Το πρόβλημα της σκοτεινής ύλης και της διαστολής του Σύμπαντος.

Με τη βοήθεια προγραμμάτων προσομοιώσεων στους υπολογιστές, φτιάχνουμε μοντέλα για να αναλυθούν τα δεδομένα των παρατηρήσεων. Στο σχήμα κοσμικοί ιστοί σκοτεινής ύλης (με κόκκινες γραμμές), αναπαριστάνονται σε ένα κουτί διαστάσεων 1 δις έτη φωτός. Οι εξασθενημένες κίτρινες γραμμές δείχνουν πόσες  φωτεινές ακτίνες από τους μακρυνούς γαλαξίες (μπλέ χρώμα) θα μπορούν να λυγίσουν (παραμορφωθούν) από την βαρυτική επίδραση της αφανούς σκοτεινής ύλης.
Δείτε το αφιέρωμα μας, με εικόνες από προγράμματα προσομοιώσεων, με θέμα την δημιουργία συστάδων που εκπέμπουν ακτίνες-Χ.

Βρίσκοντας τον σχηματισμό των συστάδων των γαλαξιών με προσομοιώσεις σε υπολογιστές

Πίνακας Θεμάτων

1. Διαστολή και σκοτεινή ύλη
2. Εικονικά σωματίδια
3. Η πεμπτουσία
4. Υποατομικές Μαύρες Tρύπες
5. Η βαθύτερη δομή του σύμπαντοs

Διαστολή και σκοτεινή ύλη

Πριν από δύο χρόνια,(το 1998) μια εκπληκτική είδηση ήρθε να ταράξει τα νερά στο χώρο της αστρονομίας. Το σύμπαν όχι μόνο διαστέλλεται, όπως ήδη γνωρίζαμε, αλλά το κάνει με όλο και ταχύτερους ρυθμούς.

Αυτή η είδηση, αποτέλεσμα παρατήρησης πολύ απόμακρων ουράνιων σωμάτων, ήταν εντελώς απρόσμενη, γιατί η βαρυτική έλξη ανάμεσα στους γαλαξίες θα έπρεπε να επιβραδύνει τη διαστολή τους -δηλαδή το ρυθμό απομάκρυνσής τους- και όχι να την επιταχύνει.
Για να εξηγήσουν το παράδοξο αυτό γεγονός, οι φυσικοί πρότειναν τις πιο περίεργες επιστημονικές θεωρίες. Αυτές προβλέπουν την ύπαρξη εικονικών στοιχειωδών σωματιδίων, των «χορδών», που ταλαντώνονται σ' ένα χώρο δέκα διαστάσεων!

Είναι πλέον σαφές ότι το σύμπαν κρύβει πολύ περισσότερα απ' όσα βλέπουμε. Πριν ακόμα ανακαλύψουν ότι κάποιο είδος αντιβαρύτητας θα πρέπει να υπάρχει στο σύμπαν, οι αστρονόμοι κατάλαβαν ότι η μάζα των άστρων και των γαλαξιών δεν είναι επαρκής για να εξηγηθούν ορισμένες ουράνιες κινήσεις. Πρέπει δηλαδή να υπάρχει κάποια επιπλέον «σκοτεινή» ύλη, η οποία, ενώ ασκεί μια καθορισμένη βαρυτική έλξη, δε γίνεται αντιληπτή από τα τηλεσκόπιά μας.

Μια από τις υποθέσεις, λοιπόν, προτείνει ότι πρόκειται για ελάχιστα φωτεινά αλλά γιγάντεια ουράνια σώματα: συσσωματώσεις από ιδιαίτερα «φευγαλέα» σωματίδια, όπως τα νετρίνα. Παρά τις σοβαρές αμφιβολίες για το ποια είναι η πραγματική φύση της σκοτεινής ύλης, οι κοσμολόγοι γνωρίζουν επακριβώς πόση απ' αυτή τη σκοτεινή ύλη χρειάζεται να υπάρχει για να εξηγηθούν τα δεδομένα της παρατήρησης - τουλάχιστον δέκα φορές περισσότερη από την ορατή ύλη.

