Η κβαντική ιδιορρυθμία μπορεί να μας αποκαλύψει το πρώιμο σύμπαν

Πηγή: New Scientist, 9 Ιουνίου 2007

Ένα επιτραπέζιο πείραμα που θα μπορούσε να προσομοιώσει τις συνθήκες που επικρατούσαν στο πρώιμο σύμπαν είναι δυνατό να γίνει στο Μεγάλο Συγκρουστή Αδρονίων (LHC), το μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο. Αλλά κάποιοι γερμανοί φυσικοί προτείνουν ένα αρκετά φτηνότερο και ευκολότερο πείραμα.

Καθώς το καυτό σύμπαν στη νηπιακή του κατάσταση διαστελλόταν γρήγορα, οι κοσμολόγοι πιστεύουν ότι τα σωματίδια δημιουργήθηκαν από το άδειο κενό του διαστήματος. Για να ανακαλύψουν πώς έγινε αυτό, οι φυσικοί χρησιμοποιούν γενικά τους γιγαντιαίους επιταχυντές όπως είναι ο LHC - που αυτήν την περίοδο κατασκευάζεται στο CERN στην Ελβετία - για να παραγάγουν το μέγεθος των ενεργειών που υπήρχαν αμέσως μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Τώρα όμως ο Ralf Schützhold από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Δρέσδης και οι συνάδελφοί του προτείνουν ένα αρκετά φτηνότερο και ευκολότερο πείραμα. "Θα μπορούσαμε ενδεχομένως να εξετάσουμε τις συνθήκες του Κόσμου την εποχή που ήταν συρρικνωμένος πέρα από τα όρια του LHC", ισχυρίζεται ο Schützhold.

Η μέθοδος της ομάδας στηρίζεται σε μια ιδιορρυθμία της κβαντομηχανικής. Ακριβώς όπως τα φωτεινά κύματα μπορεί να θεωρηθούν σαν μια σειρά φωτονίων, τα ηχητικά κύματα που κινούνται μέσω ιόντων μέσα σε ένα στερεό μπορεί να θεωρηθούν σαν μια ακτίνα από τα σωματίδια φωνόνια,. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς της ομάδας, οι ίδιες κβαντικές διαδικασίες που προκάλεσαν την δημιουργία των φωτονίων και άλλων σωματιδίων στο πρώιμο σύμπαν, θα πρέπει να δημιουργήσουν ζεύγη φωνονίων σε ένα νέφος ιόντων στο εργαστήριο.

Δεν είναι η πρώτη φορά που φυσικοί έχουν προτείνει να μιμηθούν τα κοσμολογικά φαινόμενα στο εργαστήριο, αλλά οι ιδέες τους είναι δύσκολο να γίνουν πράξη. Σε αντίθεση, στη μέθοδο του Schützhold χρησιμοποιείται μια σχετικά απλή ιοντική παγίδα, στην οποία συλλαμβάνονται ιόντα μεταξύ ηλεκτροδίων και τα χειρίζονται με τα λέιζερ.

Για αρχή ψύχονται ιόντα μαγνησίου έως ότου δεν πάλλονται καθόλου, αφήνοντας τα χωρίς φωνόνια. "Το ιοντικό νέφος μιμείται το άδειο κενό του χωροχρόνου," λέει ο Tobias Schätz του Ινστιτούτου Max Planck για την κβαντική οπτική στην πόλη Garching, που τεστάρει το σύστημα χρησιμοποιώντας ένα απλό ιόν προτού μεγεθυνθεί σε ένα νέφος περίπου χιλίων ιόντων.

Το επόμενο βήμα, στο οποίο δουλεύει ο Schätz, είναι να παραχθεί μια ελεγχόμενη μείωση της τάσης στα ηλεκτρόδια που θα επιτρέψει στο ιοντικό νέφος ξαφνικά να απλωθεί, μιμούμενο τη γρήγορη διαστολή του πρώιμου σύμπαντος. "Είναι πραγματικά δυσνόητο επειδή δεν θέλετε να χάσετε τυχαία τα ιόντα από την παγίδα", εξηγεί ο Schätz.

Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι καθώς το ιοντικό νέφος διαστέλλεται, θα σχηματιστούν αυθόρμητα φωνόνια, θέτοντας τα ιόντα σε δόνηση. Η επιστημονική ομάδα σκοπεύει να ανιχνεύσει αυτήν την κίνηση χρησιμοποιώντας λέιζερ. Εντούτοις, αυτό δεν θα είναι αρκετά για να επιβεβαιώσει ότι έχουν δημιουργηθεί κβαντικά σωματίδια. "Οι άνθρωποι μπορεί να υποστηρίξουν: πώς ξερουμε ότι αυτό είναι πραγματικά το αποτέλεσμα μιας κβαντικής διαδικασίας;" αναρωτιέται ο Schδtz. "Πρέπει να αποκλείσουμε ότι τα ιόντα δονούνται απλά επειδή τα έχουμε διαταράξει."

Σε αυτό ο Schätz έχει μια λύση. Επειδή τα κβαντικά σωματίδια δημιουργούνται πάντα ανά ζευγάρια, το πείραμα θα πρέπει να παραγάγει μόνο άρτιους αριθμούς φωνονίων και να θέσει τα ιόντα που δονούνται σε συγκεκριμένες συχνότητες, τις οποίες η ομάδα πρέπει να είναι σε θέση να διακρίνει.

Ο αστροφυσικός Stefano Liberati στο Διεθνές Σχολείο για τις Προηγμένες Μελέτες στην Τεργέστη είναι εντυπωσιασμένος. "Έχουν έναν τρόπο να δουν την υπογραφή της παραγωγής κβαντικών σωματιδίων από το κενό",  λέει. "Θα είναι ένα πολύ σημαντικό αποτέλεσμα εάν το πείραμα λειτουργήσει." Ο κβαντικός φυσικός Stefano Giovanazzi στο πανεπιστήμιο της Χαϋδελβέργης στη Γερμανία θαυμάζει την απλότητα του πειράματος. "Είναι πολύ φτηνότερο από το να χρησιμοποιήσουμε τους επιταχυντές σωματιδίων επειδή δεν χρειάζεστε τεράστιες ενέργειες," τονίζει.

Ο Giovanazzi δηλώνει ότι το πείραμα θα μπορούσε να μας πει περισσότερα για τον πρώιμο σύμπαν από ό,τι οι συγκρουστές σωματιδίων. Οι κοσμολόγοι υποπτεύονται ότι η δημιουργία σωματιδίων στο πρώιμο σύμπαν θα μπορούσε να έχει μια επίδραση ανατροφοδότησης, που ίσως επιβραδύνει την διαστολή του Κόσμου. "Αυτό είναι κάτι που θα μπορούσε άμεσα να παρατηρηθεί εδώ ερευνώντας για κάποια αποτελέσματα από την διαστολή του ιοντικού νέφους", λέει ο Giovanazzi.

Υπερηχητικές μαύρες τρύπες

Το 1981, ο William Unruh στο πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολούμπια στο Βανκούβερ, συνειδητοποίησε ότι οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να προσομοιωθούν χρησιμοποιώντας χαμηλής θερμοκρασίας υπεραγωγικά ρευστά που περιστρέφονται γρηγορότερα από την ταχύτητα του ήχου στα ίδια τα ρευστά. Τα ηχητικά κύματα που ταξιδεύουν μέσω ενός τέτοιου υγρού δεν θα συμβάδιζαν (συνέχιζαν μαζί) με τμήματα του ρευστού - κι έτσι στην πράξη θα έμεναν παγιδευμένα πίσω από έναν "ορίζοντα γεγονότων", όπως ακριβώς το φως παγιδεύεται από μια μαύρη τρύπα.

