος με την πάροδο του χρόνου. Αυτό το γενικό πλαίσιο είναι γνωστό ως η Επικρατούσα Αντίληψη (the Prevailing Conception).
Αλλά υπάρχουν πολλοί τομείς στους οποίους οι καλύτερες θεωρίες μας δεν μπορούν να εκφραστούν μέσω της επικρατούσας αντίληψης των αρχικών συνθηκών και των νόμων της κίνησης. …. Ακόμα και στην κοσμολογία, το γνωστό πρόβλημα της εξήγησης των αρχικών συνθηκών του σύμπαντος είναι δύσκολο στην επικρατούσα αντίληψη: Μπορούμε να εργαστούμε προς τα πίσω στο χρόνο για να καταλάβουμε τι συνέβη τις στιγμές μετά το Big Bang, αλλά δεν έχουμε καμία εξήγηση γιατί το σύμπαν ήταν στη συγκεκριμένη αρχική του κατάσταση παρά σε οποιαδήποτε άλλη. Η Θεωρία του Κατασκευαστή, ωστόσο, μπορεί να δείξει ότι οι αρχικές συνθήκες του σύμπαντος μας - τη στιγμή του Big Bang - μπορούν να συναχθούν από τις Αρχές της θεωρίας (the Theory’s Principles).
Τα βασικά συστατικά της Θεωρίας του Κατασκευαστή είναι : ο Κατασκευαστής (Constructor), το Υπόστρωμα Εισόδου (Input Sustrate) και το Υπόστρωμα Εξόδου (Output Substrate). Kατασκευαστής είναι οποιοδήποτε αντικείμενο που μπορεί να προκαλέσει έναν συγκεκριμένο φυσικό μετασχηματισμό και διατηρεί την ικανότητά του να το επαναλάβει. Υπόστρωμα Εισόδου είναι το φυσικό σύστημα που παρουσιάζεται (ως είσοδος) στον κατασκευαστή και Υπόστρωμα Εξόδου είναι το φυσικό σύστημα που προκύπτει (ως έξοδος) από τον μετασχηματισμό της εισόδου του κατασκευαστή.
Ένα κοσμικό παράδειγμα είναι ο Ήλιος μας. Ο Ήλιος δρα ως πυρηνικός αντιδραστήρας σύντηξης που παίρνει υδρογόνο (H) ως υπόστρωμα εισόδου του και το μετατρέπει σε ήλιο (He) και φως ως υπόστρωμα εξόδου. Ο ίδιος ο Ήλιος είναι ο κατασκευαστής, καθώς διατηρεί την ικανότητά του να επαναλαμβάνει αυτή τη μετατροπή.
Η θεμελιώδης αρχή της θεωρίας του κατασκευαστή υπονοεί ότι όλοι οι νόμοι της φυσικής - εκείνοι της γενικής σχετικότητας, της θερμοδυναμικής, της κβαντικής μηχανικής και της πληροφορίας - μπορούν να εκφραστούν ως : ποίοι φυσικοί μετασχηματισμοί είναι καταρχήν δυνατοί και ποίοι όχι.
Ένα άλλο είδος κατασκευαστών είναι όλες οι μορφές αυτο-αναπαραγόμενης ζωής. Σκεφτείτε ένα βακτήριο με κάποιο γενετικό κώδικα. Το κύτταρο μαζί με τον κώδικα του DNA του είναι ένα είδος κατασκευαστή του οποίου η έξοδος είναι ένα κύτταρο-απόγονος με αντίγραφο του γενετικού κώδικα του γονικού κυττάρου.
Επειδή η εξήγηση των μετασχηματισμών που είναι δυνατοί ή απίθανοι δεν βασίζεται ποτέ στη συγκεκριμένη μορφή που παίρνει ένας κατασκευαστής, αυτός μπορεί “να αφαιρεθεί”, αφήνοντας (στη θέση του) δηλώσεις σχετικές με τους μετασχηματισμούς ως επίκεντρο της θεωρίας του κατασκευαστή. Αυτό είναι ήδη εξαιρετικά πλεονεκτικό, αφού, για παράδειγμα, θα μπορούσε κανείς να εκφράσει ποια προγράμματα ή προσομοιώσεις υπολογιστών είναι εφικτά και ποια όχι κατ’ αρχήν, χωρίς να χρειάζεται να ανησυχεί για τις λεπτομέρειες του ίδιου του υπολογιστή.
