|
Μια παρένθεση που συνοψίζει την παρούσα κατάσταση
στη σωματιδιακή φυσική
Το καθιερωμένο πρότυπο περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρονται τα πάντα στον
υποατομικό κόσμο. Είναι η τελική (προς το παρόν) και πιο γενική (και πάλι προς το παρόν)
επέκταση της κβαντικής μηχανικής. Βασικά πρόκειται για ένα κατάλογο με όλα τα στοιχειώδη
σωματίδια και ένα σύνολο κανόνων για το πως αλληλεπιδρούν. Και να πως αλληλεπιδρούν.
 Τα
σωματίδια ανταλλάσσοντας σωματίδια. Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο ασκεί δύναμη σε ένα
άλλο εκπέμποντας ένα φωτόνιο προς το άλλο ηλεκτρόνιο, το δεύτερο προσλαμβάνει το φωτόνιο
και ανταποδίδει. Το ανθρωπομορφικό σχήμα που προτιμάται είναι ότι τα σωματίδια
αλληλεπιδρούν μέσω δυνάμεων, χρησιμοποιώντας σωματίδια-μεσολαβητές, όπως τα φωτόνια.
Ιδού πως φανταζόμαστε αυτή τη διαδικασία.
Όπως μπορείτε να δείτε, τα δύο ηλεκτρόνια "επικοινωνούν" ανταλλάσσοντας το
φωτόνιο (που εδώ μοιάζει με μπάλα του μπάσκετ). Με αυτές τις βολές, το ένα ηλεκτρόνιο
απομακρύνεται από το άλλο, γεγονός που συμφωνεί με όσα παρατηρούμε - τα αρνητικά
φορτισμένα ηλεκτρόνια απωθούνται αμοιβαία. Με άλλα σωματίδια το αποτέλεσμα μπορεί να
είναι έλξη και όχι άπωση, η αρχή όμως παραμένει η ίδια. Αυτό είναι το ουσιώδες σημείο
που χρειάζεται για να καταλάβουμε τα υπόλοιπα: μια δύναμη - οποιαδήποτε δύναμη -
προκαλείται όταν ένα αντικείμενο εκπέμψει ένα αντικείμενο προς ένα άλλο αντικείμενο. Όσο
περισσότερα σωματίδια εκπέμπονται (και προσλαμβάνονται), τόσο ισχυρότερη είναι η δύναμη
που ασκείται μεταξύ τους.
Εντάξει λοιπόν, και πως σχετίζεται η βαρύτητα με όλα
αυτά;
Η βαρύτητα μοιάζει με οποιαδήποτε άλλη δύναμη και προκαλείται από την
εκτόξευση "βαρυτονίων" μεταξύ υλικών σωμάτων. Αυτά τα βαρυτόνια προκαλούν την αμοιβαία
έλξη μεταξύ των σωμάτων. Μια άλλη θεωρία βέβαια για τη βαρύτητα, η Γενική Σχετικότητα
εξηγεί την ύπαρξη της βαρύτητας επικαλούμενη την καμπύλωση του χωροχρόνου σε αντίθεση με
το καθιερωμένο πρότυπο που την εξηγεί με ανταλλαγή βαρυτονίων. Τα προβλήματα ανακύπτουν
όταν προσπαθήσουμε να συνδυάσουμε αυτές τις δύο θεωρίες, δηλαδή να περιγράψουμε
σωματίδια που έχουν πολύ μεγάλη μάζα αλλά είναι πολύ μικρά, όπως είναι για παράδειγμα οι
μαύρες τρύπες. Τα προβλήματα αναφέρονται σε μαθηματικές ασυνέπειες, μηδενισμούς
παρονομαστών σε κλάσματα και άλλα αποτελέσματα που δεν έχουν νόημα. Η θεωρία των χορδών
αναπτύχθηκε τουλάχιστον εν μέρει με σκοπό την αποφυγή αυτών των προβλημάτων και
συνδυάζει την κβαντική μηχανική με την Γενική Σχετικότητα.
Τώρα ίσως μπορούμε να καταλάβουμε γιατί το μικρό μέτρο της βαρύτητας
αποτελεί ένα τόσο πιεστικό πρόβλημα. Σύμφωνα με το καθιερωμένο πρότυπο, υπάρχει
συμμετρία μεταξύ του βαρυτονίου και των υπόλοιπων σωματιδίων-φορέων δυνάμεων.
