Πρόσωπα - Γεγονότα

Οι κβαντικές αλληλεπιδράσεις απειλή για να χάσει το στοίχημα ο Χόκινγκ

Ο Στήβεν Χόκιν συμπεριφέρεται σαν παίκτης όταν πρόκειται για τη φυσική, βάζοντας στοιχήματα για τα πάντα, από τη δράση των μαύρων οπών έως την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων. Τα κακά νέα για τον Hawking είναι ότι η κβαντική αλληλεπίδραση του πεδίου ίνφλατον επηρεάζει τις τυχόν προβλέψεις, μειώνοντας έτσι σημαντικά τις πιθανότητές να κερδίσει και το τελευταίο του στοίχημα.

Share

Ο Στήβεν Χόκινγκ συμπεριφέρεται σαν παίκτης όταν πρόκειται για τη φυσική, βάζοντας στοιχήματα για τα πάντα, από τη δράση των μαύρων οπών έως την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων. Τα κακά νέα για τον Hawking είναι ότι η κβαντική αλληλεπίδραση του πεδίου ίνφλατον επηρεάζει τις τυχόν προβλέψεις, μειώνοντας έτσι σημαντικά τις πιθανότητές να κερδίσει και το τελευταίο του στοίχημα.

Το 2002, ο Hawking στοιχημάτισε με τον Neil Turok του Κέμπριτζ ότι οι κοσμολόγοι θα ανακαλύψουν σύντομα αρχέγονα κύματα βαρύτητας και έτσι θα γίνει η επαλήθευση της θεωρίας του πληθωρισμού. Το σύμπαν μας θεωρείται ότι έχει υποστεί την φάση του πληθωρισμού – μια περίοδο εκθετικής διαστολής  – ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, δημιουργώντας κυματισμούς στον ιστό του χωροχρόνου, που ονομάζονται κύματα βαρύτητας.

Το διαστημόπλοιο της NASA Wilkinson MAP που ανίχνευσε την ανισοστροπία της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου (CMB), βρήκε χνάρια του πληθωρισμού σε αυτή την ακτινοβολία που δημιουργήθηκε περίπου 370.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Το σκάφος WMAP δεν ήταν όμως επαρκώς ευαίσθητο ώστε να διακρίνει τα σημάδια των κυμάτων βαρύτητας. Αλλά ο δορυφόρος Planck ξεκίνησε το Μάιο του 2009 για να πάρει μια πιο λεπτομερή εικόνα της CMB. Ο δορυφόρος ψάχνει για το αποτύπωμα των εν λόγω κυμάτων βαρύτητας, μελετώντας τις μικροσκοπικές μεταβολές στη θερμοκρασία της CMB από σημείο σε σημείο πάνω στον ουρανό. Ο Hawking έβαλε λοιπόν στοίχημα ότι η ένταση των κυμάτων θα είναι πάνω από μια ορισμένη τιμή. Αν έχει δίκιο, θα πρέπει το Planck να τα εντοπίσει.

Ωστόσο, οι πιθανότητες να δει το σκάφος Planck σημάδια των κυμάτων βαρύτητας εξαρτάται από το τι ακριβώς συνέβη κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, σύμφωνα με τον Qaisar Shafi από το Πανεπιστήμιο του Delaware. “Υπάρχει η πιθανότητα το Planck να μην μπορέσει να τα βρει”, λέει ο Shafi.

Ο πληθωρισμός που προκλήθηκε από το πεδίο ίνφλατον (inflaton) στο πρώιμο σύμπαν, η ενεργειακή πυκνότητα του οποίου μειώθηκε αργά σαν μια μπάλα που τρέχει κάτω σε μια πλαγιά. Σύμφωνα με τις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας ο χωροχρόνος επεκτάθηκε εκθετικά, και η διαδικασία αυτή σταμάτησε μόνο όταν το ίνφλατον έφθασε στο κάτω μέρος της πλαγιάς. Τα απλούστερα μοντέλα υποθέτουν ότι η πλαγιά – που ονομάζεται επίσης και δυναμικό ίνφλατον – μοιάζει με μία πολύ ρηχή παραβολή.

inflaton Δεξιά: Η εξέλιξη του πεδίου ίνφλατον, που ανάγκασε το σύμπαν να περάσει από την ταχύτατη φάση του πληθωρισμού, μπορεί να περιγραφεί με δύο τρόπους. Η πιο πιθανή εξέλιξη φαίνεται να μοιάζει με αυτή που ακολούθησε και το πεδίο Higgs (σαν το μεξικάνικο καπέλο).