Όμως, ακόμα κι αν προσθέσουμε αυτή την τεράστια ποσότητα σκοτεινής ύλης, η δύναμη της βαρύτητας δε θα μπορούσε να εμποδίσει τη φυγή των γαλαξιών που ξεκίνησε τη Μεγάλη Εκρηξη (Big Bang). Αυτό έχει δύο συνέπειες: όχι μόνο οι γαλαξίες θα απομακρύνονται αιωνίως, αλλά επιπλέον, σε μεγάλη κλίμακα, το σχήμα του χώρου -που πλάθεται από τη δύναμη της βαρύτητας- θα πρέπει να μοιάζει "στρεβλωμένο" όπως το σχήμα μιάς σέλας.

Αυτό όμως δε θα δημιουργούσε κανένα πρόβλημα αν οι κοσμολόγοι δεν είχαν ισχυρούς θεωρητικούς λόγους για να προτιμούν ένα "σύμπαν-επίπεδο" από ένα "σύμπαν-σέλα".   Δυστυχώς, όμως, η πυκνότητα της ύλης τού σύμπαντος είναι μόνο το 1/3 εκείνης που θα απαιτούνταν για να «τεντώσει» το χώρο και να τον κάνει επίπεδο σαν τραπέζι. 'Ετσι, η πλειοψηφία των κοσμολόγων ήταν έτοιμη να εγκαταλείψει αυτή τη θεωρία. Όμως προς τα τέλη του Απριλίου 2000 μια νέα ανακάλυψη αναθέρμανε τις ελπίδες. Πρόκειται για μια ιταλοαμερικανική ανακάλυψη που έκαναν οι Πάολο ντε Μπερνάρτις, του πανεπιστημίου La Sapienza της Ρώμης, και Άντριου Λέιντζ, του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνια.

Οι δύο επιστήμονες, χρησιμοποιώντας το Boomerang, ένα ειδικό τηλεσκόπιο ευαίσθητο στα μικροκύματα, που ήταν τοποθετημένο σ' ένα στρατοσφαιρικό αερόστατο πάνω από την Ανταρκτική, κατάφεραν κάτι συγκλονιστικό: να φωτογραφίσουν το σύμπαν όπως ακριβώς ήταν λίγο μετά τη γέννηοη του. Αυτό που στην πραγματικότητα κατάφεραν να αναλύσουν με μεγάλη ακρίβεια ήταν η πρωταρχική ακτινοβολία της Μεγάλης 'Εκρηξης, η οποία δημιούργησε το γνωστό μας σύμπαν πριν από περίπου 15 δισεκατομμύρια χρόνια.

Απ' αυτές τις εικόνες προκύπτει ότι το σύμπαν είναι επίπεδο ή, ακριβέστερα, ευκλείδειο, όπως είχαν προβλέψει οι θεωρητικοί Φυσικοί. Αν όμως, όπως είδαμε, το σύμπαν περιέχει μια ανεπαρκή ποσότητα ύλης, τότε πού οφείλεται η "επιπεδότητά" του;  Άραγε αυτό το "επίπεδο σύμπαν", θα μπορούσε να είναι η αιτία της επιταχυνόμενης διαστολής του σύμπαντος;

