Η ζωή σε ένα ολόγραμμα: Ανακαλύψεις από το MIT

Η αναζήτηση του Dan Harlow για την ενότητα της φυσικής

Ο Dan Harlow, φυσικός στο MIT, αφιερώνει μεγάλο μέρος του χρόνου του σκεπτόμενος ένα “μπούμερανγκ” σύμπαν. Αναζητά απαντήσεις σε ένα από τα μεγαλύτερα ερωτήματα της σύγχρονης φυσικής: Πώς μπορεί το σύμπαν μας να λειτουργεί σύμφωνα με δύο ασύμβατα βιβλία κανόνων;

Το πρώτο, το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής, είναι η κβαντομηχανική θεωρία των σωματιδίων, των πεδίων και των δυνάμεων, και οι τρόποι με τους οποίους αλληλεπιδρούν για να οικοδομήσουν το σύμπαν στο οποίο ζούμε. Το δεύτερο, η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Einstein, περιγράφει την επίδραση της βαρύτητας και πώς η θεμελιώδης αυτή δύναμη συνενώνει την ύλη για να δημιουργήσει πλανήτες, γαλαξίες και άλλα μαζικά αντικείμενα.

Η σύγκρουση των θεωριών και η αναζήτηση της ενότητας

Και οι δύο θεωρίες λειτουργούν εξαιρετικά καλά στα αντίστοιχα πεδία τους. Ωστόσο, η θεωρία του Einstein καταρρέει όταν προσπαθεί να περιγράψει πώς λειτουργεί η βαρύτητα σε κβαντικές κλίμακες, ενώ η κβαντομηχανική κάνει προβλέψεις που λυγίζουν την πραγματικότητα όταν εφαρμόζεται σε κοσμικές διαστάσεις. Για πάνω από έναν αιώνα, οι φυσικοί αναζητούν τρόπους να ενώσουν τις δύο θεωρίες και να αποκαλύψουν την αλήθεια για το τι κάνει το σύμπαν μας να λειτουργεί.

Ο Harlow υποψιάζεται ότι οποιοδήποτε συνδετικό νήμα μπορεί να είναι πολύ λεπτό για να το κατανοήσουμε στο υπάρχον σύμπαν μας. Αντίθετα, αναζητά απαντήσεις σε μια “μπούμερανγκ” εκδοχή — μια εναλλακτική πραγματικότητα που διπλώνει πίσω στον εαυτό της, όπως η τροχιά ενός μπούμερανγκ, αντί να εκτείνεται και να επεκτείνεται ατελείωτα όπως το πραγματικό μας σύμπαν. Η κβαντική βαρύτητα σε αυτό το μπούμερανγκ σύμπαν αποδεικνύεται ευκολότερη στην κατανόηση, καθώς μπορεί να αναδιατυπωθεί με όρους συμβατικής κβαντικής θεωρίας (χωρίς βαρύτητα) χρησιμοποιώντας μια ισχυρή ιδέα που ονομάζεται ολογραφική δυαδικότητα.

Αναπάντεχες αποκαλύψεις και η σύνδεση με την κβαντική πληροφορική

Σε αυτό το μπούμερανγκ περιβάλλον, ο Harlow έχει κάνει μερικές συναρπαστικές, απρόσμενες αποκαλύψεις. Έχει δείξει, για παράδειγμα, ότι οι εξισώσεις που περιγράφουν πώς συμπεριφέρεται η βαρύτητα σε αυτό το “παιχνιδιάρικο” σύμπαν είναι οι ίδιες εξισώσεις που ελέγχουν τους κβαντικούς κώδικες διόρθωσης σφαλμάτων που ελπίζουμε ότι σύντομα θα χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή πραγματικών κβαντικών υπολογιστών. Το γεγονός ότι τα μαθηματικά που περιγράφουν τη βαρύτητα μπορεί να έχουν σχέση με την προστασία πληροφοριών σε κβαντικούς υπολογιστές ήταν μια έκπληξη από μόνη της. Το ότι και τα δύο φαινόμενα μοιράζονται την ίδια φυσική, τουλάχιστον σε αυτό το εναλλακτικό σύμπαν, υποδηλώνει μια πιθανή σύνδεση μεταξύ της θεωρίας του Einstein και της κβαντομηχανικής στο πραγματικό σύμπαν.

