Θεωρίες φυσικής

Υπάρχουν πράγματι κρυμμένες διαστάσεις στο σύμπαν; 2ο μοντέλο για τον χώρο

Η 2η άποψη για τον Κόσμο μας λέει ότι είναι μια τρισδιάστατη βράνη που αιωρείται σ’ ένα τετραδιάστατο κενό.

Share

Η 2η άποψη για τον Κόσμο μας λέει ότι είναι μια τρισδιάστατη βράνη που αιωρείται σ’ ένα τετραδιάστατο κενό.

Τι είναι όμως η βράνη (που προέρχεται από την λέξη μεμβράνη);

Η ταυτόχρονη συστολή μιας βράνης και μιας διάστασης του χωροχρόνου

Θα προσπαθήσουμε να απαντήσουμε δίνοντας μερικές ιδέες για τη βράνη (brane):

· Ζούμε σε μια βράνη.
· Μια βράνη είναι σαν μια μεμβράνη. Φαντασθείτε την κρούστα που σχηματίζεται πάνω στη σούπα όταν κρυώσει. Κάτι ανάλογο είναι και η βράνη.
· Μια βράνη είναι ένα αντικείμενο λιγότερων διαστάσεων (μια δισδιάστατη κρούστα) που βρίσκεται μέσα σε χώρο περισσότερων διαστάσεων (η 3-διάστατη σούπα). 
· Η θεωρία λοιπόν των βρανών λέει ότι ο 3-διάστατος κόσμος μας είναι μια βράνη, που βρίσκεται μέσα στον 4-διάστατο χώρο που λέγεται όγκος.
· Όπως συμβαίνει και στο στερεοποιημένο λίπος της σούπας, δεν μπορούμε να διαφύγουμε από την βράνη και να βρεθούμε μέσα στον χώρο των περισσοτέρων διαστάσεων που αντιστοιχεί στη σούπα μας. 
· Όμως μόνο η βαρύτητα μπορεί να διαφύγει έξω από την βράνη μας και να βρεθεί στην τέταρτη διάσταση.

Αυτή η θεωρία – δηλαδή η θεωρία βρανών – διατυπώθηκε το 1998, πολύ πρόσφατα δηλαδή σε σχέση με τα χρονικά  στάνταρτ της θεωρητικής φυσικής (επιστήμονες επεξεργάζονται διάφορες παραλλαγές της θεωρίας των χορδών εδώ και 30 χρόνια). Τρία άτομα θεωρούνται πατέρες της θεωρίας, ένα από τα οποία ο Nima Arkani-Hamed ήταν μόλις 25 ετών και είχε μόλις αναγορευθεί διδάκτορας από το Berkeley. Σήμερα εργάζεται ως καθηγητής στο τμήμα φυσικής του Harvard. Αυτός και οι συνάδελφοί του Σάββας Δημόπουλος και Gia Dvali, προσπαθούσαν να λύσουν ένα πρόβλημα που ταλαιπωρούσε εξέχοντες επιστήμονες για δεκαετίες, όταν ξαφνικά συνειδητοποίησαν ότι το μόνο που έπρεπε να κάνουν ήταν να υποθέσουν την ύπαρξη μιας ακόμη διάστασης.

Η βαρύτητα και οι πρόσθετες διαστάσεις

Το πρόβλημα που προσπαθούσαν να λύσουν όλοι αυτοί οι ιδιοφυείς επιστήμονες για τόσα χρόνια (και το οποίο συνεχίζει να τους ταλαιπωρεί – για τίποτε από όσα έχουμε αναφερθεί εδώ, δεν υπάρχει η παραμικρή ένδειξη πειραματικής επιβεβαίωσης) ήταν το εξής: Γιατί η βαρύτητα είναι μία ασθενής δύναμη. 

Παρόλο που οι άνθρωποι νομίζουν ότι η βαρύτητα είναι η πιο ισχυρή δύναμη στο σύμπαν – είναι η αιτία κίνησης των πλανητών και των χιλιάδων αστρικών σμηνών. Όταν όμως την συγκρίνετε με τις υπόλοιπες δυνάμεις – όπως π.χ. με την ηλεκτρομαγνητική – η βαρύτητα είναι απείρως λιγότερο ισχυρή. Πάρτε για παράδειγμα ένα μικρό μαγνήτη ψυγείου. σκεφτείτε τις δυνάμεις που δέχεται όταν κρατά ακίνητη μια φωτογραφία στη πόρτα του ψυγείου. Η βαρυτική δύναμη που δέχεται από ολόκληρο τον πλανήτη έλκει το σώμα προς τα κάτω, ενώ η μαγνητική δύναμη μιας λεπτής φλούδας από σίδηρο το κρατά κολλημένο στο ψυγείο. Υπερισχύουν αυτά τα λίγα γραμμάρια μαγνητικού υλικού, η έλξη από ολόκληρο τον πλανήτη δεν είναι αρκετή για να την υπερνικήσει. 

