Φωτογραφίες δίνουν βαρύτητα στην υπόθεση του Einstein για την αντιβαρύτητα.

Από σελίδα των N.Y.Times 3-Απριλίου-2001

Μια φωτογραφία ενός μακρυνού αστεριού που εξερράγη, δίνει στους αστρονόμους την πρώτη άμεση απόδειξη πως μια μυστηριώδης "αρνητική βαρυτική δύναμη" ή αντι-βαρύτητα, αναγκάζει το Σύμπαν να επιταχύνεται μυστηριωδώς, αναγγέλθηκε από επιστήμονες σε ένα συνέδριο του διαστημικού ιδρύματος επιστήμης τηλεσκοπίων στην Βαλτιμόρη.

Το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, από τύχη φωτογράφησε ένα αστέρι που εξερράγη 11 δισεκατομμύρια έτη πριν, το πιό μακρυνό αντικείμενο που ποτέ παρατηρήθηκε, στα τέλη του 1997 και νωρίς το 1998. Οι επιστήμονες λένε πως συνεχείς ερευνητικές εργασίες στην σχετική ένταση του φωτός του, επιβεβαιώνουν μια από τις υποθέσεις του σχετικά με το Σύμπαν: πως όλος ο χώρος είναι γεμάτος με ένα αόρατο τύπο της ενέργειας που δημιουργεί μια αμοιβαία απώθηση μεταξύ αντικειμένων που κανονικά έλκονται μεταξύ τους λόγω βαρύτητας.

Μια ομάδα, που καθοδηγείται από τον νεαρό αστροφυσικό Dr. Adam G. Riess, στο Space Telescope Science Institute στην Baltimore ανέλυσε τα δεδομένα ενός διαγράμματος του Hubble. Ενα διάγραμμα μεταξύ έντασης του φωτός και της απόστασης των αστεριών, που οι αστροφυσικοί χρησιμοποιούν για την έρευνα της ιστορίας του Σύμπαντος. Ο Dr. Riess, που εργάζεται με τον Dr. Peter E. Nugent του Lawrence Berkeley National Laboratory, είπε πως η μέτρηση υπαινίσεται την ύπαρξη της σκοτεινής ενέργειας. "Τα αποτελέσματα αυτά υπήρξαν απρόσμενα, μιας και επιδιώκαμε το αντίθετο αποτέλεσμα», αναφέρει ο Dr. Riess.

Ο Dr. Michael S. Turner, ένας άλλος αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Chicago που δεν εμπλέκεται με την εργασία αυτή, χαρακτήρισε την σκοτεινή ενέργεια σαν "μια από τις πιό σπουδαίες ανακαλύψεις στην επιστήμη."

"Εαν ο Einstein ήταν εδώ σήμερα, θα είχε πάρει ένα ακόμη βραβείο Nobel για την πρόβλεψη της απωθητικής βαρύτητας,"είπε ο  Dr. Turner.

Ενώ ο Mario Livio  ένας θεωρητικός στο διαστημικό ίδρυμα τηλεσκοπίων είπε πως "Κάνουμε την αστρονομία του αόρατου". Το ίδρυμα αυτό είχε οργανώσει συνεδρίαση, που είχε θέμα "σκοτεινός κόσμος: Υλη, ενέργεια, και βαρύτητα" το φθινόπωρο του 2000.

Τα συμπεράσματα αυτά μήπως ταυτίζονται με την κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν ή μήπως αποτελούν κάτι νέο ή λανθασμένο; Το φαινόμενο μπορεί να παρατηρηθεί στην απρόσμενα μικρή λάμψη των supernova, άστρων τα οποία εκρήγνυνται. Η μικρή λάμψη των supernova έκανε τους αστρονόμους να εικάσουν ότι τα άστρα αυτά βρίσκονται σε πολύ μεγαλύτερη απόσταση απ' ό,τι αρχικά είχε υπολογισθεί, οδηγώντας έτσι τον επιστημονικό κόσμο στο συμπέρασμα ότι το σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενους ρυθμούς.

