Το κλειδί για την κατανόηση του σύμπαντος και του Big Bang είναι οι 10 διαστάσεις και η θεωρία χορδών

Άρθρο του Marcus Chown, Ιούλιος 2004

Ο Κόσμος μας δεν ήρθε από το πουθενά. Εκσφενδονίστηκε προς εμάς από μια υψηλότερη διάσταση. Πριν από τη σύγκρουση, ο Κόσμος μας ήταν κενός. Κι ύστερα αναφλέγει, με μια τρομερή έκρηξη σαν μια ασταμάτητη πύρινη θύελλα φωτός και ύλης.

Τελικά αυτή είναι η περιγραφή της Μεγάλης Έκρηξης; Αυτά που βλέπουμε - με τα ισχυρότερα τηλεσκόπια και στο πιο απόμακρο σημείο του χρόνου - είναι μόνο τα συντρίμμια μιας τιτάνιας σύγκρουσης μεταξύ των συμπάντων;

Μια ομάδα φυσικών από τη Μεγάλη Βρετανία και την Αμερική σκέφτονται ότι έτσι είναι. Και ονομάζουν το σενάριο της σύγκρουσης των συμπάντων, "εκπυρωτικό" σύμπαν, που σημαίνει "γεννημένο από το πυρ". Και ισχυρίζονται ότι η κοσμική σύγκρουση που προκάλεσε τη Μεγάλη Έκρηξη μπορεί να μην ήταν και η πρώτη.

"Πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη, υπήρξε κι άλλη μία Μεγάλη Έκρηξη και, πριν από αυτή, άλλη μία, κάνοντας ασαφή την έναρξη του χρόνου", λέει ο Neil Turok από το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ.

Είναι ένα επιβλητικό όραμα. Και προέρχεται από τη θεωρία χορδής, ένα από τα πιο καυτά θέματα στην κοσμολογία. Η θεωρία χορδής βλέπει τις θεμελιώδεις δομικές μονάδες, από τις οποίες φτιάχνονται τα πάντα, όχι σαν μικροσκοπικά σωματίδια - σημεία - αλλά σαν μικροσκοπικές "χορδές" υπέρπυκνης ύλης.

Οι χορδές - περίπου 10 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων φορές μικρότερες από τα άτομα - δονούνται ακριβώς όπως οι χορδές σε ένα βιολί. Και κάθε νότα που δημιουργούν αντιστοιχεί σε ένα διαφορετικό μικροσκοπικό σωματίδιο πχ ένα ηλεκτρόνιο ή ένα κουάρκ. Όσο υψηλότερη είναι η νότα, τόσο περισσότερη ενέργεια υπάρχει στη δόνηση και τόσο βαρύτερο είναι το σωματίδιο.

Οι πειραματικοί φυσικοί έχουν ανακαλύψει μέχρι τώρα έναν πλήθος θεμελιωδών σωματιδίων, τα οποία "συγκολλούνται" με τη βοήθεια τεσσάρων θεμελιωδών δυνάμεων, οι οποίες εν συνεχεία μεταβιβάζονται από το ένα στο άλλο σωματίδιο με τη βοήθεια άλλων σωματιδίων-φορέων της αλληλεπίδρασης.

Για να μπορούν οι χορδές να μιμηθούν πιστά τις μυριάδες ιδιότητες όλων των θεμελιωδών σωματιδίων, πρέπει να είναι ελεύθερες να πάλλονται με πολλούς διαφορετικούς τρόπους. Αλλά, αυτό μπορεί να συμβεί μόνο, όπως έχουν ανακαλύψει οι θεωρητικοί, εάν οι χορδές βρίσκονται σε έναν κόσμο με 10 χωροχρονικές διαστάσεις.

Ένας κόσμος 10 διαστάσεων προκαλεί μια μικρή αμηχανία στους φυσικούς. Τελικά, ο γνώριμος κόσμος μας εμφανίζεται να έχει μόνο τέσσερις χωροχρονικές διαστάσεις. Εντούτοις, οι υπερασπιστές της θεωρίας χορδής, έχουν αρνηθεί ότι υπάρχει αντίφαση μεταξύ της θεωρίας και της πραγματικότητας. Υποστηρίζουν δε ότι υπάρχουν πρόσθετες χωρικές διαστάσεις, που σήμερα κρύβονται και δεν μπορούμε να τις δούμε. Ενώ οι γνωστές χωρικές διαστάσεις εκτείνονται σε δισεκατομμύρια έτη φωτός στο χώρο, αυτές οι διαστάσεις είναι τυλιγμένες τόσο πολύ, που μέχρι τώρα έχουν περάσει απαρατήρητες.

