|
|
|
Έξοδος από το σκοτάδι
|
1o, 2ο, 3οΊσως η επιτάχυνση της διαστολής του Σύμπαντος να μην οφείλεται σε τελευταία ανάλυση στη σκοτεινή ενέργεια, αλλά να είναι μια συνεχής διαρροή της βαρύτητας έξω από τον κόσμο μας. Ποτέ στο παρελθόν οι κοσμολόγοι δεν έχουν βρεθεί σε τόσο μεγάλη σύγχυση όσο μετά την ανακάλυψη ότι το Σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό. Όταν οι αστρονόμοι ήρθαν για πρώτη φορά αντιμέτωποι με το πρόβλημα της κοσμικής επιτάχυνσης, η πρώτη αντίδραση ήταν να την αποδώσουν στην κοσμολογική σταθερά. Η σταθερά αυτή αντιπροσωπεύει την ενέργεια που υπάρχει στον κενό χώρο. Υπολογίζεται δε ότι είναι ισοδύναμη με πυκνότητα μάζας 10-26 kg/m3. Το πρόβλημα με αυτήν είναι όμως ότι είναι πολύ μικρή για να εξηγήσει την κοσμική ιστορία του σύμπαντος. Για να ξεπεράσουν το πρόβλημα, πολλοί φυσικοί πρότειναν ότι η επιτάχυνση δεν οφείλεται στην ενέργεια του κενού χώρου αλλά σε ένα πεδίο που υπάρχει παντού μέσα στο χώρο. Η δυναμική ενέργεια μερικών πεδίων που γεμίζουν ομογενώς το χώρο, μπορεί να δρα σαν την κοσμολογική σταθερά. Ένα τέτοιο πεδίο που προτάθηκε είναι το ίνφλατον (inflaton), με το οποίο μάλιστα εξηγούν την φοβερή επιτάχυνση που επικράτησε στις αρχικές στιγμές του σύμπαντος σύμφωνα με την πληθωριστική θεωρία. Ίσως ένα παρόμοιο πεδίο να προκαλεί την επιτάχυνση και σήμερα. Μια άλλη πρόταση για την εξήγηση της επιτάχυνσης φέρει το εξωτικό όνομα της πεμπτουσίας. Όπως και η κοσμολογική σταθερά φαίνεται να έχει μικρή τιμή, αλλά οι οπαδοί της λένε ότι είναι ευκολότερο μια δυναμική ποσότητα όπως η πεμπτουσία να αποκτήσει τη σωστή τιμή, παρά μια στατική ποσότητα όπως η ενέργεια κενού. Και οι δύο προτάσεις ανήκουν στην κατηγορία αυτών που ονομάζονται σκοτεινή ενέργεια. Μια άλλη εναλλακτική εξήγηση έρχεται από τους φυσικούς εκείνους που πιστεύουν στις θεωρίες περισσοτέρων διαστάσεων. Οι θεωρίες αυτές επεμβαίνουν κατευθείαν στον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρεται η βαρύτητα. Οι θεωρίες αυτές έχουν την καταγωγή τους στη θεωρία χορδών. Στη συνήθη θεωρία χορδών όμως οι επιπλέον διαστάσεις είναι περιτυλιγμένες σε πεπερασμένους μικροσκοπικούς κύκλους. Οι κύκλοι αυτοί είναι της κλίμακας Planck, δηλαδή 10-35m. Σε τέτοιες μικροσκοπικές κλίμακες αναμένεται να έχουν αποτελέσματα επί της βαρύτητας, σε μακροσκοπικές κλίμακες όμως συμπαντικών διαστάσεων η αλληλεπίδρασή τους στη βαρύτητα θα είναι αμελητέα. Από την άλλη μεριά αν υπάρχουν έξτρα διαστάσεις σε συμπαντική κλίμακα τότε η επίδρασή τους στους ίδιους τους νόμους της βαρύτητας θα είναι προφανής. Πράγματι, τόσο στην κλασσική Νευτώνεια θεωρία, όσο και στην Γενική Σχετικότητα, ισχύει για την βαρύτητα ο νόμος του αντιστρόφου τετραγώνου. Ο νόμος αυτός είναι απόρροια του νόμου του Gauss για τις βαρυτικές δυναμικές γραμμές. Η ένταση δηλαδή της βαρύτητας καθορίζεται από την πυκνότητα των δυναμικών γραμμών, και καθώς η απόσταση αυξάνει, οι δυναμικές γραμμές απλώνονται σε όλο και μεγαλύτερες συνοριακές επιφάνειες. Στον τρισδιάστατο χώρο η συνοριακή επιφάνεια είναι δισδιάστατη και το εμβαδόν της αυξάνει με το τετράγωνο της απόστασης. Αν όμως ο χώρος είναι τετραδιάστατος, η συνοριακή επιφάνεια θα ήταν ένας τρισδιάστατος όγκος, του οποίου το μέγεθος αυξάνει με τον κύβο της απόστασης. Στην περίπτωση αυτή η πυκνότητα των δυναμικών γραμμών θα μειωνόταν με τον κύβο της απόστασης. Η βαρύτητα συνεπώς τότε θα ήταν ασθενέστερη απ' ότι στον τρισδιάστατο κόσμο. Σε κοσμολογική κλίμακα τότε αποδεικνύεται ότι η εξασθένιση της βαρύτητας θα μπορούσε να οδηγήσει σε επιτάχυνση της διαστολής όπως θα δείξουμε παρακάτω. ΑΠΟ ΤΟΝ 2-ΔΙΑΣΤΑΤΟ ΧΩΡΟ ΣΤΙΣ 4 ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ Το κλειδί για το νόμο της βαρύτητας είναι ότι η
έντασή της εξασθενίζει με την απόσταση διότι απλώνεται σε όλο και μεγαλύτερη επιφάνεια
καθώς απομακρυνόμαστε από την πηγή της. Αυτό ισχύει όσες και αν είναι οι διαστάσεις του
κόσμου μας. Ζωή φυλακισμένη Μια ενδιαφέρουσα απάντηση στο ερώτημα αυτό προτάθηκε το 1999, και λέει ότι όλες οι διαστάσεις, ακόμη και οι επιπλέον είναι απείρου μεγέθους. Το παρατηρήσιμο σύμπαν είναι μια τρισδιάστατη επιφάνεια ή μια βράνη όπως αποκαλείται όταν ανήκει σε ένα χώρο περισσοτέρων διαστάσεων. Η συνήθης ύλη είναι προσκολλημένη επάνω στη βράνη αυτή, αλλά μερικές δυνάμεις όπως η βαρύτητα μπορούν να δραπετεύσουν από την βράνη. Η βαρύτητα έχει την ιδιότητα αυτή διότι διαφέρει θεμελιωδώς από τις άλλες δυνάμεις. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία πεδίου η βαρύτητα έχει ως σωματίδια φορείς τα βαρυτόνια. Η βαρυτική έλξη εξηγείται με την ανταλλαγή βαρυτονίων μεταξύ δύο σωμάτων, όπως η ηλεκτρική και η μαγνητική δύναμη εξηγείται με ανταλλαγή φωτονίων μεταξύ φορτισμένων σωματίων. Όταν η βαρύτητα είναι στατική αυτά τα βαρυτόνια είναι "εικονικά" - αν και τα αποτελέσματά τους είναι μετρήσιμα, τα ίδια δεν μπορούν να παρατηρηθούν ως ανεξάρτητα σωματίδια - όπως ακριβώς και τα εικονικά φωτόνια που ανταλλάσσονται μεταξύ δύο ακίνητων φορτισμένων σωματίων δεν μπορούν να παρατηρηθούν. Ο Ήλιος κρατάει σε τροχιά τη Γη μας επειδή εκπέμπει εικονικά βαρυτόνια τα οποία απορροφά η Γη. Τα πραγματικά ή παρατηρήσιμα βαρυτόνια αντιστοιχούν στα βαρυτικά κύματα τα οποία εκπέμπονται όταν μεταβάλλεται η καμπύλωση περιοχών του χωροχρόνου. Τα βαρυτόνια όπως και τα άλλα σωματίδια, η θεωρία χορδών τα αντιμετωπίζει ως τρόπους ταλάντωσης χορδών. Αλλά ενώ το ηλεκτρόνιο, το πρωτόνιο, και το φωτόνιο είναι ταλαντώσεις χορδών με ανοικτά άκρα, όπως οι χορδές του βιολιού, το βαρυτόνιο είναι ταλάντωση μιας χορδής- βρόχου, όπως τα λάστιχα που τυλίγουμε πακέτα. Οι θεωρητικοί έχουν δείξει ότι τα άκρα των ανοικτών χορδών δεν είναι ελεύθερα, είναι προσκολλημένα σε μια βράνη. Αν προσπαθήσουμε να τραβήξουμε μια ανοικτή χορδή έξω από τη βράνη, αυτή θα τεντώσει σαν ελαστική χορδή, αλλά θα παραμείνει κολλημένη στη βράνη. Αντίθετα, οι κλειστές χορδές όπως τα βαρυτόνια δεν μπορούν να μείνουν προσκολλημένες στη βράνη. Είναι ελεύθερες να εξερευνήσουν