Επιστροφή του αιθέρα για να αντικαταστήσει την σκοτεινή ύλη

Πηγή: New Scientist, 25 Αυγούστου 2006

Το 1887 έγινε το διάσημο πείραμα των Albert Michelson και Edward Morley στο οποίο βρέθηκαν εντελώς απρόβλεπτα αποτελέσματα: το φως πάνω στην κινούμενη γη διαδίδεται προς όλες τις κατευθύνσεις με την ίδια ταχύτητα. Το πείραμά τους απέδειξε μεταξύ των άλλων ότι δεν υπάρχει αιθέρας, ένα υλικό που με τις τότε δοξασίες εισχωρούσε σε όλο το χώρο, ένα βήμα για το κτίσιμο της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας του Einstein.

Σήμερα όμως ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Cleveland στο  Οχάιο, ο Glenn Starkman, προτείνει μια νέα θεωρία που θα έφερνε τον αιθέρα πίσω στο προσκήνιο. Ενώ αυτή η άποψη θα προκαλούσε τον Αϊνστάιν, ο αιθέρας του Starkman θα απομάκρυνε την ανάγκη για την σκοτεινή ύλη.

Οι φυσικοί του 19ου αιώνα θεώρησαν ότι όπως ακριβώς τα ηχητικά κύματα διαδίδονται μέσα στον αέρα, έτσι και τα φωτεινά κύματα πρέπει να κινούνται μέσω μιας φυσικής ουσίας που εισχωρεί παντού, την οποία ονόμασαν αιθέρα. Εντούτοις, το κλασσικό πείραμα των Michelson-Morley απέτυχε να βρει οποιαδήποτε σημάδια αυτού του αιθέρα, και 18 χρόνια μετά από αυτό το πείραμα, η ειδική σχετικότητα του Αϊνστάιν υποστήριξε ότι το φως διαδίδεται και μέσω του κενού. Η ιδέα του αιθέρα εγκαταλείφθηκε - αλλά φαίνεται όχι συνολικά.

Ο Starkman, μαζί με τους συνάδελφους του Tom Zlosnik και Pedro Ferreira του πανεπιστημίου της Οξφόρδης, αναγεννούν τον αιθέρα σε μια νέα μορφή για να λύσουν το γρίφο της σκοτεινής ύλης. Τη μυστήρια ουσία που προτάθηκε για να εξηγήσει γιατί οι γαλαξίες φαίνονται να περιέχουν πολύ περισσότερη μάζα από αυτή που υπολογίζεται από την ορατή ύλη.

Προϋποθέτουν έναν αιθέρα που είναι ένα πεδίο, κι όχι μια ουσία, κάτι που εισχωρεί στον χωρόχρονο. "Εάν αφαιρέσετε όλα τα άλλα στον κόσμο, ο αιθέρας θα ήταν ακόμα εκεί", λέει ο Zlosnik. Αυτό το πεδίο του αιθέρα δεν έχει να κάνει με το φως, αλλά μάλλον είναι κάτι που ενισχύει τη βαρυτική έλξη των άστρων και των γαλαξιών, που τους κάνει να φαίνονται βαρύτεροι, εξηγεί ο Starkman.

Αυτή την έλξη την επιτυγχάνει με την αύξηση της ευελιξίας του ίδιου του χωρόχρονου. "Φανταζόμαστε συνήθως το χωρόχρονο ως ένα λαστιχένιο φύλλο που στρεβλώνει από ένα αντικείμενο με μεγάλη μάζα", λέει ο Starkman. "Ο αιθέρας κάνει αυτό το 'λαστιχένιο φύλλο' να κάμπτεται καλύτερα πλευρικά, έτσι η ύλη μπορεί να φανεί ότι έχει μια πολύ μεγαλύτερη βαρυτική επίδραση από αυτή που θα αναμέναμε από το βάρος της." Οι υπολογισμοί της ομάδας δείχνουν ότι η προκληθείσα ώθηση της βαρύτητας από αυτό τον αιθέρα, θα εξηγούσε τις παρατηρηθείσες υψηλές ταχύτητες των άστρων στους γαλαξίες, που αποδίδονται αυτήν την περίοδο στην παρουσία της σκοτεινής ύλης.

