Νέα θεωρία απορρίπτει την σκοτεινή ενέργεια σαν αιτία της κοσμικής επιτάχυνσης

Άρθρο, Ιούνιος 2005

Όπως ισχυρίζεται μία ομάδα Αμερικανών φυσικών, η επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος είναι δυνατόν να εξηγηθεί χωρίς την εμπλοκή ενός παράγοντα σκοτεινής ενεργείας, καθώς η βαρύτητα από μόνη της θα μπορούσε να προκαλεί την απομάκρυνση μεταξύ των σωμάτων με μία ολοένα αυξανόμενη ταχύτητα. Το γεγονός ότι το Σύμπαν επιταχύνεται ίσως αποτελεί το μεγαλύτερο μυστήριο όλων στη φυσική, δήλωσε ο Michael Turner του Πανεπιστημίου του Σικάγου. Τα πραγματικά μεγάλα προβλήματα απαιτούν και νέες, τολμηρές ιδέες. Η πρόσφατη θεωρία αποτελεί την τολμηρότερη από όσες έχουν διατυπωθεί. Ο ίδιος, ελπίζει πως οι επιστήμονες είτε θα βασιστούν στην ιδέα αυτή, είτε θα την απορρίψουν.

Μερικοί φυσικοί λένε ότι αν τα μυστήρια του σύμπαντος ήταν μια διαδοχική σειρά ταινιών, τότε το πρώτο φιλμ θα είχε τίτλο Σκοτεινή Ύλη. Η δεύτερη ταινία - sequel - θα είχε τίτλο η Σκοτεινή Ενέργεια, όπου οι απορίες που θα δοκίμαζαν οι θεατές εκεί θα ήταν περισσότερες από αυτές της πρώτης. Η τρίτη ταινία - σύμφωνα με όσα λένε οι φυσικοί Sean Carroll, Antonio De Felice, Vikram Duvvuri, Michael Turner και Mark Trodden σε ένα άρθρο τους - πρέπει να έχει τίτλο η Σκοτεινή Βαρύτητα και φαίνεται να μας αφήνει τελικά τόσες απορίες, που κανείς μας δεν ξέρει αν θα λυθούν ποτέ. Και το πιο ωραίο είναι ότι οι εμπνευστές της θεωρίας λένε ότι έτσι εξηγείται καλύτερα η κοσμική επιτάχυνση. 

Στη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η ύλη μεταβάλλει τη βαρύτητα καμπυλώνοντας τον χωροχρόνο, όπως θα συνέβαινε με μία μπάλα του μπόουλινγκ πάνω σε μία επιφάνεια καουτσούκ. Ο Turner και οι συνάδελφοι του μετέβαλλαν τις εξισώσεις της ΓΘΣ προσθέτοντας έναν όρο στις εξισώσεις της, ο οποίος ενισχύεται καθώς το Σύμπαν γίνεται πιο επίπεδο. Η εν λόγω αλλαγή δεν επηρεάζει σημαντικά ένα νεαρό Σύμπαν, που είναι μικρό, συμπαγές και καμπυλωμένο.

Παρόλα αυτά, με την πάροδο δέκα και πλέον δισεκατομμυρίων ετών κατά τα οποία το Σύμπαν διαστέλλεται, ο νέος παράγοντας γίνεται ισχυρός. Ο Turner ομολογεί πως οι ίδιοι «βλασφήμησαν» αλλάζοντας τις εξισώσεις του Αϊνστάιν, όμως η ανταμοιβή για το εγχείρημα τους είναι ότι ανακάλυψαν πως με αυτόν τον τρόπο, η φυσική κατάσταση ενός κενού Σύμπαντος είναι η επιτάχυνση. Η θεωρία των ερευνητών εξηγεί επίσης την πληθωρισμική διόγκωση του Σύμπαντος λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Ο κοσμολόγος Pedro Gonzatez-Diaz του Ανώτατου Συμβουλίου Επιστημονικών Ερευνών στη Μαδρίτη της Ισπανίας, παραδέχεται πως η ταυτόχρονη περιγραφή των πρωίμων και των προχωρημένων σταδίων του Σύμπαντος είναι αρκετά ελκυστική. Κάτι τέτοιο θα μπορούσε να οδηγήσει σε μία γενικότερη θεωρία για την εξέλιξη ολόκληρου του Σύμπαντος.

