Αποδεικτικά στοιχεία της θεωρίας χορδών μπορεί να είναι ορατά στην μικροκυματική ακτινοβολία

Από το Πανεπιστήμιο του Yale, 14 Μαΐου 2004

Επιστήμονες που μελετούν το Big Bang ισχυρίζονται ότι είναι δυνατόν η θεωρία των χορδών να μπορεί μια μέρα να επιβεβαιωθεί πειραματικά μέσω μετρήσεων της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου (CMB), του λυκόφωτος της Μεγάλης Έκρηξης.

Ο Richard Easther, βοηθός καθηγητής της φυσικής στο Πανεπιστήμιο Yale συζήτησε την πιθανότητα αυτή σε μια συνεδρίαση στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, την Τετάρτη 12 Μαΐου, με τον τίτλο "Πέρα από τον Αϊνστάιν: Από τη Μεγάλη Έκρηξη στις Μαύρες Τρύπες".

Οι συνεργάτες του Easther είναι ο Brian Greene του Πανεπιστημίου της Κολούμπια, ο William Kinney του Πανεπιστημίου Buffalo, Hiranya Peiris του Πανεπιστημίου Princeton και του Gary Shiu του Πανεπιστημίου του Wisconsin.

Η θεωρία χορδών προσπαθεί να ενοποιήσει τη φυσική της μεγάλης κλίμακας (βαρύτητα) και της μικρής (το άτομο). Αυτά περιγράφονται τώρα από δύο θεωρίες, τη Γενική Σχετικότητα και την Κβαντική Θεωρία, ενώ είναι πιθανόν και οι δύο να είναι ελλιπείς.

Ορισμένοι αποστρέφονται τη θεωρία χορδών και τη θεωρούν σαν μια φιλοσοφία που δεν μπορεί να εξεταστεί. Εντούτοις, τα αποτελέσματα του Easther και των συναδέλφων του προτείνουν ότι η παρατηρητική απόδειξη  υποστηρίζει ότι η θεωρία χορδών μπορεί να βρεθεί με προσεκτικές μετρήσεις του Κοσμικού Υποβάθρου Μικροκυμάτων (CMB), η πρώτη ακτινοβολία που προέκυψε μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Στο Big Bang, το ισχυρότερο γεγονός στην ιστορία του Kόσμου, βλέπουμε τις ενέργειες που απαιτούνται για να αποκαλυφθούν τα λεπτά ίχνη της θεωρίας των χορδών, λέει ο Easther.

Η θεωρία χορδών αποκαλύπτεται μόνο σε πάρα πολύ μικρές αποστάσεις και στις υψηλές ενέργειες. Η κλίμακα Planck 10^-35 m, είναι θεωρητικά η πιο μικρή απόσταση που μπορεί να καθοριστεί. Για σύγκριση, ένα μικροσκοπικό άτομο υδρογόνου, έχει μέγεθος 10^-10 m.

Ομοίως, οι μεγαλύτεροι επιταχυντές σωματιδίων παράγουν ενέργειες 10¹⁵ eV από συγκρουόμενες δέσμες υποατομικών σωματιδίων. Αυτή η ενέργεια μπορεί να αποκαλύπτει τη φυσική της κβαντικής θεωρίας, αλλά είναι ακόμα, κατά προσέγγιση, ένα τρισεκατομμύριο φορές χαμηλότερη από την ενέργεια που απαιτείται για να εξεταστεί η θεωρία χορδών.

Οι επιστήμονες λένε ότι οι θεμελιώδεις δυνάμεις του Σύμπαντος που είναι: η βαρυτική (που καθορίζεται από τη γενική σχετικότητα), η ηλεκτρομαγνητική, η ασθενής - που φανερώνεται στις βήτα ραδιενεργές διασπάσεις - και η ισχυρή πυρηνική δύναμη (οι τελευταίες καθορίζονται από την κβαντική θεωρία) ήσαν ενωμένες κατά το Big Bang, όταν όλη η ύλη και η ενέργεια περιοριζόταν μέσα σε ένα χώρο υποατομικής κλίμακας. Αν και η Μεγάλη Έκρηξη εμφανίστηκε σχεδόν πριν 14 δισεκατομμύρια χρόνια, το λυκόφως της ή η ηχώ της, η CMB, διαχέεται ακόμα σε  ολόκληρο το σύμπαν και περιέχει ένα 'απολιθωμένο' αρχείο των πρώτων στιγμών του χρόνου.