Εικονικά σωματίδια

Οι υποψίες των κοσμολόγων έπεσαν σύντομα στο κενό. 'Οσο παράξενο κι αν φαίνεται, οι Φυσικoί έχουν από καιρό αποδείξει ότι το κενό είναι κάθε άλλο παρά... κενό. Από την κβαντική Φυσική, που μελετά την υποατομική συμπεριφορά της ύλης, γνωρίζουμε ότι όσο πιο μικρός είναι ο χρόνος παρατήρησης ενός στοιχειώδους σωματιδίου (για παράδειγμα, ενός ηλεκτρονίου) τόσο πιο αβέβαιη θα είναι η γνώση μας για το πόση είναι η μάζα του . Αν , μάλιστα, ο χρόνος παρατήρησης είναι ιδιαίτερα σύντομος, τότε η αβεβαιότητά μας θα είναι τόσο μεγάλη ώστε θα μας είναι αδύνατο να πούμε αν το σωματίδιο υπάρχει ή όχι. Είναι σαν να μπορεί το σωματίδιο να εμφανιστεί από το πουθενά κι αμέσως μετά να εξαφανιστεί στο πουθενά.

Το εκπληκτικό είναι ότι, ενώ πρόκειται για εικονικά σωματίδια, τα πειράματα αποδεικνύουν ότι οι συνέπειές τους είναι πραγματικές και μετρήσιμες. Άραγε αυτά τα εικονικά σωματίδια μπορούν να επηρεάζουν τη διαστολή του σύμπαντος;
'Ηδη πριν από είκοσι χρόνια, ο Ρώσος αστρoφυσικός Γιάκοφ Τέλντοβιτς απέδειξε ότι η ενέργεια των εικονικών σωματιδίων μπορεί πράγματι να ασκεί μια απωθητική δύναμη στην ύλη. Υπάρχει όμως ένα πρόβλημα. 'Οταν φυσικοί δοκίμασαν να χρησιμοποιήσουν την ίδια θεωρία για να υπολγίσουν πόση απωθητική ενέργεια κρύβεται στο κενό, ανακάλυψαν μια τιμή αφάνταστα μεγάλη. Αν έτσι είχαντα πράγματα τότε ο χώρος ανάμεσα σε σας και στα πράγματα που βλέπετε θα διαστελλόταν με τέτοια ταχύτητα, ώστε η εικόνα των πραγμάτων που βλέπετε δε θα προλάβαινε ποτέ να φτάσει έως τα μάτια σας. Το γεγονός ότι μπορούμε να βλέπουμε τις σελίδες ενός βιβλίου, αλλά επίσης και τα απώτατα όρια του Σύμπαντος, σημαίνει ότι η ενέργεια του κενού είναι πολύ μικρότερη από όσο την υπολόγισαν. Αυτή η συμφωνία μεταξύ θεωρίας και παρατήρησης είναι ένα πρόβλημα που δημιουργεί τεράστια αμηχανία στους συγχρονους Φυσικούς.

Η πεμπτουσία

Γι' αυτό το λόγο κάποιοι επιστήμονες, όπως οι Αμερικανοί Λόρενς Κρανς, του Πανεπιστημίου Western Reserve, και Πολ Στεινχαντ, του Πανεπιστημίου του Πρίνστον, πρότειναν ότι θα μπορούσε να υπάρχει μια διαφορετική μορφή ενέργειας του κενού, η οποία σε αντίθεση με τη γνωστή ενέργεια, δεν είναι σταθερή, αλλά μεταβάλλεται με το χρόνο. Επιπλέον, μπορεί να αλληλεπιδρά  με την ύλη και ν' αλλάζει την πυκνότητά της. 'Ετσι θα μπορούσε να εξηγηθεί γιατί η πυκνότητα της ενέργειας του κενού που παρατηρούμε σήμερα δεν παίρνει οποιαδήποτε τιμή, αλλά σχετίζεται με την πυκνότητα της ενέργειας της ύλης.

