Σύμφωνα με τη θεωρία χορδών, όλα τα μικροσκοπικά σωματίδια της φύσης αποτελούνται από μικροσκοπικές περιτυλιγμένες χορδές οι διαφορετικές δονήσεις των οποίων αντιστοιχούν σε όλα τα διαφορετικά θεμελιώδη σωματίδια που ξέρουμε ότι υπάρχουν στη φύση. Εάν αυτή η θεωρία αντανακλά σωστά τη θεμελιώδη πραγματικότητα είναι μία από τις μεγαλύτερες ερωτήσεις που αντιμετωπίζουν οι φυσικοί.

Στην on-line έκδοση του περιοδικού της Φυσικής Υψηλής Ενέργειας (JHEP), τρεις θεωρητικοί φυσικοί προτείνουν την μέχρι σήμερα πιο βιώσιμη πειραματική δοκιμή για να καθοριστεί εάν η θεωρία των χορδών βρίσκεται στο σωστό δρόμο.

Το φαινόμενο που περιγράφουν και που θα μπορούσε να ανακαλυφθεί από το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων με Συμβολόμετρο Λέιζερ (LIGO), μια διάταξη για την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων που τώρα μόλις αρχίζει να λειτουργεί, θα μπορούσε να δώσει στήριξη στη θεωρία των χορδών μέσα σε δύο χρόνια.

Η πειραματική επαλήθευση θα σήμαινε ότι υπάρχουν περισσότερες από τρεις χωρικές διαστάσεις.

Όταν οι φυσικοί εξετάζουν τα θεμελιώδη σωματίδια -- ηλεκτρόνια, κουάρκ και φωτόνια -- με τους καλύτερους επιταχυντές σωματιδίων, για παράδειγμα του εργαστηρίου Fermi  στο Ιλλινόις ή του CERN στην Ελβετία, τα σωματίδια εμφανίζονται ως σημειακά.

Προκειμένου να φανεί άμεσα εάν αυτή η σημειακή δομή είναι πραγματικά μια περιτυλιγμένη χορδή, οι φυσικοί θα έπρεπε να προσφέρουν ενέργειες πολύ μεγαλύτερες από αυτές που σήμερα διαθέτουν οι επιταχυντές --ένας άθλος που δύσκολα μπορεί να επιτευχθεί με τις σημερινές μας δυνατότητες.

Στην εργασία τους με τίτλο "Κοσμικές F και D χορδές", οι τρεις φυσικοί προτείνουν ότι αντί να περιμένουμε τη νέα γενιά επιταχυντών, να ψάξουμε για τη βαρυτική υπογραφή των χορδών που έμεινε από την εποχή της δημιουργίας του Σύμπαντος.

Οι φυσικοί είναι ο Joseph Polchinski του Ινστιτούτου Kavli για τη Θεωρητική Φυσική στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στη Santa Barbara (UCSB), ο Edmund Copeland του Πανεπιστημίου του Σάσσεξ στην Αγγλία, και ο Robert Myers του Ινστιτούτου Perimeter και του Πανεπιστημίου του Waterloo στον Καναδά.

Η διεθνής συνεργασία πραγματοποιήθηκε σε ένα εξαμηνιαίο πρόγραμμα για την "Κοσμολογία Υπερχορδών" που διοργανώθηκε πέρυσι το φθινόπωρο στο Ινστιτούτο Kavli για τη Θεωρητική Φυσική (KITP).

Σύμφωνα με τον Polchinski, που είναι θεωρητικός πάνω στις χορδές, το πρόγραμμα KITP ήταν η πρώτη προσπάθεια για να βρεθούν μαζί κοσμολόγοι και θεωρητικοί των χορδών ώστε να προωθήσουν μαζί τον νέο τομέα, αυτόν της κοσμολογίας χορδών. Τα δύο τρίτα των, περίπου, 100 φυσικών που συμμετείχαν ήταν θεωρητικοί των χορδών και το άλλο τρίτο, αστροφυσικοί.

Στη μέση της δεκαετίας του '80 ο Edward Witten, που είναι τώρα στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Princeton, έκανε την ρητορική ερώτηση, εάν οι μικροσκοπικές χορδές που δημιουργήθηκαν στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος θα αυξάνονταν μαζί με το σύμπαν σε ένα τέτοιο μέγεθος, που σήμερα θα ήταν ορατές.

Ο Witten απάντησε στην ερώτησή του αρνητικά προβάλλοντας τρεις αντιρρήσεις σε αυτή την ιδέα. Λόγω των εξελίξεων που ακολούθησαν, και οι τρεις αντιρρήσεις στη συνέχεια απαντήθηκαν, σύμφωνα με τον Polchinski και τους συνεργάτες του, οι οποίοι διέλυσαν την τελευταία αντίρρηση και πρότειναν τότε έναν τρόπο να ανιχνευθούν αυτές οι χορδές.

