Αντι-βαρύτητα: η σκοτεινή ενέργεια του κόσμου

Από σελίδα Physical Review 16-Νοεμβρίου-2000

Η εικόνα που παρατηρούμε απεικονίζει τις τροχιές των σωματιδίων από μια σύγκρουση πρωτονίου-αντιπρωτονίου.

Οι κοσμολόγοι διερωτώνται γιατί συμβαίνει να ζούμε σε μια ενδιαφέρουσα εποχή της ιστορίας του Σύμπαντος, στην οποία τα τρία μεγαλύτερα στοιχεία του Σύμπαντος (η ενεργειακή πυκνότητα της ακτινοβολίας _R, η πυκνότητα της ύλης _M, και η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας _Λ) έχουν στη σημερινή εποχή παρόμοιες τιμές _Λ~_M~_R.

Αυτή η τριπλή σύμπτωση είναι αινιγματική, ενώ το ζήτημα του γιατί εμείς συμβαίνει να ζούμε κατά τη διάρκεια αυτής της σύμπτωσης είναι το γνωστό πρόβλημα "γιατί συμβαίνει τώρα;"

Μια εξήγηση γι' αυτή τη σύμπτωση εμπλέκει την ενέργεια που χαρακτηρίζει την ηλεκτρασθενή δύναμη M_EW, με την μάζα της κλίμακας του Plank M_Pl και απαιτεί να ισχύει _Λ~M_EW/M_Pl .

Υποθέτοντας πως η ενέργεια του αληθινού κενού εξαφανίζεται,, παρουσιάζεται ένα απλό μοντέλο, στο οποίο μια ψευδο-ενέργεια του κενού παράγει μια κοσμολογική σταθερά Λ αυτού του τύπου.

Σύμφωνα με τις τελευταίες μαρτυρίες, μια μυστηριώδης "αντιβαρυτική" δύναμη -- που καλείται επίσης και σκοτεινή ενέργεια -- εμφανίζεται να είναι το βασικό συστατικό του Κόσμου μας με ένα ποσοστό περίπου 75%. Η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας  θεωρείται στο μοντέλο της Κοσμολογικής Σταθεράς Λ, πως παραμένει σταθερή στον χρόνο, ενώ αντιθέτως η ύλη συνεχίζει να "αραιώνει" όσο το Σύμπαν διαστέλλεται.

Και το γεγονός αυτό δημιουργεί την εξής ερώτηση: Γιατί συμβαίνει να ζούμε σε "ενδιαφέροντες εποχές" στις οποίες η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας και αυτή της ύλης (σκοτεινής και ορατής)  συμβαίνει να είναι ίσες, όταν το ένα είδος δεν επικαλύπτεται από το άλλο;

Αυτό είναι το αίνιγμα μιας ομάδας θεωρητικών φυσικών οι οποίοι επιχειρούν, στο τεύχος Physical Review Letters της 14ης Νοεμβρίου 2000, να εξηγήσουν ότι έχουν βρει μια απλή δικαιολογία γι' αυτό το φαινόμενο, μια εξήγηση που εμπλέκει μόνο τις πιο βασικές από τις παραμέτρους της φυσικής των υψηλών ενεργειών.

Η ομάδα, που καθοδηγείται από τον Nima Arkani-Hamed του Πανεπιστημίου της California στο Berkeley, εστιάζεται σε δύο κλίμακες ενεργειών: την επονομαζόμενη μάζα Plank M_Pl ~ 10¹⁸ GeV , στην οποία κλίμακα τα φαινόμενα της κβαντικής βαρύτητας γίνονται σπουδαία, και την ηλεκτρασθενή μάζα M_EW ~ 10³ GeV, χαρακτηριστική της ενέργειας στην οποία η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής αλληλεπίδραση γίνονται ενιαίες.

Οι ερευνητές ξεκινούν σημειώνοντας πως αυτές οι δύο κλίμακες μαζών μπορούν να συνδυαστούν για να παράγουν μια πρόχειρη ασφαλή τιμή για την πυκνότητα της σκοτεινής ύλης:  (M_EW²/M_Pl)⁴. (Η πυκνότητα ενέργειας έχει μονάδες των GeV⁴ στο σύστημα αυτό.)  Χρησιμοποιώντας υπερσυμμετρίες και άλλες ιδέες της σωματιδιακής φυσικής, αυτοί ρίχνουν κάποιες ιδέες για το πως αυτές οι δύο βασικές παράμετροι μπορούν εύκολα να συσχετισθούν με την πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας.