Και γιατί πρέπει να ανακαλύψουμε αυτές τις κρυμμένες διαστάσεις ενώ είναι σχεδόν ακατόρθωτο;

Η απάντηση είναι ότι υπάρχει η ελπίδα η θεωρία χορδής να επιλύσει ένα από τα μεγαλύτερα εκκρεμή προβλήματα της επιστήμης. Πώς να ενώσει τη γενική θεωρία της σχετικότητας - που περιγράφει τη βαρύτητα - με την κβαντική θεωρία - που περιγράφει τις άλλες τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης.

Η θεωρία του Einstein εξηγεί τη συμπεριφορά των μεγάλων σωμάτων, όπως οι πλανήτες που περιβάλλουν τον ήλιο και την εξέλιξη ολόκληρου του σύμπαντος. Η περιοχή της κβαντικής θεωρίας, αφ' ετέρου, είναι ο κόσμος των μικρών πραγμάτων όπως τα άτομα και τα συστατικά τους. Επειδή οι περιοχές των δύο θεωριών είναι αρκετά διαφορετικές, δεν υπάρχει καμία επικάλυψη τους. Έτσι η κάθε μία θεωρία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ανεξάρτητα από την άλλη. Μια σοβαρή δυσκολία προκύπτει, εντούτοις, όταν οι επιστήμονες στρέφουν την προσοχή τους στις πρώτες στιγμές μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Εκείνη την περίοδο το σύμπαν είχε και πολύ μάζα - η περιοχή της θεωρίας του Einstein - και ήταν μικρότερη και από ένα άτομο - η περιοχή της κβαντικής θεωρίας. Αυτό σημαίνει ότι ούτε η θεωρία του Einstein, ούτε η κβαντική θεωρία, μπορούν ξεχωριστά να μας διαφωτίσουν για εκείνη  την περίοδο. Αυτό που απαιτείται είναι μια υβριδική θεωρία - μία υπερθεωρία - μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας.

Η επινόηση μιας τέτοιας θεωρίας είναι δύσκολη, αλλά οι θεωρητικοί της θεωρίας χορδής ελπίζουν. Μία από τις δυνατές δονήσεις της χορδής, εμφανίζεται να έχει όλες τις ιδιότητες ενός "γκραβιτονίου", ο υποθετικός μεταφορέας της δύναμης της βαρύτητας. Συνεπώς, η θεωρία χορδής - που εγγενώς είναι μια "κβαντική" θεωρία - περιέχει μέσα της μία θεωρία της βαρύτητας. Γι αυτό πολλοί θεωρητικοί την θεωρούν ότι έχει την μεγαλύτερη πιθανότητα να δώσει μια ενοποιημένη θεωρία.

Εντούτοις, οι μονοδιάστατες χορδές δεν είναι οι μόνες οντότητες που μπορούν να αναδυθούν στη θεωρία χορδής. Δεδομένου ότι υπάρχουν 10 χωροχρονικές διαστάσεις, η θεωρία μπορεί να υποστηρίξει την ύπαρξη πιο περίπλοκων αντικειμένων, που ονομάζονται "βράνες", με περισσότερες διαστάσεις. Μια χορδή, είναι μια μονοδιάστατη βράνη, ενώ γενικότερο μία βράνη, με "p διαστάσεις", είναι μια p-βράνη.

Η ύπαρξη των βρανών αναδύει μια ενδιαφέρουσα δυνατότητα. Ίσως το σύμπαν μας είναι μια 4-βράνη, ή ένα "σύμπαν νησίδα" τεσσάρων διαστάσεων που πλέει σε ένα χωρόχρονο 10 διαστάσεων. Αυτή η δυνατότητα αυξάνει ένα άλλο σενάριο. Ίσως, εκεί στο 10 διαστάσεων κενό της θεωρίας χορδής, μπορούν να υπάρχουν κι άλλα σύμπαντα-νησίδες. Κι όπως έγραψε ο συγγραφέας επιστημονικής φαντασίας Arthur Clarke : "Πολλά και περίεργα είναι τα σύμπαντα που γλιστρούν όπως οι φυσαλίδες στον αφρό πάνω στον ποταμό του χρόνου".

Η πιθανότητα να υπάρχουν άλλα σύμπαντα νησίδες έχει εξάψει τη φαντασία μιας ομάδας επιστημόνων με επικεφαλής τους Turok και Paul Steinhardt στο πανεπιστήμιο Princeton. Και, εάν υπάρχουν άλλα τέτοια σύμπαντα εκεί έξω, τότε μπορεί περιστασιακά να χτυπήσουν το ένα το άλλο. Και αυτή η σύγκρουση να εξηγήσει, επιτέλους,  τι ήταν η Μεγάλη Έκρηξη.

Δημιουργώντας ένα Εκπυρωτικό Σύμπαν

Φυσικά, θα μπορούσαν να υπάρχουν αμέτρητοι Κόσμοι-νησίδες να κρύβονται εκεί έξω στην πολλών διαστάσεων άβυσσο. Εντούτοις, η απλούστερη περίπτωση είναι πάντα αυτή που μπορεί να εξεταστεί ευκολότερα από μαθηματική άποψη. Επίσης, η Φύση, για λόγους που κανένας δεν καταλαβαίνει πραγματικά, επιλέγει πάντα την απλούστερη επιλογή. Οι Turok, Steinhardt και οι συνάδελφοί τους υποθέτουν ότι, σε ολόκληρο τον πολυδιάστατο Κόσμο, υπάρχουν ακριβώς δύο 4-βράνες - ο δικός μας και ένας άλλος.

Τα τεσσάρων διαστάσεων αντικείμενα είναι φυσικά αδύνατον να τα απεικονίσουν οι άνθρωποι. Οι Turok και Steinhardt επομένως απεικονίζουν τις 4-βράνες ως δισδιάστατα αντικείμενα - όπως τις δύο φέτες του ψωμιού σε ένα σάντουιτς. Και πάλι, για απλότητα, υποθέτουν ότι οι δύο φέτες του ψωμιού είναι άπειρες σε έκταση, έτσι ώστε να σχηματίζουν τα τελευταία όρια του σύμπαντος. Υποθέτουν, επίσης, ότι είναι χωρίς ύλη ή φως - και δεν μπορείτε να τις κάνετε πιο απλές.

Μεταξύ αυτών των δύο φετών, είναι η 5η διάσταση. Και κατά μήκος αυτής της διάστασης - που δεν μπορούμε πλέον να αντιληφθούμε - τα δύο σύμπαντα βράνες συγκρούονται το ένα με το άλλο.

Στη φυσική υπάρχει η διατήρηση της ενέργειας. Σύμφωνα με αυτή η ενέργεια δεν μπορεί ποτέ να δημιουργηθεί εκ του μηδενός ή να καταστραφεί, μόνο να μετασχηματιστεί από τη μια μορφή σε μια άλλη.

Τα κινούμενα σώματα έχουν ενέργεια μόνο εξ' αιτίας της κίνησής τους. Συνεπώς, λόγω της γρήγορης προσέγγισης των βρανών υπάρχει τεράστια κινητική ενέργεια κατά μήκος της 5ης διάστασης. Όταν συγκρούονται, η διατήρηση της ενέργειας εξασφαλίζει ότι αυτή η ενέργεια πηγαίνει στο τεσσάρων διαστάσεων εσωτερικό τους. Και αυτή η ενέργεια αναγκάζει τις βράνες να επεκτείνονται βίαια. "Δημιουργεί μια τεράστια έκρηξη του διαστήματος, αυτό που ονομάζουμε Μεγάλη Έκρηξη", λέει ο Turok.

Φυσικά, η Μεγάλη Έκρηξη ήταν κάτι περισσότερο από μια βίαια επέκταση του απολύτως κενού διαστήματος. Εμείς, και η ύλη από την οποία αποτελούμαστε, είμαστε μάρτυρες γι αυτό. Εδώ, ο Einstein έχει κάτι σημαντικό να μας πει. Το 1905, ανακάλυψε ότι η μάζα είναι μια μορφή ενέργειας. Συνεπώς, όχι μόνο μπορεί η μάζα να μετατραπεί σε άλλες μορφές ενέργειας, αλλά κι άλλες μορφές ενέργειας μπορούν να μετατραπούν σε μάζα.

Έτσι, η ενέργεια της σύγκρουσης των βρανών καταλήγει όχι μόνο στην εκπληκτική διαστολή του κενού διαστήματος αλλά και στη δημιουργία της ύλης - ένα καυτό πυροτέχνημα - βολίδα - θεμελιωδών σωματιδίων. Αυτό δημιουργεί την καυτή Μεγάλη Έκρηξη.

Εάν το σενάριο αυτό είναι σωστό, τότε η επόμενη εξέλιξη του σύμπαντος μας είναι λίγο πολύ η ίδια όπως γίνεται αποδεκτή από όλους. Καθώς ο χώρος της βράνης μας εξερράγη και μεγάλωσε, η διαστολή έψυξε γρήγορα την πύρινη βολίδα της Μεγάλης Έκρηξης. Τελικά, όταν ήταν αρκετά ψυχρή, σχηματίστηκαν οι γαλαξίες και τα αστέρια από τα παγωμένα συντρίμμια. Και, μια ημέρα, μετά από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια, μια ομάδα φυσικών στον τρίτο πλανήτη ενός μη σημαντικού άστρου σε έναν μη αξιοπρόσεκτο γαλαξία είχε την ιδέα ότι μια σύγκρουση μεταξύ κάποιων ιδιαίτερων οντοτήτων, των λεγόμενων βρανών, επιτέλους δίνει μια εξήγηση για όλα αυτά που βλέπουμε γύρω μας.

Ο Marcus Chown είναι ο συγγραφέας του βιβλίου 'The Universe Next Door'