Η πρώτη αντίρρηση εξαρτάται από την "τάση",  μια ιδιότητα των χορδών, που είναι η μάζα μιας χορδής ανά μονάδα μήκους.

"Ένας τρόπος για να βρεθεί αυτό το μέγεθος", λέει  ο Polchinski, "είναι να λογαριάσουμε τη βαρύτητα της χορδής. Εάν παρατηρήσουμε την άκρη μιας χορδής, ενώ πέφτουν μερικές ακτίνες φωτός σε κάθε πλευρά της, οι φωτεινές ακτίνες θα καμφθούν προς τη χορδή. Έτσι οι φωτεινές ακτίνες που ξεκίνησαν παράλληλες η μία με την άλλη θα σχηματίζουν κάποια γωνία. Όσο βαρύτερη είναι η χορδή, τόσο περισσότερο οι ακτίνες θα καμφθούν και άρα τόσο μεγαλύτερη θα είναι η γωνία."

Όταν ο Witten δούλεψε αρχικά με το πρόβλημα, οι θεωρητικοί των χορδών σκέφτηκαν ότι η γωνία έπρεπε να είναι μία μοίρα. Εάν ήταν μία μοίρα, τότε ο δορυφόρος COBE (Κοσμικός Εξερευνητής Ακτινοβολίας Υποβάθρου) θα είχε ανιχνεύσει αυτό το αποτύπωμα στη κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (CMB). Ως γνωστόν η CMB πλημμυρίζει όλο το Σύμπαν, ενώ ελευθερώθηκε όταν το νεαρό Σύμπαν ψύχθηκε τόσο ώστε η ύλη και η ενέργεια αποσυνδέθηκε κάπου 380.000 χρόνια μετά από την καυτή γέννηση του Κόσμου. Οι χάρτες του αρχικού Σύμπαντος που έφτιαξε ο COBE δεν παρουσιάζουν όμως κανένα τέτοιο αποτύπωμα -  σφραγίδα - και, επιπλέον, μπαίνει ένα ανώτερο όριο σε αυτή τη γωνία, η οποία πρέπει να είναι μικρότερη από ένα εκατοστό της μιας μοίρας. Ο δε δορυφόρος WMAP το έχει μειώσει σε έναν χιλιοστό της μιας μοίρας.

Στα μέσα της δεκαετίας του '90 η θεωρία χορδών είχε βαθιές εξελίξεις. Μία από τις συνέπειες αυτών των εξελίξεων ήταν η αναγνώριση ότι η τάση της χορδής και επομένως η βαρυτική επίδρασή της θα μπορούσε να είναι πολύ μικρότερη, απ' ό,τι είχε αρχικά υπολογιστεί, όταν ο Witten είχε υπολογίσει τη γωνία που σχηματίστηκε μεταξύ των ακτίνων του φωτός καθώς αυτές επηρεάζονταν βαρυτικά από μια χορδή.

Ο Henry Tye του Cornell και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι σε κάποια μοντέλα των χορδών η γωνία των ακτίνων, μετά τη βαρυτική αλληλεπίδραση τους με τη χορδή,  θα ήταν μεταξύ ενός χιλιοστού της μίας μοίρας και ενός δισεκατομμυριοστού της μιας μοίρας -- πάρα πολύ μικρή για να μπορέσει ο COBE να την ανιχνεύσει.

Ο Tye και οι συνεργάτες του γκρέμισαν, επίσης, τη δεύτερη αντίρρηση πάνω στις κοσμικές χορδές που είχε να κάνει με τον "πληθωρισμό," που είναι η τρομακτική διαστολή του βρεφικού σύμπαντος αμέσως μετά το Big Bang. Ο Witten τότε στις αρχές του '80 είχε υποστηρίξει ότι οι χορδές που δημιουργήθηκαν από το Big Bang θα ήταν και αρκετά βαριές και θα είχαν δημιουργηθεί πολύ νωρίς, έτσι ώστε ο πληθωρισμός θα τις είχε αραιώσει τόσο πολύ, που έγιναν αόρατες.

Η θεωρία των χορδών προϋποθέτει εννέα ή δέκα χωρικές διαστάσεις, που είναι έξι ή επτά περισσότερες από τις 3 γνωστές αντιληπτές διαστάσεις συν τη μία διάσταση του χρόνου. Μερικές από τις "πρόσθετες" διαστάσεις είναι πιθανά 'περιτυλιγμένες σε βρόχο' ή αλλιώς 'συμπαγοποιημένες' και επομένως υπερβολικά μικρές. Ενώ κάποιες άλλες μπορεί να είναι μεγαλύτερες, ίσως και άπειρες.