Η πρωτιά του Einstein

Ο Albert Einstein ήταν ο πρώτος που εισήγαγε μια παράμετρο, την οποία ονόμασε κοσμολογική σταθερά (λ), στις εξισώσεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, και που το έκανε υποθέτοντας πως υπάρχει μια ύλη άγνωστη και αόρατη ως τότε, η "σκοτεινή ύλη".
Η σταθερά αυτή λ, αντιπροσωπεύει μια απωθητική συμπαντική δύναμη, εξαρτώμενη από το ίδιο το διάστημα, και η οποία εμποδίζει το σύμπαν να καταρρεύσει (να συσταλεί) κάτω από την επίδραση της βαρύτητας.

Ο Einstein εγκατέλειψε, όμως, την κοσμολογική σταθερά, μόλις ανακαλύφθηκε ότι το σύμπαν διαστέλλεται, αρνούμενος να την επαναφέρει και χαρακτηρίζοντάς τη ως το μεγαλύτερό του σφάλμα. Το 1998, όμως, δύο ομάδες αστρονόμων απέδειξαν ότι το σύμπαν διαστέλλεται επιταχυνόμενο, δηλαδή οι   γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών, απομακρύνονταν μεταξύ τους, σαν να προκαλούσε αυτήν την διαστολή κάποια αόρατη δύναμη, την οποία ονόμασαν "σκοτεινή ύλη", και η οποία αντιδρούσε στην δύναμη της βαρύτητας, που θα ανάγκαζε έτσι το Σύμπαν από ένα σημείο κι έπειτα να συστέλλεται.

Η παραδοσιακή αστρονομία εστίαζε το ενδιαφέρον της πάνω στα ορατά αστρικά σώματα, τις τελευταίες δεκαετίες, όμως, οι αστρονόμοι έπρεπε να αντιμετωπίσουν τη δυνατότητα πως τα αστέρια και οι γαλαξίες, είναι κάτι περισσότερο από τις κηλίδες του αφρού σε μια θυελλώδη θάλασσα της σκοτεινής ύλης, κι έτσι άρχισαν να ενδιαφέρονται για τη σκοτεινή ύλη που περιβάλλει τα αστρικά σώματα.

Υπάρχουν όμως μερικοί φυσικοί που δεν αποδέχονταν τις θεωρίες περί επιτάχυνσης του σύμπαντος, και αυτοί θα πρέπει να εξηγήσουν τη φύση της 'σκοτεινής ύλης'.  "Εκείνοι οι αριθμοί είναι ανησυχητικοί, και προφανώς αληθινοί" είπε ο Δρ Μichael Dine, ένας θεωρητικός φυσικός από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στην Santa Cruz. Περιέγραψε στους συναδέλφους του, πως τώρα εργάζεται  "ξέφρενα" για να βρεί μια εξήγηση.

Το σύμπαν μπορεί υπό ορισμένες συνθήκες να αποτελέσει αντικείμενο λογικής ερμηνείας. Σε ένα επίπεδο Σύμπαν, με όλες τις σκοτεινές αποσκευές του, φαίνεται αυτό να είχε νόημα. Το συνολικό ποσό ύλης και ενέργειας φαίνεται να είναι αρκετό, ακριβώς για να εγγυηθεί ότι η μεγάλης κλίμακας γεωμετρία του χωρό-χρονου είναι μια  'επίπεδη' ή ευκλείδια γεωμετρία, ένα αποτέλεσμα που οι κοσμολόγοι έχουν θεωρήσει από καιρό σαν σωστό. Από την άλλη, όπως λέει και ο Dr Livio, η ανάλυση των συστατικών του σύμπαντος αποκαλύπτει ότι αυτό αποτελείται από 65% σκοτεινή ύλη γνωστής προέλευσης, 30% 'σκοτεινή ύλη' αγνώστου προέλευσης και μόλις το 5% αποτελείται από άστρα, αέρια και σκόνη.

