|
|
|
Ο Μύθος της αρχής του χρόνου
|
1o, 2ο, 3ο,4ο,5οΠαρόλα αυτά, οι ιδιότητες του γαλαξία μας είναι βασικά οι ίδιες με με αυτές των μακρινών γαλαξιών. Είναι σα να πάτε σ' ένα πάρτι και να διαπιστώσετε ότι φοράτε ακριβώς τα ίδια ρούχα με άλλους δέκα φίλους σας. Αν δύο από σας είχατε ακριβώς τα ίδια ρούχα, θα το αποδίδατε σε σύμπτωση, αλλά δέκα από σας σημαίνει ότι οι οργανωτές του πάρτι σας είχαν δώσει εντολές για το ντύσιμο. Στην κοσμολογία ο αριθμός δεν είναι δέκα αλλά δεκάδες χιλιάδων. Πρόκειται για τον αριθμό των στατιστικά ανεξάρτητων περιοχών του ουρανού που είναι πανομοιότυποι στο υπόβαθρο της ακτινοβολίας μικροκυμάτων. Μια δυνατότητα είναι ότι όλες αυτές οι περιοχές του χώρου είχαν κατά τη
γέννησή τους ίδιες ιδιότητες - με άλλα λόγια, η ομοιογένεια είναι απλή σύμπτωση. Οι
φυσικοί όμως έχουν σκεφτεί και άλλους δύο φυσικούς τρόπους για να εξηγήσουν αυτή την
ομοιογένεια. Λένε δηλαδή πως το αρχικό σύμπαν ήταν πολύ μικρότερο ή πολύ παλαιότερο απ'
ότι δεχόμαστε στην κλασσική κοσμολογία. Είτε ο κάθε λόγος ξεχωριστά είτε από κοινού, θα
μπορούσε να κάνει την επικοινωνία αυτών των περιοχών μεταξύ τους δυνατή. Οι φυσικοί αποδίδουν την πληθωριστική διαστολή στη δυναμική ενέργεια που περιέχεται σ' ένα νέο κβαντικό πεδίο, το ίνφλατον, και πιστεύουν ότι συνέβη μόλις 10-35 sec. μετά τη μεγάλη έκρηξη. Η δυναμική ενέργεια, σε αντίθεση με τη μάζα ηρεμίας και την κινητική ενέργεια, οδηγεί σε βαρυτική άπωση. Αντί να επιβραδύνει την διαστολή, όπως κάνει η βαρύτητα και η συνηθισμένη ύλη, το ίνφλατον την επιτάχυνε. Η θεωρία του πληθωρισμού προτάθηκε το 1981 από τους Alan H. Guth και Paul J. Steinhardt, και έχει εξηγήσει πολλές από τις παρατηρήσεις μας με ακρίβεια. Αρκετά θεωρητικά προβλήματα παραμένουν ωστόσο, όπως για παράδειγμα, τι ήταν ακριβώς το ίνφλατον και από που προήλθε η τεράστια αρχική δυναμική ενέργειά του. Ένας δεύτερος, λιγότερο γνωστός τρόπος να λύσουμε το αίνιγμα ακολουθεί την άλλη εναλλακτική πρόταση, και απορρίπτει την ύπαρξη της αρχικής ανωμαλίας. Αν ο χρόνος δεν άρχισε με την μεγάλη έκρηξη, αν μια μακρά εποχή προϋπήρξε της παρούσας κοσμικής διαστολής, η ύλη θα είχε αρκετό χρόνο για να ρυθμίσει την ομοιογένειά της. Οι ερευνητές λοιπόν έχουν ξαναεξετάσει τους λόγους που τους οδήγησαν στην παραδοχή μιας αρχικής ανωμαλίας. Μια από τις παραδοχές - ότι η θεωρία της σχετικότητας είναι πάντα σωστή - είναι υπό αμφισβήτηση. Πολύ κοντά στην υποτιθέμενη ανωμαλία, τα κβαντικά φαινόμενα έρχονται στο προσκήνιο, και ίσως μάλιστα να είναι και κυρίαρχα. Η καθιερωμένη σχετικότητα δεν λαμβάνει υπ' όψιν της τέτοια φαινόμενα, κι έτσι το να πιστέψουμε ότι η ανωμαλία είναι αναπόφευκτη, σημαίνει να εμπιστευτούμε τη θεωρία πέρα από τα όρια ισχύος της. Για να μάθουμε τι ακριβώς ισχύει, οι φυσικοί χρειάζεται να εντάξουν τη σχετικότητα μέσα σε μια κβαντική θεωρία βαρύτητας. Η προσπάθεια αυτή ξεκίνησε αμέσως μετά τον Eistein, αλλά