Περιγράφονται με τα ίδια ενοιολογικά εργαλεία. Από αυτή την κοινή περιγραφή συνεπάγεται
ότι οι δυνάμεις που παράγουν τα σωματίδια θα έπρεπε να είναι παρεμφερείς, τόσο ως προς
τη φύση τους όσο και ως προς το μέγεθος. Τόσο η βαρύτητα όσο και η ηλεκτρομαγνητική
δύναμη για παράδειγμα μειώνονται με το τετράγωνο της απόστασης. Κι όμως όπως είδαμε η
βαρύτητα είναι κατά πολύ ασθενέστερη από όλες τις άλλες δυνάμεις. Και έτσι μας απομένει
το ερώτημα: Τι είναι αυτό που κάνει τη βαρύτητα τόσο ξεχωριστή περίπτωση;
Ας δούμε τη θεωρία βρανών. Ας θυμηθούμε ότι η θεωρία αυτή έθεσε ως αξίωμα ότι ζούμε
παγιδευμένοι στον τρισδιάστατο κόσμο μας, ο οποίος εμπεριέχεται μέσα σε χώρο
περισσοτέρων διαστάσεων. Στην πραγματικότητα κανένα από τα γνωστά μας αντικείμενα δεν
μπορεί να κινηθεί μέσα σ' αυτό το χώρο - ούτε τα ηλεκτρόνια, ούτε τα κουάρκς, ούτε
κανένας άλλος - εκτός από τη βαρύτητα. Μόνο αυτή μπορεί να διαδοθεί σε
περισσότερες διαστάσεις. Καθώς λοιπόν τα βαρυτόνια διαχέονται σ' αυτό το χώρο των
περισσσοτέρων διαστάσεων, ελαττώνεται ο αριθμός αυτών που απομένουν στον 3-διάστατο
κόσμο μας για ν' αναπτύξουν ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των υλικών αντικειμένων. Όταν
μειώνεται ο αριθμός των σωματιδίων φορέων, η αντίστοιχη δύναμη γίνεται ασθενέστερη.
Φαντασθείτε ότι είστε ένα βαρυτόνιο. Τα βαρυτόνια όπως και τα φωτόνια δεν έχουν μάζα και
ως άμαζα κινούνται με την ταχύτητα του φωτός. Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας ότι
κινείται με την ταχύτητα του φωτός δεν αντιλαμβάνεται την πάροδο του χρόνου. Σ' εσάς
λοιπόν που κινείστε με την ταχύτητα του φωτός το Σύμπαν σας φαίνεται θεμελιωδώς
μεγαλύτερο. Εσείς μπορείτε σε αντίθεση με τα άλλα σωματίδια να κινηθείτε σε μια ακόμη
διάσταση, την τέταρτη διάσταση του χώρου. Τώρα το μέγεθος και το σχήμα αυτής της
τέταρτης διάστασης είναι ακόμη αμφιλεγόμενα. Υπάρχουν δύο εναλλακτικές εκδοχές.
1) Η επιπλέον διάσταση είναι μικρή
και κυκλική, αν και όχι της ίδιας τάξης μεγέθους με τις πραγματικά μικροσκοπικές
διαστάσεις που συνδέονται με τη θεωρία χορδών.
Μπορεί να φτάνει σε μήκος το 1mm. Για τη σωματιδιακή φυσική το 1mm είναι ότι για την
καθημερινή μας εμπειρία η απόσταση της Γης από τον πλησιέστερο κβάζαρ. Πρόκειται για
εξαιρετικά μεγάλο μήκος. Γι αυτό το λόγο η θεωρία βρανών ονομάστηκε αρχικά, θεωρία των
μεγάλων πρόσθετων διαστάσεων. Κάθε επιπλέον διάσταση είναι κουλουριασμένη σε ένα κύκλο.
Έτσι αν είσαστε βαρυόνιο θα μπορούσατε να κινηθείτε σ' αυτή την κυκλική διάσταση σε κάθε
σημείο του χώρου, ενώ ταυτόχρονα θα κινείστε σε μια ευθεία γραμμή μέσα στις γνωστές μας
τρεις διαστάσεις.
2) Η πρόσθετη διάσταση είναι άπειρου μεγέθους.
Είμαστε εξοικειωμένοι με τις άπειρες διαστάσεις. Στην
πραγματικότητα οι τυπικές διαστάσεις μέσα στις οποίες κινούμαστε στην καθημερινή
μας εμπειρία φαίνονται άπειρου μεγέθους. Θα μπορούσαμε θεωρητικά να επιλέξουμε μια
κατεύθυνση - ας πούμε προς τα επάνω - και να κινηθούμε πάνω σ' αυτήν για πάντα χωρίς
ποτέ να επιστρέψουμε στην ίδια θέση, χωρίς ποτέ να καταλήξουμε σε κάποιο τέλος. Όταν η
Lisa Randall και ο Raman Sundrum - που
σήμερα εργάζονται στο Harvard και στο John Hopkins αντίστοιχα - πρότειναν για πρώτη φορά
την πιθανότητα μιας άπειρης τέταρτης διάστασης, το 1999, ήταν η πρώτη φορά που θεωρήθηκε
βάσιμο το ενδεχόμενο η επιπρόσθετη διάσταση να μη χρειάζεται να είναι μικροσκοπική για
να παραμένει αόρατη. Εάν μόνο τα βαρυόνια μπορούν να κινηθούν σ' αυτήν την επιπλέον
διάσταση, τότε θα μπορούσε να είναι απόλυτα ευθύγραμμη και άπειρου μεγέθους, χωρίς ποτέ
να μπορούμε να το διαπιστώσουμε. Η πρόταση αυτή έχει το πλεονέκτημα ότι εισηγείται μια
νέα διάσταση απόλυτα όμοια με τις συνηθισμένες που γνωρίζουμε καλά. Με τη μόνη διαφορά
ότι μόνο τα βαρυόνια την αισθάνονται.