Η βαρύτητα είναι λοιπόν ασθενική αλλά πολλοί θα έλεγαν ότι έτσι γεννήθηκε. Οι φυσικοί δεν μπορούν να κάνουν τίποτα για ν’ αλλάξουν την ένταση της βαρύτητας. Αυτό που μπορούν να κάνουν, και υποτίθεται ότι το κάνουν, είναι να περιγράψουν την βαρύτητα.

Αυτό όμως είναι σωστό εν μέρει. Μπορεί να υπάρχουν πολλοί τρόποι για να περιγραφεί ένα φυσικό φαινόμενο. Όμως κάθε φαινόμενο πραγματικά συμπεριφέρεται με ένα μόνο τρόπο, υπάρχει μόνο μια φυσική διαδικασία που καθορίζει την εξέλιξη των φαινομένων. Μόνο μια Αλήθεια (με κεφαλαίο Α) στο Σύμπαν.

Σήμερα όσοι ασχολούνται με τη σωματιδιακή φυσική διαθέτουν ένα τρόπο για να περιγράφουν τα φαινόμενα που σχετίζονται με τη βαρύτητα. Και παρόλο που θεωρούν ότι η περιγραφή αυτή είναι χρήσιμη, – προβλέπει με ακρίβεια τα αποτελέσματα των πειραμάτων – δεν πιστεύουν ότι αντανακλά τις πραγματικές φυσικές διαδικασίες που διέπουν το Σύμπαν. 

Η σύγχρονη εκδοχή της σωματιδιακής φυσικής φαίνεται να ερμηνεύει τον κόσμο ad hoc, επειδή πρέπει να είναι πολύ προσεκτική στο πως θα επεξεργαστεί αυτή την ασθενή βαρυτική δύναμη, πρέπει να διατυπώσει νέες υποθέσεις και να ρυθμίσει με πολύ μεγάλη ακρίβεια όλες τις δυνατές παραμέτρους, με σκοπό ν’ αναπαραγάγει τη βαρύτητα δικαιολογώντας την πολύ μικρή έντασή της. Όλα τα υπόλοιπα λειτουργούν στην εντέλεια. Μόνο η βαρύτητα είναι το απείθαρχο μέλος όλων των αλληλεπιδράσεων. 

Δυστυχώς, για να προχωρήσουμε – για να περιγράψουμε πως ακριβώς η σύγχρονη σωματιδιακή φυσική ερμηνεύει τη βαρύτητα και να καταδείξουμε ότι είναι δύσκολο να δικαιολογηθεί το γεγονός ότι αυτή πρέπει να διαφέρει τόσο πολύ από τις υπόλοιπες δυνάμεις – χρειάζεται να φρεσκάρουμε τις γνώσεις μας σχετικά με τις μοντέρνες θεωρίες της σωματιδιακής φυσικής. Το συγκεκριμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής – το οποίο έχει ελεγχθεί πειραματικά και τυγχάνει τόσο ευρείας αποδοχής που αποκαλείται καθιερωμένο πρότυπο – αποτελεί το μεγαλύτερο επίτευγμα της σύγχρονης φυσικής κατά το δεύτερο μισό του 20ου αιώνα. Όλοι θεωρούν ότι είναι ακριβές, παρόλο που κανείς δεν πιστεύει ότι είναι αληθινό. Αυτός που θα καταφέρει να το αντικαταστήσει με κάτι καινούργιο, θα είναι ίσως ο Einstein του 21ου αιώνα.

Το καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής

Το καθιερωμένο πρότυπο περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρονται τα πάντα στον υποατομικό κόσμο. Είναι η τελική (προς το παρόν) και πιο γενική (και πάλι προς το παρόν) επέκταση της κβαντικής μηχανικής. Βασικά πρόκειται για ένα κατάλογο με όλα τα στοιχειώδη σωματίδια και ένα σύνολο κανόνων για το πως αλληλεπιδρούν. Και να πως αλληλεπιδρούν.

