Πώς να απεικονίσουμε το πολυσύμπαν
Μέρος 2ο

Άρθρο, Μάιος 2009

1o, 2ο, 3ο

Τα άλλα αδιάσειστα επιχειρήματα για το πολυσύμπαν προέρχονται από τη θεωρία χορδών. Αυτή υποστηρίζει ότι όλα τα θεμελιώδη σωματίδια της ύλης και οι δυνάμεις της φύσης προκύπτουν από τις δονήσεις μικροσκοπικών χορδών σε 10 διαστάσεις. Για να μην παρατηρούμε τις επιπλέον έξι διαστάσεις του χώρου, πρέπει αυτές να είναι περιτυλιγμένες, ή συμπιεσμένες τόσο πολύ ώστε να μην είναι ανιχνεύσιμες. Για δεκαετίες, οι μαθηματικοί εργάζονταν επίπονα για να βρουν πόσες διαφορετικές μορφές συμπίεσης των επιπλέον διαστάσεων θα μπορούσαν να πάρουν, και βρήκαν μυριάδες τρόπους που θα μπορούσαν να 'ζαρώσουν' τον χωροχρόνο - ένα εντυπωσιακό νούμερο των 10⁵⁰⁰  τρόπων ή και περισσότερο ακόμα.

Κάθε σχήμα συμπίεσης των επιπλέον διαστάσεων συνεπάγεται ένα διαφορετικό κενό του χωροχρόνου και, κατά συνέπεια, ένα διαφορετικό σύμπαν - με την δική του ενέργεια του κενού, τα δικά του θεμελιώδη σωματίδια και νόμους της φυσικής. Η ελπίδα, που γεννήθηκε από τον Greene και άλλους, ήταν ότι υπήρχε κάποιο είδος μοναδικής αρχής που θα επιλέξει τη συγκεκριμένη μορφή του χωροχρόνου που θα παράγει το δικό μας σύμπαν.

Η ελπίδα αυτή, από τότε υποχώρησε δραματικά. Το 2004, ο Michael Douglas του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης και ο Leonard Susskind του Στάνφορντ αποτίμησαν τις εξελίξεις στην θεωρία των χορδών μέχρι σήμερα και κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι όλες αυτές οι θεωρητικές ποικιλίες του χωροχρόνου θα πρέπει να ληφθούν σοβαρά υπόψη ως φυσικές πραγματικότητες - με άλλα λόγια, αυτές υποδηλώνουν ένα πολυσύμπαν. Ο Susskind επινόησε τον όρο "το τοπίο της θεωρίας χορδών" για να περιγράψει τις 10⁵⁰⁰ ή και περισσότερα διαφορετικά σύμπαντα με διαφορετική τιμή ενέργειας ψευδοκενού. Τίποτα στην θεωρία χορδών δεν προτείνει ότι κάθε ένα από αυτά τα σύμπαντα προτιμάται έναντι ενός άλλου. Αντίθετα, φαίνεται ότι όλα είναι εξίσου πιθανά.

Συγχρόνως, η σκοτεινή ενέργεια και η θεωρία χορδών κάνουν τους φυσικούς να βλέπουν ξανά την ιδέα του πολυσύμπαντος.

"Ο καθένας μας έχει πειστεί πως η ιδέα της μοναδικότητας (η αιτία που αναγκάζει τις σταθερές του σύμπαντος μας να έχει ορισμένες τιμές με σκοπό την δημιουργία των άστρων, των γαλαξιών κλπ) έχει πετάξει", λέει ο Susskind. Τι θα κάνουμε λοιπόν; Να σηκώσουμε τα χέρια μας ψηλά και να παραδεχτούμε ότι δεν θα είμαστε ποτέ σε θέση να εξηγήσουμε γιατί το δικό μας σύμπαν είναι έτσι όπως είναι;

Η διερεύνηση του τοπίου

Όχι βέβαια. Ο Susskind ισχυρίζεται ότι μπορούμε ακόμη να κάνουμε ουσιαστικές ερωτήσεις στο πλαίσιο του πολυσύμπαντος, απλώς όχι αυτές που ρωτάμε σαν να ήταν το δικό μας σύμπαν μοναδικό. Ερωτήσεις όπως: μπορούμε να προσδιορίσουμε το ακριβές σημείο του τοπίου που αντιστοιχεί στο σύμπαν μας, ή τουλάχιστον τα μέρη του τοπίου που μοιάζουν περισσότερο με το σύμπαν μας; Είναι δυνατόν να πούμε ποιές από τις ιδιότητες του σύμπαντος μπορεί να προέρχονται από τις βασικές αρχές και ποιές είναι τυχαίες;

Επίσης, μπορούμε να βρούμε τα μέρη του τοπίου με τις κατάλληλες συνθήκες ώστε να υπάρχει αιώνιος πληθωρισμός; Ωστόσο, το τοπίο και ο αιώνιος πληθωρισμός είναι ανεξάρτητες έννοιες. Αν επιβεβαιώσουμε ότι είναι συμβατές θα προσέδιδε μεγαλύτερη αξιοπιστία στην ιδέα του πολυσύμπαντος.