Γιατί υπάρχει η ζωή;
Πώς θα μπορούσε κανείς να δείξει ότι η εξέλιξη της ζωής, με όλες τις κομψές της προσαρμογές και την ένδειξη σχεδιασμού, είναι συμβατή με τους νόμους της φυσικής, οι οποίοι φαίνεται να μην περιέχουν κανένα σχέδιο; Κανένας έλεγχος των εξισώσεων της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής δεν θα οδηγούσε σε μια στιγμή έμπνευσης (eureka moment) – αφού αυτές δεν περιέχουν καμία ένδειξη για την πιθανότητα ζωής. Η θεωρία του Δαρβίνου για την εξέλιξη μέσω φυσικής επιλογής εξηγεί την εμφάνιση του σχεδιασμού στη βιόσφαιρα, αλλά αποτυγχάνει να εξηγήσει γιατί μια τέτοια διαδικασία είναι κατ’ αρχήν δυνατή.
Ο βιολόγος Richard Dawkins είναι διάσημος, μεταξύ άλλων, επειδή κατέστησε δημοφιλή αυτή την άποψη της εξέλιξης: Τα γονίδια είναι η θεμελιώδης μονάδα φυσικής επιλογής και «επιδιώκουν» την αθανασία αντιγράφοντας τον εαυτό τους ως σκέλη DNA, χρησιμοποιώντας προσωρινά, προστατευτικά “οχήματα”-φορείς (vehicles) για να πολλαπλασιαστούν από γενιά σε γενιά.
Η αντιγραφή είναι ατελής, με αποτέλεσμα γενετικές μεταλλάξεις και συνεπώς διαφοροποίηση της ικανότητας των γονιδίων να εξαπλώνονται σε αυτόν τον μεγάλο ανταγωνισμό με τους αντιπάλους τους. Το περιβάλλον των γονιδίων είναι ο κριτής που καθορίζει ποια γονίδια είναι ικανότερα να εξαπλωθούν και ποια είναι ακατάλληλα να το πράξουν - και ως εκ τούτου, (το περιβάλλον) είναι η πηγή της φυσικής επιλογής.
Ποιες ιδιότητες πρέπει να διαθέτουν οι νόμοι της φυσικής για να επιτρέψουν μια τέτοια διαδικασία, η οποία απαιτεί αυτο-αναπαραγωγή, εμφάνιση σχεδιασμού και φυσική επιλογή;
Σημειώστε ότι αυτή η ερώτηση δεν μπορεί να απαντηθεί στην επικρατούσα αντίληψη, η οποία θα μας ανάγκαζε να προσπαθήσουμε να προβλέψουμε την εμφάνιση της ζωής ακολουθώντας, ας πούμε, την εξέλιξη των αρχικών συνθηκών του Σύμπαντος.
Η Θεωρία των Κατασκευαστών μας επιτρέπει να αναδιατυπώσουμε το πρόβλημα και να σκεφτούμε γιατί και υπό ποιες συνθήκες είναι δυνατή η ζωή. Όπως το έθεσε η Marletto σε μια δημοσίευση του 2014: «… η επικρατούσα αντίληψη θα μπορούσε το πολύ να προβλέψει τον ακριβή αριθμό αιγών που (πιθανά) θα εμφανιστεί στη Γη υπό ορισμένες αρχικές συνθήκες. Στη Θεωρία Κατασκευαστή, κάποιος δηλώνει αντί αυτού εάν οι αίγες είναι δυνατό να υπάρξουν και γιατί. "
Η ανακοίνωση της Marletto “Constructor Theory of Life”, δημοσιεύθηκε μόλις δύο χρόνια μετά την αρχική εργασία του Deutsch. Σε αυτή, δείχνει ότι η εξέλιξη της ζωής είναι συμβατή με νόμους της φυσικής που οι ίδιοι δεν περιέχουν σχέδιο, υπό την προϋπόθεση ότι επιτρέπουν την ενσωμάτωση ψηφιακής πληροφορίας (στη Γη, αυτό παίρνει τη μορφή DNA). Δείχνει επίσης ότι ένας ακριβής αναπαραγωγέας, όπως τα βιώσιμα γονίδια, πρέπει να χρησιμοποιεί “οχήματα”-φορείς (vehicles) για να εξελιχθεί. Υπό αυτήν την έννοια, εάν η θεωρία του κατασκευαστή είναι αληθής, τότε τα προσωρινά οχήματα δεν είναι απλώς ένα ενδεχόμενο της ζωής στον πλανήτη μας, αλλά μάλλον επιβάλλονται από τους νόμους της φύσης. Μια ενδιαφέρουσα πρόβλεψη στην αναζήτηση εξωγήινης ζωής είναι ότι οπουδήποτε βρεθεί ζωή στο σύμπαν, θα βασίζεται αναγκαστικά σε αντιγραφείς και οχήματα. Φυσικά, αυτά μπορεί να μην είναι το DNA, τα κύτταρα και οι οργανισμοί με τους οποίους είμαστε εξοικειωμένοι, αλλά (κάποιοι) αντιγραφείς και οχήματα θα είναι παρόντα σε κάποια διάταξη.
Μπορείτε να σκεφτείτε τη Θεωρία Κατασκευαστή ως Θεωρία για τις Θεωρίες.
Αντίθετα, η γενική σχετικότητα εξηγεί και προβλέπει τις κινήσεις των αντικειμένων καθώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και με την αρένα του χωροχρόνου. Μια τέτοια θεωρία μπορεί να ονομαστεί θεωρία «αντικειμενικού επιπέδου» (object-level). Η Θεωρία Kατασκευαστή, από την άλλη πλευρά, είναι μια θεωρία «μετα-επιπέδου» (meta-level) - οι δηλώσεις της είναι Νόμοι για τους Νόμους. Έτσι, ενώ η γενική σχετικότητα καθορίζει τη συμπεριφορά όλων των αστεριών, τόσο εκείνων που έχουμε παρατηρήσει όσο και εκείνων που δεν έχουμε ξαναδεί, η Θεωρία Κατασκευαστή καθορίζει ότι όλες οι θεωρίες αντικειμενικού επιπέδου, τόσο τρέχουσες όσο και μελλοντικές, συμμορφώνονται με τους νόμους μετα-επιπέδου, επίσης αποκαλούμενες ως Αρχές (Principles). Εκ των υστέρων, μπορούμε να δούμε ότι οι επιστήμονες έχουν ήδη λάβει σοβαρά υπόψη αυτές τις αρχές, ακόμη και πριν από την αυγή της Θεωρίας Κατασκευαστών. Για παράδειγμα, οι φυσικοί αναμένουν ότι όλες οι μέχρι σήμερα άγνωστες φυσικές θεωρίες θα συμμορφώνονται με την αρχή της διατήρησης της ενέργειας.
Μπορεί όμως να ελεγχθεί (πειραματικά) η θεωρία;
Η γενική σχετικότητα μπορεί να ελεγχθεί παρατηρώντας τις κινήσεις των αστεριών και των γαλαξιών. Η κβαντική μηχανική μπορεί να δοκιμαστεί σε εργαστήρια όπως το Large Hadron Collider (στο CERN). Αλλά επειδή οι Αρχές της Θεωρίας Κατασκευαστή δεν κάνουν άμεσες προβλέψεις για την κίνηση των φυσικών συστημάτων, πώς θα μπορούσε κανείς να τις δοκιμάσει;
Ο Vlatko Vedral, φυσικός στην Οξφόρδη και καθηγητής κβαντικής πληροφορικής, συνεργάζεται με τη Marletto για να κάνει ακριβώς αυτό, επινοώντας εργαστηριακά πειράματα στα οποία τα κβαντο- μηχανικά συστήματα θα μπορούσαν να αλληλεπιδράσουν με τη βαρύτητα.
Ένα από τα μεγαλύτερα εκκρεμή προβλήματα στη σύγχρονη φυσική είναι ότι η γενική σχετικότητα και η κβαντική μηχανική είναι ασυμβίβαστες μεταξύ τους - η γενική σχετικότητα δεν εξηγεί τις μικροσκοπικές κινήσεις και αλληλεπιδράσεις των ατόμων, ενώ η κβαντομηχανική δεν εξηγεί τη βαρύτητα ούτε τις επιπτώσεις της σε αντικείμενα με μεγάλη μάζα.
Το 2014, Marletto και Deutsch δημοσίευσαν ένα έγγραφο που περιγράφει τη Θεωρία Κατασκευαστή Πληροφορίας, στην οποία εξέφρασαν ποσότητες όπως πληροφορία, υπολογισμός, μετρήσεις και διακριτότητα, όσον αφορά τους πιθανούς και απίθανους μετασχηματισμούς. Έδειξαν επίσης ότι όλα τα αποδεκτά χαρακτηριστικά των κβαντικών πληροφοριών απορρέουν από τις προτεινόμενες Αρχές στη Θεωρία Κατασκευαστών τους.
Ένα Μέσο Πληροφορίας είναι ένα φυσικό σύστημα στο οποίο τεκμηριώνονται οι πληροφορίες, όπως ένας (ηλεκτρονικός) υπολογιστής ή ένας (ανθρώπινος) εγκέφαλος. Ένα Παρατηρήσιμο (observable) είναι οποιαδήποτε φυσική ποσότητα που μπορεί να μετρηθεί. Όρισαν ως “Μέσο Υπερπληροφορίας” (superinformation medium) ένα μέσο πληροφορίας με τουλάχιστον δύο παρατηρήσιμα στοιχεία πληροφορίας, των οποίων η ένωση δεν είναι μια παρατηρήσιμη πληροφορία. Για παράδειγμα, στην κβαντική θεωρία, μπορεί κανείς να μετρήσει ακριβώς την ταχύτητα ενός σωματιδίου ή τη θέση του, αλλά ποτέ και τα δύο ταυτόχρονα. Συνεπώς, η κβαντική πληροφορία είναι ένα παράδειγμα υπερπληροφορίας. Αλλά το κυριότερο, η έννοια Υπερπληροφορίας της Θεωρίας Κατασκευαστή είναι γενικότερη και αναμένεται να ισχύει για οποιεσδήποτε θεωρίες, που αντικαθιστούν την κβαντική θεωρία και τη γενική σχετικότητα.