Τώρα ο Qaisar Shafi υποστηρίζει ότι το δυναμικό ίνφλατον θα πρέπει να διαμορφώνεται από ένα άλλο πεδίο που οι φυσικοί νομίζουν ότι υπάρχει στη φύση: το πεδίο Higgs, το οποίο δίνει τη μάζα σε όλα τα στοιχειώδη σωματίδια. Το δυναμικό Higgs διαμορφώνεται σαν ένα μεξικάνικο καπέλο (βλέπε κάτω διάγραμμα).

“Αν η φύση επέλεξε αυτό το σχήμα (το μεξικάνικο καπέλο) για το πεδίο Higgs, τότε ίσως να επέλεξε το ίδιο και για το πεδίο ίνφλατον,” λέει ο Shafi. Ο ίδιος μοντελοποίησε τον πληθωρισμό χρησιμοποιώντας το δυναμικό Higgs, και επίσης πρόσθεσε  μία ακόμη μεταβλητή, η οποία υπαγορεύει πόσο το πεδίο ίνφλατον αλληλεπιδρά κβαντομηχανικά με τα άλλα πεδία, όταν τελειώνει ο πληθωρισμός. Αυτή η «σύνδεση» θα έχει μεταφέρει ενέργεια και να δημιούργησε την ακτινοβολία που οδήγησε στο σχηματισμό της ύλης, υποστηρίζει ο Shafi.

Οι υπολογισμοί του δείχνουν ότι όσο υψηλότερος είναι ο βαθμός της ζεύξης του ίνφλατον με άλλα πεδία, τόσο χαμηλότερη θα είναι η ένταση των κυμάτων βαρύτητας που παράγονται από τον πληθωρισμό. Επίσης, οι πιθανές τιμές για την ισχύ των κυμάτων βαρύτητας, θα πρέπει να κατανέμονται σε μια πολύ πιο ευρεία περιοχή από ό,τι προβλέπεται στα απλούστερα μοντέλα. Αυτό μπορεί να σημαίνει ότι η πραγματική ισχύς τους μπορεί να αποδειχθεί ότι βρίσκεται κάτω από το όριο που είναι ικανός ο δορυφόρος Planck να ανιχνεύει.

“Οι κβαντικές αλληλεπιδράσεις επηρεάζουν τις προβλέψεις,” λέει ο Shafi, ο οποίος θα παρουσιάσει το έργο του στην διάσκεψη Dark Matter 2010 στο Πανεπιστήμιο του Λος Άντζελες, το Φεβρουάριο.

Ο Hawking, ωστόσο, παραμένει αισιόδοξος. Τον Αύγουστο του 2009 σε μια συνάντηση στο Καίμπριτζ επανέλαβε την πρόβλεψη του ότι τα κύματα βαρύτητας θα πρέπει να είναι παρατηρήσιμα με το παρατηρητήριο Planck. “Μέχρι στιγμής, ο Στήβεν δεν έχει ορίσει ένα ποσόν,” λέει ο Turok, που σήμερα βρίσκεται στο Ίδρυμα Perimeter στο Βατερλώ του Καναδά. “Είμαι πρόθυμος να στοιχηματίσω για οποιοδήποτε ποσό.”

Πηγή: New Scientist
_________________________________________________________________

Τα τρία στοιχήματα του Stephen Hawking

Ο Stephen Hawking έχει βάλει τα τελευταία χρόνια τρία στοιχήματα με τους συναδέλφους του Kip Thorne και John Preskill, σχετικά με την ύπαρξη και τις ιδιότητες των μελανών οπών. Και μάλιστα έχει χάσει και τα τρία στοιχήματα, τα δύο την περασμένη δεκαετία ενώ το τρίτο τώρα. 