Το διαστημόπλοιο Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, που όπως λέει και το όνομα του συνέλεξε την μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου και σχεδίασε τις μικροδιαφορές στη θερμοκρασία, μέσα σε αυτήν την - κατά ένα μεγάλο μέρος - ομοιόμορφη ακτινοβολία, η οποία αντιστοιχεί σε 2,73 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Η ομοιομορφία είναι αποδεικτικό στοιχείο του πληθωρισμού, μια περίοδος στην οποία το σύμπαν επεκτάθηκε πάρα πολύ γρήγορα, περίπου 10^-33 δευτερόλεπτα μετά από το Big Bang. Κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, το σύμπαν αυξήθηκε από μια ατομική κλίμακα σε μια κοσμική κλίμακα. Έτσι αυξήθηκε το μέγεθός του κατά εκατό τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων φορές. Το ενεργειακό πεδίο που οδήγησε τον πληθωρισμό, όπως όλα τα κβαντικά πεδία, περιείχε διακυμάνσεις. Αυτές οι διακυμάνσεις, που βρίσκονται κλειδωμένες στο μικροκυματικό κοσμικό υπόβαθρο, όπως τα κύματα σε μια παγωμένη λίμνη, μπορούν να περιέχουν τα αποδεικτικά στοιχεία για τη θεωρία χορδών.

Ο Easther και οι συνάδελφοί του παρομοιάζουν τη γρήγορη κοσμική διαστολή, που εμφανίστηκε αμέσως μετά από το Big Bang, με μια μεγεθυσμένη φωτογραφία που δείχνει μεμονωμένα pixels. Ενώ η φυσική στην κλίμακα Planck έκανε "κυματισμούς" μεγέθους 10^-35, χάρις στη διαστολή του σύμπαντος η διακύμανση εκτείνεται τώρα πολλά έτη φωτός.

Ο Easther τόνισε ότι είναι μια ένδειξη ότι η θεωρία χορδών μπορεί να άφησε μετρήσιμα φαινόμενα στο υπόβαθρο μικροκυμάτων με λεπτές αλλαγές στο μοτίβο των θερμών και ψυχρών σημείων. Εντούτοις, η θεωρία χορδών είναι τόσο δύσκολο να εξεταστεί πειραματικά που αξίζει οποιαδήποτε δυνατότητα. Οι διάδοχοι του διαστημοπλοίου WMAP, όπως είναι το CMBPol και η ευρωπαϊκή αποστολή Planck, θα μετρήσουν την ακτινοβολία CMB με μια πρωτόγνωρη ακρίβεια.

Οι τροποποιήσεις στην ακτινοβολία CMB, που προκύπτουν από τη θεωρία χορδών, θα μπορούσαν να προκαλέσουν παρεκκλίσεις από την καθιερωμένη πρόβλεψη για τις διαφορές θερμοκρασίας - στο μικροκυματικό κοσμικό υπόβαθρο - κατά τουλάχιστον 1%.

Εντούτοις, η ανακάλυψη μιας μικρής απόκλισης από μια κυρίαρχη θεωρία δεν είναι κάτι καινούργιο. Για παράδειγμα, η τροχιά του Ερμή διέφερε από αυτή που προβλέφθηκε από το νόμο της βαρύτητας του Isaac Newton κατά 110 km ετησίως. Η γενική σχετικότητα, η θεωρία της βαρύτητας του Αλβέρτου Αϊνστάιν, μπορούσε να υπολογίσει την απόκλιση, που προκλήθηκε από μια λεπτή διαστρέβλωση του χωρόχρονου από τη βαρύτητα του Ήλιου στην τροχιά του Ερμή.