Οι πρόσθετες διαστάσεις δημιουργούν νέο έδαφος για να λυθούν παλιά μυστήρια

Άρθρο του Nima Arkani_Hamed του SLAC

Σε πόσες διαστάσεις τελικά ζούμε; Αυτή η ερώτηση είναι θεμελιώδης και ακόμη, καταπληκτικά, παραμένει άλυτη. Φυσικά, στο καθημερινό επίπεδο φαίνεται πως ζούμε σε τέσσερις διαστάσεις - τρείς χωρικές συν μια χρονική διάσταση. Αλλά στους προηγούμενους μήνες θεωρητικοί φυσικοί ανακάλυψαν πως οι συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων υψηλής ενέργειας σε επιταχυντές μπορούν να αποκαλύψουν τη παρουσία των extra χωρο-χρονικών διαστάσεων.

Από τον καιρό της θεωρίας των ασθενών αλληλεπιδράσεων του Fermi, δημιουργήθηκε ένα μεγάλο μυστήριο της θεμελιώδους φυσικής: Γιατί ακόμη και αυτή η τόσο ασθενική δύναμη είναι τόσο ισχυρότερη από τη βαρύτητα;

Στα πλαίσια των συγχρόνων Μεγάλων Ενοποιημένων Θεωριών (GUT) η ανισότητα μεταξύ των δυνάμεων γίνεται αντιληπτή σαν μια γιγάντια έρημος στις ενεργειακές κλίμακες που εκτείνεται πάνω από δεκαεπτά τάξεις μεγέθους.
Η έρημος εκτείνεται από την ηλεκτρασθενή κλίμακα, η οποία τώρα διερευνάται από τους μεγαλύτερους επιταχυντές, ως την κλίμακα Planck, όπου η βαρύτητα αναμένεται να είναι τόσο ισχυρή όσο και οι άλλες αλληλεπιδράσεις. Οι ενέργειες Planck ανιχνεύονται σε πολύ μικροσκοπικές αποστάσεις της τάξης των 10^-33cm όπου τα φαινόμενα της κβαντικής βαρύτητας υποτίθεται ότι παίζουν ουσιαστικό ρόλο.
Επειδή αυτά τα φαινόμενα συμβαίνουν σε τόσο υψηλές ενέργειες, δεν υπάρχει ελπίδα για άμεσο πειραματικό έλεγχο της κβαντικής βαρύτητας μέσα στο καθιερωμένο πλαίσιο.

Ας αφήσουμε κατά μέρος τις θεωρητικές εικασίες για την κβαντική βαρύτητα προς στιγμή, και ας δούμε τι γνωρίζουμε πειραματικά για τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις. Λόγω της μικρής τους έντασης γνωρίζουμε πραγματικά πολύ λίγα: η βαρύτητα έχει μετρηθεί απευθείας μόνο μέχρι την απόσταση του ενός χιλιοστού (mm)!
Όλες οι παραπάνω προτάσεις για τις κλίμακες ενέργειας και αποστάσεων όπου η βαρύτητα γίνεται ισχυρή δύναμη βασίζονται σε θεωρητικές προεκτάσεις του νόμου των αντιστρόφων τετραγώνων πάνω από 30 τάξεις μεγέθους. Από το 1mm όπου πραγματικά έχει μετρηθεί μέχρι το μήκος Planck που είναι 10^-33cm. Δεδομένου του κρίσιμου τρόπου με τον οποίο αυτή η προέκταση διαμορφώνει τη σκέψη μας γύρω από τη σχέση της βαρύτητας με τις άλλες δυνάμεις είναι σημαντικό να τον αποσαφηνίσουμε.

Κατά το τελευταίο έτος, ένα νέο πλαίσιο έχει προταθεί για να απαντηθούν οι ερωτήσεις αυτές, το οποίο πλαίσιο αμφισβητεί την παλιά υπόθεση της μεγάλης ενεργειακής ερήμου. Αντί να αλλάξουμε τις ιδιότητες της σωματιδιακής φυσικής στις πολύ μικρές αποστάσεις, προτείνεται να αλλάξουμε τις ιδιότητες της βαρύτητας. Η ιδέα αυτή που προτάθηκε από τον Nima Arkani-Hamed (τώρα στο παν/μιο U.C.Berkeley), από τον Σάββα Δημόπουλο (Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) και Gia Dvali (NYU) θέλει την βαρύτητα να γίνεται ισχυρή στην ηλεκτρασθενή κλίμακα, κάνοντας έτσι την κβαντική βαρύτητα προσιτή στην επόμενη γενιά των επιταχυντών σωματιδίων.

Η μετρούμενη αδυναμία της βαρύτητας σε αποστάσεις μεγαλύτερες του 1mm οφείλεται στην παρουσία νέων χωρικών συντεταγμένων στις οποίες οι δυναμικές γραμμές της βαρύτητας διαχέονται και η αραίωσή τους αυτή προκαλεί τη μείωση της έντασής της. Η ιδέα ότι μπορεί να υπάρχουν νέες χωρικές σδιστάσεις στη φύση ανάγεται πίσω στη δεκαετία του 20 και αποτελεί κεντρικό συστατικό της σύγχρονης θεωρίας των χορδών.
Παρόλα αυτά οι διαστάσεις αυτές θεωρούνται ότι κανονικά τυλίγονται σε μικροσκοπικούς κύκλους διαμέτρου περίπου 10^-33 cm, κάνοντας αδύνατη την πειραματική ανίχνευσή τους. Οι διστάσεις σ’ αυτή τη νέα πρόταση είναι συγκριτικά τεράστιες, ίσως της τάξης του 1mm. Το ότι δεν τις έχουμε ακόμη ανιχνεύσει οφείλεται στο ότι μόνο η βαρύτητα διαδίδεται σ’ αυτές τις νέες διαστάσεις. Τα σωματίδια και οι δυνάμεις από τις οποίες αποτελείται η ύλη είναι “προσκολλημένες” σε ένα τρισδιάστατο “τοίχο” μέσα στο σύνολο των νέων διαστάσεων.
Αξίζει να σημειώσουμε ότι η νέα αυτή εικόνα δεν αποκλείεται από καμιά γνωστή πειραματική παρατήρηση σε εργαστηριακό, αστροφυσικό ή κοσμολογικό επίπεδο.