Τώρα οι νοτιοκορεάτες ερευνητές Xian-Hui Ge στο Ειρηνικο-Ασιατικό κέντρο για τη θεωρητική φυσική στην Pohang και ο Sung-Won Kim στο πανεπιστήμιο της Σεούλ λένε ότι η μέθοδος αυτή θα μπορούσε να ανιχνεύσει τις πρόσθετες διαστάσεις που προτάθηκαν από μερικές θεωρίες χορδών. "Εάν ο χωροχρόνος μας είναι ουσιαστικά πολλών διαστάσεων, τότε οι πρόσθετες διαστάσεις πρέπει να εμφανιστούν στις υπερηχητικές μαύρες τρύπες", λέει ο Xian-Hui Ge.

Οι μαύρες τρύπες θα εξέπεμπαν τα σωματίδια γνωστά ως ακτινοβολία Hawking, και οι δύο κορεάτες επιστήμονες έχουν δείξει ότι το μοτίβο της ακτινοβολίας θα ήταν διαφορετικό ανάλογα με το εάν υπάρχουν ή όχι οι πρόσθετος-διαστάσεις.

Αλλά κανένας δεν έχει φτιάξει ακόμα τις υπερηχητικές μαύρες τρύπες, λόγω δυσκολίας τέτοιων ψυχρών υψηλής ταχύτητας ρευστών.

Στη φυσική, το φωνόνιο είναι ένας κβαντισμένος τρόπος δόνησης που εμφανίζεται σε ένα άκαμπτο πλέγμα κρυστάλλου, όπως είναι το ατομικό πλέγμα ενός στερεού. Η μελέτη των φωνονίων αποτελεί σημαντικό μέρος της φυσικής στερεάς κατάστασης, επειδή τα φωνόνια διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο σε πολλές από τις φυσικές ιδιότητες των στερεών, συμπεριλαμβανομένων της θερμικής και ηλεκτρικής αγωγιμότητας ενός υλικού. Ειδικότερα, οι ιδιότητες των φωνονίων με μεγάλο μήκος κύματος προκαλούν τον ήχο στα στερεά -- γι αυτό και ονομάστηκαν φωνόνια. Στα μονωμένα στερεά, τα φωνόνια είναι επίσης ο αρχικός μηχανισμός μέσω του οποίου πραγματοποιείται η αγωγή της θερμότητας.

Αριστερά: κανονικοί τρόποι δόνησης  που κινούνται μέσα σε έναν κρύσταλλο

Τα φωνόνια επίσης είναι μια κβαντομηχανική έκδοση ενός ειδικού τύπου παλμικής κίνησης, γνωστού ως κανονικού τρόπου στην κλασσική μηχανική, στην οποία κάθε τμήμα ενός δικτυωτού πλέγματος ταλαντεύεται με την ίδια συχνότητα. Αυτοί οι κανονικοί τρόποι παλμικής κίνησης είναι σημαντικοί επειδή, σύμφωνα με ένα γνωστό αποτέλεσμα στην κλασσική μηχανική, οποιαδήποτε αυθαίρετη παλμική κίνηση ενός δικτυωτού πλέγματος μπορεί να θεωρηθεί ως μια υπέρθεση των κανονικών τρόπων με διάφορες συχνότητες. Από αυτή την άποψη, οι κανονικοί τρόποι είναι οι στοιχειώδεις δονήσεις του δικτυωτού πλέγματος. Αν και οι κανονικοί τρόποι είναι φαινόμενα σαν τα κύματα στην κλασσική μηχανική, αποκτούν ορισμένες μοριακές ιδιότητες όταν αναλύεται το πλέγμα χρησιμοποιώντας την κβαντομηχανική. Αυτά είναι τότε γνωστά ως φωνόνια. Τα φωνόνια είναι μποζόνια που το σπιν τους είναι ακέραιος αριθμός.