|
|
|
Η Πεμπτουσία
|
1o μέρος,2o μέρος, 3o μέρος
|
|
Η αναζήτηση της πεμπτουσίας Η πεμπτουσία αφήνει το σημάδι της στον Κόσμο με διάφορους τρόπους, έτσι και οι πειραματιστές έχουν διάφορες μεθόδους που μπορούν να χρησιμοποιήσουν για να εξετάσουν αυτήν την εξωτική μορφή της ενέργειας. Η επίδραση της σκοτεινής ενέργειας στο φαινόμενο της επιτάχυνσης εξαρτάται από την αναλογία της πίεσής της με την ενεργειακή πυκνότητά της. Πιο αρνητικές τιμές αυτής της αναλογίας, της w, οδηγεί σε μεγαλύτερη επιτάχυνση. Η πεμπτουσία και η κενή ενέργεια έχουν διαφορετικές τιμές του w, έτσι οι πιο ακριβείς μετρήσεις των σουπερνοβών σε πολύ μεγάλες αποστάσεις μπορούν να μας δώσουν διαχωρισμό αυτών των δύο δυνατοτήτων. Αυτή η πρόκληση είναι το κίνητρο για δύο προτάσεις - η μία με ένα πρόγραμμα παρατηρήσεων τηλεσκοπίων από το Γη (Large-Aperture Synoptic Survey Telescope LSST) και η άλλη σε ένα διαστημικό πρόγραμμα (Supernova Acceleration Project SNAP) - που θα ελέγξουν τον ουρανό για σουπερνόβες και άλλα αστροφυσικά φαινόμενα με μεταβλητό χρόνο. Η κοσμική επιτάχυνση έχει επιπτώσεις επίσης και στον αριθμό των γαλαξιών που ανευρίσκονται, καθώς εξερευνούμε ολοένα και πιο βαθιά στο διάστημα. Με τις κατάλληλες διορθώσεις για την εξέλιξη και άλλα φαινόμενα, η μέση πυκνότητα των γαλαξιών είναι ομοιόμορφη σε όλο το διάστημα. Συνεπώς, για ένα σταθερό εύρος αποστάσεων, θα πρέπει να βρούμε τον ίδιο αριθμό γαλαξιών κοντά και μακριά. Αλλά οι κοσμολόγοι μετρούν την ερυθρή μετατόπιση (redshifts) των απόμακρων γαλαξιών, όχι την απόστασή τους. Η μετατροπή από την ερυθρή μετατόπιση στην απόσταση ακολουθεί μια απλή γραμμική σχέση (ο νόμος του Hubble), εάν οι αποστάσεις είναι μικρές, αλλά μια μη γραμμική σχέση - ανάλογα με την επιτάχυνση του κόσμου - εάν οι αποστάσεις είναι μεγάλες. Η μη γραμμική σχέση θα προκαλέσει την αλλαγή του αριθμού των γαλαξιών, που βρίσκονται σε ένα σταθερό εύρος redshifts, όταν κοιτάζουμε βαθύτερο στο διάστημα. Μια έρευνα του ουρανού με τίτλο DEEP, που είναι ένας προηγμένος φασματογράφος στο τηλεσκόπιο της Χαβάης Keck ΙΙ, έχει ισορροπηθεί έτσι ώστε να εξετάσει αυτήν την πρόβλεψη, με μια ακρίβεια που μπορεί να είναι επαρκής για να διακρίνει μεταξύ της πεμπτουσίας και μιας κοσμολογικής σταθεράς. Η πεμπτουσία πρέπει επίσης να έχει μια επίδραση και στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων επειδή οι διαφορές στο ρυθμό της επιτάχυνσης θα παραγάγουν μικρές διαφορές στο γωνιακό μέγεθος των θερμών και ψυχρών σημείων. Επιπλέον, αντίθετα από μια κοσμολογική σταθερά, η πεμπτουσία δεν είναι στο χώρο ομοιογενής. Οι μικρές παραλλαγές στην ποσότητα της πεμπτουσίας πάνω στον ουρανό πρέπει να θεωρηθούν ως κυματισμοί στη θερμοκρασία του μικροκυματικού υποβάθρου. Οι μετρήσεις από το δορυφόρο Planck (αναμένεται να πετάξει το 2007) μπορεί να είναι σε θέση να ανιχνεύσουν αυτά τα αποτελέσματα, τα οποία θα είναι στο επίπεδο λίγων μερών τοις εκατό, αν και θα είναι δύσκολο να ξεχωριστούν από άλλα αποτελέσματα. Σε πολλές