Θεωρίες φυσικής

Ψάχνοντας για ζωή στο πολυσύμπαν – Κόσμοι μέσα στο πολυσύμπαν με διαφορετικούς νόμους της φυσικής θα μπορούσαν να είναι ακόμα και κατοικήσιμοι

Αρκετοί φυσικοί εδώ και καιρό έχουν υποστηρίξει ότι μια μικρή αλλαγή σε έναν από τους νόμους της φυσικής, θα προκαλούσε μια καταστροφή στον Κόσμο μας, διαταράσσοντας έτσι την κανονική εξέλιξη του σύμπαντος και κάνοντας με αυτό τον τρόπο αδύνατη την ύπαρξή μας.

Share

Άρθρο των Alejandro Jenkins του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Φλόριδας και Gilad Perez του Ινστιτούτου Weizmann του Ισραήλ στο περιοδικό Scientific American

Αρκετοί φυσικοί εδώ και καιρό έχουν υποστηρίξει ότι μια μικρή αλλαγή σε έναν από τους νόμους της φυσικής, θα προκαλούσε μια καταστροφή στον Κόσμο μας, διαταράσσοντας έτσι την κανονική εξέλιξη του σύμπαντος και κάνοντας με αυτό τον τρόπο αδύνατη την ύπαρξή μας.

multiverse2

Για παράδειγμα, εάν η ισχυρή πυρηνική δύναμη που συνενώνει τους πυρήνες ήταν ελαφρώς ισχυρότερη ή ασθενέστερη, τα αστέρια θα είχαν δημιουργήσει πολύ λιγότερο άνθρακα και άλλα στοιχεία που φαίνεται να είναι απαραίτητα για να σχηματιστούν οι πλανήτες, πόσο μάλλον η ζωή.

Αν το πρωτόνιο ήταν μόνο 0,2 τοις εκατό βαρύτερα από όσο είναι, όλο το αρχέγονο υδρογόνο θα μετασχηματιζόταν σχεδόν αμέσως σε νετρόνια, και δεν θα είχαν ποτέ σχηματιστεί τα άτομα. Και ο κατάλογος συνεχίζεται…

 

Βασικές έννοιες πολυσύμπαντος

● Το καθένα σύμπαν έχει τους δικούς του νόμους της φυσικής, και μπορεί να έχει προκύψει από το ίδιο αρχέγονο κενό που δημιούργησε και το δικό μας.

● Εάν υποτεθεί ότι υπάρχουν πολλοί τέτοιοι κόσμοι μπορεί να περιέχουν πολύπλοκες δομές και ίσως ακόμη και ορισμένες μορφές ζωής.

● Τα ευρήματα αυτά υποδηλώνουν πως το σύμπαν μας μπορεί και να μην είναι το πιο καλοσυντονισμένο για την εμφάνιση της ζωής, όπως εθεωρείτο μέχρι σήμερα.

 

Οι νόμοι της φυσικής – και ιδίως οι σταθερές της φύσης που υπεισέρχονται σε αυτούς τους νόμους, όπως είναι η ισχύς των θεμελιωδών δυνάμεων – μπορούν, συνεπώς, να φαίνονται εξαιρετικά ‘συντονισμένοι’ για να κάνουν δυνατή την ύπαρξη μας. Χωρίς επικλήσεις σε μια υπερφυσική εξήγηση, η οποία είναι εξ ορισμού εκτός του πεδίου της επιστήμης, μια σειρά φυσικών και κοσμολόγων άρχισαν το 1970 να προσπαθούν την επίλυση ενός παζλ, που υποθέτει ότι το σύμπαν μας είναι μόνο ένα από τα πολλά υφιστάμενα σύμπαντα, ενώ το καθένα έχει τους νόμους του. Σύμφωνα με αυτή την "ανθρωπική" συλλογιστική, εμείς απλώς βρισκόμαστε σε ένα σπάνιο σύμπαν, όπου οι σωστές συνθήκες συμβαίνει να έχουν συμβεί ταυτόχρονα για να κάνουν δυνατή την ύπαρξη της ζωής.

Πολυσύμπαντα στην κοσμολογία

Είναι εκπληκτικό ότι στην καθιερωμένη θεωρία της κοσμολογίας η οποία εμφανίστηκε στη δεκαετία του 1980, προκύπτει ότι τα παράλληλα σύμπαντα, μπορεί πράγματι να υπάρχουν  – ότι στην πραγματικότητα μια πληθώρα άλλων Κόσμων αδιάκοπα αναδύονταν μέσα από το αρχέγονο κενό, όπως αναδύθηκε και το δικό μας σύμπαν με το big bang. Ο Κόσμος μας έτσι θα είναι ένας από τους πολλούς Κόσμους–θύλακες μέσα σε μια ευρύτερη έκταση που ονομάζεται πολυσύμπαν.

Στην συντριπτική πλειοψηφία αυτών των Κόσμων, οι νόμοι της φυσικής δεν μπορούν να επιτρέψουν το σχηματισμό της ύλης, όπως την ξέρουμε ή γαλαξίες, αστέρια, πλανήτες και φυσικά διάφορες μορφές της ζωής. Όμως, δεδομένου του μεγάλου αριθμού των πιθανοτήτων που υπάρχουν, η φύση θα είχε μια καλή ευκαιρία να αποκτήσει τουλάχιστον ένα σύμπαν με το "σωστό" σύνολο των νόμων που απαιτούνται για την εμφάνιση όλων αυτών.

multiverse1 Μερικά σύμπαντα μέσα στο πολυσύμπαν μπορούν να ταιριάζουν με την παρουσία της ζωής κι άλλα όχι

Πρόσφατες μελέτες, ωστόσο, δείχνουν ότι ορισμένα από αυτά τα άλλα σύμπαντα – αν υποτεθεί ότι υπάρχουν – δεν μπορεί να είναι και τόσο αφιλόξενα. Αξίζει να σημειωθεί ότι έχουμε βρει παραδείγματα εναλλακτικών τιμών για τις θεμελιώδεις σταθερές, και κατά συνέπεια εναλλακτικά σύνολα των φυσικών νόμων, που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε πολύ ενδιαφέροντες κόσμους και ίσως και στη ζωή. Η βασική ιδέα είναι να αλλάξουμε μια πτυχή των νόμων της φύσης και στη συνέχεια να τροποποιήσουμε με αντισταθμιστικές αλλαγές τους υπόλοιπους νόμους.