Πολλές επιπτώσεις αυτής της θεώρησης έχουν εξεταστεί εντατικά τους τελευταίους μήνες.

Μερικές από τις πλέον ενδιαφέρουσες πιθανότητες περιλαμβάνουν τη δυνατότητα να καταλαμβάνονται οι νέες διαστάσεις με νέα σωματίδια και παράλληλους “τοίχους” όπου υπάρχουν άλλα σύμπαντα.

Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των παράλληλων συμπάντων και του δικού μας έχουν χρησιμοποιηθεί για να εξηγηθούν πολλά από τα μυστήρια του Καθιερωμένου Μοντέλου, δίνοντας απαντήσεις σε ερωτήσεις όπως:
Γιατί τα νετρίνα έχουν τόσο μικρές μάζες;
Γιατί το ηλεκτρόνιο είναι 1.000.000 φορές ελαφρύτερο από το top quark;
Γιατί είναι το πρωτόνιο τόσο μακρόβιο;
Γιατί η ισχυρή, η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής δύναμη φαίνονται να ενοποιούνται σε πολύ υψηλές ενέργειες;
Με δεδομένη τη ριζοσπαστική αναθεώρηση στην εικόνα που έχουμε για τον χωροχρόνο, η εικόνα του πολύ πρώιμου σύμπαντος μεταβάλλεται επίσης κατά ενδιαφέροντα τρόπο. Παλιές ιδέες όπως πχ το πληθωριστικό Σύμπαν, μπορούν να πραγματοποιηθούν σύμφωνα με τη δυναμική των επιπλέον διαστάσεων ή την κίνηση των παράλληλων συμπάντων.

Πολύ ενδιαφέρουσες παραλλαγές πάνω σ’ αυτές τις ιδέες έχουν επίσης προταθεί. Για παράδειγμα, μπορεί η ίδια η βαρύτητα να παγιδεύεται σε ένα τρισδιάστατο τοίχο που ανήκει σε τέσσερις χωρικές διαστάσεις. Ανάμεσα στα άλλα, αυτή η πρόταση που έγινε πρόσφατα από τους Lisa Randal (MIT) και Raman Sundrum (Stanford), επιτρέπει τη δυνατότητα ώστε η νέα διάσταση να είναι άπειρα μεγάλη σε έκταση.

Μια από τις πιο ενδιαφέρουσες όψεις της παραπάνω εικόνας είναι ότι προβλέπει αξιοσημείωτα νέα φαινόμενα τα οποία σύντομα θα ελεγχθούν πειραματικά. Μέσα σ’ αυτό το πλαίσιο η επόμενη γενιά επιταχυντών όπως ο Μεγάλος Συγκρουστής Αδρονίων (LHC) στο CERN θα παρατηρήσει ισχυρά φαινόμενα κβαντικής βαρύτητας, επί παραδείγματι η δέσμη σωματιδίων με υψηλή ενέργεια στο LHC μπορεί να ψυχθεί “εξατμίζοντας” κάποια γκραβιτόνια στις νέες διαστάσεις.
Πιο εξωτικά βαρυτικά αντικείμενα όπως μικρές μαύρες τρύπες μπορούν επίσης να παραχθούν στις ενέργειες του LHC. Αν η σωστή θεωρία της κβαντικής βαρύτητας σε πολύ μικρές αποστάσεις είναι η θεωρία των χορδών, νέα σωματίδια που αντιστοιχούν σε ταλαντώσεις των χορδών μπορούν να παραχθούν, όπως επίσης και καταστάσεις όπου οι χορδές τυλίγονται γύρω από νέες διαστάσεις.

Μια άλλη ενδιαφέρουσα άποψη αυτής της πρότασης, είναι ότι σε μερικές περιπτώσεις προβλέπει αποκλίσεις από τη βαρύτητα του Νεύτωνα που είναι δυνατόν να παρατηρηθούν σε μια νέα γενιά πειραμάτων μέτρησης βαρύτητας σε αποστάσεις μικρότερες από 1mm. Τα πιθανά σήματα περιλαμβάνουν παρατήρηση μετάβασης της βαρυτικής δύναμης από το νόμο του αντιστρόφου τετραγώνου σε ένα νόμο αντίστροφο της τέταρτης δύναμης της απόστασης, και νέες ελκτικές ή απωστικές δυνάμεις μεταξύ μιας και ενός εκατομμυρίου φορές ισχυρότερες από τη βαρύτητα στις κλίμακες αυτές κάτω από το 1mm.

Τα πρώτα αποτελέσματα από αυτά τα σημαντικά πειράματα θα γίνουν γνωστά τα επόμενα δυο χρόνια.