Πιο κοντά στην Θεωρία του Παντός

Άρθρο του Marcus Chown, 2 Μαρτίου 2005

Η πρόσφατη ανακάλυψη δύο παρόμοιων γαλαξιών έχει οδηγήσει τους φυσικούς ένα βήμα πιο κοντά στην ανακάλυψη της τελευταίας Θεωρίας του Παντός. Θα μπορούσαν δύο παρόμοιοι γαλαξίες, πολύ κοντά ο ένας στον άλλο όπως φαίνονται στον ουρανό, να ξεκινήσουν μια επανάσταση στον τρόπο που κατανοούμε τη θεμελιώδη φυσική; Μερικοί φυσικοί θεωρούν ότι οι δύο γαλαξίες είναι ένας - δηλαδή η εικόνα του έχει χωριστεί στα δύο, όπως βεβαιώνουν, από μια "κοσμική χορδή", που είναι σαν ένα ρήγμα στον ιστό του χώρου και του χρόνου.

Εάν αυτή η ερμηνεία είναι σωστή, τότε ο περίεργος διπλός γαλαξίας CSL-1 είναι το πρώτο συγκεκριμένο αποδεικτικό στοιχείο για τη θεωρία των υπερχορδών: Την καλύτερη υποψήφια θεωρία για μια "Θεωρία των Όλων", που προσπαθεί να τοποθετήσει όλα τα φαινόμενα της φύσης σε ένα ενιαίο πλαίσιο, με ένα σύνολο ορισμένων εξισώσεων.

Η θεωρία υπερχορδών βλέπει τις θεμελιώδεις δομικές μονάδες όλης της ύλης - τα ηλεκτρόνια και τα κουάρκ που αποτελούν τα άτομα - ως εξαιρετικά μικροσκοπικά κομμάτια παλλόμενων χορδών. Και, ακριβώς όπως οι διαφορετικές δονήσεις μιας χορδής ενός βιολιού αντιστοιχούν στις διαφορετικές μουσικές νότες, έτσι και οι διαφορετικές δονήσεις αυτής της θεμελιώδους χορδής αντιστοιχούν στα διαφορετικά θεμελιώδη σωματίδια. Το πρόβλημα με τη θεωρία χορδών είναι ότι οι χορδές αυτές είναι φανταστικά μικρότερες από τα άτομα και, επομένως, αδύνατον να ανιχνευτούν σε οποιοδήποτε εργαστηριακό πείραμα. Αλλά πρόσφατα, οι φυσικοί συνειδητοποίησαν ότι οι ακραίες συνθήκες που υπήρχαν στο αρχικό Σύμπαν θα μπορούσαν να έχει δημιουργήσει πάρα πολύ μεγάλες χορδές. Και μία από αυτές τις "κοσμικές υπερχορδές", που μερικοί θεωρούν ότι διέρχεται μεταξύ της Γης και του διπλού γαλαξία CSL-1, είναι που δημιουργεί την περίεργη διπλή εικόνα του γαλαξία.

Η αναγνώριση ότι είναι δυνατόν να υπάρχουν οι μεγάλες χορδές έχει ξεκινήσει από την έρευνα των πιο εσωτερικών επιπτώσεων της θεωρίας. Παραδείγματος χάριν, οι  χορδές μπορούν να πάλλονται - και με αρκετούς διαφορετικούς τρόπους ώστε να δημιουργούν όλα τα γνωστά θεμελιώδη σωματίδια - μόνο είναι εάν οι χορδές δονούνται σε ένα χωρόχρονο των 10 διαστάσεων. Επειδή ζούμε σε έναν κόσμο με τέσσερις μόνες διαστάσεις - τρεις χωρικές και μία του χρόνου - οι θεωρητικοί των χορδών έχουν αναγκαστεί να υποθέσουν ότι η ύπαρξη των έξι πρόσθετων χωρικών διαστάσεων είναι τόσο συμπαγοποιημένες ή τυλιγμένες σε μια διάσταση που δεν μπορούμε να τις δούμε.