Δεν ασχοληθήκαμε καθόλου με το πολύ σοβαρό πρόβλημα μικρορύθμισης στη θεωρητική φυσική: δηλαδή με το μικρό μέγεθος της «κοσμολογικής σταθεράς», χάρις την οποία το σύμπαν δεν κατέρρευσε στο τίποτα ένα απειροελάχιστο χρονικό διάστημα μετά το Big Bang, ούτε ότι το σύμπαν ‘διαχωρίστηκε’ μετά από μια εκθετική επιτάχυνση της διαστολής. Ωστόσο, τα παραδείγματα των εναλλακτικών, δυνητικά κατοικήσιμων συμπάντων εγείρουν ενδιαφέροντα ερωτήματα και παρακινούν κι άλλη έρευνα σχετικά με τον τρόπο που το δικό μας σύμπαν μπόρεσε να γεννηθεί.

Ζωή με την ασθενή πυρηνική δύναμη

Ο συμβατικός τρόπος που οι επιστήμονες διαπιστώνουν εάν μία συγκεκριμένη σταθερά της φύσης είναι εξαιρετικά ρυθμισμένη ή όχι, είναι να μετατραπεί αυτή η ‘σταθερά’ σε μία προσαρμόσιμη παράμετρο και να ‘πειραχτεί’ κατάλληλα, αφήνοντας όλες τις άλλες σταθερές αμετάβλητες. Βασισμένοι στους νέους τροποποιημένους νόμους της φυσικής, οι επιστήμονες τότε "παίζουν την ταινία" του σύμπαντος – κάνοντας υπολογισμούς, σενάρια ή προσομοιώσεις σε υπολογιστές – για να δούνε αν επέρχεται η καταστροφή στο ‘σύμπαν’ τους. Αλλά δεν υπάρχει κανένας λόγος για τον οποίο πρέπει κανείς να ‘παίξει’ αλλάζοντας μόνο μία παράμετρο κάθε φορά. Αντίθετα μπορούμε να τροποποιήσουμε πολλές παραμέτρους ταυτόχρονα.

Για να αναζητήσουμε εναλλακτικά σύνολα νόμων που να οδηγούν στην ανάδυση περίπλοκων δομών ικανών να υποστηρίξουν την παρουσία της ζωής σε άλλους κόσμους, ένας από εμάς (ο Gilad Perez) δεν έκανε μόνο μικρές τροποποιήσεις στους γνωστούς νόμους της φυσικής: κατάργησε πλήρως μία από τις γνωστές τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης.

Άλλες απόψεις για τα παράλληλα σύμπαντα

Οι φυσικοί και κοσμολόγοι – και συχνά συγγραφείς επιστημονικής φαντασίας – μιλάνε για παράλληλους κόσμους αλλά ο καθένας τους σε διαφορετικά πλαίσια: τουλάχιστον τρεις διαφορετικές διακριτές έννοιες υφίστανται από αυτήν που περιγράφεται σε αυτό το άρθρο.

● Φυσαλίδα Hubble

Ο Κόσμος μας είναι ίσως πολύ μεγαλύτερος από το τμήμα που μπορούμε να παρατηρήσουμε, την "φυσαλίδα Hubble." Αν αυτή είναι άπειρη σε μέγεθος, τότε πρέπει να υπάρχουν άπειρες ξεχωριστές φυσαλίδες Hubble (με κέντρο παρατηρητές σε απομακρυσμένους γαλαξίες). Ορισμένοι παρατηρητές μπορεί να είναι ταυτόσημοι με μας, με ορισμένους μάλιστα να διαβάζουν ακριβώς αυτό το άρθρο

● Βράνες

Εάν ο χώρος έχει περισσότερες από τρεις διαστάσεις, τότε ο Κόσμος μας θα μπορούσε να είναι ένας από τις πολλές τρισδιάστατες βράνες(branes), σε ένα ευρύτερο πολυδιάστατο χώρο. Αυτοί οι "παράλληλοι κόσμοι" μπορεί να επηρεάζουν ο ένας τον άλλον ή ακόμη και να συγκρούονται.

● Η υπόθεση των πολλών Κόσμων

Στην κβαντική φυσική, το ίδιο αντικείμενο μπορεί να υπάρχει σε πολλές καταστάσεις – όπως η περίφημη γάτα που είναι ταυτόχρονα νεκρή και ζωντανή – και μόνο εξωτερικοί παρατηρητές θα την αναγκάσουν να τεθεί σε μια κατάσταση. Μερικοί φυσικοί πιστεύουν ότι όλες οι πιθανές καταστάσεις εξακολουθούν να υπάρχουν, η κάθε μία σε μια ξεχωριστή, "διακλαδισμένη” εκδοχή του σύμπαντος.

 

Σαν όνομα οι θεμελιώδεις δυνάμεις φαίνεται ότι αποτελούν τα απαραίτητα χαρακτηριστικά του κάθε σεβόμενου τον εαυτό του σύμπαντος. Χωρίς την ισχυρή πυρηνική δύναμη που δεσμεύει τα κουάρκ μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια που είναι μέσα στους ατομικούς πυρήνες, ύλη όπως την ξέρουμε δεν θα υπήρχε. Χωρίς την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, δεν θα υπήρχε φως. Δεν θα υπήρχαν, επίσης, άτομα και χημικοί δεσμοί. Χωρίς τέλος την βαρύτητα δεν θα υπήρχε δύναμη να συγκεντρώσει την ύλη στους γαλαξίες, τα αστέρια και τους πλανήτες.