Το 1998, παρατηρήσεις από εκρηγνυόμενα άστρα απέδειξαν πως το Σύμπαν διαστέλλεται με ολοένα και ταχύτερο ρυθμό. Η ανακάλυψη αυτή προκάλεσε μεγάλη έκπληξη στους επιστήμονες, καθώς οι περισσότεροι ειδικοί πίστευαν πως η εξάπλωση αυτή έπρεπε να επιβραδύνεται.

Ορισμένες θεωρίες αναγνωρίζουν πως η ενεργεία του κενού του διαστήματος, τα υποατομικά δηλαδή σωματίδια που αναδύονται και εξαφανίζονται, είναι εκείνη που προκαλεί την απομάκρυνση της ύλης.

Κάποιοι άλλοι διαφωνούν, ισχυριζόμενοι πως το Σύμπαν ίσως είναι γεμάτο από μία μυστηριώδη σκοτεινή ενεργεία, που αποτελεί ένα είδος αρνητικής ενεργείας γνωστής ως «πεμπτουσία».

Συγκρινόμενες με τις θεωρίες της μεταβλητής βαρύτητας, οι παραπάνω θεωρίες απαιτούν την ύπαρξη μεγάλου αριθμού τεχνητών παρεμβάσεων ώστε να ταιριάζουν με τις παρατηρήσεις, όπως αναφέρει ο συνάδελφος του Turner, Sean Carro από το Σικάγο. Παρόλα αυτά, και η νέα θεωρία των ερευνητών χρειάζεται πολλές προσαρμογές ώστε να δώσει μία ρεαλιστική εικόνα, αναφέρει ο Gonzatez-Diaz.

Ο John Barrow του Πανεπιστημίου του Cambridge της Βρετανίας προειδοποιεί πως μεταβάλλοντας τη θεωρία της σχετικότητας, ίσως επιτρέπουμε και πάλι την ύπαρξη της σκοτεινής ενεργείας με κάποιον άλλο τρόπο. Η τροποποίηση ισοδυναμεί μαθηματικά με την προσθήκη μίας αντιβαρυτικής δύναμης, τονίζει ο ίδιος: Κατά κάποιον τρόπο, πρόκειται για μία άλλη θεωρία της πεμπτουσίας με μία μαθηματική «μεταμφίεση».

Σε περίπτωση που η βαρύτητα όντως συμπεριφέρεται με τον τρόπο που προτείνει ο Turner και η ομάδα του, τότε η κοσμική επιτάχυνση θα έπρεπε να είναι πω ομαλή από εκείνη που θα προκαλείτο από τη σκοτεινή ενεργεία. Παρατηρήσεις περισσότερων εκρηγνυόμενων άστρων και μακρινών γαλαξιών στο πρώιμο Σύμπαν, που σχεδιάζονται εντός της επόμενης δεκαετίας, ίσως βοηθήσουν στη μέτρηση της επιτάχυνσης του Σύμπαντος με αρκετή ακρίβεια ώστε να αρθούν οι επιστημονικές διαφωνίες.

Ποτέ στο παρελθόν οι κοσμολόγοι δεν είχαν βρεθεί σε τόσο μεγάλη σύγχυση όσο μετά την ανακάλυψη το 1998 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/m^3. 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. 

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.

Το 2002 οι Thibault Damour και Αντώνιος Παπάζογλου του Ινστιτούτου Επιστημονικών Μελετών στη Γαλλία, και ο Ian Kogan του πανεπιστημίου της Οξφόρδης πρότειναν ότι υπάρχει και ένα άλλο είδος βαρυτονίων, τα οποία αντίθετα από τα συνήθη βαρυτόνια έχουν μια μικρή μάζα. Όπως γνωρίζουν οι φυσικοί, αν τα βαρυτόνια έχουν μάζα δεν ισχύει πια ο νόμος του αντιστρόφου τετραγώνου. Είναι ασταθή και καθώς διασχίζουν το χώρο διασπώνται βαθμιαία, με λίγο-πολύ τα ίδια αποτελέσματα όπως και στη διαρροή βαρυτονίων: Τα βαρυτόνια που ταξιδεύουν σε τεράστιες αποστάσεις εξαφανίζονται, η βαρύτητα γίνεται ασθενέστερη και η κοσμική διαστολή επιταχύνεται.

Άλλοι φυσικοί πιστεύουν ότι η επιτάχυνση της διαστολής του Σύμπαντος ίσως να μην οφείλεται στη σκοτεινή ενέργεια, αλλά να είναι μια συνεχής διαρροή της βαρύτητας έξω από τον Κόσμο μας. Αυτή έχει ως εξής: