|
Πρόσφατα, μερικοί επιστήμονες έστρεψαν την ερώτηση από το "αν η
θεωρία της
σκοτεινής ύλης είναι σωστή;" στο "αν είναι η καθιερωμένη θεωρία
της βαρύτητάς μας σωστή;"
Πρόσφατα δε, οι επιστήμονες στο Fermilab Scott Dodelson και Michele Liguori έδειξαν
ένα από τα πρώτα μέρη των
θεωρητικών στοιχείων ότι μια εναλλακτική θεωρία της βαρύτητας μπορεί να
εξηγήσει τη δομή της μεγάλης κλίμακας του σύμπαντος.
"Για να υποστηρίξουμε οριστικά ότι η σκοτεινή ύλη είναι η απάντηση,
πρέπει πρώτα να τη βρούμε", εξηγείο ο Dodelson. "Μπορούμε να
το κάνουμε με έναν από τρεις τρόπους: φτιάχνοντας την στο εργαστήριο
(που μπορεί να συμβεί στο Fermilab, ΄με το LHC
που σύντομα θα ξεκινήσει ή τον Διεθνή Γραμμικό Επιταχυντή ILC), βλέποντας ένα ζεύγος
σωματιδίων σκοτεινής ύλης να
εξουδετερώνονται και να παραγάγουν φωτόνια υψηλής ενέργειας (μισή ντουζίνα
πειράματα έχουν σχεδιαστεί με σκοπό να τα ψάξουν), ή να δούμε ένα
σωματίδιο σκοτεινής ύλης να χτυπάει έναν πυρήνα σε έναν μεγάλο υπόγειο ανιχνευτή
(πάλι, περίπου 10 πειράματα το ψάχνουν). Έως ότου όμως συμβεί ένα ή
περισσότερα από αυτά τα πράγματα, ο σκεπτικισμός για το αν υπάρχει επιτρέπεται ακόμα.
Μόλις όμως παρατηρηθεί οι σκεπτικιστές θα πάθουν πλάκα."
 Το φως από τους γαλαξίες,
που βρίσκονται στο υπόβαθρο, έχει στρεβλωθεί και "έχει
σχηματιστεί ένα τόξο" από το σμήνος γαλαξιών Abell 1689 που είναι σε πρώτο πλάνο, και
ίσως με κάποια βοήθεια είτε από τη σκοτεινή ύλη είτε από έναν ισχυρότερο τύπο
βαρύτητας σε αυτήν την μεγάλη κλίμακα. Για 70 χρόνια τώρα, οι κοσμολόγοι δεν έχουν
παρατηρήσει ποτέ τη σκοτεινή ύλη, και η έλλειψη αυτής της άμεσης παρατήρησης
της έχει
δημιουργήσει ένα σκεπτικισμό για το αν πραγματικά υπάρχει εκεί έξω.
Αν και οι κοσμολόγοι δεν έχουν παρατηρήσει ποτέ άμεσα τη σκοτεινή ύλη,
έχουν πολλούς καλούς λόγους για να ελπίζουν. Οι τρόποι που περιστρέφονται
οι γαλαξίες και κάμπτουν το φως των άστρων (εξ αιτίας της βαρύτητας)
απομακρύνονται από τις προβλέψεις που βασίζονται μόνο στην ορατή ύλη.
Περαιτέρω, ο σχηματισμός των μεγάλων κοσμικών δομών (όπως είναι οι
γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών) χρειάζεται σημαντικά μεγάλες
διαταραχές ύλης, όταν ο Κόσμος είχε ηλικία λιγότερο από ένα εκατομμύρια
έτη, που απλά δεν υπάρχει στη θεωρία της γενικής σχετικότητας προτού
"στεριώσει" η σκοτεινή ύλη.
"Είναι εξαιρετικά σημαντικό να φανεί πόσο καλά δουλεύει μια κοσμολογία
χωρίς σκοτεινή ύλη", λέει ο Dodelson. "Στην καθιερωμένη
θεωρία, ζητάμε από την επιστημονική κοινότητα να πιστέψει την ύπαρξη ενός
σωματιδίου που δεν έχει φανεί ποτέ. Πρέπει να είμαστε πολύ βέβαιοι
ότι δεν μπορούμε να εξηγήσουμε τον κόσμο χωρίς αυτό το τεράστιο κενό. Και
στη γνωστή θεωρία της βαρύτητας δεν μπορούμε να εξηγήσουμε τις μεγάλες
δομές χωρίς αυτήν.
Αλλάζοντας όμως τη θεωρία της βαρύτητας μπορεί να φανεί, μετά από έναν αιώνα παρατηρήσεων και προσεκτικών
υπολογισμών, ότι μια εναλλακτική θεωρία μπορεί απλά να είναι "σωστότερη" από
τη σημερινή καθιερωμένη θεωρία. Ακριβώς όπως η θεωρία του Einstein ήταν
"σωστότερη" από του Νεύτωνα επειδή βελτιώθηκε από την παλαιότερη
σε συγκεκριμένες λεπτομέρειες (π.χ. ασυνήθιστες μάζες και
ταχύτητες), έτσι και μια νέα εναλλακτική θεωρία μόνο μπορεί να αλλάξει
δραστικά τη βαρύτητα σε ορισμένες κλίμακες.
"Ίσως μια θεμελιώδης θεωρία της βαρύτητας που να διαφέρει από τη γενική
σχετικότητα στις μεγάλες κλίμακες μπορεί να εξηγήσει τις παρατηρήσεις
χωρίς την προσφυγή σε νέα, απαρατήρητα σωματίδια", έγραψαν οι Dodelson και Liguori
στη μελέτη τους που δημοσιεύθηκε στο
Physical Review Letters. "Τώρα περισσότερο από ποτέ πριν, υπάρχουν πολύ καλοί λόγοι
για να ερευνηθεί
αυτή η ιδέα της τροποποίησης της βαρύτητας. Και η
σκοτεινή ενέργεια αρθρώνει επίσης την υπόθεση ότι η γενική σχετικότητα
περιγράφει τη βαρύτητα στις μεγάλες κλίμακες. Η σκοτεινή ενέργεια είναι
ακόμα δυσκολότερο να εξηγηθεί από τη σκοτεινή ύλη, κι έτσι φαίνεται σχεδόν
φυσικό να εξετάσουμε τη βαρύτητα ως τον ένοχο και στις δύο περιπτώσεις."
Η νέα θεωρία (ή η προκαταρκτική εργασία για αυτήν) θα είναι η υπό έρευνα
Σχετικιστική Συμμεταβλητή Θεωρία της Βαρύτητας (TeVeS),
που την δημοσίευσε το 2004 ο του Jacob Bekenstein. Ο Bekenstein βάσισε τη θεωρία του σε μια τροποποιημένη
έκδοση της νευτώνειας θεωρίας - στις αρχές της δεκαετίας του '80 - και γι
αυτό ονομάστηκε Τροποποιημένη
Νευτώνεια Δυναμική (MOND) από τον ιδρυτή της, Mordecai Milgrom.
"Η MOND, η αρχική θεωρία στην οποία βασίστηκε η TeVeS ήταν ήδη αρκετά
επιτυχής στην εξήγηση της γαλαξιακής δυναμικής (σε μερικές
περιπτώσεις, ακόμα καλύτερα και από το παράδειγμα της σκοτεινής ύλης), αλλά απέτυχε εντελώς
να εξηγήσει άλλες παρατηρήσεις, ειδικότερα του βαρυτικού εστιασμού", εξηγεί
ο Liguori. "Για
αυτόν τον λόγο, δεν θα μπορούσε να θεωρηθεί στην πραγματικότητα σαν η εναλλακτική λύση
της σκοτεινής ύλης. Η θεωρία του Bekenstein, που γενίκευσε τη MOND,
διατηρεί τα καλά χαρακτηριστικά της υπερνικώντας συγχρόνως τα κύρια
προβλήματά της. Έτσι η θεωρία TeVeS είναι μια πιο ενδιαφέρουσα θεωρία
από τη MOND. Αξίζει έπειτα (και φυσικά είναι αναγκαίο) να εξεταστούν οι προβλέψεις
της TeVeS λεπτομερώς και να συγκριθούν με το καθιερωμένο παράδειγμα
της σκοτεινής ύλης για να δούμε εάν η TeVeS μπορεί να είναι μια βιώσιμη
εναλλακτική λύση."
Οι Dodelson και Liguori βρίσκουν την θεωρία του Bekenstein καταπληκτική σε αυτό
το πλαίσιο επειδή, η κλίμακα της βαρυτικής επιτάχυνσης θεωρητικά
είναι πολύ κοντά σε αυτήν που απαιτείται για την παρατηρηθούμενη επιτάχυνση
του σύμπαντος. Η κλίμακα αυτή είναι επίσης πολύ παρόμοια με αυτήν που προτείνεται
θεωρητικά από την σκοτεινή ενέργεια. Ακόμα πιο ενδιαφέρων
είναι το γεγονός ότι η προέλευση της θεωρίας του Bekenstein δεν είχε καμία
σχέση με την κοσμική επιτάχυνση.
Αλλά το χαρακτηριστικό γνώρισμα της θεωρίας του Bekenstein, στο οποίο εστιάζονται περισσότερο
οι Dodelson και
Liguori, είναι ότι η θεωρία - αντίθετα από την καθιερωμένη Γενική Σχετικότητα - επιτρέπει
την γρήγορη αύξηση των
διαταραχών της πυκνότητας που προκύπτουν από τις μικρές ανομοιογένειες κατά τη
διάρκεια της κοσμικής εποχής του επανασυνδυασμού. Και στηριγμένοι σε
ανακαλύψεις από
επιστήμονες όπως είναι ο Σκορδής στις αρχές του τρέχοντος έτους, οι Dodelson και
Liguori έχουν βρει ποια πτυχή της θεωρίας προκαλεί πραγματικά την
ενισχυμένη αύξηση - το τμήμα που μπορεί να λύσει το κοσμολογικό πρόβλημα
της δομής.