Η ύπαρξη των πρόσθετων διαστάσεων ανοίγει την δυνατότητα πιο σύνθετων αντικειμένων. Εκτός από τις χορδές, που εκτείνονται μόνο σε μια διάσταση, είναι δυνατό να υπάρξουν αντικείμενα με δύο, τρεις ή περισσότερες διαστάσεις. Αυτές είναι οι βράνες, ή p-βράνες, όπου το "p" δείχνει τον αριθμό των διαστάσεών τους. Το γεγονός αυτό σημαίνει ότι το Σύμπαν μας είναι μια βράνη διαστάσεων τρία, ένα τρισδιάστατο "νησί", που πλέει σε ένα 10-διαστατικό διάστημα. Και, εάν είναι, μπορεί να μην είναι ένα μόνο Σύμπαν. Μερικοί έχουν προτείνει ότι η Μεγάλη Έκρηξη προκλήθηκε όταν συγκρούστηκε μια άλλη βράνη με τη δική μας πριν 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια.

Και μια σύγκρουση μεταξύ των βρανών δημιουργεί χορδές - και μέσα στις δύο αυτές βράνες και ως ένα είδος σωλήνα που συνδέει τις βράνες. Και αυτές μπορούν να απλωθούν σε κοσμικές διαστάσεις φτιάχνοντας τις κοσμικές υπερχορδές. "Οι κοσμικές χορδές αποδεικνύονται λίγο πολύ αναπόφευκτες στο σενάριο των βρανών", λέει ο Tom Kibble του Αυτοκρατορικού Κολεγίου στο Λονδίνο.

Οι κοσμικές υπερχορδές θα βρίσκονταν κάτω από μια τεράστια τάση, όπως ένα γεωλογικό ρήγμα στον γήινο φλοιό. Αλλά, όντας ελεύθερες να κινηθούν, θα προσπαθούσαν να μειώσουν την τάση με το να 'μαστιγωθούν'  στο διάστημα με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός. Αλλά η πιο ενδιαφέρουσα ιδιότητά τους είναι η επίδραση που έχουν στα περιβάλλοντα τους. "Μια χορδή διαστρεβλώνει το διάστημα γύρω από αυτήν με έναν πολύ διακριτό τρόπο", αναφέρει ο Kibble.

Λόγω αυτής της διαστρέβλωσης του διαστήματος, εάν μια κοσμική χορδή βρεθεί μεταξύ εμάς εδώ στη γη και ενός απόμακρου γαλαξία, τότε το φως του γαλαξία μπορεί να έρθει στη γη από δύο δυνατές διαδρομές: μία από κάθε πλευρά της χορδής. Συνεπώς, θα υπάρχουν δύο όμοιες εικόνες του γαλαξία, χωρισμένων από μια μικρή απόσταση - που είναι ακριβώς αυτό που φαίνεται στην περίπτωση του CSL-1.

Το CSL-1 ανακαλύφθηκε από την ομάδα του Mikhail Sazhin του Αστρονομικού Παρατηρητήριου Capodimonte στη Νάπολη και το Αστρονομικό Ινστιτούτο Sternberg στη Μόσχα. Και το αντικείμενο βάφτισαν CSL, από τα αρχικά Capodimonte-Sternberg Lens. "Μοιάζει σαν να υπάρχει μια κοσμική χορδή", λέει ο Κibble. "Εντούτοις, είναι πιθανόν εμείς να βλέπουμε δύο εκπληκτικά όμοιους γαλαξίες". Αυτή όμως είναι και η άποψη των σκεπτικιστών. "Το αντικείμενο CSL-1 είναι πιθανότατα απλώς ένα ζευγάρι γαλαξιών που συνέβη να είναι πολύ κοντά στον ουρανό", λέει ο Abraham Loeb του Κέντρου για την Αστροφυσική του Χάρβαρντ. "Ξέρουμε ότι υπάρχουν πολλά τέτοια ζευγάρια γαλαξιών που είναι πολύ κοντά στην τοπική μας γειτονιά, που συμπεριλαμβάνει το Γαλαξία και την Ανδρομέδα". Αλλά άλλοι ισχυρίζονται ότι ο Loeb κάνει λάθος. "Ελπίζω ότι η φύση δεν θα έχει παίξει ένα τέτοιο παιχνίδι σε μας", λέει ο Tanmay Vachaspati του Πανεπιστημίου Case Western Reserve στο Οχάιο.

