Φυσικοί βρίσκουν τρόπο για να "δουν" τις πρόσθετες διαστάσεις

Πηγή: Πανεπιστήμιο Wisconsin-Madison, 2 Φεβρουαρίου 2007

Κοιτάζοντας πίσω στον χρόνο σε μια στιγμή μετά από το Big Bang, φυσικοί στο πανεπιστήμιο του Wisconsin-Madison έχουν επινοήσει μια προσέγγιση που μπορεί να βοηθήσει να ξεκλειδωθούν οι κρυμμένες μορφές των εναλλακτικών διαστάσεων του σύμπαντος.

Η νέα μελέτη δείχνει ότι οι μορφές των πρόσθετων διαστάσεων μπορούν να "φανούν" αποκρυπτογραφώντας την επίδραση τους στην κοσμική ενέργεια που ελευθερώθηκε από την βίαιη γένεση του σύμπαντος, πριν 13 δισεκατομμύρια έτη. Η μέθοδος αυτή, που δημοσιεύεται στις Physical Review Letters, παρέχει αποδείξεις ότι οι φυσικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν πειραματικά στοιχεία για να διακρίνουν τη φύση αυτών των κρυμμένων διαστάσεων - η ύπαρξη των οποίων είναι ένα κρίσιμο αλλά μέχρι τώρα μη αποδεδειγμένο στοιχείο της θεωρίας χορδών, την κορυφαία υποψήφια θεωρία για μια ενοποιημένη "θεωρία του παντός".

Οι επιστήμονες ανέπτυξαν τη θεωρία χορδών, που προτείνει ότι τα πάντα στο σύμπαν αποτελούνται από μικροσκοπικές παλλόμενες χορδές ενέργειας, καλύπτοντας έτσι τις φυσικές αρχές όλων των αντικειμένων: από τους τεράστιους γαλαξίες έως τα υποατομικά σωματίδια. Αν και αυτήν την περίοδο η θεωρία χορδών είναι η επικρατέστερη για να εξηγήσει το πλαίσιο του σύμπαντος, παραμένει εν τούτοις μέχρι σήμερα χωρίς δοκιμασία.

Τα μαθηματικά της θεωρίας χορδών προτείνουν ότι το σύμπαν που ξέρουμε δεν είναι πλήρης. Εκτός από τις τέσσερις γνωστές διαστάσεις - το τρισδιάστατο διάστημα και τον χρόνο - η θεωρία χορδών προβλέπει την ύπαρξη έξι πρόσθετων χωρικών διαστάσεων, "κρυμμένες" διαστάσεις που είναι διπλωμένες σς μικροσκοπικές γεωμετρικές μορφές σε κάθε σημείο στο σύμπαν μας.

Μην ανησυχείτε όμως εάν δεν μπορείτε να απεικονίσετε ένα 10-διαστατικό σύμπαν. Τα μυαλά μας είναι εξοικειωμένα με τρεις μόνο χωρικές διαστάσεις και στερούνται ενός πλαισίου αναφοράς για τις άλλες έξι, λέει ο φυσικός Gary Shiu, ο οποίος ήταν επικεφαλής της νέας μελέτης. Αν και οι επιστήμονες χρησιμοποιούν υπολογιστές για να απεικονίσουν με τι θα μπορούσε να μοιάζει αυτή η γεωμετρία των έξι διαστάσεων, κανένας πραγματικά δεν μπορεί να βεβαιώσει οπωσδήποτε για τη μορφή που αυτή παίρνει.

Η νέα εργασία στο Wisconsin μπορεί να αποτελέσει την εδώ και πολύ καιρό αναμενόμενη βάση για τη μέτρηση αυτής της μέχρι τώρα ανυπολόγιστης πτυχής της θεωρίας χορδών.

Σύμφωνα με τα μαθηματικά της θεωρίας χορδών, οι πρόσθετες διαστάσεις θα μπορούσαν να υιοθετήσουν οποιεσδήποτε από τις δεκάδες χιλιάδων πιθανές μορφές, και κάθε μορφή θεωρητικά είναι αντίστοιχη με το δικό της σύμπαν με ένα σύνολο δικών της φυσικών νόμων.

Για τον σύμπαν μας, "η Φύση επέλεξε το ένα - και θέλουμε να ξέρουμε με τι μοιάζει αυτό", εξηγεί ο Henry Tye, φυσικός στο πανεπιστήμιο του Cornell που δεν συμμετείχε όμως στη νέα έρευνα.

Ο Shiu λέει ότι οι πολύ-διαστατικές μορφές είναι πάρα πολύ μικρές για να τις δούμε ή να τις μετρήσουμε μέσω οποιωνδήποτε συνηθισμένων μέσων παρατήρησης, γι αυτό και η δοκιμή της θεωρίας χορδών είναι πολύ δύσκολη. "Μπορείτε να υποθέσετε οτιδήποτε, αλλά πρέπει να είστε σε θέση να το παρουσιάσετε με πειράματα," λέει. "Τώρα το πρόβλημα είναι, πώς να την δοκιμάσουμε"

Αυτός και ο μεταπτυχιακός σπουδαστής Bret Underwood τελικά βρήκαν κάτι το εκπληκτικό.