Τα παράξενα των φυσικών

Έτσι είναι οι φυσικοί. Περίπου ένα χρόνο που ο Einstein εγκατέλειπε την κοσμολογική σταθερά, οι φυσικοί της κβαντικής μηχανικής -- η κβαντική μηχανική είναι ένα σύνολο κανόνων που κυβερνούν την υποατομική σφαίρα -- καθιέρωναν ένα θεωρητικό ίδρυμα για την κοσμολογική σταθερά. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, το κενό διάστημα θα πρέπει να είναι γεμάτο με προσωρινά σωματίδια και η συσσωρευτική ενέργειά τους, θα ξεπέρναγε την ορατή ύλη στο Σύμπαν, συμπεριλαμβανομένης και της σκοτεινής ύλης, σε τάξη μεγέθους 120  -- δηλαδή ένας παράγοντας 10 ακολουθούμενος από 119 μηδενικά. Σε αυτό το επίπεδο, η δύναμη του κενού είτε θα είχε τσαλακώσει τον κόσμο είτε θα τον είχε χωρίσει μακριά προτού ακόμη και ένα άτομο είχε την ευκαρία να διαμορφωθεί.

Το γεγονός ότι ο κόσμος είναι στην πραγματικότητα υπαρκτός, μάλλον προκύπτει ότι υπάρχει κάτι θεμελιώδες για τη φυσική και το Σύμπαν, που οι φυσικοί ακόμα δεν το ξέρουν. Ο Dr Steven Weinberg, ο βραβευμένος με Νόμπελ στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, έχει καλέσει την κοσμολογική σταθερά σαν "κόκκαλο στο λαιμό μας."  Εάν η σκοτεινή ενέργεια είναι πραγματικά η κοσμολογική σταθερά Einstein, κατόπιν οι Φυσικοί πρέπει να απαντήσουν σε ερωτήσεις, όπως γιατί είναι τόσο μικρή -- κατά προσέγγιση συγκρίσιμη, στην πραγματικότητα, με την πυκνότητα της ύλης του σημερινού Σύμπαντος.

Αυτό σημαίνει, όπως έχει επισημάνε ο Δρ Weinberg ι, ότι η κοσμολογική σταθερά πρέπει να είναι αρκετά μικρή για να δώσει  τον χρόνο στους γαλαξίες και τα αστέρια να συμπυκνωθούν από την αρχέγονη ομίχλη, προτού αυτή αναλάβει δράση και να αρχίσει να χωρίζει τα συστατικά του Σύμπαντος.

Ο Δρ Alex Vilenkin του Πανεπιστημίου Tuffs στη Μασαχουσέτη επισήμανε ότι το Σύμπαν ήταν στην αιχμή του, στην παραγωγή των αστεριών, περίπου πριν από πέντε ή έξι δισεκατομμύρια έτη, ακριβώς στην εποχή που η σκοτεινή ενέργεια και η πυκνότητα της ύλης θα ήταν ίσες. Ο ήλιός μας, περίπου 4,5 δισεκατομμυρίων ετών, δημιουργήθηκε στο τέλος αυτής της ιστορίας, εκείνου του κύματος, και τώρα εδώ βρισκόμαστε. "Οι παρατηρητές είναι εκεί όπου οι γαλαξίες υπάρχουν,¨" είπε ο Δρ Vilenkin. "Ένας τυπικός παρατηρητής θα δει μια μικρή κοσμολογική σταθερά. "

Πολλοί φυσικοί είναι ανήσυχοι με αυτήν την γραμμή συλλογισμού, και επιδιώκουν την απάντηση με διαφορετική κατηγορία θεωριών γνωστών ως πεμπτουσία, από την ελληνική λέξη για το πέμπτο στοιχείο. Η σύγχρονη φυσική, σημείωσε ο Δρ Paul Steinhardt, ένας θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Princeton, είναι κορεσμένη με μυστήρια ενεργειακά πεδία, που θα εξέθεταν την αρνητική βαρύτητα. Το τέχνασμα, εξήγησε ο Δρ. Steinhardt, βρίσκεται σε ένα πεδίο που θα ενεργούσε όπως η σκοτεινή ενέργεια.