Η τέταρτη δύναμη, η ασθενής πυρηνική δύναμη, έχει μια εύσχημη παρουσία στην καθημερινή ζωή μας, αλλά εξακολουθεί να έχει διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην ιστορία του Κόσμου μας. Μεταξύ άλλων, η ασθενής δύναμη επιτρέπει τις αντιδράσεις όπου τα νετρόνια μετατρέπονται σε πρωτόνια, και αντιστρόφως. Στις πρώτες στιγμές μετά το Big Bang, αφότου τα κουάρκ (μία από τις πρώτες μορφές της ύλης που εμφανίστηκαν) ενώθηκαν σε ομάδες ανά τρία για να σχηματίσουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια, τα λεγόμενα βαρυόνια, ομάδες από τέσσερα πρωτόνια ήταν τότε σε θέση να συντήκονται μαζί για να φτιάξουν πυρήνες ηλίου-4, που αποτελούνται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Αυτή είναι η λεγόμενη πυρηνοσύνθεση κατά το Big Bang που πραγματοποιήθηκε μερικά δευτερόλεπτα αφότου ξεκίνησε τη ζωή του το σύμπαν, όταν ήταν ήδη αρκετά ψυχρό ώστε να σχηματιστούν τα βαρυόνια, αλλά ακόμα αρκετά θερμό για να σχηματιστούν τα βαρυόνια και να υφίστανται την πυρηνική σύντηξη. Στην νουκλεοσύνθεση κατά το Big Bang παράγεται το υδρογόνο και το ήλιο που θα αποτελέσουν αργότερα την πρώτη ύλη για τα αστέρια, όπου η πυρηνική σύντηξη και άλλες διαδικασίες θα σφυρηλατήσουν σχεδόν όλα τα άλλα στοιχεία, που συναντούμε στη φύση. Και έως σήμερα, η σύντηξη των τεσσάρων πρωτονίων προς το ήλιο-4 συνεχίζει μέσα στον ήλιο μας, όπου παράγει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που λαμβάνουμε από αυτό.

Ζωή χωρίς την ασθενή πυρηνική δύναμη

Δίχως λοιπόν την ασθενή πυρηνική δύναμη φαίνεται απίθανο ότι ένα σύμπαν θα μπορούσε να περιέχει κάτι που να μοιάζει με την πολύπλοκη δική μας χημεία, πόσο μάλλον τη ζωή. Ωστόσο, η ομάδα του Gilad Perez ανακάλυψε ένα σύνολο φυσικών νόμων που επικαλείται μόνο τις άλλες τρεις δυνάμεις της φύσης και που τους οδήγησαν ωστόσο σε ένα συμπαθές σύμπαν.

Η εξάλειψη της ασθενούς πυρηνικής δύναμης από το σετ των τεσσάρων δυνάμεων απαιτεί εν συνεχεία αρκετές τροποποιήσεις του λεγόμενου Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής, η θεωρία που περιγράφει όλες τις δυνάμεις, εκτός από τη βαρύτητα. Η ερευνητική ομάδα έδειξε ότι οι τροποποιήσεις θα μπορούσαν να γίνουν κατά τέτοιο τρόπο ώστε η συμπεριφορά των τριών άλλων δυνάμεων – και άλλες σημαντικές παραμέτρους, όπως είναι οι μάζες των κουάρκ – θα είναι η ίδια με τον δικό μας Κόσμο. Θα πρέπει να τονίσουμε ότι αυτή η επιλογή ήταν συντηρητική, προορισμένη να διευκολύνει τον υπολογισμό του πως θα εξελιχθεί το σύμπαν. Είναι πολύ πιθανό ότι ένα ευρύ φάσμα άλλων συμπάντων χωρίς την ασθενή δύναμη (weakless) που υπάρχουν είναι κατοικήσιμα, αλλά κανένα δεν θα μοιάζει σαν το δικό μας.

Σε ένα σύμπαν χωρίς την ασθενή δύναμη, η συνήθης σύντηξη των τεσσάρων πρωτονίων προς τον σχηματισμό του στοιχείου ηλίου-4 θα ήταν αδύνατη, διότι απαιτεί ότι δύο από τα πρωτόνια μετατρέπονται σε νετρόνια. Αλλά και άλλες κατευθύνσεις θα μπορούσαν να υπάρχουν για τη δημιουργία των στοιχείων. Για παράδειγμα, ο Κόσμος μας περιέχει συντριπτικά περισσότερη ύλη από αντιύλη, αλλά μια μικρή προσαρμογή στην παράμετρο που ελέγχει αυτή την ασυμμετρία είναι αρκετή για να εξασφαλίσει ότι η νουκλεοσύνθεση κατά το Big Bang  θα αφήσει πίσω της ένα σημαντικό ποσό πυρήνων του δευτερίου. Το δευτέριο, γνωστό κι ως υδρογόνο-2, είναι ένα ισότοπο του υδρογόνου που ο πυρήνας του περιλαμβάνει ένα νετρόνιο κι ένα πρωτόνιο. Τα αστέρια θα μπορούσαν τότε να λάμπουν με τη σύντηξη ενός πρωτονίου και ενός πυρήνα δευτερίου για να φτιάξουν τον πυρήνα ήλιο-3 (με δύο πρωτόνια και ένα νετρόνιο στον πυρήνα του).