Υπάρχει και μια τρίτη εναλλακτική εκδοχή, διαφέρει όμως ουσιωδώς από τις δύο παραπάνω.
Παρατηρείστε ότι οι δύο αυτές απαιτούν μια μόνο επιπλέον διάσταση. (Σε κάποιες
παραλλαγές αυτών των θεωριών προτείνεται η ύπαρξη δύο ή τριών - η μία όμως από αυτές
είναι απαραίτητη). Ο λόγος είναι ότι η βαρύτητα χρειάζεται αρκετό επιπλέον χωροχρόνο για
να διαχυθεί και να εξασθενήσει. Η περίπλοκη δομή που θ' αποδώσετε στον χώρο αυτό - είτε
βάσει της θεωρίας των χορδών, είτε βάσει μιας άλλης θεωρίας που ονομάζεται υπερσυμμετρία
είτε επιλέγοντας κάποια τρίτη, εντελώς διαφορετική - αποτελεί ουσιαστικά λεπτομέρεια.
Αυτή όμως η τρίτη εναλλακτική εκδοχή δεν αποτελεί απλώς συνδυασμό της θεωρίας των χορδών
και της θεωρίας βρανών, έναν τρόπο να εντάξουμε καινοτόμες ιδέες στο ίδιο εννοιολογικό
πλαίσιο. Σύμφωνα με αυτή την εκδοχή, οι πρόσθετες διαστάσεις είναι δύο, ευθύγραμμες και
πεπερασμένες, οι οπίες μας οδηγούν σε ένα παράλληλο Σύμπαν.
Θυμάστε ότι η θεωρία των χορδών αξιώνει ότι ζούμε σε ένα κόσμο 10 διαστάσεων;
Φαντασθείτε λοιπόν ότι αντί να ζούμε σ' ένα 4-διάστατο χώρο (3 χωρικές και 1 χρονική
διάσταση) και οι υπόλοιπες 6 διαστάσεις να είναι κουλουριασμένες σε τόσο μικρά
σφαιρίδια, που δεν υπάρχει περίπτωση να τις παρατηρήσουμε ποτέ άμεσα, υπάρχου δύο
4-διάστατοι χώροι: Ο δικός μας και ένας άλλος που βρίσκεται σε μικρή απόσταση από τον
πρώτο. Μια 2-διάστατη επιφάνεια συνδέει αυτές τις δύο βράνες, άρα οι διαστάσεις είναι
4+4+2 = 10. Το συμπέρασμα είναι ότι ανέκαθεν υπήρχε μια άλλη βράνη, σε απόσταση ενός mm
περίπου από τη δική μας, στην οποία δεν θα μπορούσαμε ποτέ να ταξιδέψουμε επειδή δεν
είμαστε βαρυτόνια. Είναι το είδος των υποθέσεων το οποίο όσοι ασχολούνται με τη θεωρία
των χορδών δεν αποκαλούν "ξεκάθαρα γελοίο" αλλά παραφράζοντάς το "στρυφνό,
εφιαλτικό σενάριο"! Είναι πάντως συνεπής από μαθηματική άποψη, ακόμη κι αν συνθλίβει την
κοινή λογική μας.
Όσα περιέγραψα αποτελούν πραγματικά τις εμπειρίες ενός φανταστικού
ταξιδιού, για να χρησιμοποιήσω μετριοπαθή έκφραση. Αυτές οι θεωρίες αγγίζουν τα όρια της
ανθρώπινης λογικής. Κανείς δεν γνωρίζει αν κάποια από αυτές ισχύει πραγματικά, επειδή
κανείς δεν έχει προσδιορίσει πως θα μπορούσαμε να ελέγξουμε την αλήθεια τους με βάση το
φυσικό κόσμο. Αυτές οι θεωρίες όμως θα αποσαφηνιστούν προοδευτικά τόσο σ' αυτούς που τις
επεξεργάζονται όσο και σε μας. Η φιλοδοξία είναι να κατασκευαστεί μια Αληθινή θεωρία του
Σύμπαντος, η οποία θα περιγράφει ένα Σύμπαν το οποίο θα μπορούμε να κατανοήσουμε πλήρως,
χωρίς όμως σήμερα να μπορούμε να το φανταστούμε πως θα είναι.
|