Εάν το CSL-1 ήταν η μόνη απόδειξη που υπάρχει για την παρουσία μιας κοσμικής υπερχορδής θα ήταν εύκολο να αμφισβητηθεί. Αλλά δεν είναι. Υπάρχει και το "διπλό κβάζαρ" Q0957+561A,B. Ανακαλύφθηκε από το παρατηρητήριο Jodrell Bank κοντά στο Μάντσεστερ το 1979, και δείχνει δύο εικόνες ενός υπέρλαμπρου γαλαξία, ή κβάζαρ, που σχηματίζεται από έναν γαλαξία που βρίσκεται μεταξύ του κβάζαρ και της Γης. Η βαρύτητα του ενδιάμεσου γαλαξία κάμπτει το φως του κβάζαρ έτσι ώστε ακολουθεί δύο ευδιάκριτες πορείες στη Γη, δημιουργώντας δύο εικόνες άνισης φωτεινότητας. Κρίσιμα, οι δύο διαφορετικές τροχιές του φωτός έχουν διαφορετικά μήκη και έτσι το φως θέλει διαφορετικό χρόνο για να ταξιδέψει κατά μήκος της κάθε μίας τροχιάς. Στην πραγματικότητα, οι αστρονόμοι διαπιστώνουν ότι όταν γίνεται πιο φωτεινή η μια εικόνα, η άλλη εικόνα γίνεται πιο φωτεινή 417,1 ημέρες αργότερα.

Αλλά η ιδιότητα αυτή δεν είναι η μόνη που έχει βρεθεί από μια ομάδα αστρονόμων από τις ΗΠΑ και την Ουκρανία, η οποία καθοδηγείται από το Rudolph Schild του Κέντρου για την Αστροφυσική του Χάρβαρντ. Όταν μελέτησαν τις δύο εικόνες, παρατήρησαν ότι, μεταξύ του Σεπτεμβρίου του 1994 και του Ιουλίου του 1995, οι δύο εικόνες του κβάζαρ έγιναν πιο λαμπρές και εξασθένισαν συγχρόνως - χωρίς χρονική καθυστέρηση. Οι δύο εικόνες έκαναν αυτό το συγχρονισμό τέσσερις φορές, και σε κάθε περίπτωση η περίοδος ήταν περίπου 100 ημέρες.

Ο μόνος τρόπος που έχουν ο Schild και οι συνάδελφοί του για να εξηγήσουν αυτή τη συμπεριφορά είναι εάν, μεταξύ του Σεπτεμβρίου του 1994 και του Ιουλίου του 1995, κινήθηκε κάτι στην ευθεία που περνά από τη Γη προς το κβάζαρ, και που θα είχε ταυτόχρονη επίπτωση στο φως που έρχεται και από τις δύο πορείες προς τη γη. Και ισχυρίζονται ότι το μόνο πράγμα που ταιριάζει με τη συμπεριφορά αυτή είναι ένας βρόχος μιας κοσμικής χορδής να κινείται στην ευθεία που ενώνει τη γη με το κβάζαρ με το 70% της ταχύτητας του φωτός. Για να ταλαντεύεται μια φορά κάθε 100 ημέρες περίπου, ο βρόχος πρέπει να είναι πολύ μικρός - όχι μεγαλύτερος από τι 1% της απόστασης μεταξύ του ήλιου και του κοντινότερου αστεριού. Και ο Schild και οι συνάδελφοί του υπολογίζουν ότι η χορδή πρέπει να είναι εντυπωσιακά κοντά σε μας - μέσα στο Γαλαξία μας.

