Εξερευνώντας τη Σκοτεινή Ενέργεια και το Σύμπαν

Πηγή:Rednova, 25 Φεβρουαρίου 2005

Μερικά αστρονομικά αντικείμενα είναι τόσο ψυχρά που το μεθάνιο παγώνει, άλλα είναι τόσο καυτά στα οποία γίνονται πυρηνικές αντιδράσεις . Και έπειτα υπάρχει και η Γη με μια φιλόξενη θερμοκρασία που βρίσκεται σε μια στενή περιοχή μεταξύ της ψύξης και του βρασμού του νερού, επιτρέποντας έτσι να υπάρχει υγρό νερό το τόσο πολύτιμο για τη ζωή.

"Δεν υπάρχει αντίρρηση ότι υπάρχουν πολλά πράγματα στο Σύμπαν, που εάν ήταν πάρα πολύ διαφορετικά, ακόμα και ελάχιστα διαφορετικά, δεν θα μπορούσε να υπάρξει ζωή, η ευφυής ζωή δεν θα μπορούσε να υπάρχει", λέει ένας φυσικός του Πανεπιστημίου Stanford καθηγητής Leonard Susskind, ο οποίος δημοσίευσε ένα βιβλίο με τίτλο 'Το Σύμπαν είναι αληθινά μια απίστευτα καλορυθμισμένη τοποθεσία"..

Η σκοτεινή ενέργεια -- μια μυστήρια δύναμη που αναγκάζει την ύλη να επιταχύνεται μακριά από την άλλή ύλη -- είναι το θέμα που εξετάζεται. Τροφοδοτεί την διαστολή του Κόσμου μας, αλλά είναι μια παραδόξως μικρή δύναμη. Αλλά εάν ήταν λόγο μεγαλύτερη και ανάγκαζε την ύλη να απομακρύνεται λίγο γρηγορότερα, δεν επρόκειτο να είστε εδώ και να διαβάζατε αυτές τις λέξεις.

Στις 18 Φεβρουαρίου ο Susskind μίλησε για τη σκοτεινή ενέργεια στην Ουάσιγκτον, στη συνεδρίαση της Αμερικανικής Ένωσης για την Πρόοδο της Επιστήμης.

Υπήρχαν κι άλλοι που συμμετείχαν στην συνεδρίαση. Οι Sean Carroll και John Carlstrom από το πανεπιστήμιο του Σικάγου, ο Adam Riess του Επιστημονικού Ινστιτούτου Διαστημικών Τηλεσκοπίων, η Licia Verde του πανεπιστημίου της Πενσυλβανίας και ο Georgi Dvali του πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης.

Έδωσαν στον κόσμο να καταλάβει με ποιο τρόπο οι κοσμολόγοι παρατηρούν τις σουπερνόβες, τα σμήνη των γαλαξιών, τις μεγάλης κλίμακας αστρονομικές δομές και το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων με σκοπό να καταλάβουν καλύτερα τη φύση και την εξέλιξη της σκοτεινής ενέργειας. Επιπλέον, ερευνούν τις νέες ιδέες για το διάστημα και το χρόνο για να απαντηθούν τα βαθιά ερωτήματα που εγείρονται για την ύπαρξη της σκοτεινής ενέργειας.

Η σκοτεινή ενέργεια δεν υπάρχει μόνο αλλά εξουσιάζει το Σύμπαν. Μόνο το 5% του Σύμπαντος είναι συνηθισμένη ύλη. Άλλα 25% είναι σκοτεινή ύλη -- που οι επιστήμονες δεν μπορούν να τη δουν αλλά η παρουσία της οποίας φαίνεται από τη βαρυτικά αποτελέσματα της στην περιστροφή και τη συγκέντρωση των γαλαξιών. Και το 70% του Κόσμου είναι η σκοτεινή ενέργεια.

Η διασημότερη εξίσωση της φυσικής, Ε = mc², δείχνει ότι η ενέργεια και η ύλη σχετίζονται. Όταν το Σύμπαν επεκτείνεται, τα μόρια της ύλης αραιώνουν, ή καταλαμβάνουν λιγότερο χώρο σε έναν δεδομένο όγκο. Η συνηθισμένη ενέργεια, επομένως, αραιώνει όταν το Σύμπαν επεκτείνεται.

Αντίθετα, η σκοτεινή ενέργεια -- που ονομάζεται και ενέργεια του κενού -- είναι μια ιδιότητα του κενού διαστήματος. Όταν το κενό διάστημα επεκτείνεται, αντικαθίσταται ακριβώς με περισσότερο κενό διάστημα, αυτό δεν αραιώνει. Έτσι η σκοτεινή ενέργεια είναι μια μορφή ενέργειας που δεν αραιώνει καθώς ο Κόσμος επεκτείνεται.

"Τελικά όταν το Σύμπαν επεκταθεί αρκετά, αυτό που θα μείνει τελικά θα είναι η σκοτεινή ενέργεια", προβλέπει ο Susskind.

Εισαγωγή της θεωρίας χορδών

Η σκοτεινή ενέργεια είναι μια απωστική δύναμη, μια αντιβαρύτητα, που αναγκάζει όλα τα σώματα να απωθούνται από όλα τα άλλα. Αυτή η δύναμη είναι αναπόφευκτη στις εξισώσεις των φυσικών, αλλά είναι πολλές, πολλές τάξεις μεγέθους μικρότερη από όσο μπορεί να εξηγηθεί από τις καθιερωμένες θεωρίες.