Τέτοια άστρα χωρίς την ασθενή δύναμη θα ήταν πιο ψυχρά και μικρότερα από τα κανονικά αστέρια μέσα στο δικό μας σύμπαν. Σύμφωνα με προσομοιώσεις σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές από τον Adam Burrows – αστροφυσικό του Πανεπιστημίου του Πρίνστον, θα μπορούσαν να καίνε ύλη για περίπου επτά δισεκατομμύρια χρόνια – ή περίπου τη σημερινή ηλικία του ήλιου μας – και να εκπέμψει ενέργεια σε ρυθμό μικρότερο όμως από του ήλιου μας. 

Πώς να βρούμε κατοικήσιμα σύμπαντα

multiverse4Πολλά χαρακτηριστικά, στους νόμους της Φύσης φαίνεται να είναι τόσο σωστά ρυθμισμένα που μια μικρή αλλαγή σε μία από τις σταθερές που εμφανίζονται στις εξισώσεις της φυσικής συνήθως οδηγεί σε μια "καταστροφή". 

Για παράδειγμα, τα άτομα δεν μπορούν να σχηματιστούν ή η ύλη διασκορπίζεται στο διάστημα τόσο αραιά ώστε να μην μπορεί να συμπυκνωθεί σε γαλαξίες, αστέρια ή πλανήτες.

Αλλάζοντας δύο σταθερές ταυτόχρονα (περίπτωση 4η), ωστόσο, μπορεί μερικές φορές να οδηγήσει σε σύνολα δυνατών τιμών που να είναι συμβατά με το σχηματισμό πολύπλοκων δομών και ίσως ακόμη και μερικές μορφές σε ευφυή ζωή.

Αλλάζοντας τρεις ή περισσότερες σταθερές διευρύνεται το φάσμα των πιθανοτήτων ακόμη περισσότερο.

 

 

 

 multiverse3

Επόμενη Γενιά

Ακριβώς όπως τα αστέρια στο δικό μας σύμπαν, έτσι και τα αστέρια χωρίς την ασθενή δύναμη θα μπορούσαν να συνθέσουν στοιχεία, τόσο βαριά όσο ο σίδηρος μέσω της  πυρηνικής σύντηξης. Όμως, οι τυπικές αντιδράσεις που στα άστρα μας οδηγούν σε στοιχεία πέραν του σιδήρου θα κινδύνευαν, κυρίως διότι θα ήταν διαθέσιμα λίγα νετρόνια ώστε οι πυρήνες να τα συλλάβουν και να γίνουν βαρύτερα ισότοπα, το πρώτο βήμα για τη διαμόρφωση των βαρύτερων στοιχείων. Μικρές ποσότητες βαρέων στοιχείων, μέχρι το στρόντιο, θα μπορούσαν ακόμη να συντεθούν και στα άστρα χωρίς την ασθενή δύναμη από άλλους μηχανισμούς.

Στο σύμπαν μας, οι υπερκαινοφανείς εκρήξεις ή σουπερνόβα διασκορπίζουν τα στοιχεία που έχουν πρόσφατα δημιουργηθεί στο διάστημα, και έτσι σχηματίζονται και τα περισσότερα από τα βαριά στοιχεία. Τα σουπερνόβα μπορεί να είναι πολλών ειδών: στο σύμπαν δίχως την ασθενή δύναμη, οι εκρήξεις σουπερνόβα που προκαλούνται από την κατάρρευση άστρων κολοσσιαίας μάζας θα αποτύχουν, διότι οι εκρήξεις δημιουργούνται από την εκπομπή των νετρίνων, και τα οποία παράγονται μέσω της ασθενούς αλληλεπιδράσεως. Τα νετρίνα όπως γνωρίζουμε μεταφέρουν την ενέργεια έξω από τον πυρήνα ενός άστρου που καταρρέει, έτσι ώστε να διατηρήσουν το ωστικό κύμα που προκαλεί η έκρηξη. Αλλά ένα διαφορετικό είδος σουπερνόβας – η θερμοπυρηνική έκρηξη ενός άστρου που προκλήθηκε από την συσσώρευση υλικού στην επιφάνεια του άστρου που συγκεντρώθηκε από ένα συνοδό του, και όχι από την βαρυτική κατάρρευση – θα εξακολουθήσει να αναπτύσσεται και σε αυτό το σύμπαν. Έτσι, τα βαριά στοιχεία θα μπορούσαν να διαχυθούν στον διαστρικό χώρο με τον δεύτερο τύπο σουπερνόβας, και αυτά τα στοιχεία θα ήταν τελικά οι σπόροι για να γεννηθούν νέα αστέρια και πλανήτες.

Λαμβάνοντας υπόψη τη σχετική ψυχρότητα των άστρων αυτών (χωρίς την ασθενή δύναμη ), ένας πλανήτης σαν τη Γη μας θα πρέπει να είναι περίπου έξι φορές πιο κοντά στο μητρικό του άστρο για να παραμείνει τόσο ζεστό όσο η δική μας Γη. Στους κατοίκους των εν λόγω πλανητών, ο ήλιος θα φαινόταν πολύ μεγαλύτερος. Τέτοιοι πλανήτες σαν τη Γη μας θα ήταν σημαντικά διαφορετικοί από την δική μας Γη. Στον πλανήτη μας, η δραστηριότητα των τεκτονικών πλακών καθώς και η ηφαιστειακή δραστηριότητα τροφοδοτείται από τη ραδιενεργό διάσπαση του ουρανίου και του θορίου βαθιά μέσα στο εσωτερικό της Γης. Δίχως τα βαριά στοιχεία, μια Γη χωρίς την ασθενή δύναμη μπορεί να είχε συγκριτικά μια βαρετή και χωρίς την χαρακτηριστική δική μας γεωλογία, εκτός και εάν οι βαρυτικές διαδικασίες παρέχουν μια εναλλακτική πηγή θέρμανσης, όπως συμβαίνει σε μερικά φεγγάρια του Κρόνου και του Δία.