Αυτές δεν είναι ασήμαντες ερωτήσεις, αλλά οι θεωρητικοί των χορδών ανταποκρίνονται στην πρόκληση για την εξερεύνηση του τοπίου. Πάντως, η εξερεύνηση μιας συλλογής από 10⁵⁰⁰ σύμπαντα δεν είναι ζήτημα να παραθέσουμε τις ιδιότητες του κάθε ενός από αυτά. "Εμείς απλά δεν μπορούν να κάνουμε μια λίστα με 10⁵⁰⁰ πράγματα," λέει ο νομπελίστας Steven Weinberg του Πανεπιστημίου του Τέξας. "Είναι ένα νούμερο μεγαλύτερο και από τον αριθμό των ατόμων στο παρατηρήσιμο Σύμπαν."

Η πρώτη γραμμή της επίθεσης ήταν να αναπτυχθούν μαθηματικά μοντέλα για το τοπίο με τα αναρίθμητα δυνατά σύμπαντα. Αυτά περιγράφουν το τοπίο σαν ένα έδαφος με λόφους και κοιλάδες, όπου κάθε κοιλάδα αντιπροσωπεύει ένα τόπο με τις δικές του παραμέτρους (όπως η μάζα του ηλεκτρονίου) και πεδία (όπως η βαρύτητα).

Πώς λοιπόν ένα σύμπαν αναπτύσσεται σύμφωνα με το σενάριο αυτό, και τι μπορεί να μας πει σχετικά με το δικό μας; Φανταστείτε το σύμπαν καθώς αυτό ξεκινά ως ένα στίγμα του χωροχρόνου. Αυτό το βρέφος σύμπαν είναι γεμάτο με πεδία, των οποίων οι ιδιότητες αλλάζουν κάτι που οφείλεται στις κβαντικές διακυμάνσεις. Αν οι συνθήκες είναι ώριμες για τον πληθωρισμό, το 'στίγμα' θα μεγαλώσει και αυτό θα αλλοιώσει τον χαρακτήρα του. Ανάλογα με το μεταβαλλόμενο περιβάλλον μέσα στο εσωτερικό του αναδυόμενου σύμπαντος, η πληθωριστική διαδικασία θα μπορούσε να σταματήσει, να συνεχίσει με εντατικούς ρυθμούς ή ακόμη και να ξεπηδήσουν άλλα στίγματα του χωροχρόνου.

Σύμφωνα με την εικόνα του τοπίου της θεωρίας χορδών, το βρέφος σύμπαν ξεκινά σε μια κοιλάδα (με χαμηλή ενέργεια). Οι κβαντικές διακυμάνσεις στη συνέχεια μπορούν να αναγκάσουν ολόκληρο το σύμπαν να διαβεί μια 'σήραγγα' μέσω ενός γειτονικού λόφου, ώστε τελικά να καταλήξει σε μια άλλη κοιλάδα με διαφορετικές ιδιότητες. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται, με το σύμπαν να ανοίγει σήραγγα από κοιλάδα σε κοιλάδα, έως ότου φθάσει σε ένα χώρο αρκετά σταθερό ώστε να τρέξει ο πληθωρισμός κανονικά.

Με δεδομένο αυτό το σενάριο, μία από τις πιο σημαντικές αποστολές είναι η συμφιλίωση του αιώνιου πληθωρισμού με το τοπίο των χορδών. "Η συνολική εικόνα μπορεί να συνοψιστεί σε ένα ζήτημα: υπάρχει αιώνιος πληθωρισμός στο τοπίο;" λέει ο Henry Tye του Πανεπιστημίου Cornell της Νέας Υόρκης. Στο μοντέλο του αιώνιου πληθωρισμού του Linde, το στίγμα του χωροχρόνου ξεκινά με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα. Η ενεργειακή πυκνότητα του μειώνεται με αργό ρυθμό όσο χρονικό διάστημα διαστέλλεται. Το ζήτημα είναι να βρεθεί μια σχετική διάταξη του χωροχρόνου ανάμεσα στα 10⁵⁰⁰ δυνατά σύμπαντα που ταιριάζουν με τις απαιτήσεις του Linde για τον αιώνιο πληθωρισμό.

Μέχρι πρόσφατα, αυτό φαινόταν αδύνατο. Όμως την τελευταία χρονιά οι Eva Silverstein και Alexander Westphal του Στάνφορντ εντόπισαν δύο σημεία να παρουσιάζονται μέσα στο τοπίο της εκδοχής του Linde για τον αιώνιο πληθωρισμό.

1o, 2ο, 3ο