Η πορεία του Harlow και η συμβολή του στην επιστήμη

Η ανακάλυψη, την οποία έκανε ο Harlow ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Princeton το 2014, πυροδότησε νέες γραμμές έρευνας στη μελέτη τόσο της κβαντικής βαρύτητας όσο και της κβαντικής θεωρίας πληροφορίας. Από τότε που εντάχθηκε στο MIT και στο Κέντρο Θεωρητικής Φυσικής το 2017, ο Harlow συνεχίζει την αναζήτησή του για θεμελιώδεις συνδέσεις μεταξύ της γενικής σχετικότητας και της κβαντομηχανικής, και πώς αυτές μπορεί να διασταυρώνονται στα πλαίσια των μαύρων τρυπών και της κοσμολογίας.

«Ένα από τα πράγματα που είναι διασκεδαστικά είναι ότι, παρόλο που στη φυσική και γενικότερα στην επιστήμη μελετάμε διαφορετικά συστήματα και πειράματα, πολλές από τις ιδέες είναι οι ίδιες», λέει ο Harlow, αναπληρωτής καθηγητής που έλαβε μονιμότητα το 2022. «Προσπαθώ να έχω ανοιχτό μυαλό και να κρατώ τα αυτιά μου ανοιχτά, και να ψάχνω πώς μπορεί να σχετίζονται τα πράγματα».

Η προσωπική διαδρομή και η φιλοσοφία του Harlow

Γεννημένος στο Σινσινάτι, ο Harlow μετακόμισε ως παιδί με την οικογένειά του στη Βοστώνη, όπου πέρασε αρκετά χρόνια πριν η οικογένεια μετακομίσει ξανά και εγκατασταθεί στο Σικάγο. Όταν ήταν 10 ετών, ξεκίνησε μαθήματα πιάνου, εστιάζοντας αρχικά στην κλασική μουσική και μετά στο ροκ. Στο γυμνάσιο, έπαιζε πλήκτρα σε διάφορα συγκροτήματα πριν βρει το ρυθμό του στο πιο χαλαρό, αυτοσχεδιαστικό στυλ της τζαζ.

«Μου αρέσει να κάθομαι και να παίζω με άλλους ανθρώπους, και να βλέπω πού θα μας οδηγήσει», λέει ο Harlow.

Η αγάπη του για την τζαζ ήταν εν μέρει αυτό που τον οδήγησε στη Νέα Υόρκη μετά το λύκειο, όπου φοίτησε στο Πανεπιστήμιο Columbia, το οποίο τυχαία βρισκόταν κοντά σε μερικά από τα καλύτερα τζαζ κλαμπ της πόλης. Το βασικό πρόγραμμα σπουδών του πανεπιστημίου, που απαιτούσε από τους φοιτητές να διαβάζουν κλασικά έργα λογοτεχνίας και φιλοσοφίας, επίσης τον προσέλκυσε.

Η ερευνητική πορεία και οι επιρροές του

Ο Harlow εργάστηκε για τρία χρόνια ως προπτυχιακός ερευνητικός βοηθός σε ένα πειραματικό εργαστήριο κοσμολογίας στην πανεπιστημιούπολη, όπου έμαθε να εργάζεται σε καθαρό χώρο και να εκτελεί προσομοιώσεις για τη βελτίωση της απόδοσης φίλτρων που είχαν σχεδιαστεί για να ανιχνεύουν λεπτές ενδείξεις ακτινοβολίας που απέμεινε από το Big Bang.

Εκτίμησε ιδιαίτερα τη γενική προσέγγιση της επικεφαλής του εργαστηρίου, Amber Miller, η οποία τότε ήταν νεαρή καθηγήτρια.

«Είχε έναν εξαιρετικό τρόπο να διευθύνει την ομάδα της, όπου δεν ήταν τόσο προσκολλημένη στις δημοσιεύσεις ή στην ολοκλήρωση πραγμάτων σε σύντομο χρονικό διάστημα», θυμάται ο Harlow. «Απλώς μας άφηνε να πειραματιστούμε».

Ανοιχτά ερωτήματα και η μελλοντική κατεύθυνση