Η χημεία, από την άλλη πλευρά, θα ήταν πολύ παρόμοια με εκείνη του πλανήτη μας. Μία διαφορά όμως θα ήταν ότι ο περιοδικός πίνακας θα σταματούσε στον σίδηρο, εκτός από εξαιρετικά λιγοστά ίχνη άλλων στοιχείων. Αλλά αυτός ο περιορισμός δεν πρέπει να αποτρέψει να σχηματιστούν μορφές ζωής παρόμοιες με αυτές που γνωρίζουμε από την εξέλιξη. Έτσι, ακόμη και ένα σύμπαν με τις τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις μόνο θα μπορούσε να είναι φιλική στη ζωή.

Υπάρχει όμως και μια άλλη προσέγγιση στο θέμα των νόμων των άλλων συμπάντων, που ακολουθείται από την επιστημονική ομάδα του Jenkins. Αυτή η ομάδα αναζητάει εναλλακτικά σύνολα νόμων, κάνοντας με αυτό τον τρόπο μικρότερες τροποποιήσεις στο Καθιερωμένο Μοντέλο από ό,τι στην περίπτωση του σύμπαντος χωρίς την ασθενή δύναμη, αν και εξακολουθεί να περιλαμβάνει πολλαπλές παραμέτρους ταυτόχρονα. Το 2008, αυτή η ομάδα μελέτησε σε ποιο βαθμό οι μάζες των τριών ελαφρύτερων από τα έξι κουάρκ – το πάνω, το κάτω και το παράξενο κουάρκ – μπορεί να μεταβάλλονται δίχως να καταστήσουν αδύνατη την οργανική χημεία. Αλλάζοντας τις μάζες των κουάρκ θα επηρεαστεί αναπόφευκτα το πως τα βαρυόνια και οι ατομικοί πυρήνες μπορούν να υπάρχουν χωρίς όμως να διασπώνται γρήγορα. Με τη σειρά της, η ποικιλία των διαφορετικών πυρήνων θα επηρεάσει ανάλογα και την χημεία.

Εν συντομία η ιστορία ενός εναλλακτικού σύμπαντος

Σενάριο 1ο: Ένα Σύμπαν δίχως Ασθενή Δύναμη

Ένα σύμπαν με τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις, αντί των κανονικών τεσσάρων, μπορεί να μοιάζει πολύ με το δικό μας. Παρακάτω αναφέρονται οι σπουδαιότερες υποθέσεις για το πώς μπορεί να συμβαίνει

● Αφαιρέστε την ασθενή πυρηνική δύναμη, τροποποιώντας αρκετές "σταθερές" στο καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής.
● Κρατήστε τις άλλες τρεις δυνάμεις όπως ακριβώς είναι στο σύμπαν μας.
● Τροποποιήστε άλλες παραμέτρους για τη διευκόλυνση της πυρηνικής σύντηξης σε αστέρια.

Το αποτέλεσμα είναι ένας Κόσμος με πολύπλοκη δομή που θα μπορούσε να στηρίξει μορφές ζωής παρόμοιες με αυτές στη Γη.

multiverse5

Αλλαγή στις μάζες των σωματιδίων – Χημεία της Ζωής

Φαίνεται εύλογο ότι η νοήμον ζωή (αν δεν είναι πολύ διαφορετική από εμάς) απαιτεί κάποια μορφή οργανικής χημείας, η οποία είναι εξ ορισμού η χημεία που περιλαμβάνει τον άνθρακα. Οι χημικές ιδιότητες του άνθρακα βγαίνουν από το γεγονός ότι ο πυρήνας του έχει φορτίο 6 έτσι ώστε να έχει έξι ηλεκτρόνια. Αυτές οι ιδιότητες του άνθρακα του επιτρέπουν να σχηματίσει μια τεράστια ποικιλία πολύπλοκων μορίων. (Συχνά οι συγγραφείς της επιστημονικής φαντασίας γράφουν ότι η ζωή θα μπορούσε αντίθετα να βασίζεται στο πυρίτιο – το επόμενο στοιχείο της ομάδας του άνθρακα στον περιοδικό πίνακα – αλλά είναι αμφίβολο: δεν ξέρουμε να υπάρχουν τόσο πολύπλοκα και πολλά μόρια που να βασίζονται στο πυρίτιο) Επιπλέον, για να σχηματιστούν τα σύνθετα οργανικά μόρια, πρέπει να είναι παρόντα το υδρογόνο και το οξυγόνο. Για να δούνε λοιπόν αν θα μπορούσαν να διατηρήσουν την οργανική χημεία, στη συνέχεια, η ομάδα χρειάστηκε να υπολογίσει το κατά πόσον οι πυρήνες με φορτίο 1, 6 ή 8 (υδρογόνο – άνθρακας – οξυγόνο) θα διασπώνται με ραδιενέργεια προτού μπορέσουν να συμμετέχουν στις χημικές αντιδράσεις.

Η ευστάθεια ενός πυρήνα εξαρτάται εν μέρει από τη μάζα του, η οποία με τη σειρά της εξαρτάται από τις μάζες των βαρυονίων από τις οποίες είναι κατασκευασμένος Ο υπολογισμός της μάζας των βαρυονίων και των πυρήνων ξεκινά από τις μάζες των κουάρκ, κάτι που είναι εξαιρετικά προκλητικό ακόμη και για το δικό μας σύμπαν. Αλλά μετά από μικροαλλαγές της έντασης της αλληλεπίδρασης μεταξύ των κουάρκ, μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει τη μάζα των βαρυονίων που μετρήθηκαν στο δικό μας σύμπαν για να εκτιμήσει το πώς οι μικρές αλλαγές στις μάζες των κουάρκ θα επηρεάσουν τις μάζες των πυρήνων.