Το ζευγάρι των επιστημόνων έχει ανακαλύψει ότι, ενώ η θεωρία του Bekenstein έχει τρεις
συναρτήσεις που χαρακτηρίζουν το χωρόχρονο - σαν τένσορα, σαν διανυσματικό
και σαν βαθμωτό πεδίο (TeVeS)- τελικά είναι οι διαταραχές στο διανυσματικό
πεδίο που είναι
υπεύθυνες βασικά για την ενισχυμένη αύξηση. Η γενική σχετικότητα περιγράφει
το χωρόχρονο μόνο με τένσορα, κι έτσι δεν περιλαμβάνει αυτές τις
διανυσματικές διαταραχές.
"Το διανυσματικό πεδίο λύνει μόνο το ενισχυμένο πρόβλημα αύξησης",
λέει ο Dodelson. "Το κάνει εκμεταλλευόμενο ένα ελάχιστα γνωστό
γεγονός για τη βαρύτητα. Στο ηλιακό σύστημα ή το Γαλαξία μας, όταν
εξετάζουμε το πρόβλημα της βαρύτητας, λύνουμε την εξίσωση για το
νευτώνειο δυναμικό. Πραγματικά, υπάρχουν δύο δυναμικά που
χαρακτηρίζουν τη βαρύτητα: το ένα λέγεται συνήθως το νευτώνειο δυναμικό
και το άλλο είναι η διαταραχή στην κυρτότητα του χώρου. Αυτά τα δύο δυναμικά
είναι σχεδόν πάντα πολύ κοντά το ένα με το άλλο, έτσι δεν είναι συνήθως
απαραίτητο να διακριθούν.
"Στην περίπτωση της θεωρίας TeVeS, οι πηγές του διανυσματικού πεδίου διαφέρουν
μεταξύ τους", συνεχίζει. "Καθώς αυτό αρχίζει να αυξάνεται, η διαφορά μεταξύ
των δύο δυναμικών αυξάνεται επίσης. Και το γεγονός αυτό είναι τελικά που οδηγεί τις
υπέρπυκνες περιοχές να πάρουν περισσότερη ύλη απ' ό,τι στην
καθιερωμένη γενική σχετικότητα. Ένα αρκετά αξιοπρόσεκτο πράγμα για αυτήν
την αύξηση είναι ότι ο Bekenstein εισήγαγε το διανυσματικό πεδίο για
απολύτως ανεξάρτητους λόγους του. Όπως που είπε, μερικές φορές οι
θεωρίες 'είναι εξυπνότερες από τους δημιουργούς τους'".
Οι Dodelson και Liguori θεωρούν αυτήν την λύση για το σχηματισμό
μεγάλων δομών ως ένα σημαντικό βήμα για μια θεωρία βαρύτητας βασισμένη στη
βαρυονική μόνο ύλη. Άλλα προβλήματα που η θεωρία τους (ή οποιαδήποτε εναλλακτική
θεωρία) θα πρέπει να αντιμετωπίσει περιλαμβάνουν τον υπολογισμό του
άσχημου
συνδυασμού στα σμήνη των γαλαξιών μεταξύ της μάζας και του φωτός. Επίσης,
η θεωρία πρέπει να προσαρμοστεί σε τουλάχιστον δύο παρατηρήσεις: το
ενεργειακό φάσμα
των γαλαξιών στις μεγάλες κλίμακες, και τις μικροκυματικές κοσμικές διακυμάνσεις
υποβάθρου, που αντιστοιχούν στα σμήνη των γαλαξιών αλλά και στους γαλαξίες
βρέφη.
"Όπως λέει ο Scott, μέχρι να παρατηρηθεί η σκοτεινή ύλη, ο
σκεπτικισμός θα
επιτραπεί", λέει ο Liguori. "Παρά τις πολλές και εντυπωσιακές
επιτυχίες του παραδείγματος της σκοτεινής ύλης, που είναι πολύ
πιθανό να είναι σωστό, ακόμα δεν έχουμε οποιαδήποτε τελική και οριστική
απάντηση. Λαμβάνοντας αυτό υπόψη, είναι σημαντικό να έχουμε τα μάτια μας
ανοικτά για πιθανές εναλλακτικές εξηγήσεις. Ακόμα και όταν, μετά από
την ανάλυση, αποδειχθούν οι εναλλακτικές θεωρίες λανθασμένες, το
αποτέλεσμα είναι ακόμα σημαντικό, καθώς ενισχύει τα στοιχεία για
το σκοτεινή ύλη ως τη μόνη πιθανή εξήγηση των παρατηρήσεων."
|