Σε ένα έγγραφο εργασίας από τον Μάρτιο του 2020, Marletto και Vedral έδειξαν ότι εάν οι κατασκευαστικο-θεωρητικές αρχές της πληροφορίας είναι σωστές, τότε εάν δύο κβαντικά συστήματα, όπως δύο μάζες, διεμπλέκονται μεταξύ τους (become entangled) μέσω ενός τρίτου συστήματος, όπως ένα πεδίο βαρύτητας, τότε αυτό το τρίτο σύστημα πρέπει να είναι και το ίδιο κβαντικό. Έτσι, εάν κάποιος μπορούσε να κατασκευάσει ένα πείραμα στο οποίο ένα βαρυτικό πεδίο μπορεί τοπικά να δημιουργήσει διεμπλοκή μεταξύ, ας πούμε, δύο qubits, τότε η βαρύτητα πρέπει να είναι μη κλασική – αφού θα είχε δύο παρατηρήσιμα που δεν μπορούν ταυτόχρονα να μετρηθούν με την ίδια ακρίβεια, όπως είναι η περίπτωση στην κβαντική θεωρία.
- Εάν ένα τέτοιο πείραμα δεν έδειχνε καμία διεμπλοκή μεταξύ των qubits, τότε η θεωρία του κατασκευαστή θα απαιτούσε αναθεώρηση, ή μπορεί να είναι εντελώς ψευδής.
- Εάν το πείραμα δείξει διεμπλοκή μεταξύ των δύο μαζών, θα αποκλειστούν όλες οι τρέχουσες προσπάθειες ενοποίησης της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής που υποθέτουν ότι η βαρύτητα είναι κλασική.
"Υπάρχουν τρεις εκδοχές για το πώς η βαρύτητα θα μπορούσε να γίνει συνεπής με την κβαντική φυσική", δήλωσε ο Vedral. «Μία από αυτές : να είναι μια πλήρως κβαντική βαρύτητα.» Οι θεωρίες που προτείνουν πλήρως κβαντική βαρύτητα περιλαμβάνουν:
1. την κβαντική βαρύτητα Βρόχων (Loop quantum gravity), την ιδέα ότι ο χώρος αποτελείται από βρόχους βαρυτικών πεδίων,
2. την θεωρία Χορδών (String theory), την ιδέα ότι τα σωματίδια αποτελούνται από χορδές που κινούνται μέσω του χώρου, μερικές από τις δονήσεις των οποίων αντιστοιχούν σε κβαντο-μηχανικά σωματίδια που φέρουν βαρυτική δύναμη.
"Αυτά θα ήταν συνεπή με ένα θετικό αποτέλεσμα του προτεινόμενου πειράματός μας" και
“Νομίζω ότι το πείραμά μας απέχει ακόμη πέντε ή έξι τάξεις μεγέθους από τις τρέχουσες τεχνολογικές δυνατότητες”, δήλωσε ο Vedral.
Εάν η Θεωρία Κατασκευαστή συνεχίσει να επιλύει προβλήματα, τότε οι φυσικοί μπορεί να δεχθούν να υιοθετήσουν μια επαναστατική νέα κοσμοθεωρία. Θα σκεφτούν την πραγματικότητα όχι ως μια μηχανή που συμπεριφέρεται προβλέψιμα σύμφωνα με τους νόμους της κίνησης, αλλά ως έναν κοσμικό ωκεανό γεμάτο πόρους ικανούς να μεταμορφωθούν από έναν κατάλληλο Κατασκευαστή. Θα ήταν μια πραγματικότητα που ορίζεται από την Πιθανότητα και όχι από το Πεπρωμένο.
Υ.Γ. : Η Θεωρία αφορά ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΗ (Constructor) – ΟΧΙ ΔΗΜΙΟΥΡΓΟ (Creator) αφού η σύγχρονη Φυσική βασίζεται στη μαθηματική και πειραματική διαπίστωση ότι :
Η ΥΠΟΘΕΣΗ ΓΙΑ ΥΠΑΡΞΗ ΔΗΜΙΟΥΡΓΟΥ ΣΤΟ ΣΥΜΠΑΝ ΔΕΝ ΕΙΝΑΙ ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΗ !!!!
Για όσους ενδιαφέρονται, ακολουθεί ο σύνδεσμος στο πλήρες άρθρο: https://gizmodo.com/a-meta-theory-of-physics-could-explain-life-the-univer-1844806293