Η προσέγγισή τους είναι βασισμένη στην ιδέα ότι οι έξι μικροσκοπικές διαστάσεις είχαν την ισχυρότερη επίδραση τους στο σύμπαν όταν το τελευταίο ήταν μια μικροσκοπική κουκίδα από ιδιαίτερα συμπιεσμένη ύλη και ενέργειας - δηλαδή μια στιγμή αμέσως μετά από το Big Bang.

"Η ιδέα μας ήταν να επιστρέψουμε πίσω στο παρελθόν και να δούμε τι συνέβη τότε", λέει ο Shiu. "Φυσικά, δεν θα μπορούσαμε να επιστρέψουμε στην πραγματικότητα".

Για να 'μπουν' σε μια τέτοια απαραίτητη χρονική μηχανή, χρησιμοποίησαν το καλύτερο πράγμα: έναν χάρτη της κοσμικής ενέργειας που απελευθερώθηκε από το Big Bang. Η ενέργεια, που συλλαμβάνεται από τους δορυφόρους όπως είναι η συσκευή χαρτογράφησης της ανισοτροπίας των μικροκυμάτων Wilkinson της NASA (WMAP), έχει μείνει ουσιαστικά αμετάβλητη τα τελευταία 13 δισεκατομμύρια χρόνια, κάνοντας έτσι την ενέργεια της χαρτογράφησης βασικά "ένα στιγμιότυπο του βρεφικού σύμπαντος", εξηγεί ο Shiu. Το πείραμα WMAP είναι ο διάδοχος στο Κοσμικό Πρόγραμμα Εξερεύνησης Υποβάθρου COBE της NASA, το οποίο πήρε το βραβείο Νόμπελ του 2006 στη φυσική.

Ακριβώς όπως μια σκιά μπορεί να δώσει μια ιδέα για τη μορφή ενός αντικειμένου, το μοτίβο της κοσμικής ενέργειας στον ουρανό μπορεί να δώσει μια ένδειξη για τη μορφή των άλλων έξι διαστάσεων, τονίζει ο Shiu.

Για να μάθουν πώς να διαβάσουν τα αποκαλυπτικά σημάδια της γεωμετρίας των έξι διαστάσεων από τον κοσμικό χάρτη, δούλεψαν αντίθετα. Αρχίζοντας από δύο διαφορετικούς τύπους από μαθηματική άποψη απλής γεωμετρίας, που ονομάζονται στρεβλωμένους λαιμούς, υπολόγισαν τον ενεργειακό χάρτη που θα φαινόταν στο σύμπαν και που θα περιγραφόταν από κάθε τέτοια μορφή. Όταν σύγκριναν τους δύο χάρτες, βρήκαν μικρές αλλά σημαντικές διαφορές μεταξύ τους.

Τα αποτελέσματά τους δείχνουν ότι τα συγκεκριμένα μοτίβα της κοσμικής ενέργειας μπορούν να διατηρήσουν ενδείξεις στη γεωμετρία της μορφής των έξι διαστάσεων - ο πρώτος τύπος των αισθητών αποδείξεων για να δείξουμε ότι υπάρχουν", λέει ο Tye.

Αν και τα σημερινά στοιχεία δεν είναι αρκετά ακριβή για να συγκρίνουν τα συμπεράσματά τους με το σύμπαν μας, τα επερχόμενα πειράματα που θα γίνουν με τον δορυφόρο Planck της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας πρέπει να έχουν την ευαισθησία για να ανιχνεύσουν τις λεπτές παραλλαγές μεταξύ της διαφορετικής γεωμετρίας, διευκρινίζει ο Shiu.

"Τα αποτελέσματά μας με απλές, κατανοητές μορφές αποδεικνύουν την ιδέα ότι η γεωμετρία των κρυμμένων διαστάσεων μπορεί να αποκρυπτογραφηθεί από το μοτίβο της κοσμικής ενέργειας", λέει. "Αυτό δίνει μια σπάνια ευκαιρία για να εξεταστεί η θεωρία χορδών"

Οι τεχνολογικές βελτιώσεις για να συλλάβουμε ακόμα πιο λεπτομερείς κοσμικούς χάρτες, πρέπει να βοηθήσουν τους επιστήμονες να σπάσουν τον κώδικα του κοσμικού ενεργειακού χάρτη - φτάνοντας ένα βήμα πιο κοντά στον προσδιορισμό της ενιαίας γεωμετρίας που ταιριάζει με το σύμπαν μας.

Οι επιπτώσεις μιας τέτοιας δυνατότητας είναι βαθιές, λέει ο Tye. "Εάν αυτή η μορφή μπορεί να μετρηθεί, θα μας έλεγε επίσης ότι η θεωρία χορδών είναι σωστή."