Στην προσπάθεια του να καταλάβει τον πληθωρισμό από την άποψη της θεωρίας των χορδών, ο Tye και οι συνεργάτες του φαντάστηκαν την πραγματικότητα, σαν να περιέχεται σε μια τρισδιάστατη βράνη, η οποία επικάθεται στο χώρο πολλών διαστάσεων.

Οι βράνες, μια βασική εννοιολογική σημαντική ανακάλυψη, ανακαλύφθηκαν από τον Polchinski το 1995 και είναι βασικές δομές στη θεωρία των χορδών, μαζί με τις χορδές. Ενώ η χορδή είναι μονοδιάστατη οι  βράνες μπορεί να έχουν οσεσδήποτε διαστάσεις, ακόμα και μιας. Οι μονοδιάστατες βράνες καλούνται "D1 βράνες ή χορδές D. Έτσι υπάρχουν ουσιαστικά δύο τύποι χορδών -- η ετεροτική χορδή ή χορδή "F" (από τη λέξη "θεμελιώδη"), τις οποίες οι φυσικοί ήξεραν πριν από το 1995, και η "χορδή D," ή η μονοδιάστατη βράνη.

Ο Tye και οι συνεργάτες του εξήγησαν τον πληθωρισμό με τη βοήθεια της βράνης και της αντι-βράνης, που αφού χωρίστηκαν η μία από την άλλη ακολούθησε η έλξη τους και η εξαΰλωση τους. Έτσι μία βράνη και μια αντιβράνη που υπάρχουν στις πρόσθετες διαστάσεις, με αυτόν τον τρόπο θα έδωσαν την απαραίτητη ενέργεια για να γίνει ο πληθωρισμός. Όλα αυτά που υπάρχουν από τότε -- το σημερινό σύμπαν -- είναι το προϊόν της εξαΰλωσης τους. Και, σύμφωνα με τα μοντέλα του Tye, στο τέλος του πληθωρισμού, όταν η βράνη και η αντιβράνη εξαϋλώθηκαν, όχι μόνο η ενέργεια που ελευθερώθηκε έδωσε θερμότητα και φως, αλλά και τις μακριές κλειστές χορδές, που θα μπορούσαν να αυξηθούν με τη διαστολή του σύμπαντος.

Όταν ξεκίνησε το πρόγραμμα KITP το φθινόπωρο του 2003, η μόνη αντίρρηση που έμεινε για τις κοσμικές χορδές είχε να κάνει με τη θεωρία του Witten πίσω στη "δεκαετία του '80. Σύμφωνα με αυτή εάν, αφ' ενός, οι χορδές μετά τον πληθωρισμού είχαν φορτία, τότε λόγω της έλξης θα ενώνονταν και θα κατέρρεαν προτού καν μπορέσουν να αυξηθούν σε οποιοδήποτε μεγάλο μέγεθος. Εάν οι χορδές δεν είχαν φορτιστεί, τότε θα έτειναν να διασπαστούν σε κομμάτια. Είτε με την κατάρρευση είτε με τη διάσπαση, οι χορδές δεν θα μπορούσαν να επιζήσουν μέχρι σήμερα.

Ο Copeland, ένας από τους συντάκτες της εργασίας που δημοσιεύεται on-line στο JHEP, συζήτησε μαζί με τη θεωρητικό των χορδών Eva Silverstein του Στάνφορντ, η οποία ενδιαφέρεται για τη δικτύωση F και  D χορδών, βάζοντας τις να σχηματίζουν μαζί κάτι σαν ένα συρμάτινο πλέγμα. Μετά από τη συζήτηση που είχε μαζί της, ο Copeland ρώτησε τον Polchinski εάν η Silverstein (που ήταν θεωρητικός φυσικός στις χορδές κι όχι κοσμολόγος) περιέγραφε άθελα της έναν μηχανισμό για την σκοτεινή ύλη -- ένα μέχρι τώρα άγνωστο συστατικό του σύμπαντος, που όμως δεν ακτινοβολεί -- ενώ υπάρχει σε πολύ μεγαλύτερη αναλογία από την συνηθισμένη βαρυονική ύλη που γνωρίζουμε.