Τα σωματίδια ανταλλάσσοντας σωματίδια. Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο ασκεί δύναμη σε ένα άλλο εκπέμποντας ένα φωτόνιο προς το άλλο ηλεκτρόνιο, το δεύτερο προσλαμβάνει το φωτόνιο και ανταποδίδει. Το ανθρωπομορφικό σχήμα που προτιμάται είναι ότι τα σωματίδια αλληλεπιδρούν μέσω δυνάμεων, χρησιμοποιώντας σωματίδια-μεσολαβητές, όπως τα φωτόνια. Ιδού πως φανταζόμαστε αυτή τη διαδικασία.

Όπως μπορείτε να δείτε πιο πάνω, τα δύο ηλεκτρόνια "επικοινωνούν" ανταλλάσσοντας το φωτόνιο (που εδώ μοιάζει με μπάλα του μπάσκετ). Με αυτές τις βολές, το ένα ηλεκτρόνιο απομακρύνεται από το άλλο, γεγονός που συμφωνεί με όσα παρατηρούμε – τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια απωθούνται αμοιβαία. Με άλλα σωματίδια το αποτέλεσμα μπορεί να είναι έλξη και όχι άπωση, η αρχή όμως παραμένει η ίδια. Αυτό είναι το ουσιώδες σημείο που χρειάζεται για να καταλάβουμε τα υπόλοιπα: μια δύναμη – οποιαδήποτε δύναμη – προκαλείται όταν ένα αντικείμενο εκπέμψει ένα αντικείμενο προς ένα άλλο αντικείμενο. Όσο περισσότερα σωματίδια εκπέμπονται (και προσλαμβάνονται), τόσο ισχυρότερη είναι η δύναμη που ασκείται μεταξύ τους.

Και πως σχετίζεται η βαρύτητα με όλα αυτά;

Η βαρύτητα μοιάζει με οποιαδήποτε άλλη δύναμη και προκαλείται από την εκτόξευση "βαρυτονίων" μεταξύ υλικών σωμάτων. Αυτά τα βαρυτόνια προκαλούν την αμοιβαία έλξη μεταξύ των σωμάτων. Μια άλλη θεωρία βέβαια για τη βαρύτητα, η Γενική Σχετικότητα εξηγεί την ύπαρξη της βαρύτητας επικαλούμενη την καμπύλωση του χωροχρόνου σε αντίθεση με το καθιερωμένο πρότυπο που την εξηγεί με ανταλλαγή βαρυτονίων. Τα προβλήματα ανακύπτουν όταν προσπαθήσουμε να συνδυάσουμε αυτές τις δύο θεωρίες, δηλαδή να περιγράψουμε σωματίδια που έχουν πολύ μεγάλη μάζα αλλά είναι πολύ μικρά, όπως είναι για παράδειγμα οι μαύρες τρύπες. Τα προβλήματα αναφέρονται σε μαθηματικές ασυνέπειες, μηδενισμούς παρονομαστών σε κλάσματα (οι γνωστοί απειρισμοί) και άλλα αποτελέσματα που δεν έχουν νόημα. Η θεωρία των χορδών αναπτύχθηκε τουλάχιστον εν μέρει με σκοπό την αποφυγή αυτών των προβλημάτων και συνδυάζει την κβαντική μηχανική με την Γενική Σχετικότητα.  

Τώρα ίσως μπορούμε να καταλάβουμε γιατί το μικρό μέτρο της βαρύτητας αποτελεί ένα τόσο πιεστικό πρόβλημα. Σύμφωνα με το καθιερωμένο πρότυπο, υπάρχει συμμετρία μεταξύ του βαρυτονίου και των υπόλοιπων σωματιδίων-φορέων δυνάμεων. Περιγράφονται με τα ίδια ενοιολογικά εργαλεία. Από αυτή την κοινή περιγραφή συνεπάγεται ότι οι δυνάμεις που παράγουν τα σωματίδια θα έπρεπε να είναι παρεμφερείς, τόσο ως προς τη φύση τους όσο και ως προς το μέγεθος. Τόσο η βαρύτητα όσο και η ηλεκτρομαγνητική δύναμη για παράδειγμα μειώνονται με το τετράγωνο της απόστασης. Κι όμως όπως είδαμε η βαρύτητα είναι κατά πολύ ασθενέστερη από όλες τις άλλες δυνάμεις. Και έτσι μας απομένει το ερώτημα:

Τι είναι αυτό που κάνει τη βαρύτητα τόσο ξεχωριστή περίπτωση; 

