Η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να προέλθει με φυσικό τρόπο από την κβαντική βαρύτητα

Πηγή: PhysicsWorld, 21 Απριλίου 2009

Ένας φυσικός έχει υπολογίσει ότι η σκοτεινή ύλη - η άγνωστη οντότητα που αποτελεί τη συντριπτική πλειοψηφία της ύλης στο σύμπαν - θα μπορούσε να προκύψει με φυσικό τρόπο σε μια απλή γενικευμένη κβαντική θεωρία της βαρύτητας.

Ένα από τα πιο μακροχρόνια προβλήματα της σύγχρονης φυσικής είναι ότι οι θεωρίες της βαρύτητας και της κβαντομηχανικής δεν αναμειγνύονται εύκολα. Για πάνω από 90 χρόνια η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας έχει κάνει πολύ καλή δουλειά για την περιγραφή της βαρύτητας σε μεγάλες κλίμακες, αλλά δυσκολεύεται για πράγματα που είναι πολύ μικρά, όπου επικρατεί η κβαντομηχανική. Το πρόβλημα οφείλεται εν μέρει στο γεγονός ότι η κβαντική μηχανική προβλέπει την ύπαρξη φευγαλέων "εικονικών" σωματιδίων, τα οποία στις εξισώσεις του Αϊνστάιν προκαλούν δυσάρεστες τιμές του άπειρου.

Οι περισσότεροι φυσικοί γι' αυτό πιστεύουν ότι χρειαζόμαστε μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας. Ένας βασικός τρόπος για να εξερευνήσουμε αυτή την ιδέα είναι να δούμε μια "αποτελεσματική θεωρία πεδίου", η οποία να περιγράφει τη βαρυτική δύναμη ως μια καλά καθορισμένη σειρά. Στην βαρύτητα του Αϊνστάιν η σειρά αυτή θα έχει μόνο έναν όρο: μια γραμμική συνάρτηση του R, την καμπυλότητα του χωροχρόνου.

Ωστόσο, για την αντιμετώπιση κβαντικών ζητημάτων θα πρέπει να προστεθούν κι άλλοι όροι στην αλληλουχία, όπως η συνάρτηση R². Αυτοί οι όροι υψηλής τάξης περιλαμβάνουν και άλλες παραμέτρους, και για την R² μία από τις παραμέτρους είναι η m², όπου m είναι η μάζα των νέου βαθμωτού σωματιδίου ή πεδίου.

Μια πιθανή παρενέργεια της εισαγωγής νέων όρων είναι ότι αυτή η θεωρία μπορεί να δημιουργήσει βαρυτικά φαινόμενα, που τα πειράματα ήδη θα έχουν δείξει. Γι αυτό και οι θεωρητικοί συνήθως κάνουν τη μάζα m βαριά, ώστε όλα τα νέα αποτελέσματα να είναι κρυμμένα έως το μήκος Πλανκ (περίπου 10^-35 μέτρα.), όπου η θεωρία του της βαρύτητας του Αϊνστάιν δεν δουλεύει.

Τώρα, όμως, ο Jose Cembranos του Πανεπιστημίου της Μινεσότα, έχει βρει ότι, όταν η μάζα m του βαθμωτού πεδίου γίνει πολύ ελαφρύτερη, το σωματίδιο μπορεί να αντιπροσωπεύει την σκοτεινή ύλη. Το σωματίδιο αυτό του βαθμωτού πεδίου μπορεί να προσδιοριστεί ως ένα νέο βαρυτόνιο, και θα έχει μήκος περίπου 0,1 mm.

Κανείς δεν γνωρίζει ακόμη τι είναι η σκοτεινή ύλη, αν και συχνά αναφέρεται ότι αποτελείται από κάποια υποθετικά σωματίδια ή εξηγείται από τροποποιημένες εκδοχές της βαρύτητας. Ο Cembranos αναφέρει ότι η μελέτη του είναι σημαντική, επειδή "βοηθά να αποκτήσουμε μια γενική ιδέα του τι μπορεί να είναι τα σήματα ή οι παρατηρήσεις αν η σκοτεινή ύλη έχει σχέση με την κβαντική ολοκλήρωση της βαρυτικής αλληλεπίδρασης."

"Νομίζω ότι το μοντέλο με τους δύο όρους R + R² είναι ένα άλλο ενδιαφέρον παράδειγμα με ομοιότητες και διαφορές της τροποποιημένης βαρύτητας έναντι της 'πραγματικής' σκοτεινής ύλης", λέει ο HongSheng Zhao του Πανεπιστημίου του St Andrews στη Βρετανία. "Συμφωνώ απόλυτα ότι θα μπορούσε να υπολογιστεί ως ένα βαθμωτό πεδίο, που θα μπορούσε να κάνει μια μεγάλη συγκέντρωση. Τέτοιες συγκεντρώσεις θα μπορούσαν να κάμψουν τις τροχιές των άστρων, όπως κάνει η πραγματική σκοτεινή ύλη, αλλά δεν είναι σαφές αν θα 'λυγίζουν' το φως σαν την πραγματική σκοτεινή ύλη. "

Ωστόσο, ο Nemanja Kaloper, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Ντέιβις που μελετάει εναλλακτικές θεωρίες της βαρύτητας λέει ότι δεν είναι ενθουσιασμένος για τη μελέτη του Cembranos. Θεωρεί την προσέγγιση της θεωρίας πεδίου που έγινε από τον Cembranos ότι είναι η κανονική βαρύτητα του Αϊνστάιν συν ένα επιπλέον βαθμωτό πεδίο που εξηγεί την σκοτεινή ύλη μόνο αν είναι συντονισμένη κατάλληλα.

"Όλα αυτά μπορούν να γίνουν χωρίς ποτέ να παραπέμπουν στην f (R) βαρύτητα", προσθέτει. "Δεν είναι απαραίτητο, και στην πραγματικότητα η εισαγωγή αυτή κάνει την ιστορία λιγότερο προβλεπτική, επειδή η παράμετρος που προσδιορίζει την βαθωτή μάζα δεν είναι  υπολογίσιμη μονοσήμαντα, αλλά είναι πολύ ευαίσθητη σε μια άλλη κβαντική θεωρία πεδίου πιο γενική από την πρώτη."

Η έρευνα δημοσιεύεται στο Physical Review Letters