Στον Κόσμο μας, το νετρόνιο είναι περίπου 0,1% βαρύτερο από το πρωτόνιο. Εάν αλλάξουν οι μάζες των κουάρκ, έτσι ώστε το νετρόνιο να είναι 2% βαρύτερο από το πρωτόνιο, τότε δεν θα υπάρχει μορφή μακρόβιου άνθρακα ή οξυγόνου. Αν οι μάζες των κουάρκ προσαρμοστούν για να κάνουν το πρωτόνιο βαρύτερο από το νετρόνιο, τότε το πρωτόνιο σε ένα πυρήνα υδρογόνου θα συλλάβει το τριγύρω τυχόν ηλεκτρόνιο και θα μετατραπεί έτσι σε ένα νετρόνιο, οπότε τα άτομα του υδρογόνου δεν θα μπορούσαν να υπάρχουν για πολύ καιρό. Αλλά αντίθετα το δευτέριο και το τρίτιο (υδρογόνο-3) θα μπορούσαν να είναι και έτσι σταθερά. Έτσι θα ενώνονταν με το οξυγόνο και τον  άνθρακα. Πράγματι, διαπιστώσαμε ότι μόνο αν το πρωτόνιο γινόταν βαρύτερο από το νετρόνιο πάνω από περίπου 1%, θα έπαυε να είναι κάποια σταθερή μορφή του υδρογόνου.

Αν αντί για υδρογόνο-1 είχαμε νερό με δευτέριο ή τρίτιο, οι ωκεανοί θα γίνονταν από βαρύ ύδωρ, το οποίο έχει ελαφρά διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες από ότι το σύνηθες νερό. Ακόμα, αυτή η σύνθεση του νερού δεν φαίνεται να είναι βασικό εμπόδιο σε αυτούς τους άλλους Κόσμους για να σχηματιστεί κάποια μορφή βιολογικής ζωής.

Στον Κόσμο μας, το τρίτο ελαφρύτερο κουάρκ -το παράξενο κουάρκ – είναι πολύ βαρύ για να συμμετάσχει στην πυρηνική φυσική. Αλλά εάν η μάζα του είχε μειωθεί κατά ένα παράγοντα πάνω από 10 περίπου, τότε οι πυρήνες θα μπορούσαν να φτιαχτούν όχι απλώς από πρωτόνια και νετρόνια, αλλά και από άλλα βαρυόνια που περιέχουν παράξενα κουάρκ.

Για παράδειγμα, η ερευνητική ομάδα προσδιόρισε ένα σύμπαν στο οποίο τα πάνω και τα παράξενα κουάρκ θα έχουν περίπου την ίδια μάζα, ενώ το κάτω κουάρκ θα είναι πολύ ελαφρύτερο. Τότε οι πυρήνες, δεν θα είναι κατασκευασμένοι από πρωτόνια και νετρόνια, αλλά αντίθετα από νετρόνια και ένα άλλο βαρυόνιο, που ονομάζεται Σ-(σίγμα μείον). Αξίζει να σημειωθεί ότι ακόμη και ένα τέτοιο ριζικά διαφορετικό σύμπαν θα είχε σταθερές μορφές του υδρογόνου, του άνθρακα και του οξυγόνου και ως εκ τούτου θα μπορούσε να έχει οργανική χημεία. Αν όμως τα στοιχεία αυτά θα παράγονταν σε αρκετή ποσότητα για να μπορέσει να εξελιχθεί η ζωή κάπου μέσα σε αυτά είναι ένα αναπάντητο ερώτημα.

Αλλά εάν η ζωή μπορούσε να ξεκινήσει τότε θα έμοιαζε αρκετά με την δική μας στον Κόσμο μας. Οι φυσικοί σε ένα τέτοιο σύμπαν θα μπορούσαν να προβληματίζονται από το γεγονός ότι η δημιουργία του πάνω (Up) και του παράξενου (Strange) κουάρκ θα είχαν σχεδόν πανομοιότυπες μάζες. Θα μπορούσαν μάλιστα να φανταστούν ότι αυτή η εκπληκτική σύμπτωση έχει μια ανθρωπική εξήγηση, με βάση την ανάγκη για οργανική χημεία. Γνωρίζουμε, ωστόσο, ότι μια τέτοια εξήγηση θα ήταν λάθος, διότι ο Κόσμος μας έχει οργανική χημεία, ακόμη και αν οι μάζες του κάτω και του παράξενου κουάρκ είναι εντελώς διαφορετικές.

Από την άλλη πλευρά, σύμπαντα στα οποία τα τρία ελαφρά κουάρκ θα είχαν περίπου την ίδια μάζα κατά πάσα πιθανότητα δεν θα είχαν οργανική χημεία γιατί: κάθε πυρήνας με περισσότερες από δύο μονάδες φορτίου θα διασπώνταν σχεδόν αμέσως. Δυστυχώς, είναι πολύ δύσκολο να χαρτογραφηθούν λεπτομερώς οι ιστορίες των συμπάντων  των οποίων οι φυσικές παράμετροι είναι διαφορετικές από τις δικές μας. Κι αυτό το ζήτημα απαιτεί κι άλλη έρευνα.

Σενάριο 2ο: Σύμπαν με διαφορετικά κουάρκ

Αλλαγές στη μάζα των σωματιδίων

Φανταστείτε να αλλάξουν οι μάζες του ελαφρών κουάρκ (που σημαίνει ότι τα κουάρκ μπορεί να σχηματίσουν σταθερά βαρυόνια, όπως πρωτόνια και τα νετρόνια). Θα πρέπει ακόμα να φτιάξετε στοιχεία ζωτικής σημασίας για τη ζωή όπως την ξέρουμε. Με αποτέλεσμα το σύμπαν θα πρέπει να περιλαμβάνει σταθερούς πυρήνες με ηλεκτρικό φορτίο 1, 6 και 8, διότι αυτά τα φορτία θα τους δώσουν ιδιότητες παρόμοιες με εκείνες του υδρογόνου, του άνθρακα και του οξυγόνου, αντίστοιχα. Εδώ είναι μερικές περιπτώσεις για το τι μπορεί να συμβεί στα σωματίδια.