Ας δούμε τη θεωρία βρανών. Ας θυμηθούμε ότι η θεωρία αυτή έθεσε ως αξίωμα ότι ζούμε παγιδευμένοι στον τρισδιάστατο κόσμο μας, ο οποίος εμπεριέχεται μέσα σε χώρο περισσοτέρων διαστάσεων. Στην πραγματικότητα κανένα από τα γνωστά μας αντικείμενα δεν μπορεί να κινηθεί μέσα σ’ αυτό το χώρο – ούτε τα ηλεκτρόνια, ούτε τα κουάρκς, ούτε κανένας άλλος -  εκτός από τη βαρύτητα. Μόνο αυτή μπορεί να διαδοθεί σε περισσότερες διαστάσεις. Καθώς λοιπόν τα βαρυτόνια διαχέονται σ’ αυτό το χώρο των περισσοτέρων διαστάσεων, ελαττώνεται ο αριθμός αυτών που απομένουν στον 3-διάστατο κόσμο μας για ν’ αναπτύξουν ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των υλικών αντικειμένων. Όταν μειώνεται ο αριθμός των σωματιδίων φορέων, η αντίστοιχη δύναμη γίνεται ασθενέστερη. 

Φαντασθείτε ότι είστε ένα βαρυτόνιο. Τα βαρυτόνια όπως και τα φωτόνια δεν έχουν μάζα και ως άμαζα κινούνται με την ταχύτητα του φωτός. Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας ότι κινείται με την ταχύτητα του φωτός δεν αντιλαμβάνεται την πάροδο του χρόνου. Σ’ εσάς λοιπόν που κινείστε με την ταχύτητα του φωτός το Σύμπαν σας φαίνεται θεμελιωδώς μεγαλύτερο. Εσείς μπορείτε σε αντίθεση με τα άλλα σωματίδια να κινηθείτε σε μια ακόμη διάσταση, την τέταρτη διάσταση του χώρου.

Τώρα το μέγεθος και το σχήμα αυτής της πρόσθετης τέταρτης διάστασης είναι ακόμη αμφιλεγόμενα. Υπάρχουν τρεις εναλλακτικές εκδοχές.

1) Η επιπλέον διάσταση είναι μικρή και κυκλική, αν και όχι της ίδιας τάξης μεγέθους με τις πραγματικά μικροσκοπικές διαστάσεις που συνδέονται με τη θεωρία χορδών.
Μπορεί να φτάνει σε μήκος το 1mm. Για τη σωματιδιακή φυσική το 1mm είναι ότι για την καθημερινή μας εμπειρία η απόσταση της Γης από τον πλησιέστερο κβάζαρ. Πρόκειται για εξαιρετικά μεγάλο μήκος. Γι αυτό το λόγο η θεωρία βρανών ονομάστηκε αρχικά, θεωρία των μεγάλων πρόσθετων διαστάσεων. Κάθε επιπλέον διάσταση είναι κουλουριασμένη σε ένα κύκλο. Έτσι αν είσαστε βαρυτόνιο θα μπορούσατε να κινηθείτε σ’ αυτή την κυκλική διάσταση σε κάθε σημείο του χώρου, ενώ ταυτόχρονα θα κινείστε σε μια ευθεία γραμμή μέσα στις γνωστές μας τρεις διαστάσεις.

2) Η πρόσθετη διάσταση είναι άπειρου μεγέθους.
Είμαστε εξοικειωμένοι με τις άπειρες διαστάσεις. Στην πραγματικότητα οι τυπικές διαστάσεις μέσα στις οποίες κινούμαστε στην καθημερινή μας εμπειρία φαίνονται άπειρου μεγέθους. Θα μπορούσαμε θεωρητικά να επιλέξουμε μια κατεύθυνση – ας πούμε προς τα επάνω – και να κινηθούμε πάνω σ’ αυτήν για πάντα χωρίς ποτέ να επιστρέψουμε στην ίδια θέση, χωρίς ποτέ να καταλήξουμε σε κάποιο τέλος. Όταν η Lisa Randall και ο  Raman Sundrum – που σήμερα εργάζονται στο Harvard και στο John Hopkins αντίστοιχα – πρότειναν για πρώτη φορά την πιθανότητα μιας άπειρης τέταρτης διάστασης, το 1999, ήταν η πρώτη φορά που θεωρήθηκε βάσιμο το ενδεχόμενο η επιπρόσθετη διάσταση να μη χρειάζεται να είναι μικροσκοπική για να παραμένει αόρατη.