Εν συνεχεία δουλεύοντας το θέμα αυτό, βρήκαν μια άλλη φαινομενική σύμπτωση: την ομοιότητα μεταξύ της πυκνότητας της ύλης του σύμπαντος και μιας τρίτης σπουδαίας κοσμολογικής παραμέτρου, της ενεργειακής πυκνότητας της θερμικής ακτινοβολίας. Η περισσότερη ποσότητα της ύλης στο Σύμπαν θεωρείται πως είναι σε μορφή σκοτεινής ύλης, αλλά   παρά τη μυστηριώδη φύση της, οι κοσμολόγοι νομίζουν πως αυτοί κατανοούν σε γενικές γραμμές με ποιο τρόπο η πυκνότητα της συνολικής ύλης αναπτύσσεται καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται και ψύχεται.

Χρησιμοποιώντας τον νόμο του Stefan-Boltzmann, που είναι στο προσκήνιο πάνω από εκατό χρόνια, και ο οποίος συσχετίζει τη θερμοκρασία προς το αντίστοιχο ποσό της ακτινοβολίας, ο Arkani-Hamed και οι συνεργάτες του υπολόγισαν τη θερμοκρασία του Σύμπαντος στην οποία τα ποσά της ύλης και της ακτινοβολίας θα συνέπιπταν. Ο  Arkani-Hamed εξήγησε πως το αποτέλεσμα είναι περίπου M_EW²/M_Pl, η οποία αντιστοιχεί σε μια θερμοκρασία των 10 K, κοντά στην τρέχουσα θερμοκρασία του Σύμπαντος (περίπου 3 Kelvin).

Σύμφωνα όμως με το νόμο των Stefan-Boltzmann σε αυτή τη θερμοκρασία η ύλη και η πυκνότητα της ακτινοβολουμένης ενέργειας είναι (M_EW²/M_Pl)⁴ --ακριβώς ο τύπος που η ομάδα βρήκε, που δίνει κατά προσέγγιση τη σωστή τιμή για την πυκνότητα σκοτεινής ενέργειας. Με άλλα λόγια, εμείς τώρα θα πρέπει να ζούμε σε μια εποχή που η ενεργειακή πυκνότητα της ακτινοβολίας, η σκοτεινή ύλη, και η σκοτεινή ενέργεια θα ταυτίζονται όλες μαζί, όπως υποδηλώνουν οι παρατηρήσεις.

Το αποτέλεσμα είναι ένα έντονο κτύπημα σε ένα βαθύ μυστήριο, λέγει ο Joe Lykken, του Fermi National Accelerator Laboratory κοντά στο Chicago: "Αυτή η φαινόμενη τριπλή ταύτιση είναι βεβαιότατα ένα σπουδαίο αίνιγμα στην μοντέρνα κοσμολογία, και εάν η σχέση M_EW²/M_Pl είναι αληθινή, τότε αυτή πράγματι εξηγεί αυτή τη ταύτιση με ένα βαθύ τρόπο". Και ο Lykken προσθέτει ότι οι προσεγγιστικοί υπολογισμοί του Arkani-Hamed και των συναδέλφων του βασίζονται σε μοντέλα παιχνιδιών. "Ο μόνος τρόπος να δοκιμάσουμε την εικασία τους είναι να ανακαλύψουμε και να επαληθεύσουμε κάποια μεγάλη, νέα θεωρία, πέρα της θεωρίας του Καθιερωμένου Μοντέλου που θα έχει τις επιθυμούμενες ιδιότητες".

Ο Arkani-Hamed συμφωνεί, αλλά προσθέτει, "Αυτές οι ταυτίσεις είναι αινιγματικές, και είναι καιρός να πάρουμε αυτές σοβαρά -- μπορεί αυτές να μας δώσουν μια ώθηση προς την κατεύθυνση μιας άλλης θεωρίας.