 

Τοπίο των χορδών

Ο τέλειος συντονισμός (μικρο-ρύθμιση) των σταθερών της φύσης έχει χρησιμοποιηθεί από ορισμένους θεωρητικούς φυσικούς ως έμμεσες αποδείξεις για το πολυσύμπαν. Μήπως όμως οι δικές μας διαπιστώσεις θέτουν την ιδέα του πολυσύμπαντος υπό αμφισβήτηση; Δεν νομίζουμε ότι αυτό συμβαίνει κατ ‘ανάγκη, για δύο λόγους.

Ο πρώτος λόγος προέρχεται από την παρατήρηση, σε συνδυασμό με τη θεωρία. Τα αστρονομικά δεδομένα υποστηρίζουν σθεναρά την υπόθεση ότι το σύμπαν μας ξεκίνησε σαν μια μικροσκοπική κηλίδα του χωροχρόνου, ίσως τόσο μικρή όσο ένα δισεκατομμυριοστό του μεγέθους ενός πρωτονίου, το οποίο στη συνέχεια πέρασε από μια φάση ταχείας, εκθετικής διαστολής, που ονομάζεται πληθωρισμός. Η κοσμολογία στερείται ακόμη ενός οριστικού θεωρητικού μοντέλου για τον πληθωρισμό, αλλά η θεωρία προτείνει ότι θα μπορούσαν αρκετές ‘κηλίδες’  να διασταλούν με διαφορετικούς ρυθμούς και ότι κάθε τέτοια κηλίδα θα μπορούσε να αποτελέσει ένα σύμπαν "τσέπης", που να μπορεί να γίνει ένα σύμπαν από μόνο του και να χαρακτηρίζεται από τις δικές της τιμές για τις σταθερές της φύσης. Αυτό δηλώνει η θεωρία του αυτοαναπαραγόμενου πληθωριστικού σύμπαντος του Andrei Linde. Το διάστημα μεταξύ αυτών των συμπάντων-τσέπης συνεχίζει να επεκτείνεται τόσο γρήγορα που θα ήταν αδύνατο να ταξιδέψουμε ή να στείλουμε μηνύματα από το ένα σύμπαν στο άλλο, ακόμη και με την ταχύτητα του φωτός.

Ο δεύτερος λόγος που μας βάζει σε υπόνοιες για την ύπαρξη του πολυσύμπαντος είναι ότι υπάρχει μια ποσότητα που φαίνεται ότι εξακολουθεί να είναι εξαιρετικά συντονισμένη, με έναν εξαιρετικό βαθμό: η κοσμολογική σταθερά  Λ, η οποία αντιπροσωπεύει την ποσότητα της ενέργειας που ενσωματώνεται στον κενό χώρο. Η κβαντική φυσική προβλέπει ότι ακόμη και ο κενός χώρος πρέπει να περιέχει ενέργεια. Η δε γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν προβλέπει ότι όλες οι μορφές της ενέργειας ασκούν βαρύτητα. Εάν λοιπόν αυτή η ενέργεια είναι θετική, αναγκάζει τον χωροχρόνο να διαστέλλεται με ένα εκθετικά επιταχυνόμενο ρυθμό. Αν είναι αρνητική, τότε το σύμπαν θα καταρρεύσει σε μια Μεγάλη Σύνθλιψη (big crunch) λόγω της υπεροχής της βαρύτητας πάνω στην κοσμολογική σταθερά. Η Κβαντική θεωρία όμως φαίνεται να υπονοεί ότι η κοσμολογική σταθερά είναι απείρως πολύ μεγάλη – με θετική ή αρνητική κατεύθυνση – που αν ήταν έτσι η τιμή της τότε το διάστημα θα διαστελλόταν τόσο πολύ γρήγορα που οι μεγάλες δομές, όπως είναι οι γαλαξίες να μην έχουν την ευκαιρία να σχηματιστούν ή για να το πούμε αλλιώς αν ίσχυε η τιμή που προβλέπει η κβαντική θεωρία για την σταθερά Λ τότε το σύμπαν θα υπήρχε μόνο για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου προτού  ξανά συσταλεί.

Ένας τρόπος για να εξηγήσουμε γιατί το σύμπαν μας αποφεύγει τέτοιες καταστροφές θα μπορούσε να είναι ότι υπάρχει κάποιος άλλος όρος στο εξισώσεις που ακυρώνει τις επιπτώσεις της κοσμολογικής σταθεράς Λ. Το πρόβλημα είναι ότι αυτός ο όρος θα πρέπει να ρυθμιστεί με μια εξαιρετική ακρίβεια. Μια απόκλιση ακόμη και στο εκατοστό δεκαδικό ψηφίο θα οδηγήσει σε ένα σύμπαν που δεν παρουσιάζει σημαντική δομή.

Το 1987 ο νομπελίστας Steven Weinberg, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν, πρότεινε την ανθρωπική εξήγηση. Υπολόγισε ένα άνω όριο για την τιμή της κοσμολογικής σταθεράς που θα εξακολουθεί να είναι συμβατή με τη ζωή. Αν ήταν η τιμή του Λ μεγαλύτερη, τότε το διάστημα θα επεκτεινόταν τόσο γρήγορα που το σύμπαν δεν θα είχε δομές που η ζωή απαιτεί για να υπάρχει. Κατά κάποιον τρόπο, στη συνέχεια, η ίδια η ύπαρξή μας προβλέπει τη χαμηλή τιμή της σταθεράς.