Το 1975, που ήταν ακόμη ανοιχτό το πρόβλημα αν υπάρχουν μελανές τρύπες στο σύμπαν ή αν αυτές αποτελούν απλώς ένα θεωρητικό αποτέλεσμα χωρίς φυσική σημασία, ο Stephen Hawking έβαλε στοίχημα με τον αμερικανό αστροφυσικό Kip Thorne σχετικά με τη φύση του αστρικού αντικειμένου που ονομάζεται Κύκνος Χ-1. Αν το αντικείμενο αυτό ήταν μια μελανή οπή, ο Hawking θα πλήρωνε στον Thorne μια ετήσια συνδρομή στο περιοδικό Πεντχάουζ, ενώ αν δεν ήταν, ο Thorne θα του πλήρωνε τρία χρόνια συνδρομή στο σατιρικό περιοδικό Ιδιωτικός Ντετέκτιβ.

Οι παρατηρήσεις που επακολούθησαν συγκέντρωσαν ισχυρότατες ενδείξεις ότι το αντικείμενο αυτό είναι όντως μελανή οπή και το 1990 ο Hawking αποφάσισε να παραδεχθεί ότι έχασε το στοίχημα, με έναν πολύ εκκεντρικό μάλιστα τρόπο. Όχι μόνο πλήρωσε τη συνδρομή, αλλά με τη βοήθεια ενός κοινού φίλου μπήκε στο γραφείο του Thorne και έβαλε το δακτυλικό του αποτύπωμα στο έγγραφο του στοιχήματος, ως ένδειξη παραδοχής της ήττας του.

Το στοίχημα όμως αυτό δεν αντανακλούσε τις επιστημονικές απόψεις του Hawking. Στην πραγματικότητα πίστευε περισσότερο από οποιονδήποτε άλλον στην ύπαρξη τους. Απλά έβαλε το στοίχημα γιατί αν κέρδιζε θα χαιρόταν αν έχανε θα χαιρόταν γιατί υπήρχαν μαύρες τρύπες.

Τα άλλα δύο στοιχήματα, όμως, βασίζονταν στα συμπεράσματα του Hawking για τις πιο παράδοξες ιδιότητες των μελανών οπών. Στους ειδικούς είναι γνωστό ότι η μαύρη τρύπα δεν είναι ένα φυσικό αντικείμενο αλλά μόνο μια σφαιρική, στην απλούστερη περίπτωση, επιφάνεια, στο κέντρο της οποίας συμβαίνει κάτι πραγματικά ασύλληπτο. Εκεί ο χώρος τελειώνει και ο χρόνος παύει να υπάρχει, γι’ αυτό και το σημεία αυτό ονομάζεται ανωμαλία. Αν ένα υλικό σώμα περάσει μέσα από την ανωμαλία, επανεμφανίζεται με τυχαίες ιδιότητες, γεγονός που αναβαίνει στους γνωστούς σε εμάς νόμους της φύσης, σύμφωνα με τους οποίους τα διάφορα γεγονότα δεν συμβαίνουν τυχαία αλλά το καθένα αποτελεί αποτέλεσμα των όσων προηγήθηκαν. Για να αποφύγουν αυτό το «παράδοξο» πολλοί επιστήμονες, μεταξύ των οποίων και ο Hawking, είχαν υποθέσει ότι στη φύση δεν υπάρχουν ανωμαλίες έξω από μελανές οπές.

Στην περίπτωση αυτή το πρόβλημα παύει να υπάρχει, αφού κάθε υλικό σώμα που εισέρχεται σε μια μελανή οπή δεν είναι δυνατόν να βγει πάλι έξω, και έτσι δεν μας ενδιαφέρει π παθαίνει στο εσωτερικό της.