Οι περισσότεροι φυσικοί παραμένουν δύσπιστοι από τα στοιχεία για την ύπαρξη των κοσμικών υπερχορδών. Για να ενισχυθεί αυτή η άποψη , είναι απαραίτητο να βρεθούν περισσότερα υποψήφια αντικείμενα, σαν το CSL-1 και το Q0957+561A,B. Διαφορετικά, είναι απαραίτητο να ανιχνευθούν τα "κύματα βαρύτητας" που προέρχονται από μια χορδή. Τα βαρυτικά κύματα είναι κυματισμοί στον ιστό του διαστήματος, κάτι σαν τους κυματισμούς που διαδίδονται σε μια λίμνη, όταν πέφτουν σταγόνες βροχής.

Οι κοσμικές χορδές ταξιδεύουν πολύ γρήγορα. Εάν αυτές κάνουν μια στροφή γύρω από τον εαυτό τους, είναι δυνατόν για αυτό το μέρος της χορδής να ραγίσει. Το τμήμα που παράγει τη ρωγμή ταξιδεύει με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός και πρέπει να παράγει μια έντονη έκρηξη κυμάτων της βαρύτητας. Όπως για πρώτη φορά επισημαίνεται από τον Thibault Damour του Ινστιτούτου Υψηλών Επιστημονικών Σπουδών στο Παρίσι και του Alex Vilenkin του Ινστιτούτου Κοσμολογίας Tufts στις ΗΠΑ, τέτοια σήματα θα μπορούσαν να ανιχνευθούν σε μερικά χρόνια από τον ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων Virgo της Ευρώπης ή το LIGO της Αμερικής.

Η θεωρία χορδών έχει επικριθεί εδώ και πολύ καιρό, ότι δεν κάνει καμία αισθητή πρόβλεψη για τον κόσμο που ζούμε. Εάν η ανακάλυψη των κοσμικών υπερχορδών αποδειχθεί θα είναι η πρώτη φορά που η θεωρία των υπερχορδών θα έχει συνδεθεί με την πραγματικότητα και έτσι οι κριτικοί της μπορούν επιτέλους να σιωπήσουν.

Το 1976 ο φυσικός T.W.Kibble του Imperial College of Science, διατύπωσε την άποψη ότι κατά τη διάρκεια των πρώτων φάσεων του σύμπαντος, η αλληλεπίδραση μεταξύ περιοχών κενού με διαφορετικά ενεργειακά περιεχόμενα δημιούργησε χορδές απειροστού πλάτους και μήκους της τάξης κοσμικών αποστάσεων. Τις ονόμασαν δε κοσμικές χορδές. Μπορούμε αυτές να τις φανταστούμε σαν λεπτούς σωλήνες κενού πολύ μεγάλης ενέργειας, που ταξιδεύουν με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός, καμπυλώνοντας δε τον χώρο.

Ένα εκατοστό μιας τέτοιας χορδής υπολογίζεται να ζυγίζει περί τα 4*10¹² κιλά. Σαν αποτέλεσμα αυτής της τρομερής πυκνότητας είναι να δημιουργεί μεγάλα βαρυτικά πεδία, που αναγκάζουν τις χορδές σχήματος βρόχου να ταλαντώνονται με ταχύτητες κοντά με αυτήν του φωτός. Οι ταλαντώσεις αυτές, σύμφωνα με τον δημιουργό της θεωρίας, δημιουργούν βαρυτικά κύματα που ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός.

Η ύπαρξή τους δικαιολογεί κατά τους φυσικούς και την ακανόνιστη κατανομή της μάζας στο σύμπαν, όπως και η κύρια αιτία του σχηματισμού των σμηνών των γαλαξιών. Επίσης, μπορούν οι κοσμικές αυτές χορδές να δημιουργήσουν φαινόμενα βαρυτικών φακών.

Οι θεωρίες των κοσμικών χορδών λένε ότι δημιουργήθηκαν αμέσως μετά από τον πληθωρισμό (από το αυτόματο σπάσιμο της βαθμίδας), και ότι αυτά που ισχυρίζεται η ομάδα του Sazhin δίνουν πειραματική επιβεβαίωση αυτής της άποψης. Πριν από λίγο καιρό αστρονόμοι θεώρησαν ότι έχουν ανακαλύψει κάτι εκπληκτικό, μια τεράστια κοσμική χορδή μήκους 100 αστρονομικών μονάδων.