καμιά ουσιαστική πρόοδος δεν σημειώθηκε μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 1980. Εξέλιξη μιας επανάστασης Σήμερα υπάρχουν δύο προσεγγίσεις. Η μια έχει το όνομα της κβαντικής θεωρίας βρόχων, κρατάει ουσιαστικά άθικτη τη θεωρία του Einstein, αλλά αλλάζει τη διαδικασία με την οποία την ενσωματώνει στην κβαντομηχανική. Οι θιασώτες της κβαντικής θεωρίας βρόχων έχουν κάνει μεγάλες προόδους και πέτυχαν σπουδαίες κατανοήσεις βασικών θεμάτων κατά τα τελευταία χρόνια. Η προσέγγισή τους όμως μπορεί να μην είναι τόσο επαναστατική ώστε ν' αντιμετωπίσει τα θεμελιώδη προβλήματα της κβαντικής βαρύτητας. Ένα όμοιο πρόβλημα αντιμετώπισαν οι θεωρητικοί όταν ο Enrico Fermi εισήγαγε την φαινομενολογική θεωρία του για τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις το 1934. Όλες οι προσπάθειες να κατασκευάσουν μια κβαντική έκδοση της θεωρίας του Fermi, απέτυχαν παταγωδώς. Αυτό που χρειαζόταν, δεν ήταν μια νέα τεχνική αλλά μια βαθιά τροποποίηση που έφεραν οι Sheldon L. Glashow, Steven Weinberg και Abdus Salam στο τέλος της δεκαετίας του1960. Η δεύτερη προσέγγιση, την οποία θεωρώ προσωπικά πιο ελπιδοφόρα, είναι η θεωρία χορδών - μια πραγματικά επαναστατική τροποποίηση της θεωρίας του Einstein. Το παρόν άρθρο θα εστιάσει σ' αυτήν, αν και οι υποστηρικτές της κβαντικής θεωρίας βρόχων, δηλώνουν ότι επίσης η θεωρία τους καταλήγει σε πολλά όμοια συμπεράσματα. Η θεωρία χορδών ξεπήδησε από ένα μοντέλο που πρότεινα το 1968 για να περιγράψω τον κόσμο των πυρηνικών σωματιδίων (όπως πρωτόνια και νετρόνια) και τις αλληλεπιδράσεις τους. Παρά την αρχική ευφορία, το μοντέλο απέτυχε. Εγκαταλείφθηκε κάμποσα χρόνια αργότερα υπέρ της κβαντικής χρωμοδυναμικής η οποία περιγράφει τα σωματίδια του πυρήνα με πιο στοιχειώδη συστατικά, τα κουάρκς. Τα κουάρκς είναι περιορισμένα μέσα σ' ένα πρωτόνιο ή νετρόνιο σα να ήταν συνδεδεμένα με ελαστικά ελατήρια. Κοιτάζοντας τώρα πίσω στον χρόνο βλέπουμε ότι η θεωρία χορδών είχε συλλάβει αυτή τη χορδική συμπεριφορά του πυρηνικού κόσμου. Μόνο αργότερα η ιδέα αυτή επανήλθε ως υποψήφια για να συνδυάσει τη γενική σχετικότητα με την κβαντομηχανική. Η βασική ιδέα είναι ότι τα στοιχειώδη σωματίδια δεν είναι σημειακά αλλά μάλλον μάλλον απείρου μήκους, λεπτά μονοδιάστατα αντικείμενα, οι χορδές. Ο τεράστιος ζωολογικός κήπος των στοιχειωδών σωματιδίων, το καθένα με τις δικές του χαρακτηριστικές ιδιότητες, αντανακλά τους πολλούς δυνατούς τρόπους ταλάντωσης μιας χορδής. Πως μπορεί μια τέτοια απλοϊκή στη βάση της θεωρία να περιγράψει τον πολύπλοκο κόσμο των σωματιδίων και τις αλληλεπιδράσεις τους; Η απάντηση μπορεί να βρεθεί σε αυτό που λέμε κβαντική μαγεία των χορδών. Όταν εφαρμοστούν οι κανόνες της κβαντικής μηχανικής σε μια ταλαντούμενη χορδή, - φανταστείτε την σαν μια μινιατούρα χορδής βιολιού, εκτός από το ότι οι ταλαντώσεις αυτές διαδίδονται κατά μήκος της χορδής αυτής με την ταχύτητα του