Οι Polchinski και Copeland ανέλυσαν γιατί το σενάριο της Silverstein δεν θα μπορούσε να αναφέρεται στην σκοτεινή ύλη, αλλά αυτό το ζήτημα ανάγκασε τον Polchinski να σκεφτεί για το παλαιό επιχείρημα της αστάθειας εναντίον της ύπαρξης των κοσμικών χορδών, με βάση τη θεωρία του Tye ότι ο πληθωρισμός οφείλεται στην εξαΰλωση βράνης-αντιβράνης. Ειδικά, όπως επιλύθηκε λεπτομερώς από έξι φυσικούς σε μία εργασία του 2003, "Προς τον πληθωρισμό στη Θεωρία Χορδών".

Με τη χρήση αυτού του μοντέλου, οι Polchinski, Copeland, και Myers υπολόγισαν το ρυθμό διάσπασης για τις κοσμικές χορδές και ανακάλυψαν ότι ο ρυθμός ήταν αργός -- τόσο αργός που οι χορδές θα επιζούσαν μέχρι και σήμερα. Με αυτό το "επιζούσαν" εννοούν  ότι όχι μόνο την ανίχνευση του βαρυτικού ίχνους που έμεινε πολύ καιρό πριν στο Μικροκυματικό Κοσμικό Υπόβαθρο και που "φαίνεται" κοιτάζοντας πίσω στον χρόνο, αλλά στην πράξη φαίνονται επίσης τα αποτελέσματα της βαρύτητας των κοσμικών χορδών που υπάρχουν εάν όχι τώρα, τουλάχιστον μετά από δισεκατομμύρια χρόνια μετά από τη γένεση του Σύμπαντος.

Ο Polchinski είπε οι υπολογισμοί τους έδειξαν ότι θα μπορούσαν να υπάρξουν οι κοσμικές χορδές F και D και ότι το άρθρο στο περιοδικό JHEP εξηγεί πώς να διακρίνει κάποιος την υπογραφή της μιας από την άλλη. Ο ίδιος υπέδειξε ότι ο Gia Dvali (του πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης) και ο Alexander Vilenkin (από το πανεπιστήμιο Tufts ) έχουν φτάσει στο ίδιο σημείο για τις κοσμικές χορδές D, ανεξάρτητα μεταξύ τους, σε μια άλλη on-line δημοσίευση, τον Μάρτιο στο περιοδικό για την Κοσμολογία και την Αστροσωματιδιακή Φυσική (JCAP). 

"Το πιο ενδιαφέρον όμως είναι ότι οι συντάκτες της εργασίας λένε πώς μπορούμε να δούμε τις κοσμικές χορδές. Είναι σκοτεινές, αλλά επειδή έχουν μεγάλη μάζα και κινούνται αρκετά γρήγορα, τείνουν να εκπέμψουν πολλά κύματα βαρύτητας", συνεχίζει  ο Polchinski.

Κατά τη διάρκεια του προγράμματος "Κοσμολογία Υπερχορδών" στο KITP, η Alessandra Buonanno (Institut d'Astrolophysique de Paris) έκανε μια επισκόπηση των πιθανών υπογραφών των βαρυτικών κυμάτων από το αρχικό Σύμπαν. "Στην αρχή όταν έγινε η συζήτηση", είπε ο Polchinski, "δεν έδωσα ιδιαίτερη προσοχή επειδή δεν το σκέφτηκα, αλλά αργότερα σκέφθηκα αυτά που μας είπε στο KITP για τα βαρυτικά κύματα από τις κοσμικές χορδές. Ήταν καταπληκτικά ".

Το μακροπρόθεσμο πείραμα μεγάλης κλίμακας για την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων έχει τρία στάδια, τα LIGO Ι και ΙΙ και το δορυφορικό LISA, με κάθε διαδοχικό στάδιο να έχει έναν υψηλότερο βαθμό ευαισθησίας. Οι περισσότερες από τις βαρυτικές υπογραφές των κοσμικών γεγονότων είναι τόσο ασθενείς, που πιθανώς θα είναι ορατές μόνο στα μεταγενέστερα στάδια του πειράματος. Αλλά, σύμφωνα με τον Polchinski, "οι βαρυτικές υπογραφές από τις κοσμικές χορδές είναι αξιοπρόσεκτες επειδή είναι ενδεχομένως ορατές ακόμη και από τα αρχικά στάδια του LIGO! Αυτό σημαίνει ότι θα είναι "ενδεχομένως ορατές" σε 1 ή 2 χρόνια".

Τα βαρυτικά κύματα πρέπει να ανιχνευθούν άμεσα με τα πειράματα LIGO και LISA. Έτσι εκτός από τη πιθανότητα να επιβεβαιωθεί η θεωρία χορδών, η εργασία των θεωρητικών επιστημόνων προσφέρει βοήθεια για την αρχική ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων από το LIGO.