Ένα άλλο πρόβλημα, σχετικό με το παραπάνω, είναι το τι συμβαίνει με τα σώματα που εισέρχονται μέσα σε μια μαύρη οπή. Σύμφωνα με τη θεωρία που αναπτύχθηκε από τον Hawking, τα σώματα αυτά χάνουν όλες τις υπόλοιπες ιδιότητες τους εκτός από τη μάζα και το ηλεκτρικό φορτίο. Με άλλα λόγια, αν ρίξουμε σε μια μαύρη οπή μια σιδερένια σφαίρα δέκα κιλών και ένα ξύλινο κάθισμα επίσης δέκα κιλών, το αποτέλεσμα θα είναι ακριβώς το ίδιο, δηλαδή να μεγαλώσει η μάζα της μελανής οπής κατά δέκα κιλά. Κάθε πληροφορία όμως για τον τρόπο κατασκευής και το χρώμα του καθίσματος ή για το υλικό από το οποίο αποτελείται η σφαίρα θα έχει χαθεί.

Αυτό το γεγονός όμως παραβιάζει βασικούς νόμους της Φυσικής, σύμφωνα με τους οποίους η πληροφορία που χρειάζεται για να διαπιστώσουμε με ποιον τρόπο αυξήθηκε η μάζα της μελανής οπής δεν μπορεί να χαθεί, γι’ αυτό και ονομάστηκε «παράδοξο της πληροφορίας».

Το 1991, ένα χρόνο αφού είχε χάσει το πρώτο στοίχημα, ο Hawking στοιχημάτισε ξανά με τον Thorne και το γνωστό φυσικό, τον John Preskill, ότι δεν είναι δυνατόν να σχηματισθούν στη φύση «γυμνές» ανωμαλίες. Το έπαθλο του στοιχήματος ήταν 100 λίρες Αγγλίας και ένα αθλητικό μπλουζάκι. Έξι όμως χρόνια αργότερα, ο αμερικανός επιστήμονας Μάθιου Τσόπτουικ έδειξε, χρησιμοποιώντας ένα υπερυπολογιστή, ότι αν επιλέξει κανείς προσεκτικά τις συνθήκες σης οποίες συρρικνώνεται ένα αστέρι που έχει φτάσει στο τέλος της ζωής του, είναι δυνατόν να σχηματιστεί μια γυμνή ανωμαλία που δεν περιβάλλεται από μελανή οπή. Έτσι, τον Φεβρουάριο του 1997, ο Hawking έχασε και το δεύτερο στοίχημα που είχε βάλει με τον Thorne.

Ο Hawking, όμως, παρά τη φυσική του αδυναμία, είναι γνωστός για τον πολύ ισχυρό χαρακτήρα του. Έτσι, την ίδια ημέρα που πλήρωσε το στοίχημα, θέλησε να «πατσίσει» με τους δύο συναδέλφους του, βάζοντας ένα νέο στοίχημα. Τη φορά αυτή στοιχημάτισε μια εγκυκλοπαίδεια ότι η θεωρία του είναι σωστή και ότι κάθε χαρακτηριστικό των σωμάτων που πέφτουν σε μια μελανή οπή χάνεται.

Αλλά φαίνεται ότι ήταν γραφτό να χάσει και το τρίτο στοίχημα. Όχι μόνο ο Samir Mathur – ένας φυσικός του Πανεπιστημίου του Οχάιο – βρήκε ισχυρές ενδείξεις ότι το παράδοξο της πληροφορίας απλώς δεν είναι παράδοξο, αφού οι πληροφορίες για τη δομή και τα χαρακτηριστικά των σωμάτων που πέφτουν σε μια μαύρη οπή φαίνεται ότι «αποθηκεύονται» στο εσωτερικό της αλλά το παραδέχτηκε και ο ίδιος ο Hawking.

Το 2000, ο Hawking έβαλε στοίχημα με τον Gordon Kane 100 δολαρίων ότι το μποζόνιο Higgs δεν θα ανακαλυφθεί από τον επιταχυντή Tevatron στο Fermilab στην Batavia του Ιλινόις. Ο επιταχυντής αυτός εξακολουθεί να το αναζητεί.

Δείτε και τα άρθρα

1. Higgs εναντίον Hawking

2. Στοιχηματίστε τώρα για τα μεγάλα επιστημονικά προβλήματα

About the author

physics4u

Leave a Comment

Share