περιπτώσεις, η πεμπτουσία αλληλεπιδρά με την ύλη, με έναν τρόπο που επηρεάζει τις δυνάμεις μεταξύ των σωματιδίων. Τότε, εάν το πεδίο της πεμπτουσίας μεταβάλλεται χρονικά ή στο χώρο, θα προκαλέσει επίσης αλλαγές στην ισχύ των δυνάμεων μεταξύ των σωματιδίων. Ως εκ τούτου, τα τρέχοντα πειράματα για τις αλλαγές στις τιμές των θεμελιωδών φυσικών σταθερών με το χρόνο, θα μπορούσαν να είναι άλλη μια πηγή στοιχείων για την πεμπτουσία. Μπορεί να είναι δυνατό να ψάξει κάποιος για τέτοια αποτελέσματα στις αστροφυσικές παρατηρήσεις (π.χ. μια μεταβολή της υπέρλεπτου διαχωρισμού με ερυθρή μετατόπιση) ή στα πειράματα με φασματοσκοπία λέιζερ με υπερβολικά μεγάλη ακρίβεια. Η επανάσταση στην κοσμολογία, η οποία οδηγείται από τις παρατηρήσεις και τα πειράματα, έχει αλλάξει κατά πολύ την κατανόησή μας για τη σύνθεση του σύμπαντος - έχει αλλάξει επίσης και τις προσδοκίες μας για το μέλλον. Η πεμπτουσία, μια θαυμαστή ουσία, μπορεί να διαπεράσει τον κόσμο σημειώνοντας ένα τέλος στην εποχή που είδε να σχηματίζονται τα αστέρια και οι γαλαξίες, και την αρχή της εποχής της κοσμικής επιτάχυνσης. Βραχυπρόθεσμα, ο χώρος θα τεντώνεται ολοένα και γρηγορότερα, ενώ οι γαλαξίες θα απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο, αφήνοντας έναν πιο ψυχρό,, πιο κενό σύμπαν. Όσον αφορά την τελευταία μοίρα του κόσμου, η φύση της πεμπτουσίας, κι όχι η γεωμετρία, θα είναι ο καθοριστικός παράγοντας. Το σύμπαν μπορεί να επιταχύνεται για πάντα, ή η πεμπτουσία θα μπορούσε να διασπαστεί σε νέες μορφές θερμής ύλης και ακτινοβολίας, που θα μπορούσαν να ξαναφτιάξουν το σύμπαν με νέα δομή. Τα διάφορα πειράματα που γίνονται θα μας δώσουν τα βασικά τεστ της υπόθεσης περί της ύπαρξης της πεμπτουσίας, όπως επίσης και τις νέες πληροφορίες για το μέλλον του κόσμου. Για να λάβουμε μια πιο οριστική απάντηση θα πρέπει οι φυσικοί να καταλάβουν πώς η πεμπτουσία ταιριάζει μέσα στον ιστό της ενοποιημένης θεωρίας όλων των θεμελιωδών δυνάμεων (που ακόμα είναι ένα άπιαστο όνειρο των φυσικών). Περίληψη Στο παρελθόν κάποιοι επιστήμονες, όπως οι Αμερικανοί Λόρενς Κρανς, του Πανεπιστημίου Western Reserve, και Πολ Στεινχαντ, του Πανεπιστημίου του Πρίνστον, πρότειναν ότι θα μπορούσε να υπάρχει μια διαφορετική μορφή ενέργειας του κενού (αρνητική πίεση), η οποία σε αντίθεση με τη γνωστή ενέργεια δεν θα είναι σταθερή αλλά θα μεταβάλλεται με το χρόνο και θα εξαρτάται και από τον χώρο. Έχει δε την ικανότητα να οδηγεί σε επιτάχυνση τη διαστολή του σύμπαντος. Επιπλέον, μπορεί να αλληλεπιδρά με την ύλη και ν' αλλάζει την πυκνότητά της. Έτσι θα μπορούσε να εξηγηθεί γιατί η πυκνότητα της ενέργειας του κενού που παρατηρούμε σήμερα δεν παίρνει οποιαδήποτε τιμή, αλλά σχετίζεται με την πυκνότητα της ενέργειας της ύλης. Αυτός ο τύπος της σκοτεινής ενέργειας είναι η πεμπτουσία που έχει προταθεί από πολλούς κοσμολόγους σαν μια εξήγηση της επιταχυνόμενης διαστολής του σύμπαντος. Η πεμπτουσία είναι ένα βαθμωτό πεδίο, δυναμικό και γενικά έχει μια πυκνότητα και μια κατάσταση που αλλάζει χρονικά και στον χώρο. Ενώ η κοσμολογική σταθερά Λ είναι στατική με μία σταθερή ενεργειακή πυκνότητα και w = −1. Πολλά μοντέλα της πεμπτουσίας έχουν μια συμπεριφορά που αλλάζει, η οποία λύνει μερικά το πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς Λ. Σε αυτά τα μοντέλα, η τιμή της πεμπτουσίας ακολουθεί από κοντά (αλλά είναι μικρότερη από) την πυκνότητα της ακτινοβολίας έως ότου επήλθε η ισότητα της ύλης και ακτινοβολίας. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα να ενεργοποιηθεί η πεμπτουσία και να ξεκινήσει τη συμπεριφορά της σαν σκοτεινή ενέργεια, κυριαρχώντας τελικά στο σύμπαν. Η κυρίαρχη θεωρία για μια επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος - η κοσμολογική σταθερά Λ - χρειάζεται μια αρνητική πίεση για να αντισταθμιστεί η έλξη της βαρύτητας. Η κοσμολογική σταθερά είναι αφ' ενός μια κατάλληλη και εύκολη διόρθωση για την κοσμολογία της Μεγάλης Έκρηξης όταν δεν ταιριάζει η θεωρία με τα στοιχεία, αλλά αφ' ετέρου κι ένα από τα σημαντικότερα εννοιολογικά προβλήματα στη φυσική και την κοσμολογία των σωματιδίων. Το πρόβλημα όμως με αυτή έχει αναφερθεί πολλές φορές και είναι το εξής: εάν προσθέσουμε τις διακυμάνσεις του κενού από όλα τα διάφορα κβαντικά πεδία που ξέρουμε, λαμβάνουμε φυσικά μια κοσμολογική σταθερά με μια ενεργειακή πυκνότητα 1029eV. Με μια τέτοια μεγάλη τιμή, η θεωρία του Αϊνστάιν ουσιαστικά θα πρόβλεπε ότι το σύμπαν θα διαλυόταν (θα χωριζόταν) με απολύτως καμία πιθανότητα να σχηματιστούν οι γαλαξίες, τα αστέρια ή οι πλανήτες. Αυτό προκαλούσε πάντα μια αμηχανία στους θεωρητικούς, αλλά εάν η κοσμολογική σταθερά ήταν μηδέν, υπήρχε πάντα η ελπίδα ότι δεν είχαν "τίποτα" για να ανησυχούν. Εκτός από την πεμπτουσία έχουν γίνει πολλές προσπάθειες για να ξεφορτωθούμε την κοσμολογική σταθερά. Μια από τις πιο ελπιδοφόρες δυνατότητες είναι αυτή της υπερσυμμετρίας Β, μια απαρατήρητη μέχρι τώρα συμμετρία μεταξύ μποζονίων και φερμιονίων Β που μπορούν να οδηγήσουν σε μια ακριβή εξουδετέρωση μεταξύ όλων των διάφορων συνεισφορών στην ενεργειακή πυκνότητα του κενού. Οι προτάσεις αφθονούν, αλλά πρέπει να προκύψει υποχρεωτικά ένα μοντέλο που να μπορούσε να εξηγήσει γιατί η κοσμολογική σταθερά είναι τόσο μικρή. Μια άλλη θεωρητική δυνατότητα στηρίζεται σε ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό γνώρισμα της κβαντικής θεωρίας της βαρύτητας. Οι διακυμάνσεις στο χωροχρονικό ιστό τροποποιούν την τοπική τοπολογία, δημιουργώντας έναν κβαντικό αφρό από οπές και σκουληκότρυπες. Η γενική επίδραση είναι να οδηγηθεί η κοσμολογική σταθερά σε μηδέν. Τέλος, με τον ίδιο τρόπο που η αρχική πεμπτουσία ή το πέμπτο στοιχείο των αρχαίων Ελλήνων φιλοσόφων, ήρθε μετά τη φωτιά, το νερό, τη γη και τον αέρα, έτσι η νέα πεμπτουσία πρέπει να προστεθεί στη συνηθισμένη κοσμολογική οικογένεια των βαρυονίων, της ακτινοβολίας, των νετρίνων και των WIMPS (ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια με μάζα - μια μορφή ψυχρής σκοτεινής ύλης). |
1o μέρος,2o μέρος, 3o μέρος
|