Εισήλθε στη θεωρία χορδών, την οποία πρότειναν οι Susskind και Yoichiro Nambu το 1969. Ενώ εμείς παρατηρούμε τρεις μόνο χωρικές διαστάσεις και μία του χρόνου, η θεωρία χορδών προϋποθέτει 10 διαστάσεις του χώρου και μιας για το χρόνο. Οι πρόσθετες διαστάσεις είναι περιτυλιγμένες ή συμπαγοποιημένες, σε διαστάσεις πάρα πολύ μικρές για να μπορούμε να τις ανιχνεύσουμε ,αλλά οι δομές των οποίων είναι σημαντικές στους νόμους της φυσικής. 

Η περιγραφή των συμπαγοποιημένων διαστάσεων είναι σύνθετη. "Έχουμε τα παραδείγματα συστημάτων στη φύση που έχουν χιλιάδες βαθμούς ελευθερίας", αναφέρει ο Susskind, αναφέροντας σαν παράδειγμα ένα μόριο που αποτελείται από χίλια άτομα. "Πόσα ενεργειακά επίπεδα, πόσα κβαντικές καταστάσεις, έχει ένα τέτοιο μόριο; Η απάντηση μπορεί να είναι πάρα πολύ υψηλή, υπάρχουν 10¹⁰⁰⁰ δυνατότητες για να οργανωθούν αυτά τα άτομα. Με τον ίδιο τρόπο, υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός πιθανών τρόπων οργάνωσης αυτών των συμπαγοποιημένων διαστάσεων Και επειδή υπάρχουν τόσοι πολλοί τρόποι, υπάρχουν πολλοί, πολλά ενεργειακά επίπεδα. Για το μόριο, υπάρχουν πολλές πιθανές τιμές για την ενέργεια, ενώ υπάρχουν 10⁵⁰⁰ πιθανές τιμές της ενέργειας του κενού".

Η σκοτεινή ενέργεια θέτει μεγάλες προκλήσεις και ευκαιρίες στη φυσική και την κοσμολογία και μπορεί να κρατεί το κλειδί στη ενοποίηση της κβαντικής μηχανικής και τη βαρύτητα, λέει ο Susskind.

Υπάρχουν μικρά σύμπαντα, τσέπης;

Τα τελευταία χρόνια, μερικοί φυσικοί έχουν προτείνει ότι αντί να υπάρχει ένα Σύμπαν με ένα σύνολο φυσικών νόμων, η θεωρία χορδών μπορεί να θέσει τα θεμέλια για την πιθανότητα να υπάρχουν αναρίθμητα σύμπαντα τσέπης, το κάθε ένα με τους δικούς του φυσικούς νόμους. 

"Η λέξη "σύμπαν" δεν είχε παλιά προφανώς πληθυντικό αριθμό, αλλά η επιστήμη έχει εξελιχθεί κατά τέτοιο τρόπο ώστε χρειαζόμαστε να φτιάξουμε τον πληθυντικό αριθμό του σύμπαντος γι αυτό που καλούμε συνήθως Κόσμος", εξήγησε ο Susskind. "Ο Alan Guth έπλασε το όνομα "σύμπαν τσέπης", που σημαίνει ένα τμήμα του διαστήματος, μια περιοχή του διαστήματος, πέρα από την οποία το περιβάλλον είναι ομοιόμορφο, οι νόμοι της φύσης είναι ομοιόμορφος, οι σταθερές της φύσης είναι ομοιόμορφες, και ότι αυτές οι περιοχές του διαστήματος είναι λίγο πολύ ευπροσδιόριστες με αυτό που συνηθίσαμε να ονομάζουμε Σύμπαν. Έτσι χρειαζόμαστε τώρα έναν πληθυντικό για την έννοια Σύμπαν εάν πιστεύουμε ότι το διάστημα είναι γεμάτο από πολλά περιβάλλοντα με διαφορετικές ιδιότητες και διαφορετικούς νόμους της φυσικής".

Σήμερα, η θεωρία χορδών αντιμετωπίζεται με δυσκολία μέσα στην επικρατούσα τάση της φυσικής. Ο αριθμός των πιθανών ενεργειακών καταστάσεων 10⁵⁰⁰ στη θεωρία χορδών είναι συνολικά απροσδόκητος, λέει ο Susskind. "Υπήρχε συνεχώς μια αίσθηση ότι θα υπήρχε μόνο μία, ή κάποιος πολύ μικρός αριθμός, νόμιμων λύσεων της θεωρίας. Ο Ed Witten - ένας φυσικός φημισμένος για τη μαθηματική ικανότητά του - δούλεψε πολύ σκληρά για να δείξει ότι υπήρχε ένας πολύ μικρός αριθμός μόνο, και αυτός απέτυχε εντελώς".

Αλλά η λύση δεν θα έρθει μάλλον σύντομα. λέει ο Susskind: "Ολοένα και περισσότεροι καθώς περνά ο χρόνος, οι αντίπαλοι της ιδέας αναγνωρίζουν ότι είναι απλά σε μια κατάσταση κατάθλιψης και απογοήτευσης. Όλο και περισσότεροι άνθρωποι αρχίζουν να σκέφτονται για αυτήν την πιθανότητα. Αλλά πρόκειται για μια σημαντική αλλαγή πλεύσης στις θέσεις των θεωρητικών φυσικών. Αυτό σημαίνει ότι έχουμε ένα μαθηματικό πλαίσιο να σκεφτούμε για αυτό. Έχουμε ένα βασικό σύνολο ακριβών εννοιών να το σκεφτούμε, και σημαίνει ότι στο μέλλον θα ξέρουμε την αλήθεια."