Αυτή δεν είναι η πρώτη φορά που οι φυσικοί έχουν προτείνει την τροποποίηση της βαρύτητας για να διώξουν την απαρατήρητη σκοτεινή ύλη. Η ιδέα προτάθηκε αρχικά από τον Mordehai Milgrom που ήταν στο πανεπιστήμιο του Princeton στη δεκαετία του '80. Πρότεινε ότι ο νόμος του αντιστρόφου του τετραγώνου της βαρύτητας εφαρμόζει μόνο εκεί όπου η επιτάχυνση που προκαλείται από το πεδίο είναι πάνω από ένα ορισμένο κατώτατο όριο, για παράδειγμα a0. Κάτω από αυτή την τιμή, το πεδίο μειώνεται πιο αργά, κάτι που εξηγεί την παρατηρηθείσα πρόσθετη βαρύτητα. "Δεν ήταν πραγματικά μια θεωρία, ήταν μια εικασία", λέει ο κοσμολόγος Sean Carroll που διδάσκει στο πανεπιστήμιο του Σικάγου στο Ιλλινόις.

Κατόπιν το 2004 αυτή η ιδέα της τροποποιημένης νευτώνειας δυναμικής (MOND) συμφιλιώθηκε με τη γενική σχετικότητα από τον Jacob Bekenstein στο εβραϊκό πανεπιστήμιο στην Ιερουσαλήμ, γεγονός που κάνει τη θεωρία MOND έναν γνήσιο υποψήφιο στα μάτια μερικών φυσικών. Η εργασία του Bekenstein ήταν λαμπρή, αλλά περίπλοκη, με τη χρησιμοποίηση πολλών διαφορετικών και αυθαίρετων πεδίων καθώς και παραμέτρων", λέει ο Ferreira. "Την θεωρήσαμε ότι ήταν περίπλοκη έτσι δεν θα μπορούσε να είναι η τελική θεωρία".

Τώρα η ομάδα του Starkman έχει αναπαραγάγει τα αποτελέσματα του Bekenstein χρησιμοποιώντας μόνο ένα πεδίο - ο νέος αιθέρας (http://www.arxiv.org/astro-ph/0607411). Ακόμα πιο δραματικά, οι υπολογισμοί αποκαλύπτουν μια στενή σχέση μεταξύ του κατώτερου ορίου της επιτάχυνσης a0 - που εξαρτάται από τον αιθέρα - και του ρυθμού διαστολής (επιτάχυνση) του κόσμου. Οι αστρονόμοι έχουν αποδώσει αυτήν την επιτάχυνση στην αποκαλούμενη σκοτεινή ενέργεια, έτσι υπάρχει μια αίσθηση ότι ο αιθέρας συσχετίζεται με αυτήν την οντότητα. Αυτό που έχουν βρει με αυτή τη σύνδεση είναι ένα αληθινά βαθύ γεγονός τονίζει ο Bekenstein. Η ομάδα ερευνά τώρα πώς μπορεί ο αιθέρας να αναγκάσει την διαστολή του σύμπαντος να επιταχύνεται.

Ο Andreas Albrecht, ένας κοσμολόγος στο πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Νταίηβις, θεωρεί ότι αυτό το μοντέλο του αιθέρα αξίζει μεγαλύτερη ανάλυση. "Έχουμε χτυπήσει μερικά πραγματικά βαθιά προβλήματα στην κοσμολογία, με την σκοτεινή ύλη και την σκοτεινή ενέργεια", λέει. "Αυτό μας λέει ότι εμείς πρέπει να ξανασκεφτούμε τη θεμελιώδη φυσική και να δοκιμάσουμε κάτι νέο."

Και ο Bekenstein και ο Albrecht λένε ότι η ομάδα του Starkman πρέπει τώρα προσεκτικά να ελέγξει εάν η θεωρία του αιθέρα ταιριάζει με τις κινήσεις των πλανητών μέσα στο ηλιακό σύστημά μας, οι οποίες είναι γνωστές με έναν υψηλό βαθμό ακρίβειας, και να εξηγήσουν επίσης τι ακριβώς είναι αυτός ο αιθέρας. Ο Ferreira συμφωνεί: "Το βάρος πέφτει σίγουρα σε μας για να στερεώσουμε αυτή την θεωρία για να μην μοιάζει με ακόμα μια φανταστική εξήγηση", συμπληρώνει.

Εντούτοις, οι φυσικοί μπορεί να είναι απρόθυμοι να αναστήσουν οποιοδήποτε είδος αιθέρα, επειδή αυτή έρχεται σε αντίθεση με την ειδική σχετικότητα με το σχηματισμό ενός απόλυτου πλαισίου της αναφοράς. "Και είναι ενδιαφέρον, ότι με αυτή την αμφισβητούμενη πτυχή θα πρέπει να είναι εύκολη η εξέταση της θεωρίας πειραματικά", λέει ο Carroll.