τον πλήρη 10-διάστατο χώρο. Για να είμαστε ακριβείς τα βαρυτόνια δεν έχουν πλήρη ελευθερία. αν είχαν, ο καθιερωμένος νόμος της βαρύτητας θα αποτύγχανε παταγωδώς. Οι Lisa Randall του πανεπιστημίου Harvard και Raman Sundrum του πανεπιστημίου Johns Hopkins, που πρότειναν το μοντέλο των επιπλέον διαστάσεων απείρου μεγέθους, πρότειναν ότι τα βαρυτόνια υπόκεινται σε περιορισμούς διότι οι επιπλέον διαστάσεις, αντίθετα με τις συνηθισμένες, είναι πολύ ισχυρά καμπυλωμένες - δημιουργώντας μια κοιλάδα με πολύ απότομα τοιχώματα - και εμποδίζουν τα βαρυτόνια να διαφύγουν μακριά. Επειδή οι έξτρα διαστάσεις είναι ισχυρά καμπυλωμένες, ο όγκος τους είναι πρακτικά πεπερασμένος, έστω και αν το μέγεθος των διαστάσεων αυτών είναι άπειρο. Μπορούμε να παρομοιάσουμε την κατάσταση αυτή με ένα ποτήρι του τζιν, το οποίο έχει άπειρο βάθος αλλά η διατομή του μικραίνει αντιστρόφως ανάλογα με το βάθος του. Για να γεμίσουμε αυτό το ποτήρι χρειαζόμαστε μια πεπερασμένη ποσότητα τζιν. Εξαιτίας της ισχυρής καμπυλότητας του ποτηριού, ο όγκος του είναι κυρίως συγκεντρωμένος κοντά στο στόμιό του. Η εικόνα αυτή μοιάζει με αυτό που συμβαίνει στο σενάριο Randall-Sundrum. Ο όγκος του χώρου των έξτρα διαστάσεων είναι συγκεντρωμένος γύρω από τη βράνη μας. Συνεπώς ένα βαρυτόνιο αναγκάζεται να περάσει το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου κοντά στη βράνη. Η πιθανότητα να βρούμε το βαρυτόνιο αυτό σε κάποια απόσταση από τη βράνη, ελαττώνεται γρήγορα με την αύξηση της απόστασης από τη βράνη. Στη γλώσσα της κβαντικής φυσικής λέμε ότι η κυματοσυνάρτηση του βαρυτονίου έχει το μέγιστό της επάνω στη βράνη. Αν και η ιδέα του μοντέλου αυτού είναι διαφορετική από τις κλειστές κυκλικές διαστάσεις πολύ μικρής κλίμακας της θεωρίας χορδών, τα συμπεράσματά της είναι στην ουσία παρόμοια. Και τα δύο μοντέλα αλλάζουν το νόμο της βαρύτητας σε μικρές μόνο αποστάσεις, κι έτσι δεν μπορούν να εξηγήσουν την επιτάχυνση που εκδηλώνεται σε πολύ μεγάλες κλίμακες αποστάσεων. Η φυσική επάνω στη βράνη Μια τρίτη προσέγγιση προβλέπει την μεταβολή του νόμου της βαρύτητας σε κοσμολογικές κλίμακες και εξηγεί την επιτάχυνση, χωρίς να χρειάζεται να καταφύγουμε στη σκοτεινή ενέργεια. Προτάθηκε το 2000 από τους Gregory Gabadadze, Massimo Porrati και Georgi Dvali, και θεωρεί ότι οι επιπλέον διαστάσεις, σαν τις συνηθισμένες διαστάσεις που βλέπουμε γύρω μας δεν είναι ούτε κλειστές συμπαγείς και μικροσκοπικές, αλλά ούτε και ισχυρά καμπυλωμένες. ΤΡΕΙΣ ΤΡΟΠΟΙ ΝΑ ΠΡΟΣΘΕΣΟΥΜΕ ΝΕΕΣ ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ Ο Albert Einstein και άλλοι επιστήμονες της γενιάς
του όπως ο Theodor Kaluza και Oskar Klein γοητεύτηκαν από την ιδέα ότι ο κόσμος
μας έχει κρυμμένες διαστάσεις. Για απλούστευση ας θεωρήσουμε τον 3-διάστατο κόσμο σαν
ένα πλέγμα, και σε κάθε σημείο του ας θεωρήσουμε μια γραμμή που παριστάνει την επιπλέον
διάσταση.
1o, 2ο, 3ο
1. The Elegant
Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory. Brian
Greene. W. W. Norton, 2003. |