φωτός,- νέες ιδιότητες εμφανίζονται. Όλες τους έχουν βαθιές συνέπειες για τη φυσική των σωματιδίων και την κοσμολογία. Πρώτα απ΄όλα οι κβαντικές χορδές έχουν πεπερασμένο μέγεθος. Αν δεν υπήρχαν κβαντικά φαινόμενα, μια χορδή βιολιού θα μπορούσε να κοπεί στη μέση ξανά και ξανά μέχρι να καταλήξει ένα άμαζο σημειακό σωματίδιο. Η αρχή όμως της απροσδιοριστίας του Heizenberg εμποδίζει τις χορδές να έχουν μήκος μικρότερο από 10-34 μέτρα. Αυτό το ελάχιστο κβαντικό μήκος που το παριστάνουμε με ls, είναι μια νέα σταθερά της φύσης που εισήχθη από την θεωρία χορδών η οποία μαζί με την ταχύτητα του φωτός c και την σταθερά του Planck h αποτελούν τις σταθερές της φύσης. Το ελάχιστο αυτό μήκος παίζει ένα κρίσιμο ρόλο σχεδόν σε κάθε βήμα της θεωρίας χορδών, βάζοντας ένα πεπερασμένο όριο σε ποσότητες που αλλιώς θα ήταν είτε μηδενικές είτε απειριζόμενες. Δεύτερον, οι κβαντικές χορδές μπορούν να έχουν στροφορμή ακόμη και αν δεν έχουν μάζα. Στην κλασσική φυσική η στροφορμή είναι μια ιδιότητα ενός αντικειμένου που περιστρέφεται ως προς ένα άξονα. Η σχέση που μας δίνει τη γωνιακή στροφορμή περιέχει το γινόμενο της μάζας του σωματίου επί την ταχύτητά του, επί την απόστασή του από τον άξονα περιστροφής, συνεπώς ένα άμαζο σωματίδιο δεν μπορεί να έχει στροφορμή. Οι κβαντικές διαταραχές όμως αλλάζουν την κατάσταση. Μια μικροσκοπική χορδή μπορεί να αποκτήσει στροφορμή μέχρι 2h χωρίς να χρειάζεται να έχει μάζα. Το χαρακτηριστικό αυτό είναι καλοδεχούμενο, γιατί ταιριάζει ακριβώς με τις ιδιότητες όλων των σωματιδίων φορέων των θεμελιωδών δυνάμεων, όπως είναι το φωτόνιο για τον ηλεκτρομαγνητισμό και το γκραβιτόνιο για τη βαρύτητα. Ιστορικά, η στροφορμή ήταν αυτό που έδειξε στους φυσικούς τις συνέπειες της θεωρίας χορδών στην κβαντική βαρύτητα. Τρίτον, οι κβαντικές χορδές απαιτούν την ύπαρξη επιπλέον διαστάσεων στο χώρο πέρα από τις τρεις συνηθισμένες. Ενώ η χορδή ενός βιολιού θα ταλαντώνεται ανεξάρτητα από τις ιδιότητες του χώρου και του χρόνου, μια κβαντική χορδή είναι αρκετά πιο περίεργη. Οι εξισώσεις που περιγράφουν την ταλάντωσή της γίνονται ασυνεπείς εκτός αν ο χωροχρόνος είναι ισχυρά καμπυλωμένος (σε αντίθεση με τις παρατηρήσεις μας) ή περιέχει 6 ακόμη χωρικές διαστάσεις. Τέταρτον, οι φυσικές σταθερές όπως του Νεύτωνα και του Κουλόμπ, οι οποίες
εμφανίζονται στις εξισώσεις της φυσικής και καθορίζουν τις ιδιότητες της φύσης, δεν
έχουν πια αυθαίρετα καθοριζόμενες σταθερές τιμές. Στη θεωρία χορδών αποκτούν τη μορφή
πεδίων κάπως σαν το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, και ρυθμίζουν τις τιμές τους δυναμικά. Αυτά
τα πεδία μπορεί να έχουν διαφορετικές τιμές σε διαφορετικές κοσμολογικές εποχές ή σε
απομακρυσμένες περιοχές του χώρου, και ακόμη και σήμερα οι "φυσικές σταθερές" μπορεί να
μεταβάλλονται κατά μικρές ποσότητες. Η παρατήρηση κάποιας τέτοιας μεταβολής θα έδινε
τεράστια ώθηση στη θεωρία χορδών. 1o, 2ο, 3ο,4ο,5ο |