"Οι παρατηρήσεις μας αναγκάζουν να το κάνουμε αυτό," είπ Δρ. Steinhardt. Η "σκοτεινή ενέργεια" είναι ένα ενδιαφέρον πρόβλημα. Οποιαδήποτε λύση είναι ομοίως αρκετά ενδιαφέρουσα."

Και η θεωρία χορδών

Μια θεωρία που συνέλαβε η φαντασία των αστρονόμων στη Βαλτιμόρη ήταν μια τροποποίηση της βαρύτητας, που  προτάθηκε πρόσφατα από τρεις θεωρητικούς χορδών στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης: Τους Δρ Gia Dvali, Δρ Gregory Gabadadze και Δρ Massimo Porrati. Στη θεωρία χορδών-- έτσι ονομάζεται επειδή περιγράφει τα στοιχειώδη σωματίδια ως μικροσκοπικές δομημένες χορδές -- ο συνηθισμένος κόσμος μας είναι συχνά ορατός, ως ένα τρισδιάστατο νησί (μια μεμβράνη, ή "brane" στην επαγγελματική γλώσσα των φυσικών χορδών), που επιπλέει στο χώρο των 10 ή 11 διαστάσεων. Τα συνηθισμένα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια και τα quarks και οι δυνάμεις όπως ο ηλεκτρομαγνητισμός είναι περιορισμένα σε τρεις διαστάσεις, στο brane, αλλά η βαρύτητα δεν είναι περιορισμένη στον τριδιιάστατο χώρο.

Κατά συνέπεια, ο Δρ. Dvali πρότεινε ότι η βαρύτητα που θα μπορούσε να ταξιδεψει μόνο μέχρι τώρα, μέσω του συμβατικού τριδιάστατου χώρου, προτού αυτή να ξεφύγει μακριά στις πρόσθετες διαστάσεις, και για αυτόν τον λόγο φαίνεται αποδυναμωμένη. Σε έναν παρατηρητή στις παραδοσιακές τρεις διαστάσεις, αυτό φαίνεται σαν να επιταχύνεται το σύμπαν. Η κοσμολογική σταθερά, στην πραγματικότητα, είπε, είναι ένα είδος βαρύτητας αγωγού brane. "Η βαρύτητα ξεγελιέται," είπε. "Θεωρεί τον εαυτό της σαν την κοσμολογική σταθερά."

Η θεωρία του Δρ. Dvali χαιρετίστηκε από τους αστρονόμους, σαν ένα σημάδι πως η θεωρία χορδών, αρχίζει να κατέρχειται από τον γιάλινο πύργο της αφαίρεσής της και να κάνει χρήσιμες, ελέγξιμες προβλέψεις για τον πραγματικό κόσμο. (Σε μια άλλη συμβολή χορδής, ο Δρ Steinhardt εισήγαγε μια νέα θεωρία για το πρόωρο Σύμπαν (Πρώιμο Σύμπαν), στον οποίο το Big Bang τίθεται μακριά από ένα ζευγάρι των branes που διαφωνούν μαζί όπως τα κύμβαλα.)

Κατόπιν στο συνέδριο, ο Δρ. Riess και ο Δρ. Perlmutter πίεσαν τον Δρ. Dvali για την στιγμή που η βαρύτητα θα ξέφευγε από το κρίσιμο σημείο διασταύρωσης, δηλαδή  μεταξύ ενός κόσμου που θα επιβραδύνεται και του επιταχυνόμενου, αυτό θα συνέβαινε πιό απότομα απ'ό,τι στην περίπτωση της κοσμολογικής σταθεράς; Ο Δρ Dvali είπε ότι δεν είχε κάνει οποιουσδήποτε υπολογισμούς, αλλά είπε ήταν η "διαίσθηση του", ότι η διασταύρωση θα συνέβαινε πιό ομαλά απ'ό,τι σε έναν κόσμο του λάμδα (της κοσμολογικής σταθεράς).

"Θα ήθελα να δω αυτόν τον τύπο να κάνει μερικά διαγράμματα Hubble," είπε ο Δρ Riess.