Αν μόνο τα βαρυτόνια μπορούν να κινηθούν σ’ αυτήν την επιπλέον διάσταση, τότε θα μπορούσε να είναι απόλυτα ευθύγραμμη και άπειρου μεγέθους, χωρίς ποτέ να μπορούμε να το διαπιστώσουμε. Η πρόταση αυτή έχει το πλεονέκτημα ότι εισηγείται μια νέα διάσταση απόλυτα όμοια με τις συνηθισμένες που γνωρίζουμε καλά. Με τη μόνη διαφορά ότι μόνο τα βαρυτόνια την αισθάνονται. 

3) Η ύπαρξη ενός παράλληλου σύμπαντος
Παρατηρείστε ότι οι δύο αυτές απαιτούν μια μόνο επιπλέον διάσταση. (Σε κάποιες παραλλαγές αυτών των θεωριών προτείνεται η ύπαρξη δύο ή τριών – η μία όμως από αυτές είναι απαραίτητη). Ο λόγος είναι ότι η βαρύτητα χρειάζεται αρκετό επιπλέον χωροχρόνο για να διαχυθεί και να εξασθενήσει. Η περίπλοκη δομή που θ’ αποδώσετε στον χώρο αυτό – είτε βάσει της θεωρίας των χορδών, είτε βάσει μιας άλλης θεωρίας που ονομάζεται υπερσυμμετρία είτε επιλέγοντας κάποια τρίτη, εντελώς διαφορετική – αποτελεί ουσιαστικά λεπτομέρεια. 

Αυτή όμως η τρίτη εναλλακτική εκδοχή δεν αποτελεί απλώς συνδυασμό της θεωρίας των χορδών και της θεωρίας βρανών, έναν τρόπο να εντάξουμε καινοτόμες ιδέες στο ίδιο εννοιολογικό πλαίσιο. Σύμφωνα με αυτή την εκδοχή, οι πρόσθετες διαστάσεις είναι δύο, ευθύγραμμες και πεπερασμένες, οι οποίες μας οδηγούν σε ένα παράλληλο Σύμπαν. 

Θυμάστε ότι η θεωρία των χορδών αξιώνει ότι ζούμε σε ένα κόσμο 10 διαστάσεων; Φαντασθείτε λοιπόν ότι αντί να ζούμε σ’ ένα 4-διάστατο χώρο (3 χωρικές και 1 χρονική διάσταση) και οι υπόλοιπες 6 διαστάσεις να είναι κουλουριασμένες σε τόσο μικρά σφαιρίδια, που δεν υπάρχει περίπτωση να τις παρατηρήσουμε ποτέ άμεσα, υπάρχου δύο 4-διάστατοι χώροι: Ο δικός μας και ένας άλλος που βρίσκεται σε μικρή απόσταση από τον πρώτο. Μια 2-διάστατη επιφάνεια συνδέει αυτές τις δύο βράνες, άρα οι διαστάσεις είναι 4+4+2 = 10. Το συμπέρασμα είναι ότι ανέκαθεν υπήρχε μια άλλη βράνη, σε απόσταση 1 mm περίπου από τη δική μας, στην οποία δεν θα μπορούσαμε ποτέ να ταξιδέψουμε επειδή δεν είμαστε βαρυτόνια. Είναι το είδος των υποθέσεων το οποίο όσοι ασχολούνται με τη θεωρία των χορδών δεν αποκαλούν "ξεκάθαρα γελοίο" αλλά  παραφράζοντάς το "στρυφνό, εφιαλτικό σενάριο"! Είναι πάντως συνεπής από μαθηματική άποψη, ακόμη κι αν συνθλίβει την κοινή λογική μας.  

Όσα είπαμε πιο πάνω αποτελούν πραγματικά τις εμπειρίες ενός φανταστικού ταξιδιού, για να χρησιμοποιήσω μετριοπαθή έκφραση. Αυτές οι θεωρίες αγγίζουν τα όρια της ανθρώπινης λογικής. Κανείς δεν γνωρίζει αν κάποια από αυτές ισχύει πραγματικά, επειδή κανείς δεν έχει προσδιορίσει πως θα μπορούσαμε να ελέγξουμε την αλήθεια τους με βάση το φυσικό κόσμο. Αυτές οι θεωρίες όμως θα αποσαφηνιστούν προοδευτικά τόσο σ’ αυτούς που τις επεξεργάζονται όσο και σε μας. Η φιλοδοξία είναι να κατασκευαστεί μια Αληθινή θεωρία του Σύμπαντος, η οποία θα περιγράφει ένα Σύμπαν το οποίο θα μπορούμε να κατανοήσουμε πλήρως, χωρίς όμως σήμερα να μπορούμε να το φανταστούμε πως θα είναι.

Πηγή: Popular Science

About the author

physics4u

Leave a Comment

Share