Αυτή η «πεμπτουσία», όπως ονομάστηκε, είναι μια ιδέα που προκύπτει από μια πρόσφατη θεωρία της Φυσικής, αυτή των υπερχορδών . Σύμφωνα με, αυτή τη θεωρία, οι στοιχειώδεις μονάδες της φύσης δεν είναι σημειακά σωματίδια, αλλά μικροσκοπικές χορδές. 'Ολα τα γνωστά «στοιχειώδη» σωματίδια -από τα ηλεκτρόνια έως τα κουάρκ- δεν είναι τίποτ' άλλο από ταλαντώσεις αυτών των χορδών. Το μεγαλύτερο πρόβλημα της Θεωρίας των Υπερχορδών είναι ότι προϋποθέτει την ύπαρξη ενός χωροχρόνου δέκα διαστάσεων, ο οποίος διαφέρει πολύ από το γνωστό μας τετραδιάστατο χωροχρόνο - τρεις διαστάσεις για το χώρο, συν μία για το χρόνο.

'Ομως οι οπαδοί των υπερχορδών υποστηρίζουν ότι αυτές οι έξι επιπλέον διαστάσεις «περιτυλίχθηκαν» γύρω από τον ίδιο τους τον εαυτό από τα πρώτα λεπτά της γέννησης του σύμπαντος κι έτσι δεν απομακρύνονται όπως οι άλλες τέσσερις, που συνθέτουν το γνωστό μας χωροχρόνο. Σ' αυτή λοιπόν την αυτοπεριέλιξη των έξι διαστάσεων οφείλεται η αδυναμία μας να τις διακρίνουμε.

Υποατομικές Μαύρες Tρύπες

Στον αντίποδα αυτής της θεώρησης βρίσκεται η άποψη του Τζον Ουίλερ. Υποστηρίζει ότι αν μπορούσαμε να διεισδύσουμε μ' ένα εκπληκτικό υπερμικροσκόπιο στη λεγόμενη διάσταση Planck, σε μια τάξη μεγέθους ίση με 10^-33 cm, τότε η εικόνα του υποατομικού κόσμου θα ήταν εκείνη ενός αεικίνητου αφρού - ενός τρικυμισμένου ωκεανού γεμάτου μικροσκοπικές Μαύρες Οπές και μικροσήραγγες, τις λεγόμενες σκουληκότρυπες , που εμφανίζονται και εξαφανίζονται αδιάκοπα.

Η υπόθεση του Ουίλερ είναι η λογική προέκταση της ιδέας των εικονικών σωματιδίων. 'Ενα σωματίδιο με μέγεθος ίσο με τη διάσταση Planck θα είχε πράγματι μια τεράστια μάζα (0,00001 γραμμάρια) σε σχέση με το χώρο που καταλαμβάνει, ώστε ούτε το φως που θα έπεφτε πάνω του δε θα μπορούσε να διαφύγει από την έλξη της βαρύτητας. Θα ήταν μια μικροσκοπική Μαύρη Τρύπα.

Η βαθύτερη δομή του σύμπαντοs

Ο Λι Σμόλιν και ο Κάρλο Ροβέλι, από το Πανεπιστήμιο της Pennsylvania, υποστήριξαν ότι στην κλίμακα μεγέθους του Planck ο χωροχρόνος μετατρέπεται σ' ένα δίκτυο από αλληλοσυνδεδεμένα «δαχτυλίδια» - κάτι που θυμίζει τους μεταλλικούς χιτώνες στις πανοπλίες των ιπποτών. 'Ομως η βασική δομή του σύμπαντος «υφαίνεται» από αφηρημένα μαθηματικά αντικείμενα που ονομάζονται «πλέγματα από σπιν». Φανταστείτε ένα μικροσκοπικό σωματίδιο που περιστρέφεται σαν σβούρα γύρω από τον άξονά του, έχει δηλαδή μια ιδιοστροφορμή ή σπιν.
Ανάλογα με το πώς η βαρύτητα καμπυλώνει το χώρο, το σωματίδιο κάνει μια πλήρη περιφορά, επιστρέφοντας στο σημείο εκκίνησης με τον άξονά του προσανατολισμένο προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η συνένωση των τροχιών από πολυάριθμα σωματίδια σχηματίζει ένα πλέγμα από σπίν. Αυτό περικλείει στο εσωτερικό του όλη την πληροφορία για τη βαθύτερη δομή του χώρου.