Στη συνέχεια, στα τέλη της δεκαετίας του 1990, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ότι το σύμπαν πράγματι αναπτύσσεται με ένα επιταχυνόμενο ρυθμό, που ‘σπρώχνεται’ από μια μυστηριώδη μορφή “σκοτεινής ενέργειας." Η παρατηρούμενη τιμή συνεπάγεται ότι η κοσμολογική σταθερά είναι θετική και μικροσκοπική (όχι σαν τις προβλέψεις της κβαντικής θεωρίας πεδίου), εντός των ορίων της πρόβλεψης του Weinberg – που σημαίνει ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι πολύ αραιή.

Έτσι, η κοσμολογική σταθερά Λ φαίνεται να είναι μικρο-ρυθμισμένη σε ένα εξαιρετικό βαθμό. Επιπλέον, οι μέθοδοι που εφαρμόζουν οι ερευνητικές ομάδες μας για την ασθενή πυρηνική δύναμη (1ο σενάριο) και για τις μάζες των κουάρκ (2ο σενάριο), φαίνεται να αποτυγχάνουν σε αυτή την περίπτωση, διότι φαίνεται αδύνατο να βρούμε σύμπαντα ταιριαστά στα οποία η κοσμολογική σταθερά να είναι πολύ μεγαλύτερη από την τιμή που παρατηρούμε. Μέσα σε ένα πολυσύμπαν, η συντριπτική πλειοψηφία των Κόσμων θα μπορούσαν να έχουν μια κοσμολογική σταθερά ασυμβίβαστη με το σχηματισμό της κάθε δομής.

Ένα ανάλογο του προηγούμενου παραδείγματος (για τα πολυσύμπαντα που δεν μπορούν να σταθούν) με τον δικό μας Κόσμο – και όχι σαν μια ταινία δράσης – θα ήταν να στείλουμε μερικές χιλιάδες ανθρώπους πεζοπορία σε μια ορεινή έρημο. Οι λίγοι που θα μείνουν ζωντανοί μπορεί να μας πούνε ιστορίες γεμάτες αγωνία, συναντήσεις με δηλητηριώδη φίδια, και άλλα θανατηφόρα γεγονότα, που θα φαινόταν πολύ κοντά στο να είναι ρεαλιστικές.

Κάποια θεωρητικά επιχειρήματα ριζωμένα στη θεωρία των χορδών – μια θεωρητική επέκταση του Καθιερωμένου Μοντέλου που επιχειρεί να περιγράψει όλες τις δυνάμεις, σαν παλμικές κινήσεις μικροσκοπικών χορδών – φαίνεται να επιβεβαιώνουν ένα τέτοιο σενάριο. Τα επιχειρήματα αυτά δείχνουν ότι κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού η κοσμολογική σταθερά και άλλες παραμέτρους θα μπορούσαν να έχουν λάβει μια σχεδόν ανεξάντλητη ποικιλία από διαφορετικές τιμές, που τις ονομάζουμε το τοπίο της θεωρίας χορδών

Η δική μας δουλειά, ωστόσο, θέτει ορισμένες αμφιβολίες για τη χρησιμότητα της ανθρωπικής συλλογιστικής, τουλάχιστον έξω από την περίπτωση της κοσμολογικής σταθεράς. Θέτει, επίσης, σημαντικά ερωτήματα. Για παράδειγμα, εάν η ζωή είναι πραγματικά δυνατή, σε ένα σύμπαν χωρίς την παρουσία της ασθενούς δύναμης, τότε γιατί το δικό μας σύμπαν έχει την ασθενή δύναμη; Στην πραγματικότητα, οι φυσικοί των σωματιδίων θεωρούν ότι η ασθενής δύναμη στο σύμπαν μας δεν είναι κατά μία έννοια, και αρκετά αδύναμη. Η παρατηρούμενη τιμή της φαίνεται αφύσικα ισχυρή στο πλαίσιο του Καθιερωμένου Μοντέλου. Η βασική εξήγηση για αυτό το μυστήριο απαιτεί την ύπαρξη νέων σωματιδίων και δυνάμεων που οι φυσικοί ελπίζουν να ανακαλύψουν στον Μεγάλο Επιταχυντή στο CERN.

Ως συνέπεια, πολλοί θεωρητικοί αναμένουν ότι τα περισσότερα σύμπαντα θα έχουν ασθενείς αλληλεπιδράσεις αλλά που θα είναι τόσο αδύναμες που πρακτικά θα είναι σαν να απουσιάζουν. Η πραγματική πρόκληση, τότε, μπορεί να είναι να εξηγηθεί γιατί δεν ζούμε σε ένα σύμπαν χωρίς την ασθενή δύναμη.

Τελικά μόνο η βαθύτερη γνώση του πώς γεννιούνται τα σύμπαντα μπορεί να απαντήσει σε τέτοιες ερωτήσεις. Ειδικότερα, μπορούμε να ανακαλύψουμε αρχές της φυσικής σε ένα πιο θεμελιώδες επίπεδο, που θα υπονοεί ότι η φύση προτιμά ορισμένα σύνολα νόμων έναντι κάποιων άλλων.

Ποτέ δεν θα μπορούμε να βρούμε καμία άμεση απόδειξη για την ύπαρξη άλλων συμπάντων, και σίγουρα ποτέ δεν θα μπορέσουμε να τα επισκεφθούμε. Αλλά ίσως χρειαστεί να μάθουμε περισσότερα σχετικά με αυτούς, αν θέλουμε να κατανοήσουμε ποιός είναι πραγματικό ο τόπος μας μέσα στο πολυσύμπαν – ή αλλιώς τι υπάρχει εκεί έξω.

Πηγή: Scientific American, συγγραφείς Alejandro Jenkins του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Φλόριδας και Gilad Perez του Ινστιτούτου Weizmann του Ισραήλ.

About the author

physics4u

Leave a Comment

Share